Имашев А.Ж., Судариков А.Е., Бахтыбаев Н.Б., Тилеухан Н., Мустафин М.Б.

Карагандинский государственный технический университет

Учет неоднородности массива горных пород при определении нагрузки на крепь

Выбор оптимального типа и параметров крепления горных выработок является одной из наиболее сложных и ответственных задач в горном деле. С одной стороны недостаточное крепление горной выработки может привести к ее выходу из строя, тем самым создается опасность, как для людей, так и для технологических процессов происходящих вокруг выработки. С другой стороны излишнее крепление влияет на стоимость проведения выработки и, как следствие этого, на стоимость 1 тонны угля. Поэтому выбору рационального крепления горных выработок уделяется большое значение.

Как правило, выбор крепления и его параметров производят или по аналогии с соседними выработками или по методики ВНИМИ. Проблема, как в первом, так и во втором случае заключается в том, что массив горных пород имеет различные физико-механические свойства, как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной.

Как известно, основным критерием при выборе крепи является действующая на нее нагрузка и смещения массива. А нагрузку и смещения на крепь создают разрушенные породы вокруг проведенной выработки. Тогда для того, чтобы более корректно высчитать нагрузку на крепь горной выработки необходимо определить размеры зоны разрушения вокруг выработки.

Рассмотрим два варианта расчетов определения нагрузки на крепь горной выработки в массиве горных пород, состоящем из двух слоев различной прочности. В первом случае расчет проведем с помощью математического моделирования позволяющем учесть как прочностные свойства пород, так и последовательность расположения слоев. Во втором случае рассмотрим стандартную методику ВНИМИ для определения нагрузки на крепь.

Зона разрушения в неоднородном массиве определялась при численном моделировании методом граничных интегральных уравнений [1] при последовательном нагружении массива (что позволяет учесть фактор времени).

В процессе моделирования горные породы вокруг выработки нагружались последовательно в 4 этапа. При определении зоны разрушения вокруг выработки массив горных пород был охвачен равномерно лучами, на которых расположены точки, где определялись значения напряжений. Количество лучей вокруг выработки принято 32, а число исследуемых точек на луче – 30. Зона разрушения вокруг выработки определялось при следующих условиях: глубина расположения выработки 500 м; прочность пород на растяжения 2 и 5 МПа; объемный вес горных пород 2,5 т/м³; кажущийся угол внутреннего трения был принят 30⁰.

В первом случае, когда нижний слой (непосредственная кровля) представлен породой менее прочной (2 МПа), а верхний слой более прочной (5 МПа) размеры зон разрушения вокруг выработки составили: с кровли – 1,2 м, с боков – 1,3 м. Общая вертикальная нагрузка на крепь – 42,5 т/м².

Во втором случае, когда нижний слой более прочный, а верхний менее прочный размеры зон разрушения составили: с кровли – 0,4 м, с боков – 0,5 м. Общая вертикальная нагрузка на крепь – 14 т/м², т.е. изменение порядка слоев над горной выработкой привело к изменению вертикальной нагрузки более чем в три раза. В первом случае при применении арочной трехзвенной крепи из спецпрофиля №27 шаг крепления должен составлять не менее 2 рам на 1 метр длины выработки, а во втором случае может быть использован максимально возможный шаг крепления равный 1 рама на метр и более легкий спецпрофиль.

Результаты проведенного моделирования показаны на рисунке 1.

Для сравнения результатов определения нагрузок на крепь методом последовательного нагружения горных пород был произведен расчет нагрузки на крепь горной выработки стандартной методикой ВНИМИ [2]. Главным недостатком данной методики является то, что она не учитывает неоднородность массива горных пород и последовательность залегания слоев. При залегании нескольких слоев пород прочность всех слоев получается средним. Расчет производился при тех же условиях, что и математическое моделирование.

Рисунок 1 – Зоны разрушения вокруг выработки в неоднородном массиве горных пород

При определении смещений пород приконтурного массива и нагрузок на крепь по нормативным документам породы, находящиеся в почве, кровле и боках выработки, усредняются по формуле [2]

(1)

где – расчетное сопротивление слоев пород сжатию, МПа ;

– мощность слоев пород, м.

Очевидным здесь является то, что приведение различных пород к какой-то усредненной значений по R_с породе не отражает реальной картины формирования нагрузок на крепь и может приводить к существенным погрешностям при определении параметров крепления.

Определение нагрузки на крепь по нормативным документам дает положительные результаты при более слабых породах (сыпучая среда). Доказательством этому является моделирование при прочности пород на растяжения нижнего слоя 2 МПа и верхнего 5 МПа. Вертикальная нагрузка по нормативным документам (методика ВНИМИ) составил 43,1 т/м², когда по результатом численного моделирования методом последовательного нагружения пород составил 42,5 т/м². При прочности пород на растяжения нижнего слоя 5 МПа вертикальная нагрузка составила 14 т/м². Это показывает, что нагрузка на крепь горной выработки уменьшилась более чем в 3 раза.

Таким образом, при неоднородности массива горных пород с помощью численного моделирования можно более корректно определить воздействующую нагрузку на крепь горной выработки с учетом реальных горно-геологических и горнотехнических условий. Это, в свою очередь, позволит произвести выбор рационального крепления, как с точки безопасности горных работ, так и экономичности проведения горной выработки.

Литература:

1. Колоколов С.Б. Расчет параметров поддерживающей и анкерной крепи горизонтальных горных выработок. Учебное пособие/Карагандинский политехнический институт. Караганда, 1990. 64с.

2. Методические указания к курсовому проекту по механике подземных сооружений «Выбор параметров рамной металлической крепи с применением ЭВМ». КПТИ, Караганда, 1991.