автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Создание динамически стойкой тюбинговой крепи

2?. РЕВ ^93

Российская Академия наук Сибирское отделение Институт горного дела

На правах рукописи

Устгагов Михаил Борисович

УДК 622.2;622.268;622.281

СОЗДАНИЕ даШШЕСКИ СТОЙКОЙ ТЮШНГОВОЙ КРЕ1Ж

Специальности: 05.15.02 - "Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых", 05.15.04 - "Шахтное строительство"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г.Новосибирск-1992

Работа выполнена в Институте горного, дела Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты: Н.Г.Дубынин - доктор технических наук

профессор (ИГД СО РАН, г.Новосибирск) Л.М.Ерофеев - доктор технических наук профессор (институт "КузНИИШахтострой", г.Кемерово) В.И.Мурашов - доктор технических наук професоор (институт "ВостНИИ", г.Кемерово) Ведущая организация: НПО "Сибруда" (г.Новокузнецк)

Защита состоится "26" О3 1993 г. в " час. на заседании специализированного совета Д 003.17.01 при Институ те горного деда СО РАН (630091, г.Новосибирск-91.Красный про спект, 54)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН

Автореферат разослан " I " & 2- 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, л ^ ^ . ^ доктор техн.наук, профессор ¿З^-Оь*-* ^^ГР^айковс;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие вопросы крепления капитальных и подготовительных выработок на больших глубинах рудников черной и цветной металлургии приобрели особую актуально -сть. Затраты на поддержание и перекрепку этих выработок нередко превышают расходы на первоначальное крепление и в себестоимости добываемого сырья достигают 50$.

Средняя глубина работ на действующих рудниках достигла 800 м, а в ближайшее десятилетие возрастет до I 200 - I 600 м. Опыт ведения подземных работ показал, что с увеличением глубины значительно возрастает горное давление, концентрация которого приводит к воз -никновению динамических форм его проявления, таких, как толчки,стреляния, микроудары и особенно, горные удары.

В связи с этим,. Государственный комитет по науке и технике СССР в своих постановлениях признал проблему горных ударов на рудных месторождениях одной из важнейших народнохозяйственных проблем и наметил план работ на 1981-1990 годы по созданию и внедрению эффективных и безопасных технологий ведения горных работ и ■ строительства подземных сооружений при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений.

Задача снижения затрат на поддержание и безопасную эксплуатацию выработок'является комплексной и ее решение должно включать в себя разработку методов выбора рационального расположения вырабо--ток, способов их проведения, крепления и охраны. Эта .задача в настоящее время полностью не решена из-за отсутствия надежной конструкции крепи, способной работать в условиях динамических проявлений горного давления. Существующие крепи, созданные для глубоких шахт и рудников, работающих с опасным:! проявлениями горного давления, на предназначены к работе в режиме ударного нагружения и не обеспечивает надежную эксплуатацию выработок.

До сих пор не выработано единого удовлетворительного подхода к самим принципам конструирования и расчета крепей, рабртаюпих в условиях воздействия на них динамических нагрузок.

Таким образом, решение проблемы безопасного ведения горных работ, по нашему мнению, должно базироваться на создании видов и способов .динамически стойкого крепления, обеспечивающего гарантированную работу очистных забоев в условиях динамических воздействий горного массива на крепь капитальных и, чаще всего, подготови-

тельных выработок, находящихся под непосредственным влиянием очистных работ, формирующих техногенные поля напряжений и провоцирую -щих удароопасные ситуации.

Особое место в системе капитальных и подготовительных выработок принадлежит горизонтальным прямолинейным выработкам, протяженность которых многократно превышает длину выработок иной ориентации.

Основу диссертационной работы составляют исследования, выполненные автором в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИГД СО РАН по темам:

- "Развитие научных основ эффективных систем и технологических процессов добычи полезных ископаемых подземным способом", 1961435гг. (№ гос,рег.810Ы329);

- "Развитие научных основ эффективных технологий разработки месторождений твердых полезных ископаемых в условиях больших глубин" 1366-1990 гг. (№ гос.рег.01860079149), а тагасе постановлениям ГКНТ СССР № 200 от 05.05.77 г., № 86 от 02.04.81 г.,№ 555 от 30.10.86г. и по программе СО РАН "Сибирь".

Цель работы - создание динамически стойкой тюбинговой крепи и технологии ее возведения для прямолинейных участков горизонтальных выработок глубоких рудников удароопасных месторождений.

Задачи исследований:

- обобщить основные сведения о крепях, их конструктивных особенностях и методах расчета для горизонтальных выработок, подверженных динамическим воздействиям горного массива;

- сформулировать основные принципы конструирования динамически стойких крепей;

- развить методы расчета многошарнирных крепей с учетом динамических воздействий;

- разработать конструкцию динамически стойкой крепи и технологию ее изготовления;

- выбрать и усовершенствовать технологию крепления горизонтальных выработок динамически стойкой крепью с демпферной забутовкой;

- провести опытно-промышленные испытания крепи с необходимым комплексом натурных измерений;

- выработать рекомендации по эффективному применению крепи и дальнейшему ее совершенствованию.

Основная идея работы состоит в использовании эффекта гашения (поглощения) и перераспределения динамических воздействий вмешаю -

щего горного массива на выработки путем применения многошарнирных сборных крепей с демпферной забутовкой из высокоподатливых материалов с конструктивно встроенными шарнирами и технологическими шар-нирно-податливыми узлами стыковки между собой тюбинговых железобетонных элементов.

Методы исследований. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий:

- анализ производственного опыта применения крепей, теории и практики их расчета для условий высокого горного давления, в том числе в динамической форме;

- аналитические и экспериментально-аналитические исследования несущей способности крепи и усилий в ее элементах с численной реализацией расчетов на ЭВМ;

- стендовые и шахтные испытания крепи с применением современ -ных лабораторных и натурных методов и средств измерений;

- теоретические обобщения и анализ результатов шахтных испытаний крепи;

- технико-экономический анализ и оценка качества крепи.

Научные положения, вносимые в защиту:

- для условий больших глубин разработки месторождений с опасными проявлениями горного давления в динамической форме не существует крепей, отвечающих эксплуатационным требованиям, а крепи специального назначения, т.е. динамически стойкие, в практике строительства и проектирования подземных предприятий неизвестны;

- разработанные методики, включающие расчет многошарнирных крепей замкнутого и незамкнутого очертаний на динамические воздействия с использованием аналитических, экспериментально-аналитических и инженерных методов исследований об исходных и дополнительных полях напряжений и их ориентации вокруг выработки, направлении и энергетических величинах сейсмоволн, а также смещениях элементов крепи в поперечных сечениях выработок позволяют получить надежные параметры конструктивных элементов динамически стойкой крепи;

- демпферный слой из высокоподатливых сыпучих материалов и вспененных пластмасс в сочетании с конструктивно встроенными, шарнирами в элементы крепи позволяет ей эффективно функционировать в режиме динамических воздействий горного массива за счет гашения ударных нагрузок со снятием их пиковых значений;

- забутовка из сыпучих материалов, вспененных пластмасс или в их сочетании, имеющая расчитанную по ожидаемым смещениям толщину, эффективно гасит динамические проявления горного давления и перераспределяет их вокруг выработки;

- шарнирно-податливые железобетонные тюбинги позволяют создать необходимо ограниченную геометрическую изменяемость контура ■ крепи, при этом, напряжения в крепи самоперераспределяются, а эксплуатационная площадь поперечного сечения выработки сохраняется;

- использование цельных и разрезных (пешеходно-рельсовых) лотков с центрально расположенной водоотливной канавкой и бесшпаль -ным креплением рельсового пути позволяет в первом олучае успешно эксплуатировать крепь в условиях высокого горного давления или пучения пород со стороны почвы, а во втором - значительно снизить вибрационно-динамические воздействия подвижных грузосоставов на крепь выработок, при этом, применение новых клиновых и крюкообраз-ных быстро соединяющих тюбинги элементов, обеспечивает в целом надежную работу крепи.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- необходимым и достаточным объемом лабораторных, заводских и шахтных исследований в условиях глубокого, наиболее удароопасного в России Таштагольского железорудного месторождения;

- удовлетворительной сходимостью результатов математического предрасчета прочности крепи'с обработанными данными натурных измерений;

- надежным достижением заданных геометрических и прочностных параметров крепей в течение длительной эксплуатации (5-7 лет) опытно-промышленных конструкций в оообо тяжелых горно-геологичес -ких и технологических условиях.

Научная новизна работы состоит в:

- использовании в расчетах крепей на динамические нагрузки информации об измеренных смещениях поперечного контура многошарнирных крепей горизонтальных выработок;

- получении новых данных об оперативной адаптации многошарнирной крепи с демпферной забутовкой к конкретной геомеханической обстановке и сведений о деформировании крепи, ее напряженном состоянии, геометрии, несущей способности, устойчивости;

- углублении знаний о роли технологических и тектонических факторов в условиях удароопасных рудников при формировании нагру -зок на крепь горизонтальных выработок с демпферной забутовкой;

- исследовании механизма взаимодействия геомеханической сис -темы "крепь-демпфер-массив" в условиях продолжительного во времени натурного эксперимента, включающего в себя результаты измерений давления на крепь, напряжений в ее элементах, геометрической изменяемости крепи, а также нарушенности горных пород вокруг выработки;

- разработке оригинальных устройств для скважинных методов оценки напряжений и деформаций в массиве горных пород вокруг выработок с динамически стойкой тюбинговой крепью;

- расширении представлений о влиянии горных работ и удароопа-сности близлежащих участков массива на крепь выработок, находящихся в зонах их активного воздействия.

Научная новизна работы подтверждена выдачей автору 12 свидетельств и патентов на изобретения.

Личный вклад автора состоит в:

- постановке и решении принципиальных вопросов по конструированию динамически стойкой крепи, разработке программ и методик организации и проведения ее стендовых и промышленных испытаний, анализе и обобщении результатов исследований;

- развитии методов расчета многошарнирных крепей на динамические воздействия по данным натурных измерений смещений их поперечного контура;

- разработке новой заводской технологии изготовления железобетонных элементов.крепи, новых решений по применению вспененных пластмасс в качестве демпферной забутовки за тюбинговой крепью;

- обосновании областей эффективного применения разработанных автором модификаций динамически стойких крепей замкнутого и незамкнутого очертаний;

- расширении представлений о влиянии горных работ и роли тектонических факторов в формировании нагрузок на многошарнирнуюфепь

с демпферной забутовкой;

- разработке нормативно-технической и инструктивно-методической документации на крепь и внедрении ее в промышленное производство.

Практическая ценность работы заключается в следующем:- разработаны конструкция многошарнирной динамически стойкой крепи и инженерный метод ее расчета;

- предложены и применены в тюбингах встроенные шарниры, обеспечивающие малоэлементность крепи (трехэлементная крепь имеет 10 и более шарниров);

- разработан и использован в замкнутых крепях впервые в практике горного дела разрезной лоток, выполненный в виде двух боковых пешеходных и среднего рельсового тюбингов с центральным расположением в последнем водоотливной канавки и бесшпальным креплением рельсового пути;

- разработаны простейшие способы и средства соединения элементов тюбинговой крепи в ее поперечном сечении и вдоль выработки;

- предложена и освоена новая заводская технология изготовле -ния железобетонных тюбингов;

- представлен, утвержден и издан в установленном порядке альбом динамически стойких крепей для выработок различного назначения и условий эксплуатации (10 видов);

- определены области эффективного применения каждого из видов динамически стойких тюбинговых железобетонных крепей;

- разработана и утверждена в- соответствии с ГОСТ необходимая нормативно-техническая и инструктивно-методическая документация на изготовление и применение динамически стойкой крепи КСП.

Реализация работы. Основные разработки.автора реализованы в нормативно-технической (ТУ на тюбинги, рабочие чертежи на металло-формы и тюбинги, документация на виброударную установку для формования элементов железобетонной тюбинговой крепи, а также на уст -ройства для оценки напряжений и деформаций в горном маосиве) и инструктивно-методической (альбом "Унифицирование.сечения горных выработок с динамически стойкой тюбинговой келезобетонной крепью"; инструкция по применению "Крепь сборная податливая - КСП"; "Про -грамма и методика стендовых испытаний крепи КСП") документации.согласованной с региональными службами Госгортехнадзора и утвержденной Госстандартом и Министерством металлургии СССР.

Эти документы изданы массовым тиражом и разосланы в 20 объединений, НИИ и горнообогатительных комбинатов отрасли.

. На шахте Таштагопьского рудоуправления НПО "Сибруда" о 1365 и ' 1368 годов по наотоящее время успешно эксплуатируются 2 участка выработок, закрепленных динамически отойкой крепью в особо опасных условиях по горным ударам и технологическим факторам. Ежегодный экономический эффект от применения крепи, расчитанный для рудников НПО "Сибруда" составляет 1010,3 тыс.руб., а для шахтостроительных

управлений треста "Таштаголшахтострой"-504 тыс.руб. в ценах 1991 года.

Запланировано финансирование работ по оборудованию построенного цеха по производству железобетонных тюбингов динамически стойкой крепи для рудников НПО "Сибруда".

Апробация работы. Материалы диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и получили положительную оценку на УП Всесоюзной конференции по механике горных пород(г.Днепропетровск, 1961 г.), на IX Всесоюзной конференции в МГИ(г.Москва, 1967 ^"Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов", на 1У Всесоюзном семинаре по горной геофизике (г.Тбилиси,1987 г.), на IX и X Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (г.Кемерово, 1984, 1966 гг.), на У и XI Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (г.Новосибирск,1975,1969 гг.),на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых горных работ" (г.Кривой Рог, 1990 г.).

По итогам конкурса прикладных работ Сибирского отделения АН СССР за 1991 г. коллектив ученых, в том числе и автор, за работу "Разработка динамически стойкой тюбинговой крепи горных выработок" награжден дипломом третьей степени.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 31 работе, в том числе в двух монографиях и 12 авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и 'объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, приложений (отдельный том) и содержит 153 страницы машинописного текста, 116 рисунков, 25 таблиц, список использованных источников из 153 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Автор благодарит В.Н.Власова,В.Ю.Изаксона,Г.И.Кулакова,М.В.Ку-рленю.Н.Е.Труфакина.С.В.Ушакову,Е.И.Шемякина за участие-в обсужде -нии отдельных этапов работы и помощь в ее подготовке¡глубокую признательность за содействие во внедрении диссертационных разработок в производство автор выражает инженерно-техническим работникам НПО "Сибруда".треста "Таштаголшахторудстрой" и некоторых других организаций бывшего Минчермета СССР - покойному ныне П.Т.Гайдину.а также Б.Ф.Егорову, Ю.М.Карапетяну,В.М.Кирпиченко,В.С.Лялько.И.Ф.Матвееву, В.Н.Никитину.Н.И.Скляру,А.Е.Умнову.В.К.Ширяеву и другим.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное состояние проблемы

Практика горного дела и существующие научно-технические разработки по креплению горизонтальных выработок глубоких шахт и'рудников с динамическими формами проявления горного давления свидетельствуют об отсутствии надежных видов крепи для этих условий. Известные конструкции крепей создавались применительно к прогнозируемым горно-геологическим и технологическим ситуациям конкретных месторождений без учета их удароопасности и имеют, в связи с этим, ограниченную область применения.

В целом же, проблема крепления горизонтальных выработок,эксплуатируемых при динамических воздействиях горного давления, в настоящее время не решена.

Технический прогресс во всех отраслях добычи твердых полез -ных ископаемых подземным способом и связанных с ними горно-строительными работами неотделим от развития науки, неоценимый вклад в достижения которой внесли Б.И.Бокий, Б.В.Бокий, Т.Ф.Горбачев,А.Н. Динник, Г.А.Крупенников, М.М.Протодьяконов, В.Д.Слесарев, А.М.Те-рпигорев, П.М.Цимбаревич, Н.АЛинакал, Л.Д.Шевяков и другие выдающиеся отечественные ученые, своей научной, инженерной и педагогической деятельностью в значительной мере способствовавшие созданию современного горного производства.

Разработке прогрессивных видов крепи, обеспечивающих безре -монтно-безопасную эксплуатацию капитальных и подготовительных горных выработок, посвящены многие работы Н.С.Булычева, М.Н.Гелес -кула, Л.М.Ерофеева, В.Н.Каретникова, Б.А.Картозия, А.Г.Протосеня и др.

Проблемы устойчивости окружающих выработку пород и их взаи -модействия с крепью, расчета крепей, развития теоретических представлений о характере работы подземных сооружений рассмотрены в трудах Ш.М.Айталиева, И.В.Баклашова, Ж.С.Ержанова, В.Ю.Изаксона, М.В.Курлени, С.Г.Лехницкого, А.М.Линькова, В.И.Мащукова, В.Е.Ми -

ренкова, А.Ф.Ревуженко, Е.И.Рогова, Г.Н.Савина, С.Б.Стакевского, Н.Н.Фотиевой, Е.И.Шемякина и др.

Создание и внедрение динамически стойкой крепи широкого диапазона применения в условиях ударного воздействия вмещающих пород является одним из важнейших направлений совершенствования подземных технологий, как с позиций повышения их безопасности и эффек -

тивности, так и с точки зрения снижения социального ущерба, причиняемого обществу опасными проявлениями горного давления в динами -ческой, форме.

Для особо тяжелых условий работы при больших давлениях и смещениях, с разными ориентацией и величинами, наибольшее применение находят металлические податливые, монолитные и сборные железобетонные, а также анкерные крепи и комбинированные (смешанные) из предыдущих видов крепления. В условиях массовых взрывов и горных ударов, крепи подвергаются периодически через 15-25 мс серии динамических нагрузок вибрационного характера, и не всегда обеспечивают необходимую для них устойчивость. Конструкции узлов податливости предусматривают наличие деревянных продольных прокладок в бортах и своде бетонных и железобетонных крепей, узлов трения в мета-ллокрепях из спецпрофиля и в трубчатых стойках железобетонных рамных крепей, а также вставных отержней и вваренных шпилек, срезаемых под воздействием динамических нагрузок в металлических и сметанных крепях. Наличие закладочного слоя (забутовки), как правило, полагает освобождение крепи от преждевременного перехода ее в несущий режим работы при больших статических смещениях вмещающих пород в выработках, пройденных в осадочных массивах. В крепких породах, в основном, изначально обеспечивается плотный контакт крепи с массивом, связанный с традиционными представлениями о малых деформациях пород в рудных шахтах и необходимостью лишь поддержания ра-зупрочненного в процессе проходки горного массива. Следовательно, известный и широко применяемый в технике демпфер, в качестве которого может использоваться за крепью закладочный слой из материалов с высокими компрессионными свойствами, в практике крепления горных выработок распространения не получил.

Анализ существующих крепей показывает, что наиболее подходящими для удароопасных условий и больших смещений со стороны вмещающих выработку пород являются многошарнирные крепи криволинейного очертания, изменяющие под нагрузкой свою геометрию с сохранением рабочего пространства; в сочетании с демпферным слоем с- расчитан-ными компенсационными возможностями материала закладки ■ система "крепь-демпфер" позволяет поглотить ударные воздействия массива до перехода крепи в неоущий режим работы за счет ее податливости и шарнирности. Предпочтение, в данном случае, можно отдать сборной, малоэлементной, шарнирно-податливой крепи с высоким качеством изготовления ее элементов и возможностью применения отечественных

средств механизации наиболее трудоемких процессов в подземных условиях. К таким крепям относится сборная железобетонная тюбинговая крепь (крепи КТАГ ВНИИОМЕЕа и ГТК КузНИЖПахтостроя) с цилиндрическими шарнирами в местах стыковки элементов по ее периметру, изготавливаемая в заводских условиях и устанавливаемая в шахте тю-бингоукладчиками с последующей забутовкой вспененными пластмассами или породой с использованием закладочных машин.

Одной из основных проблем при расчете крепи является опреде -ление усилий в ее элементах, работающих в конкретной геомеханической обстановке, когда нагружение происходит в условиях взаимодействия с массивом горных пород. При этом -величины усилий определяются не только проявлениями горного давления, но и параметрами крепи, такими, как жесткость на изгиб, сжатие и кручение,-контактными условиями, наличием и расположением узлов податливости, их характеристикой и т.д. Из всех факторов влияния на режим нагруже-ния крепи наиболее достоверно оцениваемый, пожалуй, только один -жесткость крепи. Остальные оцениваются гипотетическими моделями, не лишенными недостатков, в связи- с чем естественно желание при расчете крепи использовать результаты натурных измерений.

Известные методы расчета крепи по измеренным нагрузкам обладают принципиальными недостатками, как-то:.

- априорно устанавливаемый характер наложенных на крепь связей;

- поскольку нагрузка на крепь зависит от ее жесткости, изменение последней в процессе расчета должно сопровождаться изменениями нагрузки, что требует нового эксперимента, при котором в систему включается дополнительный упругий элемент (динамометр), влияющий на распределение нагрузки на крепь.

В связи с этим, привлекает идея, впервые высказанная Л.Н.Насоновым и развитая в трудах В.Ю.Изаксона об использовании в расчете крепи результатов измерений смещений контура выработки¡дальнейшее развитие этой идеи с учетом динамической составляющей нагрузки на крепь для многошарнирной конструкции позволяет внести новый вклад в развитие расчетных методов на динамические воздействия, так как существующие методы разработаны для монолитных крепей.

Основные принципы конструирования динамически стойких крепей

Конструирование, динамически стойких шахтных крепей можно свести к решению следующих основных вопросов, связанных с выбором:

- формы очертания крепи;

- статичеокой схемы;

- формы поперечного сечения элементов;

- конструкции соединительных узлов;

- способа гашения ударных нагрузок.

Форма поперечного сечения (очертания) крепи определяется напряженно-деформированным состоянием и свойствами пород, степенью их удароопаснооти и технологией очистных работ. Множество форм очер -таний крепей делится на замкнутые и незамкнутые конструкции, выбор которых связан с условиями и сроками их эксплуатации,экономической целесообразностью и техническими возможностями возведения в подземных условиях; принципиальными факторами, которыми следует руководствоваться при конструировании замкнутых крепей являются пучение пород, повышенное давление со стороны почвы и расположение выработок в мягких породах по шкале М.М.Протодьяконова.

Статичэская схема крепи составляется из отдельных, соединенных меящу собой элементов и рассматривается как плоская кинематическая цепь о жесткими или шарнирными узлами; при жестких узлах, исключающих относительный поворот соединяемых элементов, образуются статически неопределимые конструкции, а при шарнирных узлах -статически определимые, геометрически изменяемые крепи.

Форма поперечного сечения элементов выбирается из расчета наилучшего использования несущей способности материала(железобетона) и технологичности его конструктивного изготовления.

Конструкции соединительных узлов могут быть жесткими, шарнирными, податливыми, шарнирно-податливыми и выбор их определяется условиями эксплуатации крепи (давление, в т.ч. динамического характера, смещения окружающих горных пород, способ очистной выемки и

его влияние на форгарованне геотехнической обстановки и т.д.).Для динамически стойких крепей наиболее целесообразно использовать шарнирные и шарнирно-податливые соединения, обеспечивающие, геометрическую изменяемость крепи и оперативную ее адаптацию к конкретной ситуации за счет перераспределения нагрузок со сглаживанием.их пиковых значений.

Способ гашения ударных нагрузок выбирается исходя из треоова-ний обеспечения надежной работы крепи в период и после динамических проявлений горного давления, т.е. при переходе ее в статичес -кий режим работы.

Сформулированные принципы позволяют обосновать принятую конструкцию- крепь сборная податливая' (КСП), динамически стойкая, с демпферным слоем, железобетонная, тюбинговая, криволинейного (подковообразного) очертания, со швеллерным поперечным сечением, лотковым тюбингом (для замкнутой крепи) сплошным или разрезным (пешехо-дно-рельсовым) с центральным расположением водоотливной канавки и бесштальным креплением рельсового пути. Конструкция 1фепи и ее элементов защищена 8 авторотами свидетельствами на изобретения.'

Развитие методов расчета крепей

Теоретические основы существующих методов статического расчета бесшарнирных замкнутых крепей заложены Г.Н.Савиным, впервые рассмотревшим задачу, о напряженном состоянии крепи как кольцевой вставки, впаянной в упругий массив хорных пород. Наиболее полное развитие эти методы получили в работах Н.Н.Фотиевой и ее учеников, в которых рассмотрены многослойные конструкции некругового очертания с учетом сейсмических воздействий.

Наличие шарниров в крепи вызывает серьёзные затруднения при ее расчете методами механики сплошной среды, а конструктивные особенности шарнирно-податливой, геометрически изменяемой крепи КСП делают безнадежными попытки решить задачу определения усилий в элементах крепи этими методами..

При разработке аналитического метода расчета усилий в крепи, учитывающего эти. особенности, использованы следующие предположения (см.рис.1):

- рассмотрим крепь, идентичную требуемой по геометрии и меха -ничеоким свойствам, но без шарниров ("жесткий аналог") и расчитаем эту крепь методом Н.Н.Фотиевой, определив уоилия М° и№ в жестком аналоге от сил горного давления;

- создадим "дополнительное" нагружение, т.е. мысленно райгру-, зим массив от сил Р„и Р, , вставим в крепь шарниры, нагрузим ее моментной нагрузкой в каждом из шарниров в виде двух пртивоположно направленных сил, равных изгибающим моментам в "основном" нагруасе-нии с обратным знаком (т1= 1 = 1,2,...,а, где а- чиало шарниров) .

1111 -<—I

I I I 1 I I I _ Шсеткнн 1ишг"кр1пи

^ еь.л/лх^йУ2'

А1 дх

РННОВЕСИЕ 1-ГО ТМВИИГЙ

ДОШМТЕШОЕ ШРИШШ КРЕПИ Яспдмя 1 КРЕПИ ! М = М'+М*.

^ м*, а -а° + а* .

УРП1НЕННЯ РПВНОВЕСИЯ :

£ X и* О *< = 0 ;

1У 1 = 0; = В ;

1ПИ= 0; ¿Х1-Н1-1 V)

(1=1,г,...а; ВРИ 1«И, 1+1 »1)

Рио.1. Аналитический метод расчета динамически стойкой замкнутой крепи

Так как крепь геометрически изменяемая, следует учесть связи между крепью и массивом, которые реализуются в виде сил упругого отпора, действующих по нормали к прямой, соединяющей шарниры и линейно распределенных вдоль этой прямой (усилия "дополнительного" нагружения Мк и?Л х).

Изложенные предположения (при условии, что метод применим только для крепей с забутовкой, не воспринимающей напряжения сдвига и не имеющей жесткости на сдвиг) позволяют составить замкнутую систему линейных уравнений, решив которую, получаем картину упругого отпора и реакции в шарнирах, а следовательно, и выражения для усилий дополнительного нагружения.

Расчетная схема и постановка задачи в экспериментально-аналитическом методе определения усилий в крепи по измеренным смещениям ее поперечного контура представлены на рис.2.

Основные положения инженерной методики и некоторые результаты ее практического применения отражены на рис.3.

Для разработанных методов расчета замкнутых и незамкнутых крепей составлены и реализованы программы на ЭВМ.

Конструкция крепи с демпферным слоем, технология ее изготовления и монтажа в подземных условиях

Комплекс выполненных разносторонних исследований состояния и свойств удароопасных участков массива горных пород с различными видами крепи шахты "Таштагольокая" позволил разработать типовые сечения одно- и двухпутевых выработок с динамически стойкой крепью. Всего предложено 10 модификаций замкнутых (с лотком) и незамкнутых крепей для различных условий эксплуатации; основные из них представлены на рис.4.

В шестишарнирных крепях (5-КСП,5-КСП-л,5-КСП-пр) тюбинги в кольцах (или арке в незамкнутых крепях) и кольца между собой сое -диняются болтами через монтажные петли, замонодиченные по периметру тюбингов. Каждый из тюбингов имеет по одному встроенному шарниРУ.

В четырехшарнирных конструкциях (крепи с тремя тюбингами в арке 3-КСП,3-КСП-л, 3-КСП-пр, 3.1-КС П, 3.1-КСП-л, Зд-КСП, 3д-КСП-л) тюбинги соединяются в поперечном сечении выработки крюкообразными •зацепами, а в продольном направлении - специальными монтажными петлями и клиньями. Каддый из тюбингов имеет от I до 3 встроенных шарниров, которые как и в шестишарнирных крепях вступают в работу при достижении нормативно-расчетной нагрузки

16

Л у I = У1+1 - У t a Xi - X-L + 1 - yL il дХ2 + д У 2'

¿L-mclg l^- l

Рис.2. Экспериментально-аналитический метол

Сиетймя 8РЙ1НЕШН •■

, М| - теш! атеиишк с»х I^о* ишиеш, *1р,Мр-искомме уснш юсредше тюкиягя , - смешение (коиекении)» ]-ом ншиеш

!Н»НЕИШ Ш1Н11ЕВМЯ :

£х -0; «1-Ны»1 5»в.и — »

Еиь->' А V) ¥ -

31МИКЯНИЕ СИСТЕМЫ •■ Еу-0-, + Ьт $ ;

И.ий-Х.КЕС^ (Ск^ (X ю - X ■) +

К1-АП) *

♦5!П(^Ука - У * Щ,а }

г*е т.п.-»ожеит ешшой сипы относительно точки (I

расчета незамкнутой крепи по измеренным смещениям

а

Иормнльнме силы и изгиейюцие моменты I сечениях тюбингов

N - N0x^3, кН М = МсТ*Мд , кНм Сшические сосшлшре

НС И А И Й .

Йст-(агА|1гН • К»

Мст =(т,в-Ят.г)-11, кНм .

а, пг-нормимиесиш и пзгн-ию^ие моменты отещшнмх юршшаой („Г")« горизои-

Т1ЛНОЙ (.Л") НЯГРШОк ¿.«з-коэфирент вокоюго

дшеиия Н-воом-гласит зялотсния

ВЫ Р ЯБОТКИ

Аикймические состяшюре усилий

■чНт, * Ч Мт,

кпм

(1т,мт-т15Аичние знячения

усилий

хм щебня. ц, ■ о.73-аля »спененых

шстмисс.

Поперечные сечения

тю6инг05 и пк йрмировкй

Усло|ие прочности

«•I т — 1Х __

Четырехшярнярнйя крепь

Шестивяриирнвя крепь

пределы прочности

йсс «210 МП а (ЛРМАТУРЯ ) , Ни,- 17 МП к {0ЕТОИ II ИЗГИБ). Ьр-К/ЛПи(6ЕТОН| 1ШМЕШЯ). т.р» 1.11 (ЮЭФЩИЕИТ уснош Ш01И )

Несущ.вя способность ^ 1100 (175^ 0.00462)лц е-м/н,м ;ше>о(»);е<о(-)

в1«/>1

та* »»и 4111 нгшлпш гнкшшш 11ГРТК1.Т11

кея п.* п.1 т.. К«»* -ВТ, .1

£ 9-4 - 535 о ее «/ О» X» зав

з-г - т 4* ею в3

Л 3-3 -п* Я* 40* а 94 /,к

* »•! -т (** йт -10 й*3

е - 5*5 амг ГЦ А*Ш4 ■ -вп

1-3 см •Я/ о, ем иг «чг

3-Я - КО а нп г згу <ги л*

3-3 -Л» а из е>,а*9 *гз

Пример расчет» тювннгов орта , ткрепленного крепями з-кси«5-ксп-»

гю-(и кг к с.г МСТ, к!Ж Ко «и к И к 1Г м, кЯм н, кН е. 0 м' 1. к* к

3 4 5 6 7 6 9 10 3,1

3-1 з-г з-з 5-У з-г .5-3 Ч 63 Ъ39 пи и.го *т 19 в а ¡ю «"Я ЯП /Ш 0Л7. 0.0п 3 з" оси во 31

г*бз /за* -ю МО -»г. тзг ГШ 3*« ООП 3 _ 3 МГМ <9 49

-т -9П ■ш /ж 00О9 4 »43

г*.зз А'М по Ю'З 393} зг»7 5 $¡1,1 гз

■5-Зс гз.н тг 44« ззи 5 Я>'3 19

5 3 гзх> ■гт\юз Л?* ¡313 ОООб 3 1*430 49

ЮМОГРВММЫ 5я»мешех(а.) ■ вестищриирнопси крепей

Для тюшгов с |стюеи-ннми щрнирдми юсде И*И, юиск1етс» игру -■ ение И* -1.34 й. ,г..

<4 1.34 >!< и г к К - 1.34

Усилия в четырехшярнкриои крепи з-ксп-а и вестишвриирной 5-ксп-л

и

Рис.3. Инженерная методика расчета крепи

Пенопласт

5-КСП

Сеченил'. ¿и«7.7М> Расхд: Ч&тоно-

2ар**атуры - /За кг

Все тю&ШЛО&Рма 1 арку—овкг

ла 1 п.*. Выработки— 3362кг

5-КСП-пр Сечеми«:

Расход: бетона,-г,Т7н\ армапуры-гжа.,

В€С тювшшЛ: на 1арку-3618кг на ¡л.нВыраодтнц-4д12*г

5-КСП-л

Сечтие: Расход: бетона

армалуры-ггоп. Вес тюВияик иа 1арку-*Ю1т иа1лм быраЛати —

-?,6н;

¿яр ■

Ул.-а.и*,

р.,. ««м«-Р,.- "го-

3.1-ксп

Д* • 7,5м* ■ 118«' v«™ •!««"•.

Ри^м • Ш«

Р„ ■ МЭТ.Г

Вт ■

З-КСГЬл

Рис.4. Типовые сечения выработок с динамически стойкой крепью

Мн , после чего крепь допускает дополнительное нагружение до величины 1,34 N н

На рис.5 приведены конструкции тюбингов, а на рис.6. - конструкции соединительных элементов и их расчет.

Тюбинг является сложной криволинейной конструкцией, для излог-товления которого традиционной вибрационной технологией необходимы подвижные бетоны со значительным количеством воды, объем которой в несколько раз превышает потребный для химической реакции твердения; излишняя вода уменьшает прочность бетона, делает его пористым и требует повышенного расхода цемента. С целью улучшения технико-экономических показателей изготовления тюбингов разработана новая виброударная технология с использованием пневматических манжетно -клапанных вибраторов и специальных металлоформ; технология успешно внедрена на заводе ЖШ треста "Таштаголшахторудстрой" со значите -льным эконсалическим эффектом.

Технология возведения крепи с демпферной забутовкой, освоен -ная при промышленном испытании крепи КСП, предусматривает использование отечественных тюбингоукладчиков (ТУ-2Р, ТУ-3), монтажных агрегатов АМШ конструкции ВостНИГРИ, закладочных машин МЗ-6М конструкции ЕНИИОМШСа или, при Применении вспененных пластмасс, передвижной установки производства фенольных пенопластов Ш6П-1 конструкции Восточного отделения ВНЖГСД.

Методы и оредства шахтных измерений

В процессе многолетних испытаний 1фепи выполнен обширный комплекс шахтных измерений, который позволил:

- определить давление на крепь с использованием динамометри -ческих плошадок конструкции ИГД СО РАН в автоматическом и автономном режимах регистрации данных;

- оценить напряженно-деформированное оостояние массива горных пород вокруг выработок с использованием скважинных устройств (см. рис.7), которые защищены 4 авторскими свидетельствами на изобретения;

- установить характер деформирования крепи в период эксплуа-. тации путем измерения смещений ее поперечного контура в 16 направлениях каждого из 45 колец крепи;

- измерить напряжения в тюбингах фотоупругими датчиками ФД0-2 конструкции ИГД СО РАН;

А.С.№ 1112124

* 5 » ' Т

1 - КРИВОЛИНЕЙНАЯ ПЛИТА, г- РЁБРА ЖЁСТКОСТИ,

3- КЕССОНЫ ДЛЯ ПОДАТЛИВОГО слоя,

4- АРМАТУРНЫЙ КАРКАС,

5- МОНТАЖНЫЕ ПРОУШИНЫ,

6-ПЛАСТИНЫ

7- ПРУТКИ.

А с. N'-1133411

1 ) 6 7 8

ш

1— ОКОНТУРИВАЮШИЕ РЁБРА ЖЕСТКОСТИ,

2- ВНУТРЕННЕЕ РЕБРО ЖЁСТКОСТИ, ЗЛ-ЭЛЕМЕНТЫ СТЫКОВКИ, 5-ПЛИТА 6,8-БОКОВЫЕ ЖЕСТКИЕ СЛОИ,

7- ЦЕНТМЛЬН^Й ПОДАТЛИВЫЙ СЛОЙ 9- АРМАТУРНЫЙ КАРКАС

А. С. К!11223357

1- ПЛИТА-ОБОЛОЧКА ИЗ РЁБЕР ЖЕСТКОСТИ-,

2- ДЕФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЕНСАТОР - ВКЛАДЫШ,

3- КОНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ПОДАТЛИВОСТИ ,

4- ЭЛЕМЕНТ ПОДАТЛИВОСТИ, ВСТРОЕННЫЙ ВО ВКЛАДЫШ.

Рис.5.

Конструкции тюбингов

ЧЕТЫРЕХШАРНИРНАЯ КРЕПЬ

Патент от 29.07.91 (тжз/св)

РАСЧЁТНАЯ СХЕМА И ЭПЮРА МОМЕНТОВ В МОНТАЖНОЙ ПЕТЛЕ

Патент от

(♦80222/03)

Л

¿Я

чж

|

ШЕСТИШАРНИРНАЯ КРЕПЬ

м го

у мм. гр огш^в. 6 ^ 0,1а' - кР

Яр -2100 %(« - РАСЧЁТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

МЕТАЛЛА КРЕПИ. Л-КОЭФИЦИЕНТ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПЕРЕГРУЗКИ.

ТИП ТЮБИНГА МАССА, кг РАСЧЕТНЫЙ ДИАМЕТР ПЕТЛИ.мм

КСП-3-1 500 22Л

КСП- 3-2 350 20.0

КСП- 3 -з 325 и 1ЭЛ

КСП-3 -л Н25 25,2

КСП -3 -Зд 655 2^,5

КСП-3 -Зла 1500 . 25,7

РАСЧЕТНАЯ НАГРУЗКА НА ОДНУ ПЕТЛЮ И ДИАМЕТР ПЕТЛИ

ТИП ТЮБИНГА НАГРУЗКА НА МНУ ПЕТЛЮ, «Г МСЧЁТНЫЙ ДИАМЕТР ПЕТЛИ, мм

КСП - 5-1 711 25.3

КСП -5-2 577 23,5

КСП -5-3 438 21,5

Рис.6. Конструкции соединительных элементов и их расчет

м

со

йеформометр (Ас. (1587253, Мжг^ят)

=€333-

1-корпус; г-шаива; з-отсек герметизации; 4-валочка; 5-опора; б-ось; 7-<риксатор; &-теизощтчик; 9-стакан; го-котенсиру-ющая опора; н-шель; /г-разъем; а-гайка

Ориентирующее устройсгвШсМ&ш) <-соейиниге/ь; г- стопор; з-тру&а досьшюгоустройска; 4 арретир отвеса компаса; 5-риска продольная; ь. е-риски поперечные : 7- кронштейн; е- втулка; № волтЫ; ' щ&шайбЫ; ця-ручки; и - стопорнЬ/й винт; п-горншй компас; 11гшарнир

Шпуровой электрод

■» * з Т «> Р

1-контакт; г-шаиБа; з-корпус; 4-гайка; 5-втулка; & патрубок; 7-шаровая пята; е-контргайка; д-винт; го-фиксатор

Скважинный электрод

1-гайка; г-корпус; з-и/айОа; 4-контакт; 5-втулка; б-винт

Рис.7. Средства шахтных измерений

- выявить зоны нарушенноети вокруг эксплуатационной выработки методом электрометрической дефектоскопии с использованием разра -ботанных автором зондов со скважинными и шпуровыми электродами(см. рис.7).

Шахтные иопытания крепи и ее экономическая эффективность

Разработанная крепь была изготовлена и испытана на заводе ЖШ треста "Таштаголшахторудстрой" в соответствии с требованиями нор -мативных документов Госстандарта СССР. После успешных стендовых испытаний в заводских условиях крепь смонтировали на двух участках, ьаиболее опасных по проявлениям горного давления в динамической форме гор. - 210 м шахты "Таштагольская" на глубине 800 и от зем -ной поверхности.

Для получения необходимой и достаточной информации о состоя -нии вмещающего выработку массива и крепи в процессе ее эксплуата — ции, были оборудованы замерные станции, инструментально-аппаратурное оснащение которых позволило получить информацию о деформируе -мости крепи (смещении ее элементов)- и массива горных пород (сква -жинными деформометрами), нарушеннооти окружающего крепь массива электрометрической дефектоскопией, измерить давление на крепь(да -намометрическими плошадками) и напряжения в тюбингах фотоупругими датчиками.

Исследованиями установлено, что исходное напряженное состоя ние нетронутого массива на глубинах 600-800 м значительно отлича -ется от литостатического и имеет гравитационно-тектонический характер. Из-за сильной тектонической нарушенности наблюдается высокий уровень горизонтальных напряжений, величины которых доотигапт 6Х)У= = (1,4-3,0)62 вне зон влияния очистных работ и 6х,у>5бгв зонах их влияния. Измерения показали, что максимальные (горизонтальные) напряжения действуют вкрест простирания рудных тел и составляют 1Г7 МПа, а минимальные (вертикальные) 45 МПа. После массовых взрывов, выпуска руды и обрушения блоков, напряжения в породной части массива снизились до 71 МПа, а в рудных бортах возросли до 145МПа. Столь высокий уровень напряжений отрицательно проявил себя на сос3-тоянии крепления выработок гор. - 210 м; монолитная бетонная и железобетонные крепи претерпели значительные деформации разрушения, а тюбинговая крепь КСП, исчерпав возможности демпферного слоя, изменила свою геометрию за счет поворота в шарнирах без нарушения своей конструкционной прочности. Наибольшие измеренные смещения

элементов тюбинговой крепи достигли 190 мм;уменьшения диаметров скважин (0 105 мм), измеренные деформометрами на глубинах 5 м.от борта кольцевого штрека составили 0,3 - 1,5 мм вкрест простирания рудного тела.

Оценка йарушенности вмещающего массива горных пород вокруг штрека с крепью КСП, выполненная электрометрической дефектоскопией, показала наличие зон технологической трещиноватоети размером 0,5 -4,0 м от контура выработки, естественной - размером 1,2 - 2,8 м и наведенной технологической размером 5,4 - 9,7 м, отражающей общее напряженно-деформированное состояние массива, формируемое воздействиями техногенных и геологических процессов.

Наблюдения за фотоупругими датчиками позволили выявить изменения величин и направлений действия напряжений в тюбингах в процессе-эксплуатации крепи; максимальные напряжения составили 24 МПа, зна -чения которых согласуются с данными расчетов усилий в тюбингах по результатам шаггных измерений.

Наибольший объем информации получен по смещениям элементов тюбинговой крепи с использованием которой расчитаны и построены на ЭВМ графики нормальных сил№ и изгибающих моментов М. На рис.8, на примере расчетов для кольца № 4 кольцевого штрека гор. - 210 м,приведены типичные графики зависимости усилий от времени; по оси абсцисс отмечены наиболее интенсивные подземные толчки, горные удары, массовые взрывы.

Общий характер зависимостей после динамического'воздействия на крепь свидетельствуют о возрастании в 1,2 - 1,4 раза усилий с пос -ледующим их снижением на 40-60$, а еще через месяц восстанавливается статическая картина. Тюбинги в кольцах нагружены неравномерно, так шестой(лотковый) тюбинг не нагружен; второй и четвертый (околосводовые), первый и пятый (боковые) нагружены попарно одинаково,но нагрузки на первую пару на 50-80% больше, нежели на вторую пару тюбингов, что связано с расположением фронта очистных работ и его движением. Динамические проявления горного давления с величиной тротилового эквивалента менее 3 т не оказывают влияния на усилия в крепи.

По длине участков орта № 24 и кольцевого штрека, как видно из рис.9, усилия распределяются крайне неравномерно, что вызвано, видимо, поведением демпферного слоя и свойствами геометрической из -меняемоети крепи. Наличие мало нагруженных колец в крепи приводит

МЕСЯЧНЬЕ СКОРОСТИ ПРИРОСТА НОРМАЛЬНЫХ СИЛ И ДИНАМЖА ПРИРОСТА НОРМАЛЬНЫХ СИЛ. ИЗГИБАЮЩИХ

ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ МОМЕНТОВ

Рис.8. Результаты расчетов усилий по измеренным смещениям

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ ПО ДЛИНЕ

КОЛЬЦЕВОГО ШТРЕКА ОРТА 24

2 4 6

*гт,7,'г'т~'г,~г,г'7^г-|"'г"п г I I 8 40 12 н в к ю в » номера колщ

ю,кн

2000 1500 1000 £00 О

№ m w ^

v

ТТТ

'ITyr-ril

( «i tt а « « » ' 11 й номера колец

л -2----3

'í >

î * 6 в Ю « tt « 1» to НОМЕРА КОЛЕЦ

НОМЕРА ТЮБИНГОВ

-------5

Рио.9, Общие результаты обработки шахтных измерений

к общей ее адаптации к геомеханической обстановке, поскольку максимальные усилия не превышают 4С$ от несущей способности крепи. В целом, крепь обладает высокими адаптационными свойствами, существенно не реагируя на динамический характер проявлений горного давления.

Технико-экономический анализ крепи выполнен по факторам ее качества и сметной стоимости.

При оценке качества крепи использован метод построения комплексного показателя качества, основанный на решении многокритериаль -ных задач с исходными данными, позволяющими учесть основные техни -ческие, технологические и геомеханические параметры сравниваемых крепей. Сравнительной оценке подлежало 10 видов крепей, разделенных нами по эксплуатационным признакам на 2 типа (однопутевые и двухпу-тевые), а по конструкции на 4 группы (сборные и монолитные - по две группы в каждом типе крепи). В табл. I приведены результаты расчетов комплексного показателя качества М^ К^- , где г -общее число показателей в группе, Му-коэффициент весомости 1-го показателя качества, К^-относительный показатель качества. Наилучшие показатели в каждой из групп имеет динамически стойкая тюбинговая крепь КСП.

Расчеты сметной стоимости крепей выполнены для. конструкций, применяемых в условиях эксплуатации разработанной нами крепи КСП. Результаты расчетов представлены в табл.2, а в табл^В - объекты внедрения разработок автора с подтвержденным экономическим эффектом и доли его участия.

Таблица I

1ип выработки группа № № л/п Вид крепи Комплексный показатель качества,

О Д Н 0 П У ТЕ В Ы Е % 1-еборные 1. 2. 3. 4. 5. 6. Трапециевидная рамная ПНИУИ Арочная рамная ИГД им. Скочинского Элиптическая рамная'ИГД им,Скочинского Блочная кольцевая НИИОГРа Крепь сборная податливая 3-ЙСП Крепь сборная податливая 3-КСП-л 0,5063 0,3828 0,4277 0,4645 0, 6470 0,6532

2-монолитные 7. 8. 9. Ю. Монолитная цилиндрическая Монолитная железобетонная МПКЗ Монолитная железобетонная МША. Монолитная железобетонная ин-та "Гипро-РУДа" 0,3836 0,4964 : 0,5490 0,6164

ДВ У XПУ ТЕ ВЫЕ 3 - сборные 11. 12. 13. 14. 13. 16. 17. 18. 19. Арочная рамная ИГД им.Скочинского Кольцевая рамная ИГД им.Скочинского Тюбинговая ПК Кузниишахтостроя Тюбинговая КТАГ ВНИИОШСа Блочная ЕКЗ Донгипрошахта Блочная ША Донгипрошахта Блочнал с обратным сводом НИИОГРа Крепь сборная податливая Зд-КСП-л Крепь сборная податливая Зд-КСП 0,2950 0,3238 0,2293 0,3395 0,4296 0,4418 0,3787 0,6284 0,6478

4-монолитные 20. 21. 22. 23. Монолитная арочная с обратным сводом Монолитная арочная со сводчатым перекрытием ' Монолитная арочная со сводчатым перекрытием и обратным сводом» Монолитная железобетонная крепь ин-та "Гипроруда" 0,4464 0,5155 0,4641 0,5195

1йГ

пп|

Таблица 2

ТИП ВЫРАБОТКИ И ЩЦ КРЕПИ

I Сметная стоимость в це ..... 1.1

нах 1991 годаСв руб

Однопутевая,незамкнутого очертания выработка с одним проходом,с крепью сборной, железобетонной,динамически отойкой 3-КСП и откаткой контактным электровозом на колею 750 мм (5^= 6,9 мг)

То же^замкнутого очертания-З-КСП-л

То же,с монолитной железобетонной крепью ^онст^укции^СФ ин-та "Гипроруда"

Двухпутевая,незамкнутого очертания выработка с одним проходом,с крепью сборной, железобетонной,динамически стойкой Зд-КСП и откаткой контактным элэктрово -зом на колею 750 мм (5С&= 10,6 м')

^о же^замкну^ого очертания-Зд-КСП-л

То же,с монолитной железобетонной крепью конструкции СФ ин-та "Гипроруда" ' 10.6 и')______

РАЗРАБОТКИ —————————1 ОБЪЕКТЫ с-—Г4 Экономич. эффект С тыс. руб в ценах 1931 года) Доля автора

Крепь сборная податливая, (КСП), динамически стойкая тюбинговая.железобетонная (а.с.№№ 1112224,1133411, 1201415,1229357¡положительные решения по заявкам: « 4802222/03 от 14.03.90, № 4802223/03 от 14.03.90), НПО "Сибруда" Таштагольское РУ трест"Таштаголшахто-рудстпой" 1010.3 94.5 504.5 80 80 70

Соколовско-Сарбайск-ое ГПОДтасуйский Г0К,ГО*Чиатурмарга-нец ,ксмбинат"КМА -Руда * ,ПГ0"Ура лруда "НШКМА", ШгС оюзша -хтопроходка", ВНИИБТГ НА СТАДИИ ВНЕДРЕНИЯ 100

Устройство для оценки напряжений и деформаций в 646039) Таштагольское.Кавеков .Шерегешское рудоуправления НПО Тибруда" НЕ РАСЧИТЫВАЛСЯ 90

ЗАКЛШЕНИЕ

В диссертации, на основании выполненных исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифи -цировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в горном деле - креплении горизонтальных выработок, обеспечивающем безопасные условия эффективного ведения горных ра -бот и строительства подземных сооружений при разработке удароопас-ных рудных и нерудных месторождений путем создания и внедрения динамически стойкой крепи, .обоснования областей ее применения,развития методов 'расчета многошарнирных конструкций на ударные воздействия, получения новых результатов об оперативной адаптации крепи с демпферным слоем к конкретной геомеханической обстановке.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сформулированы основные принципы конструирования динамически стойких с демпферным слоем сборных крепей из криволинейных элементов швеллерного сечения с поперечными ребрами жесткости и встроенными шарнирно-податливыми узлами, предотвращающими разрушение тюбингов при значительных их смещениях за счет перераспределения нагрузок по периметру крепи со сглаживанием экстремальных значений.

2. Обоснована и практически доказана целесообразность и необходимость использования в конструкции крепи демпферного слоя из высокоподатливых материалов (щебень, с расчитанной на заданную податливость крупностью, вспененные пластмассы на базе резольных и карбомидоформальдегидных смол ФРВ-1А и КФ-Ж).

3. Разработаны методы расчета крепей на динамические нагрузки:

- аналитический, основанный на гипотезе "основного" нагруже-ния бесшарнирной кольцевой крепи и "дополнительного" нагружения в местах заданной шарнирности парам противоположно направленных сил, равных изгибающим моментам в "основном" нагружении и обратных им по знаку;

- экспериментально-аналитический, основанный на использова -нии измеренных смещений поперечного контура многошарнирной крепи;

- инженерный, позволяющий определить прочные геометрические параметры железобетонных элементов с рациональной армировкой их металлокаркасами.

4. Выполнен обширный комплекс натурных исследований с использованием оригинального инструментального обеспечения при оценке напряженно-деформированного состояния разработанной крепи и вмещающего ее массива горных пород:

- определено давление на крепь с использованием динамометри -ческих площадок (по три в одной арке крепи), информация с которых снималась в автоматическом и в автономном режимах в течение 5 лет (максимальное измеренное давление 236 КПа);

- получены данные о плоских компонентах тензора напряжений в тюбингах по 50 фотоупругим датчикам, установленным в четырех кольцах экспериментальной крепи (максимальные напряжения составили 24 МПа);

- произведены замеры смещений поперечного контура крепи на двух участках ее установки (45 колец) в 16 направлениях каждого из колец еженедельно, на протяжении более 5 лет (максимальные смеще -ния 190 мм). .

5. Разработана новая заводская технология ударно-вибрационного уплотнения бетонных смесей при изготовлении элементов тюбинго -вой крепи на основе использования пневматических манжетно-клапан -ных вибраторов и специальных конструкций металлоформ.

6. Созданы конструкции замкнутых и незамкнутых динамически стойких тюбинговых крепей с демпферным слоем (10 модификаций) для условий глубоких горизонтов удароопасных меторождений:

- замкнутые крепи одно- и двухпутевых выработок с разрезнш (пешеходно-рельсовым) и неразрезным лотками, центральным располо -жением водоотливной канавки и бесшпальным креплением рельсового пути, предназначенные для длительной эксплуатации в условиях пучащих горных пород или повышенного давления со стороны почвы, а также интенсивного движения тяжелых грузосоставов, о целью исключения их вибрационно-динамического воздействия на крепь путем шарнирно-независимой продольной стыковки пешеходных тюбингов с рельсовым;

- незамкнутые крепи одно- и двухпутевых выработок с незначи -тельным сроком службы и отсутствием опасных проявлений горного давления со стороны почвы;

- надежность работы крепи в заданных условиях эксплуатации обеспечивается применением специально разработанных соединительных элементов в тюбинговых кольцах (арках) и колец между собой.

7. Отработана технология возведения крепи и демпферного слоя на базе отечественных средств механизации горно-проходческих работ.

8. Смонтирована и прошла успешные промышленные испытания динамически стойкая крепь на двух участках шахты "Таштагольская" в осо-ботяжелых горно-технологических условиях эксплуатации в период с 1985 и 1988 гг.. по настоящее время.

9. Построен и оснащается в п.Шеремет Таштагольского района Кемеровской области цех по производству тюбингов для. рудников НПО "Сибруда".

10. Разработанная и изданная массовым тиражом нормативно-тех -ничеокая документация разослана концерном "Росрудпром" Министерства промышленности России в 20 объединений, горнообогатительных комбинатов и НИИ отрасли, связанных с проблемами крепления и безопасной эксплуатации выработок в условиях проявления высокого горного дав -ления, в том числе в динамической форме. Общий годовой экономичес -кий эффект от применения составляет Г760.5 тыс.руб.(доля автора -80$), в том числе 1010.3 тыс.руб. для рудников НПО "Сибруда" (в ценах 1991 года).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих ра -ботах:

Монографии :

1. Устюгов М.Б. Динамически стойкая тюбинговая железобетонная крепь. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1992 г. - 10В с.

2. Леонтьев А.В., Устюгов М.Б. Скважинные деформометры // Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах.Л.:Наука, 1978. С.132-141

Статьи:

3. Устюгов М.Б., Власов В.Н., Умнов А.Е. О зональности нару -шений вокруг выработки // Тез.докл. УП Всесоюзной конференции по механике горных пород. Днепропетровск: Ж"Ш АН УССР, IS8I.C.I25

4. Устюгов М.Б..Курленя М.В. и др. Совершенствование приборов для исследования напряженного состояния массива горных пород // Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976. Ч.З. С.84-89

5. Устюгов М.Б., Власов В.Н. Крепь для выработок, пройденных в удароопасных горных породах // Горное давление в очистных и подготовительных выработках. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1985.Вып.44 С.125-129

6. Власов В.Н., Устюгов М.Б. Новая технология изготовления сборных железобетонных крепей // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. Новосибирск: ИУ СО АН СССР, 1985. С.88-92

7. Устюгов М.Б. Оценка состояния и свойств удароопорной системы "массив-демпфер-крепь" // Тез.доклЛХ Всесоюзной научной конференции. М. : МГИ, 1287. С.44-45

8. Устюгов М.Б., Ушакова C.B., Гужова C.B. Оценка геофизических параметров состояния горного массива фотооптической системой контроля // Тез.докл. 1У Всесоюзного семинара по горной геофизике. Тбилиси: ИГМ АН ICCP, IS67. С. 117

9. Устюгов М.Б., Изаксон В.Ю. Основы расчета крепи с демпферным слоем // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989. С.54-59

10. Устюгов М.Б., Изаксон В.Ю. Расчет многошарнирной замкну -той крепи с демпферным слоем // ФТПРПИ. 1990. № 3.С.92-102

11. Ушакова C.B., Устюгов М.Б. Управление горным давлением

вокруг подземных выработок '// Тез.докл.Всесоюзного научно-техяиче-ского семинара. Кривой Рог: ЦНИГРИ, 1990. С.52

12. Устагов М.Б., Ушакова C.B. Скважинный электрокаротаж в практике оценки вокруг выработок // Тез.докл.Всесоюзного научно -технического семинара. Кривой Рог: ЦНИГРИ, 1990. С.69

13. Гужова C.B., Кулаков Г.И., Устюгов М.Б., Ушакова С.В.Контроль устойчивости тюбинговой крепи горных выработок с помощью фотоупругих датчиков // Тез.докл. Всесоюзного научно-технического семинара. Кривой Рог: ЦНИГРИ, 1990. С.63

14. Ушаков O.K., Ушакова C.B., Устюгов М.Б. Оптико-механическая система фотосъемки интерференционной картины с фотоупругих датчиков // Экспериментальные исследования напряженно-деформирован -ного состояния,массива шахт и рудников. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991» С.193-194

15. Устюгов М.Б. Расчет усилий в многошарнирной динамически стойкой тюбинговой крепи по измеренным смещениям // ФТПРПИ. 1992. № 6. С.43-47

16. Устюгов М.Б. Об устройствах для скважинных методов оценки напряжений и деформаций в массиве горных пород // ФТПРПИ. 1992. №6. C.I06-ICB

Изобретения и патенты СССР:

17. A.c. № III2224. Железобетонный тюбинг для крепления гор -ных выработок / Устюгов М.Б., Власов В.Н. и др. // Б.И. 1964.is 33.

18. A.c. Ш II334II. Железобетонный блок для крепления горных выработок / Лялько B.C., ..., Устюгов М.Б. и др. // Б.И. IS85.№ I.

19. A.c. № I177495. Способ крепления горных выработок / Вла -сов В.Н., Устюгов М.Б. и др. // Б.И. 1965. № 33.

20. A.c. № I20I4I5. Сборная обделка горизонтальной выработки / Власов В.Н......Устюгов М.Б. и др. // Б.И. 1966. J6 6.

' 21. A.c. № 1229357. Тюбинг / Власов В.Н., Уотюгов М.Б. и др. // Б.И. 1966. Ш 17.

22. A.c. Ш I40II39. Способ возведения бетонной податливой крепи / Мухин К.Г., Устюгов М.Б. и др. // Б.И. 1988. № 21.

23. Власов В.Н., Устюгов М.Б., Изаксон В.Ю. Стыковое'соединение элементов сборной крепи / Решение ВНЖГПЭ от 14.04.91 о выдаче патента по заявке ИГД СО АН СССР за J6 4802222/03 от 14.03.90.

24. Власов В.Н., Устюгов М.Б., Изаксон В.Ю. Сборная железобетонная крепь'горной выработки / Решение ВНИИГПЭ от 29.C7.9I о вы-

даче патента по заявке ИГД СО ЛН СССР за № 48002223/03 ( 029609) от 14.03.90.

25. A.c. 422842. Устройство для измерения деформаций сква -жин / Мальберт П. Э., Алкасаров К).И.., Устюгов М.Б., Кузенкова И.М. // Б.И. 1974. № 3.

26. A.c. И 587253. Устройство для измерения деформаций в скважинах / Курленя М.Б., Мальберт ¡Т.О., Устюгов М.Б. и др. // Б.И. 1978. ¡Ь I

27. A.c. Jj 587254. Устройство для измерения деформаций в ск -важинах / Курленя М.Б., Мальберт П.Э., Устюгов М.Б. и др. // Б.И. 1978. А' I.

28. A.c. !'и 646039. Устройство для ориентирования измеритель -ных приборов в скважинах / Устюгов М.Б., Алкасаров Ю.И., Мезенцев К.Т. // Б.И. 1979. Ш 5.

Нормативно-технические и инструктивно-методические документы, составленные с участием автора

29. Унифицированные сечения горных выработок с динамически стойкой тюбинговой железобетонной крепью. М.- Новосибирск.:Центро-гипрошахт МУП СССР - ИГД СО АН СССР, 1990. 124с.

30. Тюбинги железобетонные КСП. ТУ-14-3533965-М-90. ГЛ.-Ново -сибирск: ИГД СО АН СССР, 1990. 23с.

31. Крепь сборная податливая (КСП) динамически стойкая, железобетонная, тюбинговая // Инструкция по применению (ДЖЛ 1013.00. ОСОИ). Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. 45с.

Подписано к печати 21 декабря 1992г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объём 2,25 п. л. тираж 130. заказ 47.

ИГД СО РАН