Шахта Интинская. Расчеты параметров устойчивости пород и крепления выработки

1



8



Оглавление

	

	Введение	2

		1.	Общие сведения о шахте.	3

	2. Расчет толщины монолитной крепи вертикального клетевого ствола	8

	2.1 Характеристика ствола	8

	2.2 Расчет критерия устойчивости пород	9

	2.2.1 Расчетное сопротивление пород сжатию	9

	2.2.2 Расчет критерия устойчивости пород по участкам ствола	9

	2.3.2 Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород протяженной части ствола	12

	2.3.3. Расчет горизонтального давления пород на крепь ствола в зоне сопряжения	13

	2.3.4. Давление подземных вод	14

	2.5 Пример расчета	15

	2.6 Выбор толщины крепи для ствола	20

	2.7 Камера сопряжения околоствольного двора с клетевым стволом	21

	3. Расчет параметров крепления выработки шахты	22

		3.1	Краткая характеристика условий проведения горизонтальной выработки	22

		3.2	Расчет параметров крепления	23

		3.2.1	Выбор размера поперечного сечения выработки	23

		3.2.2	Определение расчетной плотности пород	25

		3.2.3	Определение смещений пород на контуре выработки	25

		3.2.4	Определение расчетной нагрузки на рамную податливую крепь	26

	3.3 Выбор плотности установки крепи	27

		3.3.1	Выбор металлической крепи по податливости	28

	3.4 Пример расчета	28

	Список использованной литературы	32




Введение

Несмотря на определенные успехи в области разработки и внедрения новых видов крепей и методов механики подземных сооружений, затраты средств, труда и материалов на крепление и поддержание горных выработок за последние 10 лет не уменьшились, что объясняется недостаточной несущей способностью крепей в сложных горно-геологических условиях и, наоборот, завышением несущей способности крепи в устойчивых породах.

К числу главных причин, сдерживающих рост технико-экономических показателей в области крепления и поддержания горных выработок, относятся сложность и изменчивость горно-геологических условий, нарушения технологии изготовления крепи и крепления горной выработки, недостаточное внимание к вопросам обеспечения необходимой надежности крепи.

Особую актуальность приобретает проблема повышения надежности крепей горных выработок в связи с постоянным увеличением объемов их проведения в сложных горно-геологических условиях.

Надежность, как вероятность устойчивого состояния горных выработок, зависит от многих факторов, и прежде всего от обоснованности проектных решений, т.е. от того, с какой точностью выбранные в проекте характеристики крепи соответствуют фактической интенсивности проявлений горного давления.



1.Общие сведения о шахте.

Интинское месторождение каменного угля расположено в юго-западной части Печорского угольного бассейна на территории Интинского района Республики Коми. Шахта связана железнодорожной веткой нормальной колеи со станцией «Инта-1» Северной железной дороги МПС РФ, а также автодорогами местного значения с асфальтобетонным покрытием. Водоснабжение шахты осуществляется водопроводами с забором воды из артезианских скважин, теплоснабжение от РКК. Электроснабжение шахты осуществляется от Печорской ГРЭС по ВЛ220кВ.

Поверхность шахтного поля представлена заболоченной тундрой, покрытой отдельными участками леса, имеется много мелких озер. Местами встречается мелкоостровная мерзлота глубиной 1015 метров.

Климат района субарктический. Согласно схематическому районированию по СниП 2.01.07.85, Приложение 5, район города Инта относится к 1Д климатическому подрайону. Норма осадков для Интинского района –606мм. Нормативная глубина промерзания 2,5м, на открытых площадках без снежного покрова до 3,6м. Величина снежного покрова на открытой местности 0,400,45метра. 

	В геологическом строении шахтное поле шахты “Интинская” принимают участие угленосные отложения воркутской и печорской серии пермского возраста, мощностью около 760м. В составе воркутской серии выделяются отложения лекворкутской и интинской свит, литологический состав и свойства пород которых почти одинаков. Промышленная угленосность всего Интинского месторождения связана с отложениями интинской свиты, мощностью около 600м. Количественное соотношение пород свит приведено в таблице 1.1

	Таблица 1.1

	Наименование 

	пород

	Содержание в %

	

	Воркутская 

	свита

	Лекворкутская

	свита

	Интинская

	свита

	.Угольные образования

	2.5

	1.2

	4.1

	Аргиллиты

	17.8

	10.9

	24.6

	.Алевролиты

	38.7

	47.1

	29.4

	Песчаники

	40.9

	40.2

	41.7

	Конгломераты и гравеллиты

	0.1

	0.0

	0.2

	Четвертичные отложения повсеместно покрывают пермские осадки. В их состав входят ледниковые, древнеаллювиальные образования, представленные моренными глинами, суглинками, супесями, древнеаллювиальными песками с присутствием небольшого количества валунов и галек. В верхней части четвертичных отложений залегают покровные суглинки. Мощность четвертичных отложений изменяется от 2,8 до 47,2м. 

Интинское каменноугольное месторождение представляет собой синклинальную складку шириной около 3 км глубиной залегания пластов до 700м вытянутую с юго-запада на северо-восток. В структурно-тектоническом отношении поле шахты приурочено к юго-западному крылу Интинской синклинали.

Ось синклинали проходит за северо-западной границей шахтного поля и слабо ундулирует как в горизонтальной (СВ 50-60), так и в вертикальной плоскости.

Волнистость залегания пластов характерна как для приосевой зоны, так и для крыльев складки. Период волны на поле шахты «Интинская» составляет 20-50м, амплитуда 0.2-0.3м, иногда достигает 0.5м. Волнистость вызвана колебанием межпластовых расстояний вследствие различного их гранулометрического состава при уплотнении.

	Гидрогеологические условия оцениваются средней сложности. Угленосная толща пермских отложений характеризуется небольшой обводненностью –циркулируют подземные воды трещинного типа. Наиболее водообильны слои песчаников. Отмечается резкое различие трещиноватости не только различных слоев пород, но и каждого слоя по площади. Характерно уменьшение трещиноватости с глубиной и соответственно снижение водообильности пород. Наиболее водообильны отложения перми в интервале 70-80м, где удельные дебиты по скважинам достигали 0,3-0,4л/с и коэффициенты фильтрации – 0,1-2м/сут, тогда как на глубинах 80-120м и 120-220м удельные дебиты составили соответственно 0,1-0,2 л/c и менее 0,1л/с. Ожидаемый водоприток в шахту при отработке запасов на полное развитие горных работ в уклонном поле составит: нормальный – 540 м3/час, максимальный – 600 м3/час.

Промышленная угленосность шахтного поля связана с отложениями верхней части интинской свиты, включающей группу пластов I1-7. Основное промышленное значение имеет выдержанный по мощности и строению пласт 11, пласты 10 и 8 –относительно выдержанные, а пласты 9 и 7 –выдержанные. Строение пластов слоистое с прослоями пород Характерным для всех пластов является широкое распространение ложной и неустойчивой кровли мощностью 0,25-0,49м, волнистой гипсометрии пласта. 

Пласты угля относятся к не угрожаемым по горным ударам, не опасным по внезапным выбросам, но опасным по взрываемости угольной пыли. Вмещающие породы силикозоопасны. Шахта относится ко II категории по газу метану. Относительная газообильность шахты равна 8,5м3/т. 

Шахтное поле до первого горизонта с отметкой – 70,0м вскрыто двумя вертикальными центрально-сдвоенными стволами: клетевым и скиповым, а также наклонным вспомогательным стволом по пласту 11. Глубина клетевого и скипового стволов до первого горизонта – 140,2м. Один из стволов –главный оборудуется скиповым подъемом, второй- клетевой оборудуется клетевым подъемом для спуска людей и оборудования и целей вентиляции. Нижняя часть стволов (зумпф) располагается ниже горизонта околоствольного двора. Глубина стволов составит:

                                                                                                               (1.1)





глубина зумпфа, скипового ствола – 40м, клетевого – 7м.

глубина ствола, м (70+70,2=140,2м, где +70,2м-отметка земной поверхности, -70,0 отметка откаточного горизонта и околоствольного двора)

Исходя из общего количества воздуха направляемого через ствол в шахту, и скорости его движения по стволу, можно определить площадь сечения ствола по фактору проветривания

                                                                                                        (1.2)



общее количество воздуха, 169м3/с;

коэффициент, учитывающий некоторое загромождение сечения ствола армировкой и оборудованием, а также подъемными сосудами при их движении по стволу;

допустимая скорость движения воздуха по выработке, м/c

Принимаем клетевой ствол диаметром –6,0м, сечением Sсв = 28,3м2.

Наклонный ствол пройден с поверхности до первого горизонта по пласту 11, угол наклона 17. Ствол оборудован одноконцевым подъемом для спуска длинномерных лесоматериалов, труб, рельс и т.д. В стволе проложен рельсовый путь из рельсов Р33, ширина колеи – 900 мм. Служит для подачи свежего воздуха.

Пласты 11 и 10 первого горизонта вскрыты с пласта 9 групповыми квершлагами, пройденными через 1100-1780м. Откаточный служит для электровозной откатки и подачи свежего воздуха; конвейерный – для подачи горной массы с уклонных полей; вентиляционный – для выпуска исходящей струи воздуха.

Околоствольный двор расположен на первом горизонте –70м и имеет круговую схему откатки. Уголь и порода, разгруженные из вагонеток в опрокидывателях, поступают по наклонным бункерам в загрузочные устройства скипового ствола, где и загружаются в скипы.

Заканчиваются работы по проходке конвейерного ствола, который позволит ликвидировать угольный скиповой подъем и обеспечить резервную мощность шахты по выдаче угля. Ствол будет оборудован конвейером 2Л-120 и способен обеспечить выдачу до 4200 тыс. Тонн горной массы в год. 

В настоящее время бремсберговые запасы пластов 10 и 11 отработаны. Отработаны запасы на восточном крыле, поэтому шахта «Интинская» является однокрылой. Горные работы ведутся в уклонных полях западного крыла шахты по пластам 11, 10 и 8. Разрабатываются уклонные поля западного крыла II и III блоков, ведутся работы по нарезке IV блока. 

Отработка пластов будет осуществляется с применением системы разработки длинными столбами по простиранию. Система рекомендована как наиболее прогрессивная “Временными нормами технологического проектирования угольных и сланцевых шахт” – ВНТП 1-92, а также “Технологическими схемами разработки пластов на угольных шахтах”, 1991 г.

Исходя из горно-геологических условий и опыта отработки лав управление кровлей принимается полным обрушением, охрана выемочных пластовых выработок бесцеликовым способом, охрана промштеков с поддержанием их позади лавы для повторного использования с помощью искусственных ограждений (установка деревянной  органной крепи). Целики по пластам будут оставлены только для охраны промплощадки шахты и уклонов.

Механизация очистных работ:

		на пласте 11 – очистные механизированные комплексы 2 ОКП-70, КМ-700;

		на пластах 8, 10 – очистные механизированные комплексы 1ОКП-70, 4ОКП-70.

Подготовительные работы проводятся как с использованием проходческого комбайнов, так и с применением буровзрывных работ. Проведение пластовых горных выработок осуществляется проходческими комбайнами типа 4ПП-2М и ГПКС-03, проведение печей, просеков, заездов, камер и других выработок по породе с помощью буровзрывных работ. Для погрузки породы при проведении горизонтальных выработок применяются погрузочные машины типа 1ПНБ-2 с комплексом навесного оборудования. В качестве основного транспорта горной массы при проведении горных выработок применяются скребковые конвейера СР-70, СП-202; ленточные конвейера 1ЛТ-80, 2ЛТ-80, в качестве вспомогательного транспорта используются канатные напочвенные дороги типа ДНКЛ.

Проветривание подготовительных забоев осуществляется вентиляторами местного проветривания типа СВМ-6М, ВМЦ-8.

Основные подготовительные горные выработки крепятся металлической трехзвенной или пятизвенной арочной крепью из взаимозаменяемого профиля. 

Подземный транспорт предназначен для перевозок: горной массы от очистных и подготовительных забоев до угольного и породного скипового ствола; крепежных, закладочных и других материалов, а также оборудования; людей. Основной вид транспорта на шахте –конвейерный.

В очистных забоях горная масса грузится комбайнами на лавный конвейер, на сопряжении лавы с подготовительной выработкой горная масса перегружается на передвижной конвейер СП-202 и затем на ленточные телескопические конвейера типа 1ЛТ-80, 2ЛТ-80. Для транспортировки горной массы по уклонам применяются ленточные конвейера типа 1Л-80, 1Л-100У, 2Л-100У, 1ЛУ-120. Горная масса с конвейерных уклонов грузится в аккумулирующие бункера-гезенки, с группового откаточного штрека откатка угля до околоствольного двора осуществляется контактными электровозами К14 в вагонетках УВГ-3.3, емкостью 3.3 т. Затем горная масса перегружается в скипы угольного скипового подъема и выдается на поверхность. Доставка материалов и оборудования до приемных площадок уклонов осуществляется контактными электровозами К14 в вагонетках УВГ-3.3 Для транспортировки по наклонным выработкам используют подъемные лебедки Л-25 и напочвенные дороги ДКНЛ-1.

Переработка и обогащение горной массы, добываемой в шахте, производится в цехе №1 ГОФ «Интинская».


 2. Расчет толщины монолитной крепи вертикального клетевого ствола

В качестве основных расчетных данных для определения устойчивости пород, величин их смещений, нагрузок на крепь и параметров крепи выработки должны приниматься:

расчетная глубина размещения выработки-;

расчетные значения физико-механических свойств горных пород;

нормативные и расчетные характеристики материалов крепи и заполнения закрепного пространства.

2.1 Характеристика ствола

Форму ствола выбираем на основании возможности максимальной механизации работ проходческого цикла, назначения ствола, крепи и срока службы. На основании вышеперечисленных требований наиболее рациональной формой ствола является круглая. Круглая форма ствола имеет меньшее аэродинамическое сопротивление, что в дальнейшем не осложнит сооружение главных вентиляционных установок для проветривания.

Выбор сечения ствола в первую очередь зависит от производственной мощности шахты, габаритов подъемных сосудов и другого оборудования, размещенного в стволе, количества подаваемого в шахту воздуха для проветривания выработок. Величины зазоров в стволе регламентируются «Правилами безопасности в угольных шахтах». Монолитная бетонная крепь – наиболее распространенный вид крепи вертикальных выработок. Доля ее применения при строительстве стволов угольных шахт составляет около 95%. Она применима в породах I-IY категории устойчивости. Стволы при бетонной крепи имеют круглую форму поперечного сечения. Толщина крепи 200-600мм, диаметр ствола в свету 4,5-8,0м. На шахте «Интинская» пройдены скиповой ствол диаметром в свету 5,5м и клетевой диаметром в свету 6,0м.

Согласно анализу геологической, гидрогеологической и горнотехнической обстановки, проектируемый шахтный ствол не испытывает воздействия очистных работ. Согласно п.3.2 [2] ствол считается расположенным вне зоны вредного воздействия работ и расчеты ожидаемых деформаций не производятся.

Проектом принимается совмещенная схема проходки ствола. Для проходки применяем комплекс проходческого оборудования КС-2у с погрузочной машиной  КС-2у/40, вместимость грейфера 0,65м3, вместимость бадьи 4м3. Бурильная установка БУКС-1.

Для проветривания ствола принимается вентилятор типа ВМ-6м. Подача сжатого воздуха производится компрессорами типа К-100-63-1. Откачка воды в бадьи производится при помощи насоса Н-1м.

2.2 Расчет критерия устойчивости пород

2.2.1 Расчетное сопротивление пород сжатию

Расчетное сопротивление пород (массива) сжатию  следует определять по формуле 

                                                                                                                (2.1)

среднее значение сопротивления пород в образце одноосному сжатию, устанавливаемое экспериментально по результатам испытаний образцов пород, Мпа (кгс/cм2);

-коэффициент, учитывающий дополнительную нарушенность массива пород поверхностями без сцепления, 0,6.

2.2.2 Расчет критерия устойчивости пород по участкам ствола

Выбор типа и расчет параметров крепи вертикального шахтного ствола следует производить дифференцированно для устья, протяженной части, участков сопряжений в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических условий, вредных воздействий, а также с учетом схем организации и методов производства работ.

Выбор типа и расчет параметров крепи для протяженной части ствола, а также участков сопряжения следует производить на основании определения категорий устойчивости пород вертикальных выработок. Толщина монолитной бетонной крепи определяется из условия состояния устойчивости горных пород в районе заложения ствола.

Коренные породы представлены аргиллитами, алевролитами и песчаниками с коэффициентом крепости пород по шкале Протодьяконова  f=3,5-5,8.

Величина критерия устойчивости пород вертикальной выработки  следует определять по формуле:

                                                                 (2.2)

 коэффициент, учитывающий взвешивающее действие воды, для участков вне водоносных горизонтов, 1,0; для пород водоносного горизонта  определяется по формуле

                                                                            (2.3)

высота толщи пород от почвы водоупора до земной поверхности, м;

высота толщи пород от рассматриваемого сечения в водоносном горизонте до почвы водоупора (до кровли водоносного горизонта), м;

соответственно, удельный вес частиц пород водоносного горизонта и удельный вес воды, кН/м3 (тс/м3);

коэффициент пористости пород водоносного горизонта, принимаемый  как отношение объема пор к объему скелета, определяемый по данным гидрогеологических изысканий;

высота толщи пород от рассматриваемого сечения до земной поверхности, м;

давление подземных вод с учетом водопонижения, кПа (тс/м2), при 

коэффициент воздействия на ствол других выработок: для протяженных участков ствола  равен 1,0, для сопряжений- 1,5;

коэффициент воздействия на ствол очистных работ, для участков, не испытывающих воздействий, 1,0;

коэффициент влияния времени эксплуатации проектируемой выработки, для шахтных стволов 1,0;

коэффициент влияния угла залегания пород , град;

проектная глубина размещения выработки, м;

расчетное сопротивление пород, Мпа.












2.3 Давление на крепь ствола

2.3.1 Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород устья ствола

Расчет крепи устьев ствола следует производить на действие вертикальных и горизонтальных давлений (нагрузок).

Вертикальные нагрузки.

Вертикальные нагрузки следует определять как сумму давлений от собственного веса крепи, веса оборудования и сооружений, опирающихся на крепь.

Расчетную вертикальную нагрузку , кН (тс), действующая на крепь устья, следует определять по формуле

                                                                                                  (2.4)

коэффициент перегрузки, 1,4;

сумма вертикальных нагрузок, передаваемых опорами горнотехнических сооружений, расположенных на поверхности вблизи ствола, на крепь устья ствола, кН (тс);

собственный вес крепи ствола, кН (тс).

При расчете крепи устьев стволов на вертикальную нагрузку  рекомендуется пользоваться методикой, изложенной в работе Е.П. Калмыкова «Сооружение устьев вертикальных стволов». М., Госгортехиздат, 1960, с. 35-80.



Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород.

Горизонтальная нагрузка  действующая на крепь устья, складывается из нагрузок от пород, пригрузки от поверхностных фундаментов, зданий и сооружений  и в обводненном массиве, гидростатического давления , т.е. .

Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород , кПа (тс/м2), на крепь устья ствола в малосвязных и глинистых породах наносов 

                    (2.5)

коэффициент перегрузки, 1,3;

коэффициент, 1,7- при расстоянии от проемов в крепи более 20м, 2,9- при расстоянии менее 20м;

радиус ствола в свету, м;

угол внутреннего трения в наносах,  град;

безразмерный коэффициент

                                                                                             (2.6)

глубина рассматриваемого участка от поверхности, 20м;

наибольшая суммарная дополнительная нагрузка от зданий и сооружений, расположенных на поверхности вблизи ствола, кПа (тс/м2);

удельный вес породы (грунта), кН/м3 (тс/м3)

                                                                                                                    (2.8)

средняя плотность пород (грунта), т/м3;

ускорение силы тяжести, м/с2



2.3.2 Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород протяженной части ствола



Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород , кПа (тс/м2), на крепь протяженной части вертикальной выработки при отсутствии влияния горизонтальных деформаций от воздействия очистных работ следует определять по формуле

                                                                             (2.9)

радиус выработки в свету, м;

коэффициент перегрузки, 1,3;

коэффициент условий работы, 0,8;

коэффициент приведения к расчетному (максимальному) давлению при неравномерной эпюре нагрузок, 2,0 –при совмещенной схеме проходки ствола;

нормативное давление на крепь, кПа (тс/м2)

                                                                                            (2.10)

критерий устойчивости вертикальной выработки;

параметр, учитывающий технологию проходческих работ. При совмещенной технологической схеме проходки с передвижной опалубкой 

При расчете горизонтального давления обводненных пород вместо коэффициента следует принимать коэффициент 

                                                                                (2.11)



2.3.3. Расчет горизонтального давления пород на крепь ствола в зоне сопряжения

Расчетное горизонтальное давление пород  на крепь вертикальной выработки в районе сопряжения на протяжении 20м вверх и 20м вниз от сопряжения следует определять по формуле

                                                                            (2.12)

радиус выработки в свету, 3,0м;

коэффициент перегрузки, 1,3;

коэффициент условий работы, 0,8;

коэффициент приведения к расчетному (максимальному) давлению при неравномерной эпюре нагрузок

                                при                                               (2.13)

                               при                                               (2.14)

расстояние от узла сопряжения до рассматриваемого сечения в районе 20м;

коэффициент перехода от протяженного участка к району сопряжения, 0,025

нормативное давление на крепь, кПа (тс/м2)

                                                                                               (2.15)

                                                                                             (2.16)

критерий устойчивости вертикальной выработки в районе сопряжения;

параметр, учитывающий технологию проходческих работ.


2.3.4. Давление подземных вод



Давление подземных вод , кПа (тс/м2), на крепь выработки в коренных породах без их тампонажа следует определять поформуле 

                                                                                               (2.17)

коэффициент перегрузки, 1,1;

естественный или сниженный общим водопонижением напор в данном водоносном горизонте, м;

коэффициент фильтрации крепи, для бетонной крепи 0,00158м/сут;

коэффициент фильтрации породы, м/сут;

соответственно внешний и внутренний радиус крепи;

радиус влияния дренажа выработки, определяемый по данным гидрогеологических изысканий из выражения 

коэффициент пьезопроводности водоносного горизонта, м2/сут;

время от начала дренирования, сут;

удельный вес воды, кН/м3 (тс/м3).

При проектировании горных выработок сумма остаточных водопритоков с водоносных горизонтов не должна превышать допустимого водопритока в ствол, установленного по правилам производства и приемки работ подземных горных выработок.

Остаточный водоприток в ствол , м3/сут, в результате фильтрации воды через крепь следует определять по формуле 



мощность водоносного горизонта, м;

фильтрационный расход воды на единицу длины ствола, м2/сут






2.4. Расчет толщины крепи по участкам ствола

Расчет толщины монолитной бетонной и набрызг-бетонной крепи вертикальной выработки ,мм, следует производить по формуле

                                                     (2.18)

радиус вертикальной выработки в свету, 3.0м;

коэффициент условий работы крепи, 1,25;

коэффициенты, учитывающие длительную нагрузку, условие для нарастания прочности и температурные колебания, принимаемые в соответствии с главой СниП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций;

расчетное сопротивление бетона сжатию, принимаемое в соответствии с главой СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, кПа (тс/м2);

коэффициент концентрации напряжений в конструкции крепи, принимаемый равным 1,0- на протяженных участках ствола, в районе сопряжения, гдерасстояние от узла сопряжения до рассматриваемого сечения, м;

горизонтальное давление в кПа (тс/м2), определяемое как суммарное от давления пород  и подземных вод ;

толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы: для набрызгбетона принимается  равной 50мм, для остальных типов крепи –равной нулю.

2.5 Пример расчета

Исходные данные:

		Абсолютная отметка устья ствола 					70,2м

		Абсолютная отметка горизонта					-70,0м

		Глубина ствола от поверхности					140,2м

		Глубина зумпфа							7,0м

		Полная глубина ствола, включая зумпф				147,2м

		Диаметр ствола в свету						6,0м

		Площадь ствола в свету						23,8м2

		Вид крепи ствола							бетон

		Мощность наносов 							20м

		Угол залегания пород						330

Ствол охраняется по всем Правилам охраны. Предусматривается совмещенная схема проходки.

При проходке ствола встречаются следующие породы:

Наносы-20м-суглинки, супеси, глины.

Коренные породы. Ствол пересекает слаботрещиноватую толщу пород с углом падения 330, состоящую из переслаивающихся алевролитов, аргиллитов, песчаников мощностью от 0,3 до 5,3 метра. Физико-механические свойства пород сведены в таблицу 2.1. Преобладающими являются слои аргиллитов  и . 

До глубины Н=75м ствол пересекает три угольных платса 11,10, 9. На глубине Н=95м ствол в алевролитах встречает водоносный горизонт с напором . Мощность водоносной толщи 12м с коэффициентом пьезопроводности ,  коэффициент фильтрации пород , , , . На глубине Н=110м ствол пересекает угольный пласт 8. На глубине Н=140,2м закладывается сопряжение с околоствольным двором. Песчаник, .



Таблица 2.1

Физико-механическая характеристика вмещающих пород и угля.

Показатели

Ед. Изм.

Исходные данные





Аргиллит

Алевролит

Песчаник

Уголь

		Прочность на сжатие

кг/см2

76-380

201

60-530

277

150-560

368

17,8-25,3

20

		Прочность на разрыв

кг/см2

8-79

35

11-59

41

27-137

55



Коэффициент крепости ***



2.0-9.4

3.5

2.2-8.9

5.8

2.1-3.5

4.7

1.5-1.8

1.6

Влажность

%

5.3

4.3

3.8

1.5

Пористость

%

12.6

13.2

12,7

10,0

Объемный вес

т/м3

2,35

2,35

2,37

1,49

Водопоглощение



9,4

8,0

9,9

1,53

*** -коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова




Решение. 

Согласно анализу геологической, гидрогеологической и горнотехнической обстановки, проектируемый шахтный ствол не испытывает воздействия очистных работ, поэтому ствол считается вне зоны вредного воздействия работ и расчеты ожидаемых деформаций не производятся.

Расчет толщины крепи устья ствола.

Определяем расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород , кПа (тс/м2), на крепь устья ствола в малосвязных и глинистых породах наносов при 1,3; 2,9; 3,0м; 8о; 20м;  кН/м3. Породы наносов насыщены водой. Коэффициент пористости наносов . Вместо  рассчитываем поправку в формулу





На поверхности отсутствует дополнительная пригрузка от зданий и сооружений , так как они отстоят от контура ствола на расстоянии более .

 

Части устьев стволов, расположенные в сезонно оттаивающих породах и подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию в водонасыщенном состоянии должны крепиться минимальной проектной маркой бетона М300. Расчетная толщина крепи из монолитного бетона марки М300 равна



Принимаем толщину крепи в наносах равную 300мм.

2. Расчет толщины крепи ствола на участке 

. По формуле (7) [1] осуществляется расчет устойчивости обнажений пород на этом участке ствола. Ствол пересекает на этом участке три угольных пласта 11, 10 и 9. Преобладающие породы на участке аргиллиты.. Согласно формуле (2)[1]



Входящие в формулу (7) коэффициенты имеют для данного участка следующие значения:   





Породы устойчивые и относятся к I категории устойчивости пород. В породах I категории устойчивости толщина бетонной крепи назначается без расчета по табл.3[1] . 

Произведем дополнительный расчет участка по угольным пластам



Входящие в формулу (7) коэффициенты имеют для данного участка следующие значения:   



Породы устойчивые и относятся к I категории устойчивости пород. В породах I категории устойчивости толщина бетонной крепи назначается без расчета по табл.3[1] .

3. Расчет толщины крепи ствола на обводненном участке 



  

 









Так как  необходим расчет давления подземных вод 



При расчете горизонтального давления обводненных пород вместо коэффициента следует принимать коэффициент 







Толщина бетонной крепи из марки М200 равна



Принимаем .  Произведем проверку остаточного водопритока в ствол  в результате возможной фильтрации воды через крепь 



, что не превышает допустимого водопритока в ствол



4. Расчет толщины крепи ствола на участке Ствол на этом участке пересекает угольный пласт 8, . 



Входящие в формулу (7) коэффициенты имеют для данного участка следующие значения:   



Породы устойчивые и относятся к I категории устойчивости пород. В породах I категории устойчивости толщина бетонной крепи назначается без расчета по табл.3[1] . 



5. Расчет толщины крепи ствола на участке сопряжения 

Проектом предусмотрено, что на глубине 140,2м закладывается сопряжение с околоствольными выработками. 



при 		

при 		



при 		



при 		



Расчетная толщина крепи из монолитного бетона марки М200 по формуле (18) [1] равна для 



Толщина крепи из бетона марки М200 по формуле (18) [1] равна для 

 

Расчетная толщина крепи должна быть не менее величин, указанных в таблице 3[1]. Окончательно принимаем толщину крепи ствола на сопряжении 

2.6 Выбор толщины крепи для ствола

Выбор толщины крепи для проектируемого ствола сведены в таблицу 2.2

Таблица 2.2

Глубина заложения, м

Марка бетона

Толщина крепи, мм

Наносы-20м

М300

300

От наносов до 83

М200

200

 83 - 95(водоносный горизонт 12м)

М200

350

 95 - 120

М200

200

 120 – 140,2 (сопряжение)

М200

250

Зумпф

М200

250



2.7 Камера сопряжения околоствольного двора с клетевым стволом

Околоствольный двор в месте его сопряжения с клетевым стволом должен обеспечивать безопасность, удобство работ по замене груженых вагонеток на порожние, по спуску и подъему людей, приемке материалов и оборудования, а также пропуск воздуха для проветривания горных работ с минимальным его сопротивлением.

Высота сопряжения принимается в зависимости от размеров доставляемых в шахту различных материалов и оборудования (длинномерных материалов- рельсов и труб и т.п.). Высоту сопряжения околоствольного двора со стволом можно определить 

      

диаметр ствола в свету, 6,0м;

максимальная длина спускаемого в шахту материала, рельсы 8,0м

высота сопряжения околоствольного двора со стволом, м

Угол , при котором предмет длиной может пройти из ствола в околоствольный двор при минимальной высоте сопряжения, будет равен 45, тогда . В стволах круглого сечения длинная ось клети не совпадает с диаметром, а проходит по некоторой хорде, длину которой с достаточной для расчетов точностью можно принять равной . Окончательно высота сопряжения 



Высота сопряжения околоствольного двора со стволом принимается не менее 4500мм от головок рельсов. Ширина выработки, сопрягающейся со стволом принимается равной диаметру ствола. Ширину между путья в сопряжении околоствольного двора с клетевым стволом следует принимать равной растоянию между осями клетей, а проходы с каждой стороны по 1000мм п.3.16, 3.17.

Форма сопряжения кровли выработки со стволом может быть наклонной или прямолинейной. Наклонное сопряжение кровли обеспечивает более плавный выход струи воздуха из ствола в околоствольный двор, что частично снижает аэродинамическое сопротивление.

Крепь сопряжения, принимают из железобетона с большим насыщением арматуры и часто усиливают дополнительно анкерной крепью с металлической сеткой. Почву сопряжения также закрепляют бетоном. В стволе выше сопряжения закладывают опорный венец и устраивают водоулавливающее кольцо.


 

3. Расчет параметров крепления выработки шахты

Форму поперечного сечения выработки следует выбирать в зависимости от устойчивости пород, срока службы и назначения выработки. В устойчивых породах следует принимать выработку сводчатой формы с вертикальными стенками.

Расчет ожидаемых смещений пород в кровле, боках и почве выработки с учетом влияния геологических и горнотехнических факторов произведен в соответствии с «Инструкцией по выбору рамной металлической податливой крепи горных выработок». По величине максимальных смещений пород на контуре выработки методика расчета позволит определить нормативную и расчетную нагрузки на крепь, выбрать ее тип, конструкцию и с учетом несущей способности одной рамы крепи рассчитать плотность ее установки. 

Краткая характеристика условий проведения горизонтальной выработки



Выработка проводится по простиранию пласта 9 на глубине 140м (откаточный горизонт –70м) с присечкой вмещающих пород:аргиллитов, алевролитов и песчаников. Срок службы выработки 20 лет. Проектируемый магистральный конвейерный штрек предназначен для транспорта угля с уклонных полей 2 и 3 пластов 11, 10 до наклонного конвейерного ствола. По выработке проложен рельсовый путь ДКНЛ колеи 900мм для доставки материалов и оборудования для ремонта конвейера (привода, лента), установленного в выработке и элементов крепи. Выработка пройдена комбайном. Сечение выработки в свету до осадки 15,5м2, после осадки с балластом Sсв=13,4м2, в проходке Sпр=17,9м2. Ширина выработки в проходке b=5,67м, высота h=3,79м.

Мощность угольного пласта 9 m9=1,2м. Угол падения пласта  =16.

Непосредственная кровля пласта 9 среднеустойчивая, представлена аргиллитами мощностью 3,09м; алевролитом мощностью 2,37м; песчаником мощностью 4,21м.

Почва пласта 9 представлена алевролитами мощностью 0,54м, аргиллитами мощностью 1,98м и песчаником мощностью 3,1м.

Характеристика физико-механических вмещающих пород и угля сведены в таблицу 2.1





Расчет параметров крепления

Выбор размера поперечного сечения выработки

Поперечное сечение крепи горной выработки определяют следующие факторы: назначение горной выработки; физико-механические свойства горных пород и условия эксплуатации выработки; требования ПБ в части соблюдения минимальных размеров сечения выработки и зазоров; обеспечение безопасности работ; параметры и размеры оборудования, размещаемого в выработке; срок службы горной выработки; наличие унифицированного типового сечения крепи, разработанного институтами для данного угольного бассейна.

Наибольшее распространение на шахтах Инты получила арочная форма выработок. В угольной промышленности арочную форму с металлической рамной крепью применяют при проведении выработок в породах с f = 3 - 9, как находящихся в зоне установившегося горного давления, так и в зоне влияния очистных работ. Арочная трехзвенная крепь может быть применена в выработках, смещение кровли в которых не превышает 300мм, пятизвенная – при смещении кровли более 500мм.

На основании исходных данных принимаем: симметричную металлическую арочную форму крепи, как наиболее благоприятную по условиям устойчивости, рационального использования крепи, ее несущей способности и перераспределения воспринимающих ею нагрузок. 

Принимаем для проектируемой выработки комбайновый способ проходки, следовательно, в выработке необходимо разместить комбайн и транспортное оборудование для его проведения, при условии сохранения требуемых ПБ зазоров. Определяем сечение выработки при размещении в ней оборудования и соблюдения требуемых зазоров в соответствии ПБ.

Размеры поперечного сечения выработки (ширина, высота и площадь) зависят от ее назначения, основных размеров оборудования, способа передвижения людей, количества проходящего по выработке воздуха. При проектировании поперечного сечения выработки в свету необходимо учитывать запас на возможные осадки пород, зависящий от условий ее поддержания и мощности пласта m. Ширина магистрального конвейерного штрека, закрепленного арочной крепью на высоте подвижного состава (1800мм): 

                                                                                       (3.1)

 минимальный зазор между крепью и конвейером , 400мм

ширина вагонетки на уровне верхней кромки, 1320 мм;

минимальный зазор между вагонеткой и конвейером , 400мм

ширина конвейера 2Л120, 1630мм

700мм- минимальная ширина свободного прохода людей на высоте 1800мм (на уровне верхней кромки подвижного состава) 

                                                                                        (3.2)

0,7м- ширина прохода для людей на высоте 1,8м от уровня балласта;

высота подвижного состава от уровня головки рельсов;

расстояние от балласта до уровня головки рельсов, при Р33 –190мм;

10-20 - угол перехода прямой части стойки в кривую.





Указанные минимальные значения зазоров относятся к прямолинейным участкам пути. Чтобы сохранить минимальные размеры поперечного сечения выработки в свету на весь срок ее службы, необходимо при проведении выработки увеличить площадь ее сечения, учитывая, что под влиянием горного давления она уменьшится. В соответствии с этим ширина выработки вчерне на уровне высоты подвижного состава

                                                                              (3.3)



высота спец.профиля (для СВП-27-123 мм);

толщина одинарной затяжки

горизонтальное сдвижение пород бока выработки на уровне балластного слоя

По полученным результатам ширины выработки подбираем типовое сечение. Нашим условиям удовлетворяет выработка сечением в проходкеSпр=15,9м2, сечением в свету до осадки Sсв=15,5м2, с балластом после осадки Sсв=13,4м2 (см. лист 189 «Унифицированные типовые сечения горных выработок».). 

Определяем площадь проходки по углю  и породе 

                                                                                        (3.4)



мощность угля, 1,2м;

ширина выработки в проходке, 5,67м;

угол падения пласта, 16.

площадь сечения выработки в проходке, 17,9м2

                                                                                        (3.5)



Определение расчетной плотности пород

Расчетное сопротивление сжатию слоев пород в массиве определяют с учетом нарушенности массива по формуле 

                                                                                                                 (3.6)

среднее значение сопротивления пород одноосному сжатию;

коэффициент, учитывающий нарушенность массива, определяется по таблице 1[3].

Расчетное сопротивление пород сжатию  определяют с учетом вмещающих пород выработку слоев (пластов), залегающих на расстоянии от контура сечения выработки в кровле , в почве  (ширина выработки, м), а в боках при пологом и наклонном падении по высоте выработки.

Усредненное значение расчетного сопротивления пород сжатию

                                                                             (3.7)

расчетное сопротивление слоев пород;

мощность слоев пород,м.

Определение смещений пород на контуре выработки



Смещение пород кровли, почвы, боков в горизонтальных и наклонных выработках, поддерживаемых вне влияния очистных работ, определяем по формулам 3[3]:

                                                                                     (3.8)

                                                                                    (3.9)



                                                                                    (3.10)

смещение пород, определяемые по графикам рис.2[3] в зависимости от расчетного значения  пород кровли, почвы или каждого из боков и глубины расположения выработки ;

коэффициент влияния угла залегания пород и направления проходки выработки относительно напластования пород, определяемый по табл. 2[3]; 

коэффициент, характеризующий влияние направления смещения пород, по табл.2[3];

коэффициент влияния ширины выработки, определяемый для кровли и почвы , для боков , где  и  соответственно ширина и высота выработки в проходке, м; 

коэффициент воздействия других выработок, , если расстояние между параллельными выработками исключает их взаимное влияние.

                                                                                                        (3.11)

расстояние между параллельными выработками, исключающее их взаимное влияние, м;

суммарная ширина взаимовлияющих выработок в проходке, м;

коэффициент, определяемый по таблице 3[3]

коэффициент влияния времени на смещение пород

Определение расчетной нагрузки на рамную податливую крепь

Расчетная нагрузка на рамную податливую крепь на 1 м выработки определяется по формуле (3.12)- для кровли и почвы; для боков –(3.13)

                                                                                                       (3.12)

                                                                                                      (3.13)

нормативная удельная нагрузка, определяемая по табл. 4[3] в зависимости от смещений пород и ширины выработки в проходке.

Для незамкнутой крепи  находят по смещениям пород кровли, для замкнутой с обратным сводом по наибольшей величине смещений пород из кровли, почвы или боков. Промежуточные величины в табл. 4 (  ) определяют интерполяцией ближайших значений.

коэффициент перегрузки и степень надежности, для подготавливающих выработок -1.0; для вскрывающих выработок по табл.5[3];

коэффициент влияния способа проведения выработки, при проведении выработки комбайновым способом принимается по табл. 6[3];  при буровзрывном, смешанным, а также при проведении выработки по обрушенным породам выработанного пространства любым способом – равным 1,0

3.3 Выбор плотности установки крепи

Плотность  установки рам металлической податливой, железобетонной податливой, смешанной и деревянной крепей на 1 м длины выработки находят делением расчетной нагрузки  на сопротивление одной рамы крепи 

                                                                                                                 (3.14)

расчетная нагрузка, кН/м

сопротивление одной рамы крепи в податливом режиме в зависимости от вида соединительных узлов.

Паспортную плотность установки крепи принимают по ближайшему значению  в ряду: 0,8; 1,0; 1,1; 1,25; 1,33; 1,43; 1,67; 2,0; 2,25; 2,5; 2,67; 3,0; 4,0.

Предельной плотностью металлической податливой рамной крепи рекомендуется считать 3 рамы/м, а деревянной, сборной железобетонной и смешанной крепей –4 рамы/м. При  рам/м крепь необходимо выбирать с учетом снижения смещений пород за счет дополнительных мер по активному управлению горным давление (установка средств усиления крепи, дополнительное анкерование кровли, тампонаж закрепного пространства, цементация вмещающих пород, отсечное торпедирование и др.).

Меры по активному управлению горным давлением допустимы при любой расчетной плотности установки крепи.

Выбор металлической крепи по податливости

Металлическую крепь выбирают по податливости в выработках пологих и наклонных пластов на основании расчетных смещений пород кровли:

При плотности установки крепи принятой в п. 3.2.5 не более 1 рамы/м, ее податливость принимают из условия 

                                                                                                                    (3.15)

конструктивная податливость крепи, мм (см. в прил.1);

расчетные смещения пород кровли, мм.

Если плотность установки крепи принятой в п. 3.2.5 превышает 1раму/м, а также если используют дополнительные средства усиления, то податливость крепи принимают менее расчетных смещений пород кровли из условия:

при установке в выработке только основной крепи 



при установке в выработке основной крепи и средств ее усиления



при одновременной установке рамной и анкерной крепи



коэффициенты (см. табл. 7, 8, 9), выбираемые в зависимости от плотности установки рамной крепи, средств усиления или анкерной крепи.

Проверка деревянной, сборной железобетонной податливой  и смешанной крепей на податливость не производится. При проверке крепи на податливость допускаются отклонения в величинах смещений пород на 10%.

3.4 Пример расчета

1.Определяем расчетную прочность пород. 

Для всех пород принимаем 

Среднее значение сопротивления пород одноосному сжатию

песчаник -; алевролит -; аргиллит -;

 уголь -; алевролит -; аргиллит -;

песчаник	

Выработка сухая, поэтому прочность пород не снижается от воздействия влаги.















Расчетное сопротивление пород кровли сжатию составит



Расчетное сопротивление пород почвы сжатию составит



Расчетное сопротивление пород кровли сжатию в боках выработки составит



Средневзвешенное сопротивление пород кровли и почвы сжатию



Расчетное сопротивление пород кровли сжатию , почвы , боков , cредневзвешенное сопротивление .



2. Определяем смещение пород кровли, почвы, боков 

 для пластовых горизонтальных и наклонных выработок, проведенных по простиранию ; при определении боковых смещений по табл.2[3];  и 





Расстояние между выработками 16м. Определим коэффициент воздействия





;    (см. рис. 2 при Н=140м и полученных значениях прочности пород кровли, почвы и боков).







Общие смещения пород кровли и почвы 



3. Определяем  нагрузку на рамную податливую крепь на 1м выработки 

; для вскрывающих выработок по табл.5[3], при  ;

выработка проводится комбайном, по табл. 6[3]  



Расчетная нагрузка 

4. Крепь выбираем согласноп.14 [3] по прил. 1, исходя из ширины выработки, при  принимаем арочную крепь КМП-А3 из СВП-27 с замком ЗПК с сопротивлением в податливом режиме .

5. Плотность  установки рам металлической податливой арочной крепи



Принимаем плотность установки 1,0 раму на метр, так как железобетонная затяжка выпускается на Интинском ЖБИ двух типоразмеров (длиной 750мм и 1000мм), а так же из-за значимости проводимой выработки.

6. Податливость крепи при выбираем из условия  

конструктивная податливость крепи КМП-А3 из СВП-27 с замками ЗПК-- ; 



Условие выполняется. 

Принимаем к установке крепь КМП-А3 из спец.профиля  СВП-27.

Металлическая крепь из профиля СВП является универсальной. Ее применяют в различных горнотехнических условиях для крепления выработок разного назначения. Такая крепь обеспечивает податливый режим работы, возможность повторного использования и имеет сравнительно невысокую стоимость. Немаловажное значение имеет технологичность ее производства на ремонтных заводах.

Трехзвенная крепь состоит из верхняка и боковых стоек. Верхняк арки соединяется со стойками при помощи хомутов, обеспечивающих конструктивную податливость крепи по высоте. Сводчатое очертание крепи позволяет повысить устойчивость породного контура кровли выработки и улучшает работу самой конструкции. Податливость крепи позволяет защищать конструкцию от перегруза в процессе происходящего смещения пород вокруг выработок. Металлические арки соединяются между собой тремя межрамными стяжками. Межрамное пространство ограждается от вмещающих пород железобетонными затяжками.

Водоотливная канавка расположена в выработке со стороны прохода людей. Перекрытие канавки укладывается на одном уровне с балластом. Канавка принята железобетонной. Расход крепежных материалов приведен в таблице 3.2.

Расход крепежных материалов

Таблица 3.1.

№№

пп

Наименование

материалов

Расход

Расход

Sсв=15.5





шт/рам

шт/м

кг/м



1

Стойка из СВП-27

2

2.0

108,0

216,0

2

Верхняк из СВП-27

1

1.0

81,0

81,0

3

Планка (ЗПК)

7

7,0

2,6

18,2

4

Скоба

7

7,0

1,72

12,04

5

Гайка М-24

14

14

0,11

1,54

6

Межрамная стяжка

3

3,0

3,2

9,6

7

Затяжка ж/б

41

41

19,0

779

8

Распорки, клинья

4

4

0,005м3

0.02м3

9

Рельсы Р-33

-

2,0

24,1

48,2

10

Шпалы

1

1,43

0,03м3

0,044м3

11

Трапы

-

1,43

0,03м3

0,044,м3

12

Противопожарные трубы

-

1,0

10

10

13

Вентиляционные трубы

-

1,0

1,0

1,0






Список использованной литературы





СниП II-94-80 «Подземные горные выработки».

Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. –М.: Стройиздат, 1983.

Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб, ВНИМИ, 1991.

Ерофеев Л.М., Мирошникова Л.А. Повышение надежности крепи горных выработок. М.: Недра, 1988.

Турчанинов И.А, Иофис М.А. Основы механики горных пород.-Л.:Недра, 1989.

Покровский Н.М. Комплексы подземных горных выработок и сооружений. М.: Недра, 1987.

Справочник инженера-шахтостроителя. В 2-х томах. Под ред. Седова Б.Я. М., Недра, 1972г.

Справочник инженера-шахтостроителя. В 2-х томах. Под редакцией Белого В.В. М., Недра, 1983г.

Методические указания. Геомеханика. Параметры крепления.

Шехурдин В.К. Задачник по горным работам, проведению и креплению горных выработок. М., Недра, 1985г.

Смирняков В.В., Вихарев В.И. Технология строительства горных предприятий. М., Недра, 1989г.