Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

СПОСОБ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ КРЕПИ ПОДЗЕМНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Цыганков Д.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет»
Проведён анализ известных в мире классификаций породных массивов, которые могут быть использованы при оценке их устойчивости и выборе конструкций крепей подземных горных выработок различного пространственного расположения. Выяснено, что большинство из них включает большое количество расчётных параметров, но при этом не является достаточно точным. Высказано предположение о необходимости разработки упрощённого подхода по оценке устойчивости породных массивов вокруг контуров подземных горных выработок с целью выбора конструкций их крепей. Проанализирован действующий отечественный подход по оценке устойчивости породных массивов, включающий в себя большое количество расчётных показателей, слабо влияющих на точность конечного результата. Проведён анализ известных схем разрушения горных пород вокруг контуров подземных горных выработок. Предложен оригинальный механизм разрушения горных пород кровли подземных горных выработок, существенно упрощающий решение задачи выбора конструкций их крепей. Проведена взаимосвязь между предложенным механизмом разрушения горных пород и выбором конструкции крепи горизонтальной и наклонной подземной горной выработки. В основу предлагаемого механизма разрушения положена сила воздействия вывала горных пород на крепь подземной горной выработки. Высота вывала определена на основе экспериментальных данных и зависит от глубины заложения подземной горной выработки, её наклона, а также наличия сопряжений с другими подземными горными выработками. Установлены категории подземных горных выработок, позволяющие по величине силы воздействия вывала на крепь горной выработки, определённой по предлагаемой схеме, выбрать конструкции их крепей.
конструкция крепи
горная выработка
горная порода
схема разрушения
вес вывала
блок
категория горной выработки
1. Bieniawski Z.T. Engineering rock mass classifications. John Wiley & Sons. New York, 1989. 251 p.
2. Barton N. TBM prognoses, hard rock, high stress, weakness zones, Qtbm, open-gripper, double-shield. Keynote. S. Amer. Tunneling Conference Lima. 2010. Р. 98–112.
3. Barton N., Grimstad E. Tunnel and cavern support selection in Norway, based on rock mass classification with the Q-system. Publication No. 23. Norwegian Tunneling Society. 2014. Р. 45–77.
4. Bischoff J.A., Smart J.D. A method of computing a rock reinforcement system, which is structurally equivalent to an internal support system. Proceedings 16th Symposium on Rock Mechanics. 1975. P. 179–184.
5. Li C.C. Design principles of rock support for underground excavations. Stockholm, Sweden. 2012.
6. Цыганков Д.А. Актуализированная система выбора конструкции крепи подземной горной выработки // Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XIV Международной научно-практической конференции. Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2018. С. 30–36.
7. Городниченко В.И., Дмитриев А.П. Основы горного дела. М.: Горная книга, 2016. 443 с.
8. Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горноразведочных выработок. Томск: ТПИ, 2014. 341 с.

Большинство подземных горных выработок не может быть застраховано от разрушения внешними силами, поэтому для их поддержания в стабильном состоянии требуется возведение сначала временной, а затем постоянной крепи. В современной практике горные выработки часто проходятся в сложных горно-геологических условиях. Неустойчивость контуров таких горных выработок неизбежно наступает сразу после того, как разрушается породный массив. Проходка горных выработок в слабых породах представляет собой особую проблему для горного инженера, поскольку неверный выбор конструкций их крепей приводит к дорогостоящим убыткам. Чтобы решить проблему выбора конструкции крепи, необходимо учесть концепцию разрушения породного массива вокруг контура подземной горной выработки. При этом за счёт манипулирования параметрами выбранной конструкции крепи можно обеспечить управление процессом такого разрушения.

Таблица 1

Классификационные системы породных массивов

п/п

Название

Авторы, годы

Страна происхождения

1

Rock Load System

Terzaghi, 1946

Соединённые Штаты Америки

2

Stand-up Time System

Lauffer, 1958

Австралийский союз

3

Rock Quality Designation (RQD)

Deer, 1967

Соединённые Штаты Америки

4

Rock Structure Rating

Wikham, 1972

Соединённые Штаты Америки

5

Rock Mass Rating (RMR)

Bieniawski, 1973 (1989)

Южноафриканская Республика

(Соединённые Штаты Америки)

6

Modified Rock Mass Rating

Unal, Ozkan, 1990

Турецкая Республика

7

Rock Mass Quality (Q)

Barton, 1974 (2002)

Королевство Норвегия

(Королевство Норвегия)

8

Rock Mass Number

Geol, 1995

Соединённые Штаты Америки

9

Rock Mass Index

Palmstrom, 1996

Королевство Швеция

10

Geological Strength Index

Hoek, Brown, 1997

Канада

 

Цель исследования: разработать новый эффективный способ выбора конструкции крепи горизонтальной и наклонной подземной горной выработки.

Материалы и методы исследования

В работе использовались материалы литературных источников и данные практики по проходке подземных горных выработок. Исследования проводились с использованием методов научного анализа, обобщения и систематизации полученных данных.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее известные в мире классификации породных массивов, рекомендованной областью применения которых является проходка подземных горных выработок, приведены в табл. 1 [1].

В настоящее время наиболее часто используются системы RMR и Q [2]. Они основаны на количественной оценке качества породного массива, основанной на эмпирических способах определения его устойчивости. Смысл системы RMR заключается в рейтинговой оценке качества породного массива по совокупности шести показателей:

RMR = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + В,

где A1 – рейтинг прочности горной породы при одноосном сжатии, A2 – рейтинг RQD, A3 – рейтинг расстояния между поверхностями разрушения, A4 – рейтинг состояния поверхностей разрушения, A5 – рейтинг воздействия подземных вод, B – рейтинг пространственной ориентации поверхностей разрушения относительно проектируемой горной выработки.

Для количественной оценки качества породного массива по извлекаемым из него кернам была разработана система RQD, вошедшая в RMR в качестве одного из расчётных параметров. Её смысл выражается формулой [2]:

cigan01.wmf

где K10 – суммарная длина ненарушенных кернов, размер каждого из которых превышает 10 см, K – общая длина кернов, см.

Рейтинги качества породных массивов с разделением их на классы по системе RMR представлены в табл. 2 [2].

Таблица 2

Рейтинги качества породных массивов по системе RMR

№ п/п

RMR

Класс

1

100-81

Очень хороший

2

80-61

Хороший

3

60-41

Достаточный

4

40-21

Плохой

5

20-0

Очень плохой

 

Система RMR может быть использована для оценки качества породного массива и выбора конструкций крепей горизонтальных, наклонных горных выработок, а также находящихся в них камер.

В результате проделанной работы были выявлены возможные схемы разрушения горных пород и определены производимые ими эффекты в сравнении между собой (рис. 1).

Согласно сложившимся представлениям минимальный эффект воздействия на кровлю подземной горной выработки возникает в случае образования вывала пирамидальной формы (рис. 1, A), являющегося результатом нарушения внутренних связей внутри горной породы. В данном случае обрушение кровли горной выработки происходит под действием силы тяжести горных пород, нарушенных естественным образом. Эффект средней степени происходит в случае образования прямого сводчатого вывала, являющегося следствием выдавливания горных пород в направлении снизу вверх (рис. 1, Б). Наибольший эффект разрушения кровли подземной горной выработки образуется в результате формирования обратного сводчатого вывала, причиной которого является выдавливание горной породы в направлении сверху вниз в дополнение к действию её собственного веса (рис. 1, В).

Механизм крепления подземных горных выработок изучается очень давно, но он не был полностью понят до настоящего времени только потому, что существует очень много свойств горных пород, которые при этом необходимо чётко себе представлять. Чтобы объяснить возможности несущих способностей крепей были определены три возможных случая (рис. 1, A–В). Крепи предназначены для удовлетворения определённых требований на основе по крайней мере одного из трёх указанных эффектов. Иногда крепи применяются в условиях, в которых присутствует более одного эффекта одновременно. Крепь, выбранная на эффекте пирамидального вывала (рис. 1, A), учитывает простейшие условия обрушения горных пород. Работа крепи заключается в поддержке «мёртвого веса» нестабильной породы. В прямых арочных слоях (рис. 1, Б) создание прямой арки является результатом применения сжатия для улучшения сопротивления сдвигу в зоне выше горной выработки. В обратных арочных слоях (рис. 1, В) создание обратной арки является результатом применения растяжения для улучшения сопротивления сдвигу в зоне выше горной выработки.

Когда слои кровли имеют сильные трещины, а в непосредственной близости есть один или несколько комплексов соединений с различной ориентацией, анкерное крепление кровли может значительно увеличить силы трения вдоль трещин и слабых плоскостей. Скольжение или разделение вдоль несплошностей, таким образом, предотвращается или уменьшается. Этот «ключевой эффект» в основном зависит от активного натяжения анкера или при определённых обстоятельствах пассивного натяжения из-за движения горной массы. Натяжение анкера создаёт напряжение в многослойной кровле, которая сжимается как в направлении анкера, так и ортогонально анкеру. Наложение области сжатия вокруг каждого анкера образует непрерывную зону сжатия, в которой растягивающие напряжения уменьшаются, а прочность разрывов на разрыв улучшается, как показано на рис. 1 пунктирными линиями [3–5].

cigan1.tif

А) Б) В)

Рис. 1. Эффекты разрушения породного массива в приконтурной зоне подземной горной выработки: A – min, эффект пирамидального вывала; Б – mid, эффект прямого сводчатого вывала; В – max, эффект обратного сводчатого вывала; F – сила, действующая со стороны горной породы на крепь горной выработки; W – вес горной породы в вывале; γ – угол отклонения вывала от вертикального направления; 1…5 – блоки и очерёдность их попадания в горную выработку

«Теория приоритетного вывала» основана на концепции каменных блоков и является продолжением исследований [6]. Цель её применения достигается объединением основных понятий геологии, векторной геометрии и механики горных пород. В соответствии с теорией сдвижения горной массы, вызываемого множеством блоков, всегда возникает блок, который начинает сдвигаться первым и приводит к сдвижению оставшихся блоков. В данном случае блок 1 будет сдвигаться первым, что приведёт к сдвижению блока 2 и т.д. Поэтому блок 1 можно отнести к «ключевому вывалу». Очевидно, что блок 1 важен для оценки устойчивости горной выработки. Его размеры всегда конечны, он подвижен и потенциально нестабилен (рис. 1). При этом

W = g•m, H,

где W – вес горной породы в вывале, Н, g – коэффициент свободного падения, 9,83 Н/кг, m – масса вывала, кг.

Из рис. 1 следует

cigan02.wmf

Результаты вычисления объёма образующегося вывала представлены на рис. 2.

cigan2.tif

Рис. 2. Форма и размеры породного вывала, падающего на контур подземной горной выработки: h – высота вывала, м; r – радиус основания параболоида вращения, равный половине ширины сечения горной выработки вчерне, м

Из рис. 2 следует

cigan03.wmf м,

где V – объём вывала, м3. Для практических расчётов величина r принимается равной половине ширины горной выработки вчерне.

Согласно опыту рассматриваемые горные выработки ограничиваются следующими горно-геологическими и горнотехническими условиями: глубина заложения – от 100 до 1500 м; коэффициент крепости горных пород – от 3 до 10 по шкале профессора Протодьяконова; углы залегания горных пород – от 0 до 75°; площади поперечных сечений горных выработок – от 5 до 30 м2. По результатам экспериментальных исследований высота вывалов горных пород h, м, сильно зависит от конкретных условий [7, 8]:

1. Горизонтальные и наклонные горные выработки при пологом (α от 0° до 18°) и наклонном (α от 19° до 35°) залегании горных пород:

cigan04.wmf.

2. Горизонтальные и наклонные горные выработки при крутонаклонном (α от 36° до 55°) и крутом (α от 56° до 90°) залегании горных пород:

cigan05.wmf.

3. Сопряжения горных выработок при пологом (α от 0°до 18°), наклонном (α от 19° до 35°), крутонаклонном (α от 36° до 55°) и крутом (α от 56° до 90°) залегании горных пород:

cigan06.wmf

где α – угол падения горных пород, °, H – глубина заложения горной выработки, м, hпр – высота горной выработки вчерне, м, bпр – ширина горной выработки вчерне, м.

Все горизонтальные и наклонные подземные горные выработки, в зависимости от высоты образующихся в них вывалов, необходимо подразделить на категории. 1 категория – h до 0,5 м, 2 категория – h от 0,5 до 1 м, 3 категория – h от 1 до 2 м, 4 категория – h от 2 до 3 м, 5 категория – h свыше 3 м.

Рекомендуемые конструкции крепей сведены в табл. 3.

Таблица 3

Рекомендуемые конструкции крепей горизонтальных и наклонных горных выработок в зависимости от категории горной выработки

Категория

F, кН

Анкеры и металлическая сетка

Набрызг-бетон

Металлические рамы

1

До 50

Отсутствие крепи или локальные анкеры без металлической сетки

2

От 51 до 100

Локальные анкеры в кровле с локальной металлической сеткой

Набрызг-бетон в кровле, локальный

3

От 101 до 200

Сплошные анкеры в кровле и боках со сплошной металлической сеткой в кровле

Набрызг-бетон в кровле и боках, сплошной

4

От 201 до 300

Сплошные анкеры в кровле и боках со сплошной металлической сеткой

Набрызг-бетон в кровле и боках, сплошной

Металлические рамы с межрамными стяжками

5

Свыше 300

Сплошные анкеры в кровле и боках со сплошной металлической сеткой

Набрызг-бетон в кровле, в боках и около забоя, сплошной

Металлические рамы с межрамными стяжками и затяжкой

 

Выводы

1. Механизм разрушения горных пород вокруг контуров сечений горизонтальных и наклонных подземных горных выработок является не до конца изученным, что создаёт трудности при выборе конструкций их крепей и требует проведения дальнейших исследований в этой области.

2. Одним из способов объяснения явлений, происходящих при разрушении горных пород вокруг контуров сечений подземных горных выработок, является предлагаемая «теория приоритетного вывала».

3. Сущностью предлагаемого подхода по выбору конструкции крепи является определение силы, действующей со стороны вывала горной породы в кровле на крепь горной выработки.

4. В зависимости от величины этой силы и связанной с ней категорией горной выработки производится выбор конструкции её крепи.


Библиографическая ссылка

Цыганков Д.А. СПОСОБ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ КРЕПИ ПОДЗЕМНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 10-1. – С. 184-188;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12890 (дата обращения: 21.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074