Горная крепь - искусственное сооружение, которое возводится в выработках для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых площадей сечений выработок в нормальном состоянии на протяжении всего срока эксплуатации.
В общем комплексе работ, связанных с добычей полезных ископаемых, важное место занимает крепление и поддержание капитальных выработок. Для дальнейшего совершенствования горно-подготовительных работ в выработках особую роль занимает проблема развития методов прогнозирования проявлений горного давления и расчета крепей. С применением численных методов и ПЭВМ методы выбора способов охраны выработок и проектирования крепей получили достаточно достоверную научную основу, что приводит к улучшению состояния выработок и способствует повышению технико-экономических показателей подземной разработки.
Цель данного курсового проектирования – приобретение навыков проектирования крепи горных выработок с использованием современных ПЭВМ.
Исходными данными для проектирования являются горно-геологические и горнотехнические условии проведения выработок в реальных условиях со следующими характеристиками:
Сечение выработки Sсв - 12,8м2
Высота выработки-3400 мм
Ширина выработки - 5300 мм
Глубина залегания - 950м
Прочность пород, МПа/мощность, м: 1 аргиллиты - 32/2,0;
алевролиты - 45/2,8; песчаники-58/6,9; уголь - 18/2,6.
Обводненность: небольшая
Расстояние от почвы пласта – 4/0
Угол падения пород - 9 градусов.
Направление проходки – под углом
Срок службы - 4 года, одиночная
Тип выработки - вскрывающая
Условия проходки - БВР
Расчет внутренних усилий в крепи производится по программе, разработанной авторами под руководством проф. Колоколова С.Б.
Курсовой проект состоит из двух частей: расчета металлической арочной податливой крепи и расчета монолитной бетонной крепи.
По заданному сечению выработки определяются основные геометрические размеры выработки (высота, ширина, радиус). Данные по геометрическим размерам крепи приведены в справочной литературе (справочник по креплению). Данные в задании приведены для сечения выработки в свету, а для расчетов необходимо использование геометрических размеров для сечения выработки в проходке. Для этого размеры по ширине выработки должны быть увеличены на 0,4 м, а по высоте на 0,3 м.
Нпр=h+300мм (1.1) Нпр=3400+300=3700мм
Впр=b+400мм. (1.2)
Впр=5300+400=5700мм
Расчетная глубина Нр размещения подземной горной выработки определяется по формуле:
Нр=Н*k, м (1.3)
где Н –проектная глубина заложения выработки, м; k - коэффициент учитывающий отличие действующего напряженного состояния массива от собственного веса толщи пород до поверхности. Принимается в зонах тектонических нарушений равным 1.5. и равным 1.0 во всех остальных случаях.
Нр=900*1=900м
Расчетное сопротивление пород сжатию Rc определяется по формуле:
Rc=R*kc*kH2O, Мпа
R - среднее значение сопротивления пород в образце на одноосное сжатие, МПа;
kc - коэффициент учитывающий дополнительную нарушенность массива пород.
kH2O - коэффициент обводненности
Rcаргил=1*32*0,75 = 24 МПа
Rcалевр=1*45*0,8 = 36 МПа
Rcпесч=1*58*0,9 = 52 МПа
Rcуголь=1*18*1 = 18 МПа
В случае обводненности проектируемой выработки снижение прочности пород за счет воздействия влаги учитывают путем уменьшения прочности песчаников до 20%, алевролитов до 40% и аргиллитов до 50%.
Для оценки ранее выполненной проектной документации и при использовании имеющихся нормативных документов допускается определять сопротивление пород сжатию в образце R по коэффициенту крепости пород f в соответствии со шкалой М.М. Протодьяконова.
R=10*f (1.5)
где f - коэффициент крепости пород, принимаемый по шкале М.М. Протодьяконова.
Расчетное сопротивление пород сжатию Rc по контуру поперечного сечения выработки должно определяться с учетом всех пересекаемых выработкой слоев (пластов) мощностью более 0,1 м, залегающих на расстояниях от контура сечения выработки: в кровле 1,5 B, в почве и боках выработки - 1B, где B - ширина выработки (см. рис.1). При наличии п слоев, залегающих по контуру поперечного сечения выработки, с изменчивостью Rc в пределах 30% принимается для всей выработки усредненное значение расчетного сопротивления пород сжатию, определяемое по формуле:
Rcy=(m1R1+m2R2…+mnR) /(m1+m2+…mn)
где R - расчетное сопротивление пород сжатию, МПа;
n - число породных слоев;
m - мощность i-го слоя.
Rкровля=
МПаRпочва=
МПаRбок=
МПаОпределение требуемых характеристик крепи
По методике ВНИМИ, для прогноза устойчивости горизонтальных выработок угольных шахт в качестве критерия устойчивости принимается величина ожидаемых смещений на контуре сечения незакрепленной выработки за весь срок ее службы, определяемых по формуле:
u=КaКqКSКвКtUт, мм
где, uт - смещения (типовые), определяемые по графикам (рис.1.2);
Рисунок 1.2. - Графики для определения типовых смещений пород.
Uт кр=280; Uт бок=1050; Uт поч=500
Кq - коэффициент, учитывающий направление смещений пород и принимающий значение 1 при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении). При определении боковых смещений пород (в горизонтальном направлении) Кq принимается по табл.1.1.
Таблица 1.1
Направлениепроходкивыработки | Коэффициенты Кa и Кq в зависимости от угла падения пород a, град | |||||||||
до 20 | 21-30 | 31 - 40 | 41-50 | более 50 | ||||||
Кa | Кq | Кa | Кq | Кa | Кq | Кa | Кq | Кa | Кq | |
По простиранию | 1 | 0,35 | 0,95 | 0,55 | 0,8 | 0,8 | 0,65 | 1,2 | 0,6 | 1,5 |
Вкрест простирания | 0,7 | 0,55 | 0,6 | 0,8 | 0,45 | 0,95 | 0,25 | 0,95 | 0,2 | 0,8 |
Под углом к простиранию | 0,85 | 0,45 | 0,8 | 0,65 | 0,65 | 0,9 | 0,45 | 1,05 | 0,35 | 1,1 |
Кαкр= 0,85; Кαбок= 0,85; Кαпоч= 0,85
Кq - коэффициент, учитывающий направление смещений пород и принимающий значение 1 при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении). При определении боковых смещений пород (в горизонтальном направлении) Кq принимается по табл.1.1.
Кθкр = 0,45; Кθпоч = 0,45; Кθбок = 0,45
КS - коэффициент влияния пролета выработки для кровли и почвы принимается равным КS = 0,2 (b-1), для боков выработки КS = 0,2 (h-1) (b - пролет выработки, h - высота выработки);
Кsкр. пч. =0,2(5,7-1) =0,94 (1.8)
Кs бок=0,2(3,7-1) =0,54
КВ - коэффициент влияния других выработок, равный для одиночных выработок 1;
Кt - коэффициент влияния времени, принимаемый равным 1 для выработок, срок службы которых более 15 лет.д.ля выработок срок службы которых более года Кt определяется по рис.1.3. Смещения определяются отдельно для кровли, почвы и боков выработки.
Рисунок 1.3. - Графики для определения коэффициента Кt при сроке службы выработки более года.
Uкр=0,85*0,45*0,94*1*1*280=101 мм.
Uпоч=0,85*0,45*0,94*1*1*500=180 мм.
Uбок=0,85*0,45*0,54*1*0,5*1050=108 мм.
1.3. Определение расчетных нагрузок на крепь
Нормативные нагрузки на незамкнутую крепь определяют по графикам рис в зависимости от смещений пород U и ширины выработки в проходке. Если свойства пород в боках выработки различны, то ожидаемые смещения U и определяемые по смещениям нормативные нагрузки боковые нагрузки также будут отличаться друг от друга. В этом случае для дальнейших расчетов принимают усредненное значение нормативной нагрузки со стороны боков и нормативную нагрузку со стороны почвы.
Нормативные нагрузки на замкнутую крепь также определяются по графикам рис.1.4. отдельно для кровли, почвы и боков. Усредненная вертикальная нагрузка определяется по значениям нормативных нагрузок со стороны кровли и почвы, усредненная горизонтальная нагрузка - по значениям нормативных нагрузок со стороны боков.
Рисунок 1.4. - Графики определения нормативной нагрузки на крепь
Расчетная вертикальная нагрузка на 1 м длины выработки определяется по формуле:
Рв=kп*kн*kпр*Рнв, кПа, (1.9)
где kп - коэффициент перегрузки, учитывающий изменчивость нагрузки (табл.1.2);
kн - коэффициент, принимаемый для главных вскрывающих выработок равным 1,1; для остальных-1;
kпр - коэффициент условий проведения выработок, принимаемый равным 1 при проведении выработок буровзрывным способом.
Рнв - нормативная вертикальная нагрузка.
Таблица 1.2. - Значения коэффициента kп
U, мм | Значения kп для выработок | |
Вскрывающих | Подготавливающих | |
до 50 | 1,25 | 1,1 |
51-200 | 1,1 | 1,05 |
201-500 | 1,05 | 1 |
более 500 | 1 | 1 |
Рв=1,1*1*1*45=50 кПа
Расчетная нагрузка на 1 м выработки со стороны боков определяется по формуле:
Рб=kп*kн*kпр*Рнб, кПа, (1.9)
где Рнб - нормативная горизонтальная нагрузка, кПа.
Рб= 1,1*1*1*29=32 кПа
По полученным данным расчетных сопротивлений окружающих выработку пород, определение смещений контура выработки и определение расчетных нагрузок на крепь. Выбор данных параметров производится согласно разработанной методики ВНИМИ.