книги / Расчет крепи капитальных горных выработок

Расчетные значения коэффициента повышения устойчивости пла­ стичных пород K yQT приведены в табл. 12. Отметим, что при П = 1 для хрупких пород К уст = 1у и условие (3.39) совпадает с условием

При глубине z > zc вокруг выработки образуется зона разруше­ ния и трещинообразования (см. рис. 10).

Расчеты предельных состояний сопоставлены с результатами экс­ периментальных исследований устойчивости выработок на моделях

сечения, изготовленный из эквивалентного материала на парафиновой основе, подвергался всестороннему сжатию при возрастающих по определенному режиму нагрузках; при этом фиксировались три ха­ рактерные стадии потери устойчивости выработки: появление трещин в боках (I стадия), появление вывалов в боках (II стадия), разрушение выработки (вывалы по всему периметру сечения выработки глубиной примерно 0,3i? — III стадия). По просьбе автора были получены диаграммы напряжений для материалов моделей при сжатии в ре­ жиме заданной скорости деформации. По диаграммам определены показатели пластичности П (см. рис. 3).

Сопоставление расчетных и экспериментальных величин (табл. 13) показало, что критерий второго предельного состояния значительно ближе к I стадии потери устойчивости, чем критерии устойчивости, не учитывающие пластических свойств пород.

Сопоставление с данными натурных наблюдений, выполненное В. В. Райским (ВНИМИ), также свидетельствует в пользу критерия устойчивости по второму предельному состоянию. В качестве при­ мера можно также воспользоваться классификацией устойчивости пород, предложенной 10. 3. Заславским (см. табл. 11). В этой класси­ фикации показатель устойчивости определен по прочности пород «в куске». Если выразить из условия (3.39) коэффициент повышения устойчивости, а значения коэффициентов структурного ослабления и длительной прочности принять ориентировочно по рекомендациям,

' 9

изложенным в § 1, то получится, что указанная классификация учитывает значения К уст^ 1,0 -г- 1,1 для устойчивых пород, К уст ^ ш 1,1 ч- 1,8 для пород средней устойчивости и К уст^ 2 -г 4 для неустойчивых пород.

Критерий устойчивости подошвы выработки. Подошва выра­ ботки считается устойчивой, если величина поднятия ее (пучения)

где Л — коэффициент, учитывающий ориентировку выработки отно­ сительно напластования пород и принимающий значения: 1,60 м для квершлагов и 1,22 м — для других выработок.

§ 4. ВЫБОР ТИПА КРЕПИ ВЫРАБОТКИ

По характеру взаимодействия с породами и назначению можно выделить следующие основные типы крепи:

подпорная — создающая существенное сопротивление (подпор) смещающимся в выработку породам (жесткая или податливая);

35

упрочняющая — увеличивающая прочность и устойчивость окру­ жающих выработку пород (например, штанговая крепь);

ограждающая — предохраняющая выработку от случайного вы­ падения отдельных кусков породы;

изолирующая — предохраняющая породы от выветривания. Выбор рационального типа крепи определяется степенью устой­

чивости окружающих выработку пород, которая устанавливается на основании вышеизложенного в соответствии с классификацией пород (табл. 14).

Нагрузки, испытываемые подпорной крепыо выработки, суще­ ственно зависят от технологических схем возведения крепи. В табл. 15 приведена классификация технологических схем по степени раз­ грузки породной поверхности выработки при возведении крепи.

Выбор типа крепи по табл. 14 является предварительным, при этом намечается несколько возможных вариантов. Окончательный выбор типа и конструкции крепи производится на основании расчета взаимодействия крепи с массивом пород (гл. II) и установления режима работы крепи.

В дальнейшем методы прогноза устойчивости пород должны развиваться в направлении совершенствования количественных кри­ териев вывалообразования и разрушения пород и на основе этого — уточнения и дифференциации общей классификации пород по устой­ чивости.

При исследовании разрушения окружающих выработку пород: эффективным является представление о процессе потери устойчивости как стадийном процессе. Одна из важных задач дальнейших исследо­ ваний — установление критерия третьего предельного состояния пород, соответствующего образованию вывалов в выработке, прой­ денной в однородных породах. По-видимому, этот критерий свяжет устойчивость пород с размерами поперечного сечения выработки,, наподобие того как это имеет место в некоторых рассмотренных выше критериях устойчивости стволов.

Для оценки времени устойчивого состояния обнажений целесо­ образно использовать методы теории ползучести, рассматривая два накладывающихся друг на друга временных процесса: процесс де­ формирования пород и процесс уменьшения их прочности (характе­ ризуемый функцией длительной прочности).

3*

Г л а в а II

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОД И КРЕПИ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ

§5. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

ОВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПОРОД

И КРЕПИ.

ГИПОТЕЗЫ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

В развитии механики горных пород можно, как известно, выде­ лить три основных этапа.

Первый этап (примерно до начала 30-х годов нынешнего столе­ тия) — наука отстает от практики и решает только те задачи, которые ставит перед ней практика. Второй этап (30—40-е годы) — наука начинает догонять практику и решает задачи, которые только еще возникают перед практикой. Третий этап (начиная с 50-х годов) — наука все решительнее опережает практику.

На первом этапе основной задачей науки было о б ъ я с н е н и е известных фактов. В этот период был высказан ряд гипотез горного давления, которые изменялись и совершенствовались по мере нако­ пления и обобщения производственного опыта и развития науки. Особенностью гипотез («теорий горного давления») было стремление найти такие исходные положения, из которых, как следствие, можно было бы вывести все известные факты.

периментальные исследования закономерностей проявлений горного давления. Этот период знаменуется также применением к решению задач механики горных пород строгих методов механики сплошной среды и в первую очередь — теории упругости.

На третьем этапе все более определенно оформляется новая и главная функция науки — п р о г н о з и р о в а н и е . Теоретиче­ ские исследования начинают играть главную роль в общем комплексе исследований и оказывают все возрастающее влияние на выбор основных направлений развития науки, а также на задачи, методику и интерпретацию результатов экспериментальных исследований. Одной из непременных задач исследования ставится разработка рас­ четного метода.

Теоретические исследования имеют, как известно, дело с м ы с ­ л е н н ы м и (идеальными) моделями изучаемых явлений. При ана­ лизе взаимодействия массива пород с крепью горных выработок

вкачестве такой модели выступает механическая модель — расчетная схема взаимодействия, математический анализ которой позволяет определить количественные параметры взаимодействия пород и крепи

вкаждом конкретном случае.

30

Вотличие от материального моделирования, где построение мо­ дели регламентировано законами теории подобия, выбор механиче­ ской модели представляет серьезные трудности и является едва ли не главным в теоретическом исследовании.

Внастоящее время можно выделить шесть основных механиче­

ских моделей взаимодействия массива пород с крепыо выработки, к анализу которых сводятся наиболее известные теоретические иссле­ дования:

упругая модель; жесткопластическая модель; упругопластическая модель;

упругопластическая неоднородная модель; вязкоупругая модель; вязкопластическая модель.

Названия моделей условны (как и всякие названия), поэтому необходимо сделать ряд предварительных пояснений. Во-первых,

механическая модель взаимодействия пород и крепи не сводится к модели массива, хотя механические свойства массива являются одним из определяющих признаков при выборе модели. Один и тот же массив может быть представлен разными моделями в зависимости от соотношения его механических характеристик с характеристиками природного поля напряжений, от характера взаимодействия массива с крепыо и типа крепи и, наконец, в зависимости от задач исследова­ ния и срока службы выработки.

Во-вторых, набор моделей медленно, но неуклонно пополняется. Выше названы лишь основные, достаточно исследованные модели, в которых массив моделируется сплошной средой. Между тем из­ вестны работы, в которых массив рассматривается как дискретная (зернистая) среда, поведение которой определяется законами статистики (И. И. Кандауров, Е. Литвинишин, Р. А. Муллер, Б. И. Гаргер и др.).

Гипотезы горного давления

Известны следующие основные гипотезы горного давления, выска­ занные применительно к одиночным горным выработкам и тоннелям:

гипотеза полного веса столба пород; гипотеза части веса столба пород; гипотеза балок (плит); гипотеза свода обрушения; гипотеза свода давления;

гипотеза об отсутствии давления на крепь (стволов) в скальных

породах.

Указанный порядок в какой-то степени соответствует хронологии появления гипотез и в известной мере характеризует эволюцию представлений о механизме силового воздействия пород на крепь выработок. Действительно, гипотеза свода является значительным шагом вперед по сравнению с гипотезой веса' столба пород. Вместе с тем в действительности развитие науки пе было прямолинейным,

37

Гипотеза балок (плит) получила обоснование и развитие в работах Гоно (1858 г.), И. Шпарре (1867 г.), А. Шульца (1867 г.), В. Д. Слесарева (1926 г.) и др. [27].

Гипотезы свода. Эти гипотезы были вызваны к жизни развитием горного производства, в том числе увеличением глубин разработок, в результате чего была вскрыта несостоятельность зависимостей (5.1) — (5.3) как общих закономерностей нагружения крепи. Согласно гипотезам свода, давление на крепь не зависит или мало зависит от глубины. Для этих гипотез наиболее характерным является соотношение

Можно выделить две группы гипотез свода: гипотезы свода обру­ шения, которые устанавливают конфигурацию и размеры отделя­ ющегося от массива и покоящегося на крепи объема пород, и гипотезы свода давления, исследующие механизм образования устойчивых

Како (1934 г.), Динсдейла (1935 г.) и др. Вторая группа — в работах Эккардта (1913 г.), К. Терцаги (1925 г.), Хаака (1928 г.), Жиллитцера (1928 г.), Шпакелера (1929 г.) и др. [164].

Гипотеза об отсутствии закономерного давления на крепь в скаль­ ных породах относится к вертикальным выработкам. Такого рода предположения встречались у ряда авторов (В. Д. Слесарев, А. Н. Динник и др.). Наиболее полно и обоснованно гипотеза была сформулирована Н. М. Покровским. Позднее к этой гипотезе присо­ единился Е. Т. Проявкин.

Особенностью всех рассмотренных гипотез является представле­ ние о давлении пород на крепь как заданной статической нагрузке, которая не зависит ни от типа и конструкции крепи, ни от способа проведения и крепления выработки. Это дало повод Ф. Мору объеди­ нить все подобные гипотезы под названием «гипотезы сил» [243, 244].

Гипотезы о механическом состоянии пород вокруг выработок

Существует ряд работ, которые занимают промежуточное положе­ ние между гипотезами горного давления и предложенными позднее механическими моделями взаимодействия пород и крепи выработок. Авторы указанных работ на основании производственного опыта и собственных наблюдений высказывали предположения о механиче­ ском состоянии пород, окружающих горные выработки. Предположе­ ния носили качественный характер, на их основании еще нельзя было определить величину давления на крепь. Однако эти работы подготовили почву для дальнейшего развития науки.

39