СТУПЕНЧАТО-МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕПЬ ПОДЗЕМНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Полезная модель относится к области горного дела и может быть использована для крепления подземных выработок и сооружений монолитными крепями.
Известна конструкция монолитной одно или многослойной крепи горизонтальных, вертикальных и наклонных подземных горных выработок, сооружаемых по совмещенной технологической схеме, включающая последовательно нанесенные на закрепляемые породные обнажения и друг на друга слои из бетона, железобетона или полимерных материалов путем набрызга или заливки твердеющего состава за опалубку [1].
Недостатком известной конструкции - аналога является нерациональное распределение напряжений в толще материала монолитной крепи. Наиболее напряженной оказывается внутренняя, выходящая в выработку, свободная поверхность крепи, а наименее напряженной - внешняя поверхность, граничащая с породным контуром выработки. Между тем, прочностные характеристики материала крепи имеют обратную зависимость: предел прочности внешних слоев, находящихся в условиях объемного напряженного состояния, выше, чем предел прочности внутренних слоев и, в особенности, свободной поверхности крепи, находящейся в условиях двухосного напряженного состояния. Таким образом, несущие способности материала крепи используются нерационально: при обеспечении условий устойчивости на внутренней поверхности в основной своей массе крепь оказывается недогруженной.
Наиболее близкой к предложенной конструкции по технической сущности и достигаемому результату является конструкция многослойной крепи шахтного ствола [2], включающая расположенные один внутри другого цилиндры крепи с кольцеобразными интервалами между ними шириной порядка 8 см. Концентрические интервалы заполнены жидкостями различной плотности, причем плотность в каждом внешнележащем интервале последовательно возрастает, относительно внутрилежащего интервала, что обеспечивает соответствующее возрастание гидростатического давления. Для усиления эффекта также предусмотрено соответствующее возрастание высоты залива жидкостей. За счет дифференцированного гидростатического давления на концентрические слои в крепи обеспечивается рациональное распределение напряжений.
Недостатком конструкции - прототипа является ее сложность, нетехнологичность и ограниченная применимость. Крепь может быть применена исключительно для крепления отдельных участков вертикальных выработок.
Целью полезной модели является повышение несущей способности сооружаемой по совмещенной технологической схеме многослойной крепи любой подземной горной выработки (горизонтальной, вертикальной или наклонной) за счет обеспечения рационального распределения напряжений в ее массиве.
Указанная цель достигается тем, что слои крепи выполнены ступенчатой формы с падением ступеней в направлении забоя выработки, при этом:
- количество слоев равно количеству n ступеней;
- длина l каждого слоя, последовательно нанесенного после очередной уходки забоя, равна протяженности зоны сдерживающего влияния забоя;
C
- длина l ступени в слое равна длине очередной уходки забоя.
Количество ступеней n в слое определяется из выражения:
i
а толщина i-той (считая от забоя) ступени a в каждом слое определяется по формуле:
сум
где a - суммарная толщина многослойной крепи вне зоны сдерживающего влияния забоя выработки;
δ - принимаемая погрешность расчета толщины крепи.
В основе предлагаемого технического решения использован тот факт, что в процессе проходки горной выработки забой оказывает сдерживающее влияние на конвергенцию (в упругом режиме) прилегающих к нему стенок выработки, и поэтому устанавливаемая вслед за забоем крепь воспринимает максимальную нагрузку не сразу, а при удалении забоя на некоторое расстояние l, определяемое упругими свойствами вмещающего породного массива.
C
ух
Сущность полезной модели поясняется на прилагаемом рисунке, где представлен продольный разрез вертикальной проходимой сверху вниз горной выработки на момент очередной уходки забоя на расстояние l. Устойчивость вмещающего горного массива такова, что после каждой уходки требуется крепление обнажившегося участка выработки, вследствие чего применяется совмещенная технологическая схема проходки и крепления: с отставанием крепи от забоя не более, чем расстояние уходки l. В левой части рисунка представлена схема расположения слоев ступенчато-многослойной крепи, последовательно нанесенных на породную стенку выработки и друг на друга, а в правой - эпюры их напряженного состояния.
1
max
min
В соответствии с предлагаемым техническим решением обнажившийся призабойный участок закрепляется первой ступенью очередного слоя многослойной крепи. При уходке забоя вследствие конвергенции породных стенок выработки этот участок оказывается нагружен. Соответственно, ширина a первой ступени определяется исходя из максимальных касательных напряжений σ (эпюра 1, сплошная кривая) и предела прочности материала крепи на сжатие [σ] (эпюра 1', пунктирная кривая). В соответствии с теорией прочности условие обеспечения устойчивости участка заключается в выполнении условия σ<[σ] для наиболее нагруженного и при этом наименее прочного элемента, каковым является внутренняя свободная поверхность слоя, находящаяся в условиях двухосного напряженного состояния, где действующие максимальные напряжения σ равны минимальным предельным [σ]
ух
2
max
min
При последующей уходке забоя (вновь на расстояние l) рассматриваемый участок подвергается дальнейшему воздействию конвергенции породных стенок, и толщина первой ступени уже перестает соответствовать возросшим напряжениям σ (эпюра 2). Однако к этому моменту первая ступень оказывается подкрепленной второй ступенью толщиной a, что обеспечивает ее объемное напряженно-деформированное состояние и увеличение предела прочности [σ], в соответствии с теорией Кулона-Мора. При этом, согласно зависимости (2), суммарная толщина крепи возрастает прямо пропорционально величине конвергенции породных стенок. Соответственно, действующие на границе между слоями крепи радиальные напряжения увеличиваются прямо пропорционально возрастанию касательных напряжений, что и обеспечивает необходимое увеличение предела прочности второго слоя крепи до нового уровня [σ] (эпюра 2') и обеспечение на внутренней свободной поверхности второго слоя условия σ=[σ].
сум
Аналогичным образом по мере дальнейших уходок забоя происходит нагружение остальных слоев, вплоть до удаления забоя на расстояние l, определяемое протяженностью зоны его сдерживающего влияния, после чего упругая конвергенция контура выработки полностью реализуется. При этом суммарная толщина многослойной крепи достигает величины a, которая, вследствие обеспечения повышенной несущей способности материала крепи, оказывается на 30-40% меньше устойчивой толщины крепи конструкции - аналога. Повышение несущей способности материала крепи достигается за счет более рационального распределения напряжений σ в его массиве: более близким к эпюре распределения предела прочности [σ], чем у конструкции - аналога.
Наиболее рациональным способом возведения ступенчато-многослойной крепи является набрызг бетонных или полимерных смесей (хотя в принципе возможно применение и опалубочных технологий). Количество слоев и параметры ступеней определяются размерами закрепляемой выработки и физико-механическими свойствами материала крепи и вмещающего породного массива.
C
min
Так, например, при проходке и креплении по совмещенной технологической схеме (заходками по l=1 м) монолитным бетоном класса В 25 горизонтальной выработки шириной и высотой 2,5 м, зона влияния забоя которой распространяется на l=5 м, потребуются следующие параметры ступенчато-многослойной крепи для обеспечения на внутренней поверхности выработки нормативного предела прочности бетона [σ]=15 МПа:
C
- количество ступеней и слоев: n=l/l=5 м/1 м=5;
1
- толщина ступеней: 1-й ступени - a=6 см;
2
2-й ступени - a=2 см;
3
3-й ступени - а=1 см;
4-й и 5-й ступени - по 0,5 см.
сум
Суммарная толщина ступенчато-многослойной крепи составит а=10 см.
Для крепления же выработки сплошной монолитной бетонной крепью требуемая толщина бетона составила бы 15 см, что в 1,5 больше.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Справочник инженера-шахтостроителя. Том 1. - М.: Недра. - 1983. - 504 с.(аналог).
2. Патент 1.544.336 Франция МКИ Е21Л. Revetement de puite /М/ Auguste Victoria Geverkschaft (France), Bergwerksverband G.m.b.H. resident en Republique Federale d'Allemagne. №48.417, Заявлено 10.10.66., Опубликовано 31.10.68. Bulletin official de la Propriete industrielle, No 44 du 31 octobre 1968 (прототип)