книги из ГПНТБ / Булычев, Н. С. Расчет крепи капитальных горных выработок

\

■/

' t :

0СО

<\|

ил

сл

I—і 1

ыЯ ^ - 2 8 3 9 7 - у ц

ч

II. С. БУЛЫЧЕВ, Б. 3. АМУСИН, А. Г. ОЛОВЯННЫЙ

РАСЧЕТ

КРЕПИ

КАПИТАЛЬНЫХ

ГОРНЫХ

ВЫРАБОТОК

Под общей редакцией

докт. техн. наук

Н. С. Булычева

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А » М О С К В А 1974

/

УДК 622.28.001.24 : 624.042

i ;

Щ ' / 9 о £ 0 Оу

Булычев Н. С., Амусин Б. 3., Оловянный А. Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М., «Недра», 1974, 320 с.

В книге в обобщенном и систематизированном виде изложены теоретические основы, современные научные представления и ме­ тоды расчета устойчивости пород, окружающих выработки, и вза­ имодействия их с крепью. Изложены основные этапы развития теории расчета крепи и ее современные проблемы. На основании современных представлений о взаимодействии крепи с массивом пород усовершенствованы существующие и разработаны новые методы расчета крени капитальных выработок и тоннелей.

Вкниге изложены практические методики расчета монолитной

исборной, однослойной и многослойной крепи выработок круглого сечения, а также монолитной и сборной (при различном соединении элементов) замкнутой и незамкнутой крепи выработок некруглого

сечения. Методики завершены расчетными формулами и програм­ мами для ЭВМ.

Книга предназначена для работников научно-исследователь­ ских институтов, проектных, шахто- и тоннелестроительных орга­ низаций и может быть полезна студентам и преподавателям гор­ ных вузов (как пособие по строительной механике подземных сооружений).

Таблиц 49, иллюстраций 146, список литературы — 277 назв.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных задач подземного строительства (в горнодобы­ вающей и других отраслях промышленности) является упорядоче­ ние вопросов проектирования и расчета крепи (обделки) и приведе­ ние их в соответствие с современными достижениями науки.

В горнодобывающей промышленности крепь капитальных выра­ боток проектируется большей частью без предварительного прочност­ ного расчета. Применяется так называемый «метод аналогий», со­ гласно которому известные проектные решения механически перено­ сятся из одних условий в другие. Результатом является перерасход материалов в одних случаях и недостаточная прочность крепи с по­ следующими затратами на ремонт и перекрепление выработок —

вдругих.

Втоннелестроении, напротив, применяют сложные в математи­

ному механизму взаимодействия обделки с массивом пород.

В книге на основании анализа развития теоретических предста­ влений о работе крепи выработок, существующего отечественного и зарубежного опыта расчета крепи и собственных разработок авторов изложены новые принципы расчета крепи выработок, независимо от их ориентировки в массиве пород и назначения. Предложения до­ ведены до практических инженерных методик расчета конкретных конструкций крепи.

До недавнего времени вопросы горного давления в выработках

ивопросы расчета крепи исследовались обособленно друг от друга. Первые входили в механику горных пород (горную геомеханику), вто­ рые — в обычную строительную механику наравне с наземными зда­ ниями и сооружениями. Такое разобщение тормозило развитие науки

ивнедрение ее результатов в промышленность, так как специалисты по горному давлению, не вникая в особенности расчета крепи, полу­ чали данные, недостаточные для построения расчетных схем. С дру­ гой стороны, специалисты по строительной механике не могли учесть в расчетах специфику взаимодействия крепи с массивом пород, известную горнякам.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В КНИГЕ

Геометрические характеристики выработки и крепи

ІІЁсЖ,

о

Г л а в а I

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОРОД, ОКРУЖАЮЩИХ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ,

ИВЫБОР ТИПА КРЕПИ

§1. ФОРМЫ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ

ИСВОЙСТВА ПОРОД

Под устойчивостью горных пород понимается их свойство образо­ вывать устойчивые обнажения при проведении горных выработок.

Устойчивым считается такое состояние обнаженного незакреплен­ ного участка массива пород, при котором в течение необходимого по условиям производства периода времени не происходит обрушения или сползания пород, а смещение обнаженной поверхности или ее части не выходит за допустимые пределы. Устойчивость обнажения может быть как кратковременной, так и длительной.

При проведении горной выработки в окружающих породах про­ исходит, как известно, перераспределение напряжений, вызванных весом вышележащей толщи. Образуются зоны концентрации и деконцентрации напряжений. Кроме того, в локальных областях в кровле и боках выработки силы тяжести стремятся оторвать породы от массива и обрушить их в выработку. Способность пород восприни­ мать без разрушения собственный вес и внутренние напряжения вблизи обнажений и определяет их устойчивость.

в кровле и реже — в боках выработки под действием собственного веса обрушающихся пород, который превышает сопротивление их отделению от массива. Вторая форма — предшествующее обрушению разрушение пород в зонах концентрации напряжений, вызванных весом всей вышележащей толщи. Разрушение пород начинается обычно в боках выработки. Одним из признаков второй формы потери устойчивости является разрушение и смещение пород не тольк > кровли и боков, но и подошвы выработки. В пластичных породах потеря устойчивости проявляется иногда в чрезмерных смещениях поверхности выработки без видимого разрушения пород в результате их пластических деформаций (третья форма).

Устойчивость пород определяется их механическими свойствами: прочностью, пластичностью, ползучестью, а также строением и нарушенностью массива.

Прочность пород «в куске». Прочность слагающих массив струк­ турных элементов зависит от минерального состава пород, в том числе — от типа и состава цемента в обломочных породах, от формы и расположения частиц и от вторичных изменений пород на различных

/

стадиях метаморфизма [1151. В качестве примера можно привести глинистые породы, примесь карбоната в которых увеличивает их прочность. Степень повышения прочности примерно пропорцио­ нальна объему примеси и зависит от характера ее распределения

впороде. Напротив, углистые примеси снижают прочность пород. Максимальную прочность обломочных пород обеспечивает поро­

вый цемент, когда зерна обломочных компонентов касаются друг друга. При базальном цементе, когда зерна обломочного материала как бы «плавают» в нем, прочность пород целиком определяется соста­ вом цемента. Повышению прочности обломочных пород при прочих равных условиях способствует неправильная угловатая форма зерен, благодаря которой увеличивается сцепление с цементирующей мас­ сой. Повышению прочности способствует также беспорядочное рас­ положение частиц.

Характерным признаком вторичных изменений у пород угольных месторождений является стадия метаморфизма углей, которую можно установить, в частности, по классификации ДонУГИ. Эта классифи­ кация содержит 14 групп метаморфизма, соответствующих определен­ ным технологическим маркам углей. С повышением стадии метамор­ физма прочность пород, как правило, возрастает и за счет уменьше­ ния пористости, снижения размокаемости в воде и за счет благоприят­ ных минералогических преобразований [115]. Исключением из этого правила является снижение прочности глинистых пород на пятой и шестой группах стадий метаморфизма, соответствующих коксовым углям. Это явление объясняется резким возрастанием развития хрупкой вторичной гидрослюды. На более высоких стадиях мета­ морфизма глинистые породы фактически утрачивают свой первона­ чальный облик, нарастающее развитие вторичного кварца и карбо­ ната приводит к повышению их прочности (табл. 1).

Прочность пород в массиве меньше, чем в «куске», вследствие влияния поверхностей ослабления: слоистости, отдельности, трещи­ новатости и других «дефектов» строения массива. Отношение проч­ ности пород в массиве к прочности «в куске» характеризует нарушенность массива и называется коэффициентом структурного ослабления.

Наибольшее влияние на уменьшение величины коэффициента структурного ослабления оказывает трещиноватость пород. По своему происхождению трещины делятся на три типа: возникшие в процессе формирования толщи, образовавшиеся в результате горнообразова­ тельных процессов и образовавшиеся в результате ведения горных работ.

Естественная трещиноватость слагается обычно (на угольных

субширотное простирание, и параллельной напластованию пород. Наиболее четко выражены трещины основной системы, прослежива­ ющиеся на больших площадях и ориентированные перпендикулярно или почти перпендикулярно напластованию пород. Тектонические

8