книги / Проектирование и расчёт крепи капитальных выработок
..pdfН.С. БУЛЫЧЕВ Н.Н.ФОТИЕВА Е. В.СТРЕЛЬЦОВ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КРЕПИ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
МОСКВА „НЕДРА" 1986
Булычев Н. С., Фотиева Н. Н., Стрельцов Е. В.
Проектирование и расчет крепи капитальных выработок.— М.: Недра, 1986,288 с.
Изложены методы решения задач, связанных с проектированием и расчетом крепи капиталь ных горных выработок глубоких шахт. Рассмот рены вопросы выбора и оценки исходных дан ных, принципы и основные критерии, которыми следует руководствоваться в процессе проекти рования и расчета крепи. Приведены новые про грессивные методы расчета монолитных, сбор ных и комбинированных конструкций крепи на основе схемы полного контактного ее взаи модействия с массивом, а также эксперимен тально-аналитические методы расчета с исполь зованием данных натурных измерений и моде лирования.
Для инженерно-технических работников, за нимающихся проектированием и расчетом крепи горных выработок и подземных сооружений.
Табл. 40, ил. 108, список лит.— 50 назв.
Р е ц е н з е н т Е. И. Шемякин, акад. АН СССР
(Институт горного дела Сибирского отделения АН СССР)
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Николай Спиридонович Булычев, Нина Наумовна Фотиева Евгений Владимирович Стрельцов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КРЕПИ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
Редактор издательства Э. Н. Чернегова. Переплет художника Ю. Г Черепа нова. Художественный редактор О. Н. Зайцева. Технический редактор
Л. А. Мурашова. Корректор Н. А. Громова
ИБ № 5871
Сдано в набор 27.02.86. Подписано в печать 27.08.86. Т-18520. Формат 60Х907»б. Бумага типографская № 1. Гарнитура Литературная. Печать высокая. Уел. печ. л. 18,0. Уел. кр.-отт. 18,25. Уч.-изд. л. 18,26. Тираж 4300 экз. Заказ 1070/93*-9. Цена 1 р. 30 к.
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 103633, Москва, Третьяковский проезд, 1/19.
Ленинградская типография № 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Го сударственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 191126, Ленинград, Социалистическая ул., 14,
2 501000000—382 |
197—86 |
© Издательство «Недра», 1986 |
043(01)—86
|
|
|
Оглавление |
|
|
|
|
|
|
Стр. |
|
Предисловие |
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
1 |
|
Современное состояние и задачи совершенствования проведения и креп |
8 |
||||
ления горных |
выработок |
|
|
||
|
|
|
|
2 |
|
Основные положения проектирования и расчета крепи |
14 |
||||
2.1. Механика подземных сооружений и принципы расчета крепи |
18 |
||||
2.2. Практика проектирования |
и расчета крепи . |
20 |
|||
2.3. Порядок проектирования |
и расчета крепи. Исходные данные |
22 |
|||
2.3.1. Оценка устойчивости пород |
22 |
||||
2.3.2. Выбор типа, |
вида и конструкции крепи |
25 |
|||
2.4. Расчет |
крепи |
|
|
27 |
|
|
|
|
|
3 |
|
Общий метод расчета монолитной и сборномонолитной крепи выработок |
32 |
||||
круглого |
сечения |
|
|
||
3.1. Расчет крепи с использованием схемы расчета по эквивалентным на |
35 |
||||
пряжениям |
|
|
. |
||
3.1.1. Определение эквивалентных напряжений . |
35 |
||||
3.1.2. Определение напряжений на контактах слоёв |
37 |
||||
3.2. Расчет крепи с использованием схемы расчета по снимаемым напря |
39 |
||||
жениям . |
|
|
. |
||
3.2.1.. Определение |
снимаемых напряжений |
39 |
|||
3.2.2. Определение напряжений на контактах слоев |
40 |
||||
3.3. Сравнительный анализ расчетных схем с эквивалентными и снимае |
41 |
||||
мыми |
напряжениями |
|
. |
||
3.4. Экспериментально-аналитический метод расчета многослойной крепи |
44 |
||||
3.5. Определение коэффициента а* |
48 |
||||
3.6. О требуемой точности определения деформационных характеристик |
55 |
||||
массива |
пород |
|
|
||
|
|
|
|
4 |
|
Расчет |
крепи |
вертикальных шахтных стволов |
57 |
||
4.1. Расчет монолитной бетонной и железобетонной крепи |
57 |
||||
4.2. Расчет чугунной тюбинговой крепи |
64 |
||||
4.3. Расчет крепи стволов, сооружаемых бурением |
74 |
||||
|
|
|
|
5 |
|
Расчет крепи горизонтальных выработок круглого сечения |
82 |
5.1. |
Расчет монолитной бетонной и железобетонной крепи |
82 |
5.2. |
Расчет сборной крепи |
86 |
Расчет замкнутой монолитной крепи выработок некруглого поперечного |
87 |
||||
сечения |
|
|
|
|
|
6.1. Постановка |
задачи |
|
90 |
||
6.2. Алгоритм |
расчета |
|
96 |
||
6.3. Примеры |
расчета |
|
|
113 |
|
6.3.1. |
Результаты расчета на действие собственного веса пород |
|
114 |
||
6.3.2. |
Результаты расчета крепи на действие собственного веса по |
125 |
|||
род в массиве с наклонным мелкослонстым напластованием |
. |
||||
6.3.3. Расчет крепи на действие давления подземных вод |
129 |
||||
6.3.4. Расчет крепи на сейсмические воздействия землетрясений 129 |
|||||
6.4. Экспериментально-аналитический метод расчета крепи |
|
131 |
|||
6.4.1. Постановка и решение обратной задачи об определении рас |
134 |
||||
четных характеристик массива горных пород |
|
||||
6.4.2. Порядок обработки результатов натурных измерений дав |
137 |
||||
ления |
на крепь некругового поперечного сечения |
|
|||
6.4.3. |
Обработка результатов измерений давления на крепь выра |
138 |
|||
ботки |
круглого |
сечения |
|
||
6.4.4. |
Пример |
расчета |
|
140 |
7
Расчет набрызгбетонной крепи |
|
|
141 |
||
7.1. Постановка задачи |
задачи |
|
|
142 |
|
7.2. Решение |
контактной |
|
|
146 |
|
7.2.1. |
Определение |
напряжений |
. |
|
162 |
7.3. Алгоритм расчета набрызгбетонной крепи |
. 166 |
||||
7.4. Примеры расчета. Исследование влияния толщины набрызгбетонной |
170 |
||||
крепи на ее напряженное состояние |
|
. |
|||
7.5. Определение напряжений в предельном случае крепи нулевой тол |
176 |
||||
щины выработки круглого |
проектного сечения при X = |
1 |
|
8
Расчет анкерной крепи |
|
|
|
/181 |
||
8.1. Общие |
положения |
|
|
181 |
||
8.2. Постановка задачи |
и вывод основной системы уравнений |
183 |
||||
8.3. Определение параметров основной системы |
185 |
|||||
8.4. |
Учет |
ползучести |
пород |
. |
. |
188 |
8.5. |
Анализ взаимодействия |
анкеров с массивом пород |
191 |
8.6. Напряженно-деформированное состояниежелезобетонных анкеров 195
9
Оптимальное |
проектирование трехслойной |
сталебетонной крепи шахт |
|
ных |
стволов, |
сооружаемых бурением |
203 |
9.1. |
Оптимальное проектирование |
203 |
9.2.Определение напряженного состояния и проверка прочности крепи 205
9.3.Постановка и предварительное исследование задачи оптимального
проектирования |
крепи |
. |
алгоритма |
207 |
|
9.4. |
Выбор метода оптимизации |
и составление |
210 |
||
9.5. |
Программа оптимального проектирования |
крепи |
21 3 |
ю
Расчет крепи стволов, сооружаемых с применением комплексного метода |
223 |
тампонажа трещиноватых горных пород |
10.1.Расчет крепи стволов при наличии круговой зоны затампонирован-
ных пород |
224 |
10.2. Алгоритм расчета крепи стволов при наличии круговой |
в попереч |
|
ном сечении зоны затампонированных пород |
232 |
|
10.3. Пример расчета |
|
234 |
10.4. Расчет крепи стволов с учетом эллиптической в поперечном сечении |
||
зоны затампонированных |
пород |
235 |
10.4.1. Постановка |
задачи |
235 |
10.4.2.Решение задачи для области, ограниченной эллиптическим
икруговым контурами, при произвольной симметричной нагруз
ке |
на границах |
. |
. |
. |
. |
242 |
10.4.3. Решение задачи для бесконечной области с произвольно |
262 |
|||||
нагруженным эллиптическим |
отверстием |
|
||||
10.4.4. Составление |
алгоритма |
|
расчета |
|
270 |
|
10.4.5. Алгоритм расчета крепи стволов при наличии эллиптиче |
||||||
ской в поперечномсечении зоны затампонированных пород |
|
275 |
||||
10.4.6. Примеры |
расчета |
|
|
|
283 |
|
Список |
литературы |
|
|
|
|
286. |
Предисловие
На апрельском (1985 г.) Пленуме ЦК КПСС была сформу лирована концепция ускорения социально-экономического развития страны, которая получила теоретическое и политическое обо снование в Основных направлениях экономического и социального’ развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года. Это определило задачи, стоящие перед ведущими отраслями про мышленности, в том числе и горнодобывающей, успехи которой во многом зависят от деятельности шахтостроительных организа ций. В связи с этим в настоящее время особое внимание уделяется улучшению капитального строительства. Более эффективно исполь зуются капитальные вложения и направляются они в первую оче редь на реконструкцию и техническое перевооружение действую щих предприятий, а также на строительство новых горизонтов и шахт.
При сооружении горных выработок крепление является одним из основных производственных процессов, без которого практи чески невозможна эксплуатация шахт. В угольной промышлен ности ведется систематическая работа по совершенствованию кон струкций крепей. Основными крепями горизонтальных выработок являются металлическая (86 %), бетонная (9 %), тюбинговая же лезобетонная (4 %) и другие (1 %).
Все виды крепи, за исключением тюбинговых железобетонных, являются трудоемкими, материалоемкими, дорогостоящими и трудно поддающимися механизации, что стало главным тормозом в своевременной подготовке горизонтов как действующих, так и новых шахт. В практику внедряются экономичные и прогрессив ные виды крепи, такие как анкерная и набрызгбетонная; крепи с применением различных упрочняющих средств породного мас сива; тюбинговые и блочные крепи с эффективными средствами ме ханизации их возведения.
В вопросах проектирования крепи горных выработок в послед ние годы достигнуты определенные успехи. Впервые в главе СНиП «Подземные горные выработки» предусмотрено расчетное обосно вание конструкций крепи. Издано руководство по расчету крепи, создается система автоматизированного проектирования крепи как часть горнотехнологического комплекса САПР — уголь. Вместе с тем практика проектирования и расчета крепи, принятия и реа лизации проектных решений в области крепления горных вырабо ток имеет ряд серьезных недостатков.
При разработке типовых сечений горных выработок для кон кретных горно-геологических условий не использованы документы для расчетных обоснований и в основном предусмотрены металли ческие, трудоемкие и не поддающиеся механизации крепи. Мед
ленно внедряются в практику проектирования выработок новые прогрессивные методы расчета крепи, основанные на анализе кон тактного взаимодействия крепи с массивом пород и позволяющие максимально учесть несущую способность последнего.
Методы механики подземных сооружений, основанные на прин ципе взаимодействия крепи с массивом пород и использующие рас четные схемы, в которых крепь горных выработок и окружающий массив рассматриваются как единая деформируемая система «крепь—массив», позволяют проектировать наиболее прогрессив ные крепи: анкерную и набрызгбетонную; крепи с упрочнением породного массива; бетонную монолитную с экономичными пара метрами; трехслойную сталебетонную крепь стволов, сооружаемых способом бурения и др.
Рассмотренные в книге методы расчета крепи капитальных горных выработок позволяют быстро и с высокой точностью про изводить многовариантные расчеты с применением современной вычислительной техники. Эти методы расчета обеспечены програм мами для ЭВМ, которыми могут пользоваться проектировщики.
Совместно с авторами в написании отдельных разделов книги участвовали Д. И. Колин (гл. 8), В. И. Нечаев (гл. 9), И. И. Савин {§ 3. 4, 4.2), Н. И. Савин (гл. 10), А. С. Самаль (§ 10.2, 10.3).
Современное состояние и задачи совершенствования проведения и крепления горных выработок
Сроки строительства новых шахт и подготовки горизон тов определяются в основном скоростью проведения горных вы работок. Горнодобывающая промышленность страны располагает большим парком различных проходческих машин и механиз мов, обеспечивающих высокие скорости проведения горных выработок.
Развитие техники, совершенствование технологии проведения горных выработок и организации работы приводят к коренным из менениям в характере труда. До 40 % горных выработок прово дится с использованием проходческих комбайнов, число которых достигает 2000.
В соответствии с проводимым в стране курсом на ускорение социально-экономического развития, всемерную интенсификацию и эффективность производства, прирост объема добычи и перера ботки угля должен обеспечиваться в основном за счет повышения производительности труда. В решении этой задачи большую роль играет использование опыта работы передовых проходческих бри гад, показывающего, что при существующей технике и технологии можно достичь высоких показателей проходки. Так, например, в Кузбассе бригадой проходчиков пройдено за месяц 1400 м3 околоствольных выработок на шахте «Красногорская». На шахте «Капитальная» бригада проходчиков прошла 1520 и 1500 м3 вы работок околоствольного двора и 106 м квершлага.
Бригада проходчиков на шахте им. 7 Ноября прошла 120 м наклонного конвейерного ствола при норме 45 м, производитель ность труда проходчиков на выход составила 2,19 м в свету. Бригада проходчиков на шахте «Капитальная» прошла 1324 м3 околоствольных выработок, производительность труда проход чиков составила 1,73 м3.
Вкомбинате «Карагандашахтострой» бригада проходчиков на шахте «Тентекская» прошла 200 м северного вентиляционного бремсберга при норме 85 м, производительность труда проходчиков на выход составила 4,6 м3.
Вкомбинате «Ростовшахтострой» бригада проходчиков на шахте им. 60-летия Ленинского комсомола прошла 175 м конвейерного штрека при норме 80 м, производительность труда проходчиков на выход составила 3,2 м3 в свету.
Эти примеры выявляют резервы, которые, безусловно, надо использовать. В то же время анализ проходческого цикла показы*
вает, что одним из определяющих факторов, сдерживающих ско рость проведения выработок и снижающих производительность труда, является крепление горных выработок.
Применение тех или иных видов крепи в различных районах связано не столько с требованиями горно-геологических условий, сколько с установившимися традициями и наличием соответствую щей базы по изготовлению крепи. Горизонтальные и наклонные выработки крепят в основном (86 %) арочной металлической крепью. Небольшой вес элементов, податливость, универсальность с точки зрения подбора необходимой несущей способности и по датливости — достоинства этой крепи. Следует отметить, что именно эта крепь является главным тормозом, препятствием для повышения скорости проведения и производительности труда про ходчиков.
Большое число элементов крепи на 1 м выработки не позволяет создать эффективные средства механизации ее возведения, значи тельный коэффициент аэродинамического сопротивления увеличи вает расход электроэнергии; крепь характеризуется большим рас ходом металла. В период возведения крепи простаивают проход ческие комбайны, погрузочные машины, бурильные установки. Ана лиз технологических схем, разработанных ВНИИОМШСом и КузНИИшахтостроем, показывает, например, что при проведении двух путной выработки площадью поперечного сечения в свету 13,5 м2 при коэффициенте крепости / = 4-^6 устанавливают 1,5 рамы на 1 м выработки, на крепление затрачивается 35 % общих трудо вых затрат, при этом ручной труд составляет 53,5 %.
Создание средств механизации возведения арочной металличе ской крепи практически нереально. Поэтому задача состоит в по степенной замене металлических арок на другие, более прогрессив ные и экономичные виды крепи, поддающиеся механизации, ха рактеризующиеся значительно меньшей трудоемкостью, материа лоемкостью и стоимостью.
Такими крепями являются тюбинговая ГКТ и КТАГ. По данным КузНИИшахтостроя, в определенных условиях крепление квершлагов и полевых штреков вместо металлоарочной крепи из СВП сборной железобетонной тюбинговой крепью ГТК дает эко номию на 1 м выработки 0,9 т металла и 140 руб. в прямых норми руемых затратах, а также экономию электроэнергии. А главное — для возведения этой крепи имеются средства механизации. В оп ределенных условиях может с успехом применяться и тюбинговая крепь КТАГ конструкции ВНИИОМШСа. Возможный объем при менения тюбинговых крепей в угольной промышленности состав ляет 25—30 км, что позволяет ежегодно экономить до 15 тыс. т металла, около 2 млн. руб. и 90 тыс. чел.-смен. В то же время объем применения тюбинговой крепи в течение ряда лет остается на уровне 4—5 км/год (90 % в Кузнецком бассейне и 10 % в Ка рагандинском).
Определенные преимущества перед металлической крепью из СВП имеет комбинированная анкерметаллическая крепь АМК,
разработанная КузНИИшахтостроем. Принцип работы этойГкрепи общеизвестен. Вовлекается в работу прилегающая к выработке часть массива горных пород за счет анкеров и металлических стя жек. Это позволяет вести установку рам с большим шагом, чта в свою очередь дает экономию на 1 м (в одинаковых условиях) при близительно 0,35—0,60 т металла и 110—120 руб. в прямых нор мируемых затратах. Возможный объем применения крепи в уголь ной промышленности — 120 км/год, что позволяет сократить рас ход металла на 36 тыс. т и получить экономический эффект около» 48 млн. руб/год.
Набрызгбетонная крепь весьма перспективна в отношении за мены металлической арочной крепи, а в некоторых условиях в со четании с анкерами и металлической сеткой она может заменить и бетонную крепь. В угольной промышленности, к сожалению,
эта крепь пока не находит |
широкого |
применения. В то же время |
|||||
в рудной |
промышленности |
набрызгбетонная |
и |
комбинированная |
|||
крепи |
из |
анкеров и набрызгбетона являются основными при креп |
|||||
лении горных выработок. |
|
|
|
|
|
||
В Центральном районе Донбасса на ряде шахт было закреп |
|||||||
лено свыше 15 тыс. м3 камер, сопряжений |
и |
других |
выработок |
||||
анкерной |
крепью и набрызгбетоном. |
На шахте |
«Кондратьевка — |
||||
Новая» |
(горизонт 740 м) трестом Горловскуглестрой |
за 31 рабо |
|||||
чий день |
с применением |
комбинированной |
крепи из |
анкеров и |
набрызгбетона были пройдены и закреплены камера опрокиды
вателя |
и примыкающие к ней выработки объемом 4203 |
м3 |
(всесо |
юзный |
рекорд). Уже более 10 — 12 лет состояние |
выработок, |
|
закрепленных указанной крепью на шахтах Центрального |
района |
Донбасса, хорошее. Сравнительная характеристика комбиниро ванной крепи из анкеров и набрызгбетона дана в табл. 1.1. За базо вую принята выработка площадью поперечного сечения в свету
12,2 м2, с |
коэффициентом |
крепости |
f = 4 ч -6. Бетонная и метал |
лическая |
крепи взяты по |
типовым |
проектам. Расстояние между |
анкерами |
1 м, длина анкеров 1,5—1,8 м. |
Только в Центральном районе Донбасса возможно применение набрызгбетонной и комбинированной крепей из анкеров и набрызг бетона в объеме 50 % всех капитальных выработок, что может дать экономию в этом районе около 1,5 млн. руб. в год, повышение в 1,5—2 раза производительности труда проходчиков и скорости
проведения |
горных |
выработок. |
|
В |
то же |
время |
следует считать, что монолитную бетонную |
крепь |
целесообразно |
применять при условии использования под |
вижной металлической опалубки ОМП конструкции КузНИИшах-
тостроя и средств |
механизированной подачи бетона, (Бук-2, |
БМ) |
с обязательным |
применением средств податливости. Для |
всех |
сложных горно-геологических условий все виды крепи должны обладать ограниченной податливостью. Средства податливости мо гут быть самыми разнообразными.
В настоящее время не применяется для сложных горно-геоло гических условий блочная бетонная податливая крепь. При се-