Лабораторная работа № 1

«Выбор формы поперечного сечения (ПС) горизонтальной

и наклонной горно-разведочной выработки (ГРВ) и материала

крепи по показателям устойчивости пород кровли и боков

выработки»

1. Краткая характеристика работы

В общем комплексе по проведению горных выработок выбор формы, материала и конструкции крепи занимает особое место, т.к. от правильности этого выбора зависят: устойчивость выработки, как в период её проведения, так и во время её дальнейшей эксплуатации, а также объёмы горных работ и сроки сооружения выработок, что напрямую связано с капитальными и эксплуатационными затратами.

2. Цель работы

Целью работы является приобретение практических навыков в выборе формы горной выработки по результатам расчётов по показателям устойчивости пород кровли и боков выработки.

3. Порядок выполнения работы

1. Исходные данные (вариант 24):

Таблица 1

Исходные данные для варианта № 24

№ Варианта	Наименование горных пород	Объёмная масса, γ, т/м3	Коэффициент Пуассона, μ	Водоприток, м3/час	Тип горной выработки	Длина выработки , L, м	Глубина заложения, H, м	Оборудование
								Погрузочная машина или скрепер	Перегружатель	Вагонетка	Электровоз (ручная)	Бурение шпуров
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
16	Песчаники медистые мелкозернистые с известково-кремнистым цементом с кливажны-ми отдельностями	2,55	0,25	7,0	квершлаг	180	250	ПДМ	-	-	-	УБШ-211Г

2. В соответствии с физико-механическими свойствами горных пород и условиями проведения выработки производим расчёт безразмерного параметра устойчивости П_у

№ Варианта	Наименование горных пород	Категории пород по трещиноватости	Коэффициент структурно-го ослабления, Ксо	Категория пород по буримости (по ЕНВ-77)	Предел прочности пород на сжатие, σсж, МПа	Коэффициент крепости по Протодьяконову, ƒ	Кажущийся угол внутрен-него трения (φ=arctg ƒ)	Коэффициент разрыхления, Кр	Объёмная масса, γ, т/м3	Коэффициент длительной прочности, ξ	Коэффициент Пуассона, μ	Коэффициент бокового распора, λ	Водоприток, м3/час	Тип горной выработки	Длина выработки , L, м	Глубина заложения, H, м	Оборудование
																	Погруз. машина или скрепер	Перегружатель	Вагонетка	Электровоз (ручная)	Бурение шпуров
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
16	Песчаники медистые мелкозернистые с известково-кремнистым цементом с кливажны-ми отдельностями	III	0,6	XIII	82	8-9	1,45-1,46	1,4-1,6	2,5	0,85	0,25	0,33	7	Квершлаг	180	250	ПДМ	-	-	-	УБШ-211Г

Физико-механические свойства породы:

• категория пород по трещиноватости - III;

• степень трещиноватости горной породы - крупнообломочные;

• среднее расстояние между трещинами – 0,5 - 1 м;

• коэффициент структурного ослабления – 0,9;

Породы крепкие, средней трещиноватости, крупнообломочные. Трещины выполнены известково-кремнистым цементом. Физико-механические свойства ГП: среднетрещноватые ГП, кливажные отдельности, мелкие закрытые трещины, локальные значительные скопления углистых материалов.

Квершлаг - горизонтальная протяженная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на дневную поверхность, проводимая в крест простирания пород. Служит для транспортировки грузов, передвижения людей, стока воды и др.

П_у = γН/σ_сж, (1)

Где γ - объёмный вес горных пород, Н/м³;

Н - глубина заложения горной выработки, м;

σ_сж - предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород, Па;

σ_сж = 10⁷ · ƒ (Па) = 10 · ƒ (МПа),

где ƒ – коэффициент крепости горных пород и грунтов по шкале профессора М.М. Протодьяконова (ƒ= 1…20).

Для районов, подверженных движениям земной коры, и для зон тектонических нарушений вместо Н принимается расчётная глубина:

Н_р = К_н Н, (2)

Где Н_р - расчётная глубина заложения выработки;

К_н – коэффициент перегрузки по глубине заложения выработки:

- 1,0 - в массиве, не имеющем пустот, тектонических трещин и ранее пройденных выработок;

- 1,5 для районов, подверженных движениям земной коры, и для зон тектонических нарушений при отсутствии соответствующих экспериментальных данных.

σ_сж = 10⁷·(8-9) = 8·10⁷–9·10⁷ Па

Для дальнейших расчётов принимаем σ_сж 8,5·10⁷ Па

Н_р = 1,5·250 = 375 м

П_у = 22500·375/8,5·10⁷ = 0,11

3. По результатам расчёта производим предварительный выбор материала крепи и, соответственно, формы поперечного сечения выработки. Для этого воспользуемся рекомендациями по выбору крепи, приведенными в табл. 3

Таблица 3

Рекомендации по выбору крепи

на основании параметра устойчивости П_у.

Показатель	Значения Пу
	Пу≥0,2	0,15≤ Пу<0,2	0,05< Пу<0,15			Пу≤0,05
			Для пород I – II категории трещиноватости	Для пород III – IV категории трещиноватости
Материал крепи	Бетон, ж/бетон, комбинированные крепи: стойка деревянная, верхняк из металла (швеллер, двутавр, СВП); металл. сетка + н/бетон + анкер; металл. сетка + н/бетон	Деревянная крепь	Набрызг-бетон	Анкерная крепь	Без крепи (на основании проверочного расчёта)

Т.к., 0,05< П_у<0,15 то крепление штрека будет производиться анкерной крепью. Предварительный выбор крепи необходимо подтвердить проверочным расчётом запаса прочности пород и действующих напряжений с пределом прочности массива для боков n_б и кровли n_к.

3.4. Произведём проверочный расчёт запаса прочности пород и действующих напряжений с пределом прочности массива для боков n_б и кровли n_к.

Проверочный расчёт запаса прочности пород производят, сравнивая максимальные из действующих напряжений, с пределом прочности массива.

Для боков горизонтальной выработки запас прочности n_б можно рассчитать по формуле

n_б = σ_сж К_с.о.К_д.п./(ρgНК_σ.б.), (3)

σ_сж – предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород, Па;

К_с.о. – коэффициент структурного ослабления пород, зависящий от системы трещиноватости обнажённого массива горных пород;

К_д.п. – коэффициент длительной прочности, учитывающий уменьшение прочности породы в массиве во времени при сроке службы выработки от 3-х и более лет:

– 0,5÷0,7 (0,6) - для пород, склонных к проявлению реологических свойств (ползучести, релаксации), т.е. склонных к пластическим деформациям перед разрушением образца (песчанистые и углистые породы, сланцы, мергели и глины, алевролиты, аргиллиты, уголь, песчаники углистые, песчаники с глинистым цементом, известняки средней крепости т.д.);

– 0,7 ÷ 1,0 (0,85) - для хрупких пород, т.е. пород с хрупким характером разрушения (граниты, кварциты, песчаники с кварцевым цементом, прочие песчаники, известняки кремнистые ит.д.);

– 1,0 – при сроке службы выработок менее 3-х лет;

Н – глубина заложения горной выработки, м;

К_σ.б. – коэффициент концентрации смещающих напряжений в боках выработки.

Таблица 4

Значения коэффициента концентрации напряжений в боках выработки

Показатель	Глубина от поверхности, м
	0<Н≤200	200<Н≤500	500<Н≤1000	Н>1000
Коэффициент концентрации напряжений, Кσ.б	3,2	3,2-2.5 (2,85)	2.5-2.0 (2,25)	2.0

.

n_б = 8,5·10⁷·0,6·0,85/ (22500·375·2,85) = 1,59

Аналогично оценим запас прочности пород в кровле выработки n_к, причём на этом этапе кровля выработки принимается плоской. Расчёт ведём по формуле:

n_k =σ_сж К_р К_с.о.К_д.п./(ρgНК_σ.к.λ), (4)

где К_р – коэффициент, учитывающий соотношение между пределами прочности породы на растяжение и сжатие (для различных пород лежит в широком диапазоне, но для многих равен приблизительно 0,1); К_σ.к. – коэффициент концентрации растягивающих напряжений в кровле.

Так как на первоначальном этапе расчёта кровля принимается плоской, то принимается К_σ.к. = 1,0;

λ – коэффициент бокового давления (горизонтального распора), рассчитывается по коэффициенту Пуассона μ:

λ = μ/(1 – μ), (5)

где μ для многих пород лежит в диапазоне 0,2÷0,3(0,25).

λ = 0,25/(1 – 0,25) = 0,3.

n_к = 8,5·10⁷·0,1·0,6·0,85/(22500·375·1,0·0,3) = 1,37.

Т.о. на основании приведённой выше методики расчётов можно принять решение о форме поперечного сечения выработки. Для этого введём градацию устойчивости пород кровли и боков выработки по коэффициенту запаса прочности на контуре выработки, который для массива горных пород можно принять n_зп = 4 (для сравнения, если считать массив горных пород, окружающих выработку, строительной конструкцией из бетона, то коэффициент запаса прочности у него должен быть n_зп ≥ 2). В связи с наличием в породном (не бетонном) массиве трещиноватости принимаем n_зп = 4:

n_зп = К_п К_б.м. К_н ∕ К_у,р., (6)

где К_п – коэффициент перегрузки для бетонной крепи К_п = 1,2;

К_б.м. – коэффициент безопасности по материалу: для горных пород К_б.м. = 2,0 (для бетона К_б.м. = 1,5);

К_н – коэффициент надёжности для бетонной крепи К_н = 1,15;

К_у,р – коэффициент условий работы для бетонной крепи К_у,р = 0,7, тогда по формуле 6:

n_зп = 1,2х 2,0х1,15 ∕0,7=3,94,

то в этом случае коэффициент запаса прочности для массива горных пород можно принять n_зп = 4,0.

В соответствии с запасом прочности пород в кровле выработки n_к и запасом прочности пород для боков горизонтальной выработки n_б, возможны следующие случаи:

• кровля и бока устойчивы при n_к ≥ 4 и n_б ≥ 4;

• кровля и бока относительно устойчивы при 1 < n_к < 4 и 1 ≤ n_б < 4;

• кровля и бока неустойчивы при n_к ≤ 1 и n_б ≤ 1.

При этом возможны следующие случаи:

1. Если кровля неустойчива (n_к ≤ 1; n_к = R_р ∕ σ_min ≤ 1, т.е. R_р ≤ σ_min), а бока устойчивы n_б ≥ 4 или относительно устойчивы 1 ≤ n_б < 4, (n_б = R_сж ∕ σ_max ≥ 4 R_сж > σ_max), то в кровле образуется свод обрушения (равновесия). Породы, оказывают давление на крепь.

Крепь будет нести полную нагрузку со стороны свода. Со стороны боков нагрузка отсутствует (горные породы в боках выработки устойчивы или относительно устойчивы). Для определения нагрузки со стороны свода пользуются расчётным методом М.М. Протодьяконова. Высота свода обрушения

b=а / tg φ, (7)

где φ – угол внутреннего трения пород.

2. Когда кровля и бока неустойчивы, т.е. соблюдаются условия n_к ≤ 1 и n_б 1 ≤; R_р ≤ σ_min; R_сж ≤ σ_max, в кровле образуется свод обрушения, а в боках выработки – призмы сползания и отделившаяся порода начинает оказывать давление на крепь.

3. И кровля и бока выработки устойчивы n_к ≥ 4; n_б ≥ 4 или относительно устойчивы 1 < n_к < 4; 1 < n_б < 4 (т.е. n_к ≥ 4 и 1 < n_б < 4 или n_б ≥ 4 и 1 < n_к < 4).

(Случай n_к ≥ 4 или 1 < n_к < 4 (схема 2) и n_б ≤ 1 не рассматриваем).

Прочная кровля опирается на непрочные боковые породы. Боковые породы под весом пород кровли разрушаются.

При этом предельные состояния для кровли и боков выработки будут различны: выпадение отдельных кусков породы из кровли должно быть исключено, но можно допускать некоторое осыпание боков. Это говорит о том, что при n_к ≥ 4 и n_б ≥ 4 выработка может проектироваться без крепи, но при наличии в кровле сильной трещиноватости (категория пород по трещиноватости I...II) потребуются меры по предотвращению выпадения кусков породы из кровли – возведение облегчённой крепи (торкрет- или набрызгбетон).

По полученным в результате поверочного расчёта n_к = 1,37 и n_б = 1,59 делаем вывод, что кровля и бока относительно устойчивы (случай 3 стр. 9).

Для принятия окончательного решения по выбору крепи, воспользуемся рекомендациями, приведёнными в табл. 1.28[1, стр. 71], отклоняем предварительный выбор крепи и как итог, принимаем:

• тип крепи – деревянная крепь;

• форма сечения выработки (штрека) ­– трапециевидная.

При проектировании горно-разведочных выработок в качестве проектных сечений принимают сечения выработок в проходке.

Размеры выработок в проходке определяются в каждом конкретном случае в соответствии с «Нормативами превышения сечений горно-разведочных выработок в проходке по сравнению с сечением вчерне при производстве геологоразведочных работ». Увеличение проектных (в проходке) размеров выработки в результате излишнего разрушения породы должно приниматься не более указанного ниже приведённой таблице 5.

Таблица 5

Категория пород по буримости	Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову, ƒ	Максимально допустимый коэффициент превышения сечения выработки вчерне, м2
		до 4,0	4,0- 6,4	6,5 и более
V –X	1,2 – 4	1,08	1,06	1,04
IX – XV	5 – 12	1,10	1,07	1,05
XVI - XX	13 -20	1,12	1,09	1,6

Вывод:

1. На основании расчёта безразмерного параметра устойчивости (П_у = 0,11), поверочного расчёта запаса прочности пород в кровле выработки(n_к = 1,37) и запаса прочности пород для боков горизонтальной выработки (n_б = 1,59), а также рекомендаций, произвёл выбор материала крепи и, соответственно, формы поперечного сечения выработки (штрека):

• тип крепи – деревянная крепь;

• форма сечения выработки (штрека) – трапециевидная.

2. В соответствии с запасом прочности пород в кровле выработки (n_к = 1,37) и запасом прочности пород для боков горизонтальной выработки (n_б = 1,59), сделал вывод, что кровля и бока относительно устойчивы, т.к. 0,05< П_у<0,15.