1.3 Выбор материала крепи. Расчёт крепи

1.3.1 Выбор материала крепи производится исходя из назначения срока службы выработки, величины и направления гонного давления, формы поперечного сечения горной выработки, конструкции крепи, требований правил безопасности.

Крепёжные материалы должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать высокой прочностью, быть устойчивым с течением времени, иметь не высокую стоимость, быть не огнеопасными и т.д.

Деревянная рамная крепь применяется при сроке службы до 2 – 3 лет в устойчивых и средней устойчивости породах. Металлическая рамная крепь применяется при сроке службы до 10 – 15 лет в разных горногеологических и горнотехнических условиях.

Монолитная бетонная и железобетонная крепь применяется в капитальных выработках, а сборная железобетонная и тюбинговая крепь – в капитальных и других выработках с большим сроком службы и в разных горногеологических и горнотехнических условиях.

В выработках с небольшим сроком службы (до 3 – 5 лет) в определённых условиях, с небольшой обводнённостью можно применять анкерные крепи, а также крепи из синтетических материалов.

1.3.2 Прочностный расчёт крепи.

Вначале производится расчёт горного давления. На величину горного давления влияет: свойства вмещающих пород и угля, мощность и угол падения пласта угля, угол наклона выработки, глубина ведения горных работ, близость очистных работ, обводнённость, срок службы выработки, форма и размеры поперечного сечения проектируемой выработки и другие факторы.

С учётом величины горного давления, параметров выработки, срока службы, назначения выработки производится выбор конструкции крепи, параметров крепи, её несущей способности, способов перетяжки кровли и боков при рамной крепи.

При применении рамных конструкций крепей рассчитывается расстояние между крепёжными рамами, диаметр элементов деревянных рам, плотность и шаг анкерной крепи, толщина стенок монолитной крепи и т.д.

В зависимости от конкретных горногеологических и горнотехнических условий применяются следующие способы расчёта величины горного давления и параметров крепи.

1.3.2.1 Горизонтальные и наклонные (до 30°) горные выработки, пройденные по однородным устойчивым породам (без подрывки), при крепости пород f ≥ 4 по шкале проф. М.М.Протодьяконова с рамной крепью.

Величина вертикального горного давления на 1 м горной выработки при сроке службы до 1 года определяется по формуле:

, ^кН/_м [2] с 71

При сроке службы более 1 года:

, ^кН/_м [2] с 71

где: a – половина ширины выработки в проходке, м

γ – объёмный вес пород кровли (плотность), ^кН/_м³

f – коэффициент крепости пород кровли по шкале проф. М.М.Протодьяконова

Расстояние между крепёжными рамами определяется по формуле:

, м [2] с 71

где: P – несущая способность крепёжной рамы, кН

P_в – вертикальное давление на 1 м длины выработки, кН

Несущая способность рамы из спецпрофиля (P) в зависимости от его типа принимается по таблице 2, см [1] с 77.

Окончательное расстояние между крепёжными рамами принимается согласно рекомендаций института ДонУГИ в зависимости от ширины арки (выработки) и крепости пород по таблице:

Таблица 2

Ширина арки по почве, мм (В)	Расстояние между арками (рамами) (L, м)
	f ≤ 3	f = 4 – 6	f = 7 – 9
2950 – 4750 4800 – 5200 5250 – 5440	0,8 0,5 0,5	1,0 0,8 0,5	1,25 1,0 0,8

Для арочных рамных крепей тип спецпрофиля выбирается в зависимости от площади поперечного сечения выработки в свету после осадки крепи: [1] с 76.

СВП-14 и СВП-17 – при S_св ≤ 7 м²;

СВП-19 и СВП-22 – при S_св = 7 – 10 м²;

СВП-27 и СВП-33 – при S_св ≥ 10 м²;

Марки крепей из спец профиля: КМП-АЗУ; КМП-А5У; КМП-Т и др.

При применении рамных крепей кровля выработки должна затягиваться сплошь, а бока выработки в зависимости от крепости пород: [2] с 106.

При f = 1 – 3 – бока затягиваются сплошь;

При f = 4 – 7 – бока затягиваются вразбежку;

При f ≥ 8 – бока не затягиваются.

В зависимости от срока службы выработки затяжка может применяться деревянная (до 2 – 3 лет), железобетонная (до 15 лет), металлическая решётчатая сварная и плетёная, а также рулонные стеклопластиковые ограждения.

В наклонных выработках крепёжные рамы устанавливают перпендикулярно к оси выработки. Величину вертикального горного давления определяют аналогично горизонтальным выработкам, а давление на раму рассчитывают по формуле:

, ^кН/_м; [2] с 72

где: P_в – вертикальное горное давление, ^кН/_м

α – угол наклона выработки, градус.

При углах наклона выработки до 45° в расчетах принимают действительный угол;

При углах наклона α = 45° - 75° - принимают угол 45°;

При углах наклона α > 75° - давление определяют как для вертикальных выработок [2] с 72.

1.3.2.2 Горизонтальные и наклонные выработки, пройденные по неустойчивым породам крепостью f ≤ 4 (в том числе с подрывкой пород пройденные по углю) с рамной крепью.

Величина вертикального горного давления на 1 м выработки определяется по формуле проф. П.М.Цимбаревича:

, ^кН/_м; [2] с 71

где: a – половина щирины выработки впроходке, м

b’ – высота свода обрушения, м

γ_к – плотность пород кровли, ^кН/_м³;

Высота свода обрушения (b’) определяется по формуле:

, м; [2] с 71

где: h – высота выработки в проходке, м

φ_б и φ_к – соответственно углы внутреннего трения пород в боках и кровле выработки, градус.

Угол внутреннего трения пород зависит от коэффициента крепости и принимается по таблице из условия, что [23] с 49

Таблица 3

Коэффициент крепости f φб	1	1.5	2	3	4	5
Угол внутреннего трения φ	45°	56°19’	63°26’	71°34’	75°58’	78°41’

Величина бокового горного давления на 1 м выработки определяется по формуле:

, ^кН/_м; [2] с 71

Обозначения прежние.

Расчёт нормального горного давления (на раму) в наклонных выработках смотри выше с учётом наклона выработки.

Расстояние между крепёжными рамами определяется аналогично по формуле в разделе 1.3.2.1

, м

и окончательно принимается по таблице 2.

1.3.2.3 Расчёт бетонной монолитной сводчатой крепи с вертикальными стенками

Для бетонной монолитной крепи с вертикальными стенками высоту свода (h₀) принимают равной ¹/₃ пролёта выработки в свету.

Толщину свода (d₀) в замке можно определить по формуле проф. М.М.Протодьяконова:

, см [22] с 33

где: a – полупролёт выработки в свету, см

ρ – допустимое напряжение бетона при сжатии, ^кг/_см²

ρ = 40 – 60 ^кг/_см² [22] с 33

f – коэффициент крепости пород

h₀ – высота свода бетонной крепи, см

Толщина свода в пяте d_n = (1,25 – 1,5)d₀, см; [22] с 23

Толщина стен d_c = (1– 2)d_n, см; [22] с 23

Ширина фундамента b = (1– 1,5)d_c, см; [22] с 23

В крепких породах ширина фундамента равна толщине стен.

Глубина заложения фундамента определяется по формуле:

, см; [22] 34

Обозначения прежние.

Согласно СНиП толщина свода в замке должна быть не менее 200 мм, стены – не менее 250 мм. Для бетонных крепей применяется тяжёлый бетон весом > 2300 ^кг/_м³ марок 150, 200, 300, 400, 500 [22] с 36.

1.3.2.4 Расчёт и выбор рамных податливых крепей горных выработок по Инструкции института ВНИМИ г. С.-Петербурга от 1991 г.

Инструкция распространяется на горизонтальные и наклонные (до 35°) выработки шириной в свету до 6 м, сечением до 20 м², на глубине до 1200 м.

Порядок выбора размеров поперечного сечения выработки в свету и расчёта параметров крепи следующий:

1. выбирают ширину выработки в свету по условиям габаритов транспорта, вентиляции, требований ПБ к зазорам и проходам [смотри раздел 1.2];

2. определяют приближённо размеры поперечного сечения выработки в проходке с учётом толщины и податливости крепи, толщины перетяжки и забутовочного материала. Для этого ширину выработки в свету увеличивают на 0,6 м, а высоту – на 0,5 м;

3. по типовым проектам выработок с учётом требуемых размеров в свету выбирается наиболее близкое сечение выработки. [Смотри альбомы «Унифицированные типовые сечения горных выработок» том I, II, III, IV];

4. рассчитывают ожидаемые смещения пород в кровле, боках и почве по сопротивлению на сжатие пород в массиве;

5. по максимальным смещениям пород на контуре выработки определяют нормативную и расчётную нагрузки на крепь, выбирают её тип, конструкцию и плотность установки.

Расчётное сопротивление сжатию слоёв пород в массиве определяется по формуле:

, МПа; [24] с 4

где: R – среднее значение сопротивления пород сжатию, МПа

К_с – коэффициент, учитывающий нарушенность массива пород

Среднее значение R определяется по формуле:

R = 10f, МПа; [24] c 5

К_с = 0,9 – при наличии пликативных нарушений

К_с = 0,6 – при наличии поблизости дизъюнктивных нарушений

К_с = 0,3 – в дизъюнктивных нарушениях [24] с 5

Эта формула справедлива, если выработка располагается в однородной породе.

Если в кровле выработки на расстоянии от контура до 1,5 В_пр, а в почве на расстоянии 1 В_пр залегают разные породы (В_пр – ширина выработки в проходке), то рассчитывается среднее значение R_c по формуле: (отдельно для кровли, почвы и боков выработки)

, МПа; [24] с 5

где: R_c1, … R_cn – расчётное сопротивление слоёв пород сжатию

m₁, … m_n – мощность слоёв пород, м

Если в кровле или почве выработки залегает слой однородных пород мощностью более 2м, то расчёт производят по прочности этого слоя, без учёта других слоёв пород.

Смещения пород кровли, почвы или боков вне влияния очистных работ рассчитываются по формулам:

, мм; [24] с 8

, мм

, мм

где: И_т.кр, И_т.пч, И_т.б – смещения пород, определяемые по графикам [24] с 9 [Смотри график №1]

К_а – коэффициент влияния угла залегания пород и направления проходки выработки, [24] с 9 [Таблица 4]

К_о – коэффициент, характеризующий влияние направления смещения пород, [24] с 9 [Таблица 4]

К_ш – коэффициент влияния ширины выработки.

К_ш для кровли и почвы определяется по формуле:

К_ш = 0,2(В_пр – 1) [24] c 10

К_ш для боков определяется по формуле:

К_ш = 0,2(h – 1) [24] c 10

В_пр, h – соответственно ширина и высота выработки в проходке, м

К_в – коэффициент воздействия других выработок

К_в = 1 для одиночных выработок

К_в = 1,4 для сопряжений с односторонним примыканием

К_в = 1,6 для сопряжений с пересекающимися выработками [24] с 10

К_t – коэффициент влияния времени на смещение пород

К_t = 1 при сроке службы выработки более 15 лет [24] с 11

К_t = 0,2 – 1 при сроке службы до 15 лет

Расчётная нагрузка на 1 м выработки со стороны кровли и почвы определяется по формуле:

, кПа; [24] с 11

Со стороны боков по формуле:

, кПа; [24] с 11

где: P_н – нормальная удельная нагрузка в зависимости от смещений пород и ширины выработки (высоты), кПа

Для рамной незамкнутой крепи P_н находят по смещениям пород кровли [см. таблица 5]

К_n – коэффициент степени надёжности

К_n = 1 – для подготовительных выработок

К_n = 1,1 – 1,4 – для вскрывающих выработок в зависимости от смещения [24] с 12

К_пр – коэффициент влияния способа проходки

К_пр = 0,6 – 1,0 при комбайновом способе

К_пр > 1 при других способах проходки [24] c 12

B, h – соответственно ширина и высота выработки в проходке, м

Тип крепи выбирается на основании ширины сечения выработки с учётом состояния пород кровли [см. 24] с 56

При устойчивых кровлях рекомендуется крепь с плоскими верхняками, а при неустойчивых – с верхняками арочной формы.

Для выбранной крепи по данной таблице находят величину её сопротивления в податливом режиме в зависимости от типа принятого замка (N).

Плотность установки рам металлической податливой и других рамных крепей на 1 м длины выработки находят по формуле:

, шт; [24] c 13

По полученному значению принимают фактическое ближайшее большое по паспортному ряду. Паспортная плотность крепи 0,8; 1,0; 1,1; 1,25; 1,33; 1,43; 1,67; 2,0; 2,25; 2,5; 3,0; 4,0.

Предельная плотность металлической податливой рамной крепи – 3 рамы на 1 м выработки.

Предельная плотность деревянной сборной и смешанной крепей – 4 рамы на 1 м выработки.

Расстояние между крепёжными рамами определяется как обратная величина плотности, т.е.

, м

Требования к перетяжке кровли и боков выработки аналогичны описанным выше (1.3.2.1).

Проверка выбранной крепи производится по величине её податливости исходя из технической её характеристики.

При этом податливость выбранной крепи должна быть больше или равна величине расчётного смещения пород кровли, т.е.

D ≥ И_о.кр., мм; [24] с 13

где: D – конструктивная податливость крепи, мм [по технической характеристике]

И_о.кр.- расчётное смещение пород кровли, мм

Приложения:

1. График для определения типового смещения пород [24] с 9

2. Таблица 4 для определения коэффициентов К_а и К_о

3. Таблица 5 для определения нормальной удельной нагрузки

Таблица 4. Значения коэффициентов К_а, К₀

Группа	Выработки	α ≤ 20º		α = 21 - 30º		α = 31 - 40º		α = 41 - 50º		α > 50º
		Ка	К0	Ка	К0	Ка	К0	Ка	К0	Ка	К0
1	Пластовые горизонтальные и наклонные, полевые горизонтальные, проведённые по простиранию	1,0	0,35	0,95	0,55	0,8	0,8	0,65	1,2	0,6	1,5
2	Полевые, проведённые под углом 30 – 70º к напластованию (простиранию) пород	0,85	0,45	0,8	0,65	0,65	0,9	0,45	1,05	0,35	1,1
3	То же, под углом 70 – 90º	0,7	0,55	0,6	0,8	0,45	0,95	0,25	0,95	0,2	0,8

Таблица 5 Нормальная удельная нагрузка P_н

Расчётные смещения пород U, мм	Pи, кПа, при ширине или высоте выработки, м
	3,0	3,2	3,4	3,6	4,0	4,2	4,4	5,0	5,4	5,6	6,0
50 и менее 75 100 150 200 250 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000	20 26 32 41 50 61 72 80 90 100 110 120 124 128 134 140 142 145 150 156 158 160 161 162	22 28 34 44 54 64 75 84 94 104 114 123 128 132 138 144 147 150 155 161 163 165 167 170	24 30 37 53 58 68 78 88 98 108 117 127 132 137 143 148 151 155 160 165 168 171 173 178	26 33 40 56 62 71 80 92 102 112 120 130 136 141 148 152 156 160 165 171 173 176 180 186	30 37 45 57 70 78 86 100 110 120 128 136 143 150 155 160 165 170 175 180 182 186 192 198	32 39 47 60 72 81 89 102 113 123 131 139 146 154 159 164 170 175 180 185 189 193 199 205	34 42 49 62 74 83 91 105 116 126 134 142 150 158 163 168 174 179 185 190 195 199 205 211	40 47 55 68 80 90 100 112 125 135 143 152 159 167 173 180 186 192 199 205 211 217 223 230	44 52 59 72 84 94 104 118 132 142 149 158 165 173 180 188 194 201 208 215 222 228 235 242	46 54 61 73 86 96 106 122 134 144 153 162 169 176 184 192 198 205 212 220 233 239 247 255	50 57 65 78 90 100 110 128 140 150 159 168 175 181 190 200 207 214 222 230 238 245 253 260