автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета и обоснование параметров крепи при проведении капитальных горных выработок в условиях блочных глин

РГб ,од

6 Й '''Лекарственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ПРОХОРОВ Алексей Николаевич

УДК 622.281

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЕ

ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ БЛОЧНЫХ ГЛИН

Специальность 05.15.04 — «Шахтное строительство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научные руководители: докт. техн. наук, проф. КАРТОЗИЯ Б. А.,

докт. техн. наук, проф.

ПОПОВ в. л.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КАРЕТНИКОВ В. Н., канд. техн. наук, доц. ДЕНИСОВ В. Н. .

Ведущее предприятие — Таврический опытно-промышленный горно-обогатительный комбинат.

Защита диссертации состоится « » Ш-ОЬлр 199 % г_ в час. ,на заседании специализированного совета

Д;053.12.11 в Московском горном институте по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » . (МО^. . . 199 5

г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. ШУПЛИК М. Н.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время годовая потребность стран СНГ в марганцевом концентрате составляет 9,5 млн. т, ■ а производство не превышает 8 млн. т. В 1992 году в связи с выходом из строя мощностей по добыче марганца на Орджонякидзевском и Марганецком ГОКах эта цифра составляет 7 млн. т. Таким образом, поддержание мощностей по производству марганцевой руды может быть обеспечено только за счет ввода новых объектов на Таврическом ГОКе, освоение которого началось в 80-х годах строительством иахтн № I. Основными причинами неудовлетворительного состояния горных выработок этой шахты являются: структурная неоднородность пласта, его изменчивость, наличие водоносных горизонтов, плывунов, изменение мощности рудного пласта в процессе эксплуатации горных выработок. В итоге все это явилось основной причиной неосвоения шахтой проектной мощности и превышения капитальных затрат на ее строительство более, чем на 100 млн. руб. по сравнению о плановыми. При этом темпы ведения торнокапитальных работ на шахте й I ТГОКа в 1,5 раза ниже, а их стоимость в 3 + 5 раз выше, чем на шахтах Марганецкого ГОКо в Никопольском бассейне. Поэтому увеличение срока службы крепи на несколько месяцев при увеличении ее несущей способности при неизменной металлоемкости даст значительный экономический эффект.

В связи с этим обоснование методов расчета и определение параметров крепи горных выработок, позволяющие повысить их экономичность и надежность, является актуальной научной задачей.

Целью настоящей работы является разработка методов обеспечения устойчивости горных выработок мврганцеворудных шахт и методики определения рациональных параметров крепей горных выработок, сооружаемых в массиве блочных глин, обеспечивающей прочность конструкции крепи и снижение затрат на поддержание горных выработок.

Главная' идея работы заключается в решении проблемы крепления капитальных горных выработок, сооружаемых в массиве блочных глин, путем учета горно-геологических и горнотехнологических факторов на основе использования метода начальных параметров и возможностей современных ЭВМ.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы: научного анализа и обобщения, вероятностные и статистические, инструментальные шахтные наблюдения и анализ условий рвботы кпепи, •

экспериментальное моделирование на ЭВМ и сопоставь алышй анализ результатов, полученных на основе предлагаемой и существующих методик и имеющихся шахтных и лабораторных экспериментов.

Основные научные и сложения, выносимые на защиту:

1. Устойчивость незакреплённых горных выработок, сооружаемых в структурном массиве блочных глин, определяется размерами среднего структурного блока; что выражается степенной зависимостью модуля деформации блока от его размеров. Так,при изменении размеров блока от 0,Э до 0,7 ы модуль деформации увеличивается дс 1,25, что,в свою очередь, приводит к повышению устойчивости незакреплённых горных выработок.. .

2, Проявления горного давления на контуре выработки в массиве блочных глин выражается степенной зависимостью интенсивности смещения контура выработки от размеров среднего структурного блока. При этом, напряжения а элементах крепи определяются экспоненциальной зависимостью. При изменении с 0,7 до 0,3 и смещения контура увеличиваются в 1,5 раза, а при изменении Ж, с 0,3 до 0,6 м максимальные напряжения в металлическом кольце снижаются в 1,7 раза.

3. Математическая модель системы " крепь-массив блочных глин", позволяющая установить закономерности напряжённо-деформированного состояния алиментов кольцевой комбинированной крепи, взаимодействующей с массивом блочных глин, в зависимости от размеров среднего структурного блока, реологических параметров массива.

Степень обоснованности и достоверности основных научных положений и рекомендаций определяется удовлетворительным совпадением ( погрешность 15 % ) результата расчёта конструкций крепи горных выработок, полученных с помощью разработанных автором и существующих методик и данных натурных исследований, корректностью постановки задач, решаемых аналитическими и экспериментальными методами.

Н Лучное значение работы заключается в установлений на основе модели стержневой аппроксимации массива с применением метода начальных параметров и теории момвнтных обо -лочея, закономерностей напряжённо->-деформнровашюго состояния элементов комбинированной крепи , позволяющих, вышшгь резерв несущей способности конструкции, обосновать ее рациональные параметры.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по выбору конструкций кольцевых комбинированных крепей повышенной несущей способности, взаимодействующих с массивом блочных глт, позволяющих ,> зеличить межремонтный срок поддержания горных выработок.

На основе выполненных исследований разработана "Методика выбора месторасположения горной выработки, сооружаемой в массиве блочных глин", позволяющая повысить устойчивость горн' к выработок. Разработана "Методика определения нагрузки на крепь по ее деформированному состоянию", позволгчщая на основе экспериментальных измерений деформаций крепи определять действующую на нее нагрузку от горного давления расчетным путем.

Разработано новая конструкция комбинированной крепи, позволяющая повысить срок безремонтного поддержания выработки.

Реализация выводов и рекомендаций. Методики и рекомендации по выбору типа крепи и место-раслолокения горной выработки в массиве блочных глин относительно паста полезного ископаемого приняты к использованию проект-но-конструкторскими отделами Марганецкого и Таврического ГОКов, институтом Южгипрорудв. Экономический эффект от внедрения методик составил на Марганецком ГОКе 20 тыс. руб. л, на Таврическом ГОКе 43 тыс. руб. в год в ценах 1990 года.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсувдались на научно-технических советах институтов НИГРИ, ВНШОМШС, Ежгипроруда, научно-техническом семинаре кафедры строительства подземных сооружений и шахт Московского горного института <1991, 1992 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на ¿77 стр. машинописного текста, содержит 67 рис., список использованных источников из 6/ наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При анализе методик расчета напряженно-деформированного состояния массива блочных глин, современных конструкций комбинированных крепей и существующих методик их расчета отмечаем следующее .

Наиболее существенный вклад в создание основ мехакики под-»

земных сооружений и разработку новых конструкций крепей и способов крепления внесли К.А.Ардаше'в, Н.С.Булычев, И.В.Баклашов,

A.А.Борисов, Г.И.Грщко, Л.М.Ерофвев, Ю.З.Заславский, Э.В.Казакевич, В.Н.Каретников, Б.А.Картозия, В.Б.Клейменов, И.Г.Косков, К.В.Кошелев, Г.Г.Литвинский, Л.В.Новикова, П.И.Пономаренко,

B.Л^Полов, Е.В.Петренко, К.В.Руяпенейт, Б.М.Усаченко, Н.Н.Фотиева, Т.Н.Цай, И.Л.Черняк, Е.И.Шемякин и др.

Работы этих исследователей являются основополагающими и послужили базой-для прогресса в области крепления горных выработок.

И все же, несмотря на успехи в области конструкций крепей и рекомендаций по прогнозированию проявлений горного давления, стоимость и трудоемкость крепления и поддержания горных выработок, сооружаемых в массиве блочных глин,неоправданно велика.

Опыт, работы марганцеворудных и угольных предприятий показывает, что в условиях, где пластичные породы переходят в неустойчивое состояние, характеризующееся высокой интенсивностью смещения уже в начальный период сооружения горных выработок, используемые конструкции металлической крепи оказываются малоэффективными. На базе исследований НИГРИ, ПНЮТ, ДП5, ТулШ, МГИ ввдан рад рекомендаций по выбору несущей способности крепей, области их применения, что позволило решить некоторые задачи поддержания горных выработок. Однако анализ состояния крепей капитальных и подгото-втельных выработок на шахте № I Таврического ГОКа, выполненный Марганецким отделом института НИГРИ под руководством к.т.н. Ни-ковда В.И. Г'И активном участии к.т.н. Датыпова В.Х.,и работы сотрудников ДГИ под руководством д.т.н. Пономаренко 1КИ. свидетельствуют о высок«, л ежегодном объеме перекрепления выработок, связанном превде всего с недостатками существующих конструкций крепей, которые проявляются в следующем:

1) неприспособленность работы крепи в условиях сильного бокового давления (0,6 МПа) и большой обводненности породного массива; •

2) недостаточная устойчивость замковых соединений конструкций крепей в цвлoм^

3) недостаточная устойчивость в направлении продольной оси выработки.

* Устранение этих недостатков невозможно только применением податливой крепи, т.к. устойчивос7ь крепи не всегда может быть

-4-

достигнута из-за того, что, во-первых, полуразрушенный приконтур-ный массив недостаточно сопротивляется силовому и гидростатическому воз1яйствию проникающих в подземную горную выработку подземных вод, и, во-вторых, из-за структурной неоднородности породного массива блочных глин, различных механических и деформационных характеристик руда и вмещающих пород нагрузка неравномерно распределяется по всему контуру крепи. Поэтому одним из эффективных решений проблемы рационального креплеггш и поддержания грных выработок, сооружаемых в массиве блочных глин, является применение комбинированных мэталлобетояных колы'чвнх крепей повышенной несущей способности, позволяющих использовать нес^-дуто способность породного массива путем создания единой системы "крепь-массив": Однако. существующие в настоящее время методы расчета комбинированной крепи, взаимодействующей с мвссиром блочных глин, недостаточно полно учитывают степень влияния величины размера среднего структурного блока, реологических свойств пород на напряженно-деформированное состояние крепи и массива, что значительно снижает объем и эффективность применения комбинированных крепей; отсутствие на внешнем контуре крепи гидроизоляционного слоя приводит к затоплению почвы выработки и потере несущей способности ев. Вместе с тем отметим, что в вышеперечисленных исследованиях не изучено влияние гидроизоляционной оболочки на внешнем контуре крепи на напряженно-деформированное состо/лие элементов крепи, не оценено влияние расположения выработки относительно пласта полезного ископаемого на остойчивость последней в зависимости от величины куска среднего структурного блока.

Задачами настоящей работы являются:

- разработка методики экспериментальных исследований по на-блвдению за проявлениям горного давления в массиве блочных глин, включающей определение нагрузки на кольцевую крепь по ее деформированному состоянию с применением творил моментннх оболочек;

- составление уравнений равновесия, совместности перемещений всех элементов взаимодействия кольцевой металлобетонной комбинированной крепи с массивом блочных глин;

- разработка обобщенной расчетной схемы математической модели "крепь-массив блочных глин" и программы раочета н; ЭВМ, позволяющих проводить много вариантные вычислительные эксперименты на ЭВМ и исследовать напряженно-деформированное состояние кольцевой комбинированной крепи повышенной несу зй способности при ее совместной работе с массивом блочных глин;

-5-

- исследование влияния на механическое состояние крепи, гидроизоляционный слой горно-геологических и прнотехнологических факторов;

- разработка методика выбора месторасположения горной выработки в массиве блочных глин относительно пласта полезного ископаемого;

- разработка рациональных параметров кольцевой комбинированной крели повышенной несущей способности, работающей в массиве блочных глин;

- разработка методики проектирования конструкций комбинированных крепей повышенной несущей способности с учетом размеров среднего структурного блока глины и реологических свойств породного массива.

Экспериментальные исследования взаимодействия элементов комбинированной метадлобетонной крепи с массивом блочных глин проводились по пути изучения процессов смещения пород на контуре горной выработки, т.е. внешних проявлений горного давления по пути изучения процессов условий поддержания выработок в зависимости от блочности, деформируемости и расслоения массива горных пород, физико-механических свойств ископаемого и вмещающих пород. Работа крепи изучалась по ее напряженно-деформированному состоянию с использованием теории оболочек. Для изучения основных закономерностей проявления горного давления в период сооружения выработок в зависимости от степени влияния определяющих факторов в них устанавливаются специальные замерные контурные станции. •

На замерных станциях одновременно изучаются;

а) величины и скорости смещения пород по контуру выработки;

б) величины и скорости деформации пород в зоне влияния горной выработки;

в) величины нагрузок на крепь и их изменение во времени по контуру выработки.

Величины и скорости смещения пород определялись с момента их обнажения в забое выработки. Смещения и деформации крепи изучались с помощью контурных реперов, устанавливаемых в крепи,и глубинных реперов, закладу аемых в породу, вмещающую горную выработку. Давление на крепь определяется иа основе экспериментальных исследований. По результатам этих исследований строятся эпюры радиальных перемещений и эпюра касательных перемещений у I М. ртдиальная 2(0) и касательная у 10) нагрузки находятся из условия взаимодействия крепи с породным массивом, а также из урав-

-о-

нений равновесия.

Загружая найденными нагрузками крепь для аналогичных условий в качестве расчетных используют полученные по формулам радиальные и касательные нагрузки.

Контурные станции были установлены в 10 штреках. Общее количество контурных станций 18.

Станции располагались как в главных откаточных, конвейерных, вентиляционных выработках, закрепленных маталлобетонной крепью, так и в панельных штреках, пройденных по пласту руды и под пластом полезного ископаемого.

Установлено, что зона трещиноватости и рг-слоения (зона не-упрутйх деформаций) составила 8 4 15 м в кровле выработки п 6 * II м в боках выработки, причем 40 * 50 % яодошвы рудного тела в пределах рассматриваемой дайны штреков представлено неустойчивыми породами с несущей способностью в пределах 0,3 ♦ 0,35 МПа.

Особенно неблагоприятным ^актором в данном случае,-является то, что средний размер структурного блока окружающих горную выработку пород не превышает 0,4 м. Отмечался косонаправленннй характер действия внешней нагрузки от горного давления на крепь выработки. Максимальные смещения кровли породного контура штреков, сооружаемых -та шахте 9/10 Марганецкого Г0Ка> в среднем в 2 раза меньше, чем на шахте й I Таврического ГОКа.

Наибольшие смещения породно- о слоя отмечаются на 55+70-й день с момента проведения горной выработки. Причем напряжения в некоторых элементах металлической крепи, установленной в главном откаточном штреке шахты № I ТГОКа/достигают предельных значений на 85-й день, что приводит к частичной потере несушей способности крепи. В сечениях крепи образуются зоны пластического течения как в сжатой, 1 так п а растянутой зоне. Кольцо работает как пространственная конструкция под действием внешней неравномерной нагрузки. Получен следующий вид корреляционной зависимости мевду напряжениями, действующими в элементах крепи через 140 дней посла ее установки, и раамером среднего структурного блока породы, представленной глиной:

б¡> = 24? елр ' Ш

где 4 - средний размер структурного блска глины, м',

С>Р - максимальные напряжения, возникающие в поперечном сечении крепи, МПа.

Дальнейшими исследованиями была доказана необходимость возведения -гидроизоляционного слоя по всему контуру горной выработки сразу после обнажения породной толщи проходческим забоем о целью уменьшения величины потери несущей способности блочных глин. При существующих значениях вертикального давления в массиве горных пород шахты Л I ТГОКа, равного 1,6 МПа, и отсутствии крепких устойчивых слоев нерудной толщи максимальная действующая нагрузка от горного давления на крепь горной выработки составляет 1,2+1,5 МПа. Будучи высокопластичным.рудный пласт начинает течь при давлении 0,85 + 0,9 МПа, надрудные глины-при давлении 0,7 МПа,

Измерения показали, что с уменьшением мощности рудного пласта в течение 3- лат с момента проведения выработки суммарная потеря мощности рудного пласта соотавила 20 % от его первоначальной мощности. Глины надрудной толщи деформируются двояким образом, в условиях, благоприятных для развития деформаций - при значительных площадях обнажений разрушение вдет весьма интенсивно, образуются трещины, вывалы, неустойчивые своды, характерные для хрупких тел, в стесненных условиях при двухосном ожатии и достаточной величине давления развиваются типично пластические деформации о образованием изгибов и затеканий. Кроме того, при течении надрудной глины имеем два различных процесса - сжатие глины за счет компреосионного воздействия, а также увеличение объема надрудной толщи за счет разрушения и деформации блоков глины. При проведении выработок изменяется первоначальное напряженное состояние массива и возникает опорное давление от подработанной толщи покрывающих пород, что влечет за собой существенные деформации стенок выработки, В с"язи с большим разнообразием горно-геологических и горнотехнологических условий Большетокмакского мастороаде-ния марганцевых руд появилась необходимость классификации основных факторов и типизации условий, в которых проводятся горше выработки, расположенные в массиве блочных глин, классификация основных факторов имеет целью разделить их по ряду признаков, на основании которых можно было бы выбрать наиболее рациональные способы'поддержания горных выработок. С втой целью была составлена схема влияния основных горно-1оологических и горнотехнологических факторов на проявления горного давления в горных выработках, сооружаемых в массиве блочных глин.

При разработке математической модели рассматривался наиболее общий случай системы стержней, состоящей из Ш' элементов

-в- "

различной кривизны, сопряженных мевду собой любым образом. Рассмотренная обобщенная расчетная стержневая система состоит из лролзг.ольього числа круговых и прямолинейных элементов, жестко, !"ч;чи(.но или податливо соединенных цруг с другом и нагруженных произвольной нагрузкой. При перехода от расчетной схемы к математической модели кавдый из элементов системы разбивается на определенное количество участков одинаковой длины. Обобщенная математическая модель представляет систему линейных алгебраических уравнений, выражающих условия равновесия элементов системы, совместности их перемещений. В общем виде модель состоит из НР - элементов. В систему уравнений модели bxoa.it три силовых и три кинематических фактора в начале' каждого из элементов и в конце последнего элемента, fJf нормальных реакций боковых пород, CS реакции RCj и iS перемещений PCj связей, //с скачков углов поворота между элементами. Система уравнений математической модели в матричном виде записывается следующим образом;

/IX = б- (2>

D

Коэффициенты матрицы Д и вектор свободных членов ^ определяются из условий равновесия и взаимодействия с окружающими породами и со связями. Вектор неизвестных X вычисляется в процессе решения системы уравнений методом Гаусса.

Для учета ползучести горных пород нужно воспользоваться принципом Вольтерра и рассмотреть задичу линейной наследственной ползучести как задачу теории упругости, в которой вместо упругих постоянных В , С> , .U необходимо ввести временные операторы t í i C>t , Ut • Тогда уравнение ползучести принимает следующий вид ;

Г'

(-íl ) , у- A'/-¿ , (3)

где - функция ползучести.

В соответствии с законом Бринч-Халзона функция нолзу чести имеет следующий вид:

У > - , - ' > М)

___^s-TthHgT'i'tzwy6—. - —

где /i _ мощность уплотняемой толщи, м; ¿ - время, с;

К. , :»l(la ; ¿'i , м / с ; ¿ - , с - реологические параметры.

Сущность подхода настоящей работы состоит в использовании метода начальных параметров при расчете крепи совместно с массивом блочных глин. В расчетной схеме массив блочных глин моделируется системой прямолинейных элементов. Многослойный песчано-гли-нвстый юродный массив разбивается на отдельные слои, которые, в свою очередь, разбиты трещинами на блоки различного геометрического очертания. Длина слоя - влёмента и его толщина определены геометрическим строением массива с учетом положения трещин. Для определения размеров среднего структурного блока используются данные практики или результаты моделирования эквивалентными материалами. Крепь я массив блочных глин соединены :евду собой произвольной системой нормальных и касательных связей, воспроизводящих силы трения между блоками я крепью. Связи, входящие в подсистему, "крепь", являются реакциями, определяющими рабочее сопротивление или несущую способность проектируемой конструкции.

При решении задач с учетом деформации связей, их перемещения назначаются пропорционально соответствующим реакциям и жесткости;

Ъ = ^ ' , - (5)

= Ас ¿.у С^ I Кср} ' С ^ / Кс£) -Се} ,

где - реакция ^-й связи, кН;

- длина ¿-й связи, м;

. - площадь сечения ^ -й связи, м;

- модуль деформации материала I -й связи, Ша;

/Га/- коэффициент приведения длины связей;

Кср - коэффициент приведения модуля деформации;

- коэффициент приведения площади связей.

Причем значения коэффициентов приведения для радиальных и касательных связей должны определяться по различным зависимостям. Полученная жесткость связей на контакте крепи с массивом блочных глин будет наиболее адекватно отвечать характеру деформационных процессов в массиве блочных глин и может быть использована для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций комбинированных крепей повышенной несущей способности, сооружаемых в массиве блочных глин с использованием программы МР К01/0 • Исходя из эт0Г0| можно сделать сравнения определения перемещения связей на контакте крепи с массивом блочных .глин, определяемы^ по предлагаемой методике, и данных, полученных по обычной методике, без учета влияния потери несущей способности массива блочные глин и размеров куска среднего структурного блока глины на геометри-

-10-

ческие и деформационные характеристики материала связей. В результате расчетов получено, что расчетные напряжения в элементах комЛиидроьанной крепи, полученные по существующей методике,на 20.- 25 % меньше, чем по предлагаемой методика. Исходя из горногеологических условий шахты № I Таврического ГОКа при сравнении экспериментальных данных напряженно-деформированного состояния элементов комбинированной крепи со значениями, полученными по данной методике, получена их удовлетворительная сходимость (15 + 20 %). В рамках настоящей работы производилось математическое моделирование различных конструкций комбинированной кольцевой крепи повыгчнной несущей способности: металлической с гидроизоляционным слоем и без него, металлобетонной с гидроизоляционным слоем и без него, металлобетонной крепи, усиленной внутренним металлическим кольцом.

Проведенные исследования выполнялись в два этапа. На первом этапе исследовалось влияние реологических параметров массива блочных глин шахты J> I ТГОКа, размеров куска среднего структурного блока на напряженно-деформированное состояние существующих конструкций крепей.

На втором втапе исследовалась работоспособность различных конструкций комбинированных крепей при изменении их конструктивных параметров (шаг крепи, типоразмер профиля, наличие гидроизоляционного слоя, его толщина, деформационные характеристики, толщина слоя бетона). Исследованиями установлено, что наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние элементов комбинированной крепи оказывают размер куска структурного блока, реологические параметры породного массива. Получены зависимости силовых и кинематических параметров в элементах комбинированных крепей от величины диаметра куска среднего структурного блока в физически нелинейном массиве блочных глин.

Установлено, что при уменьшении размера структурного блока глины с 0,7 до 0,3 м силовые и кинематические параметры кольцевой комбинированной крепи увеличиваются на 50 - 70 %.

Проанализирована степень влияния.изменения прочностных и деформационных характеристик массива блочных глин во времени на напряженно-деформированное состояние элементов кольцевой комбинированной крепи повышенной несущей способности. При уменьшении значения модуля дефоргации пород в 6 9 раз в течение 100 суток с момента проведения выработки внутренные у>илия в элементах комбинированной крепи увеличиваются в 1,2 + 1,8 раза, а кинема-

-II-

тнческие параметры возрастают за этот промежуток времени в 1,2 ♦ 1,4 раза. Установлена степень влияния основных конструктивных параметров комбинированной кольцевой крепи повышенной несущей способности (типоразмер профиля, шага установки колец, толщины бетоннсго слоя) на работоспособнооть крепи. Установлены зависимости силовых и кинематических факторов в элементах комбинированной крепя от вышеперечисленных конструктивных параметров.

Предложено для предотвращения потери несущей способности почвы и боковых стенок горной выработки наносить гидроизоляционный слой по внешнему контуру горной выработки непосредственно вслед за подвиганием проходческого забоя и пери возведением элементов кольцевой металлической крепи.

Лянный слой должен выполнять следующие функция:

- предотвращать расслоение пород кровли и боков, т.е. образование блоков глины более малого размера по сравнению с размером блока глины в его естественном состоянии;

- предотвращать поступление воды из кровли и боков выработки в почву;

- способствовать более рациональному перераспределению нагрузки от горного и гидростатического давления на крепь выработки.

Установлено, что увеличение толщины гидроизоляционного слоя, представленного латексным набрызгбетоном,на внешнем контуре крепи от 5 до 15 см приводит к снижению силовых и кгпематических факторов в элементах кольцевой комбинированной крепи не менее, чем в 2 раза. Увеличение значения модуля деформации гидроизоляционного слоя в 1,5 раза снижает силовые и кинематические факторы в элементах кольцевой комбинированной крепи не менее, чем в 1,1 раза. Увеличение шага крепления металлических колец с ВЯ в 0,35 м до 8Н « 0,7 м приводит к увеличение напряжений в элементах комбинированной крепи не менее, чем в 2,5 раза и свидетельствует о распространении зоны неупругих деформаций вокруг горной выработки вглубь массива блочных глин, влечет за собой увеличение процесса трещинообразования и уменьшение величины размера среднего структурного блока глины.

Обоснованы рациональные параметры комбинированной кольцевой крепи повышенной несущей способности, приведена методика расчета комбинированной кольцевой конструкции крепи, взаимодейству! лей с массивом блочных глин. Анализ результатов'математического моделирования, шахтных исследований позволил определить области регионального применения конструкций комбинированной крепи в зависи-

мости от величины размера среднего структурного блока для конкретных горно-геологических условий шахты № I Таврического ГОКа. Так,при дол ^ 0,7 м рекомендуется кольцевая жесткая металлическая крепь из СВПУ27, КГВ26. Расстояние между рамами ВН = 0,4 м, толщина гидроизоляционного слоя Л = 0,05 + 0,2 и. При диаметре блока от 0,3 до 0,7 м крепь должна состоять из жестких металлических колец при ВН = 0,3 м, слоя гидроизоляции 0,1 * 0,3 м; в случае больших смещений контура выработки - слоя бетона толщиной 30 см или железобетона толщиной 20 см.

При 0,3 м - металлобетонная кольцевая крепь из профи-

ля СВПУ27, КГВ26 (3 рамк на I м ,), слоя железобетона

толщиной 30 см, слоя гидроизоляция толщиной до 0,4 м; в случае больших деформаций контура закрепленной выработки - внутренние металлические кольца из профиля СБПУ19, плотность установки внутренних колец 0,3 * 0,5 м. Разработана "Методика выбора месторасположения горной выработки, сооружаемой в массиве блочных глин, относительно пласта полезного ископаемого". Методика базируется на теоретических исследованиях, проведенных в диссертационной работе,и позволяет по полученным аналитическим и экспериментальным путем величинам смещений контура закрепленной горной выработки выбрать наиболее оптимальное ее месторасположение относительно пласта полезного ископаемого. Для горно-геологических условий шахты Я I Таврического ГОКа капительные горные выработки рекомендуется располагать на 3 - 6 м нигч почвы рудного пласта.

Предложена "Методика определения рациональных параметров кольцевой комбинированной крепи горных выработок, сооружаемых и массиве блочных глин". Методика базируется на расчетной схеме и математической модели комбинированной крепи, взаимодействующей с массивом блочных глин, а также универсальной программе МР^О^и , позволяющей рассчитывать любую стержневую систему. Эта методика позволяет производить выбор и расчет конструкций кольцевой комо бинированной крепи с учетом размера куска среднего структурного блока глины и реологических параметров физически нелинейного массива горных пород. Экономический эффект при внедрении рекомендаций "Методики выбора месторасположения горной выработки, сооружаемой в массиве блочных глин, относительно пласта лйчезно-хчз ископаемого" и "Методики определения рациональных параметров комбинированной крепи капитальных горних выработок, сооружаемых в массиве блочных глин" только за счет сокращения расхода металла и увеличения безремонтного срока поддержания горных выработок

обеспечивает гог^вой экономический эффект в размере 43 тыс.руб. нв шахте К I Таврического ГОКа и 20 тыс.руб. на шахте *9/ШМарга-ноцкого ГОКа в ценах 1990 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано ' новое решение актуальной научной задачи обеспечения устойчивости капитальных горных выработок | марганцеворудных шахт и установления закономерностей взаимодействия кольцевой комбинированной крепи повышенной несущей способности для обоснования ее рациональных параметров, обеспечивающих прочность конструкции крепи и снижение затрат на поддержание горных выработок. Основные выводы, научные и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. На устойчивость незакрепленных горных выработок, сооружаемых в массиве блочных глин, влияют размеры среднего структурного блока, что выражается установленной в работе степенной зависимостью модуля деформация от размеров блока. Так, при изменении ¿.¡л о 0,3 до 0,7 м модуль деформации глины увеличивается в 1,85

раза, что, в свою очередь, приводят к повышению устойчивости незакрепленных горных выработок!

2. Особенности проявления горного давления в массиве блочных глин характеризуются степенной зависимостью интенсивности смещений контура горной выработки от размеров куска среднего структурного блока. При изменении * с 0,7 до 0,3 м смещения контура увеличиваются в 1,5 раза.

Установлена экспоненциальная зависимость напряжений, дей-ствупцих в элементах крепи, от размеров куска среднего структур-ното блока. При изменении с 0,3 до 0,6 м максимальные напря-

жения в металлическом кольце снижаются в 1,7 рвза.

3. Разработанная методика определения нагрузки на крепь по ее деформированному состоянию отличается тем, что позволяет производить определение параметров напряженно-деформированного состояния элементов крепи при минимальном число параметров аппроксимации с применением теории моментных оболочек и получить графическую картину этих изменений.

4. Разработаны математическая модель и расчетная схема комбинированной крепи во взаимодействии с массивом блочных глкн.

б. Обосновано, что для описания механических и деформационных процессов в нелинейно-деформируемом массиве блочных глик может быть использован численный метод, в основе которого лежит ме-

-1-1-

■год начальных параметров, позволяющий применить широкие возможности повышения точности и снияения трудоемкости расчетов при -прВмЗГ.э&и быстродействующих ЭШ.

. --------6.. _Уот"новлено, что наибольшие влияние на напряженно-деформированное состояние элементов кольцевой комбинированной крепи, сооружаемой в массиве блочных глин, оказывает размер куска структурного блока. Получены зависимости силовых и кинематических факторов в элементах кольцевой комбинированной крепи от величины размеров структурного блока глины. Показало, что существенное влияние на смещения породного контура горной выработки, сооружаемой в массиве блочных глин, оказывают реологические параметры породного массива, подчиняющиеся логарифмическому закону Бринч-Ханзена.

?. Разработаны алгоритм, программа расчета на ЭШ, позволяющие производить расчеты и исследования подземного сооружения при. взаимодействии с массивом блочных глин.

8. Установлена степень влияния основных конструктивных параметров крепи (типоразмер профиля, шаг крепи, наличие гидроизоляционного слоя) на работоспособность крепи. Установлены эь ле.имос-ти силовых и кинематических факторон в элементах крепи от вышеперечисленных конструктивных параметры.

Установлено, что наличие гидроизоляционного слоя толщиной :и ♦ 15 см на внешнем контуре крепи, возводимого вел; д за подвигшшем проходческого забоя, приводит к снижению силовых и кинематических факторов в элементах крепи в 1,7 + 2,5 раза.

9. Предложена "Методика определения рациональных параметров крепи горных выработок, сооружаемых и массиве блочных глин", отличающаяся тем, что она позволяет производить расчеты и выбор конструкции комбинированной крепи с учетом размера куска среднего структурного блока глины и реологических параметров физически нелинейного массива блочных глин.

10. Результаты внедрения рекомендаций "Методики выбора месторасположения горной выработки относительно пласта полезного ископаемого" и "Методики определения рациональных параметров комби-ниронышоп крепи капитальных горных выработок, сооружаемых в массиве блочных глин" только за счет сокращения расхода металла и увеличения срока Леярямоитной службы горной выработки обеспечивают годовой экономический уф|ч;кт в размере 43 тыс. руб. на шахте Л I Таврического ГОКа и 20 тыс.руб. на шахте й 9/10 Марганец-кого ГОКа п ценах 1990 года.

Основное подержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. Прохоров А.Н., Попов В.Л., Воробьев А.Н. Анализ работоспособности конструкций крепей капитальных горных выработок шахты Л I Таврического ГОКа//Комплексное освоение пространства крупных городов: Сб. научн. трудов/ . - М. : МГИ, 1992. - С. 35 - 37 .

2. Прохоров А.Н. К вопросу о применении новых видов шахтных спецпрофилей//Подз.разраб. тонких и средн. мощности утольн. пластов. - Тула: ТулПИ, 1992. - С. 51 - 54.

3. Прохоров А.Н., Ескин В.В. О расчете толщины набрызгбетон-ной крепи горизонтальных горных выработок//Подз. разраб. тонких

и средн. мощности угольн. пластов. - Туле: ТулПИ, 1989. -С. 60-66.

4. Прохоров А.Н., Ескин В.В. Исследование несущей способности набрызгбетонной крепи горноразведочных выработок//Подз.разраб. тонких и средн. мощн. угол, пластов. - Тула: ТулПИ, 1988. -

С. 113-119.

5. Прохоров А.Н., Гиленко В.А., Ескин В.В. Технология возведения набрызгбетонной крепи с использованием механизма вождения сопла//Подз. разраб. тонких и средн. мощн. угол, пластов. - Тула: ТулПИ, 1991. - С. 95 - 99.

Подписано в печать 17.05.93г. Формат 60x90/16

Объем I п. . Тираж 100 экз. Заказ

Типография ^ооновского горного института, к..Лвиинский пр. ,6