Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок

Подождите немного. Документ загружается.

151

для труб из прорезиненной ткани K = 0,003…0,0004); L – длина трубо-

провода, м; т – длина отдельной трубы, м.

По полученным величинам Q

и h подбирают вентиляторы.

Расстояние от забоя до первого вентилятора (каскада вентиляторов)

и между последующими вентиляторами определяется совместным ре-

шением двух уравнений методом приближений (селекции):

взаб

100(lg lg )

−

= ;

взаб

100H

RQ Q

где Q

заб

– расход воздуха, необходимый для проветривания призабойно-

го пространства или подача предыдущего вентилятора, м/с; Н – напор

вентилятора, 10

–4

м; K – коэффициент воздухопроницаемости трубопро-

вода из табл. 20.

Таблица 20

Протяженность

трубопровода,

Коэффициент

воздухопроницаемости

100-метрового

трубопровода при его

диаметре 0,4…0,8 м

Протяженность

трубопровода,

Коэффициент

воздухопроницаемости

100-метрового

трубопровода при его

диаметре 0,4…0,8 м

300

500

800

1000

1400

1700

2000

1,212

1,122

1,075

1,059

1,035

1,042

1,029

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

1,025

1,019

1,017

1,025

1,022

1,020

1,018

При проветривании через скважины подача вентилятора (каскада

вентиляторов), устанавливаемого на скважине, определяется по формуле

10,01 10,01

VSK

−−

где Р – утечка воздуха через неплотности в устье скважины, %; V – скорость

воздушного потока в проветриваемой выработке, м/с, по рекомендациям

ЦНИГРИ V ≥ 0,35 м/с; K

– коэффициент воздухопроницаемости трубопро-

вода, проложенного по выработке от скважины до проветриваемого забоя.

Расстояние от устья одиночной выработки, например штольни или

протяженного штрека, до места заложения вентиляционной скважины

определяется по формуле

выр

= (0,5…0,8)L

пр

где L

пр

– проектная протяженность штольни (штреки), м.

152

Вентиляционные восстающие в основном применяются для отвода

исходящей струи из подземных горизонтальных выработок.

Протяженность выработки, которую экономически целесообразно

проветривать с использованием восстающего, определяется по формуле

выр выр

(1,9...2,7)LlV

где l – высота восстающего, м; φ – средняя стоимость проходки 1 м вос-

стающего, руб/м; V

выр

– средняя скорость проведения горизонтальных

выработок, м/мес; 1,9 и 2,7 – коэффициенты, учитывающие стоимость и

объемы проходческих работ при четырехсменном и двухсменном ре-

жиме работы.

В случае, если произведение lφ – стоимость проведения горизон-

тальной (наклонной) вентиляционной выработки, выходящей на земную

поверхность или на проветриваемую выработку, то L

выр

– протяжен-

ность выработки, которую целесообразно проветривать через второй

выход.

Вентиляционные восстающие следует проходить примерно в сере-

дине проектной длины протяженной выработки.

Контрольные вопросы

1. Способы проветривания тупиковых горно-разведочных выработок.

2. Вентиляторы, вентиляционные трубы.

3. Принцип расчета параметров проветривания.

153

РАЗДЕЛ IV

ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И КРЕПЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

ГЛАВА 14. ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Напряжения, возникающие в массиве горных пород, окружающих

выработку, под действием силы собственного веса породы, тектониче-

ских сил и разности температур, называют горным давлением, а различ-

ные механические явления, происходящие в результате воздействия на

горные породы этих напряжений, – проявлениями горного давления, ко-

торые могут быть в виде:

упругого или упруговязкого смещения пород без их разрушения;

вывалообразования (местного или регулярного) в cлабых, трещино-

ватых и мелкослоистых породах;

разрушения и смещения пород (в частности, вывалообразования)

под влиянием предельных напряжений в массиве по всему пери-

метру сечения выработки или на отдельных его участках;

выдавливания пород в выработку вследствие пластического тече-

ния, в частности, со стороны почвы (пучение пород).

Напряженное состояние нетронутого массива, созданное гравита-

ционными силами, является исходным силовым полем, в значительной

степени предопределяющим поведение боковых пород в обнажениях

при проведении подземных горных выработок.

§ 2. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

В нетронутом массиве горных пород (до проведения выработок) име-

ет место равновесное объемное напряженное состояние. Обычно делается

допущение, что напряжения обусловлены только плотностью толщи по-

род, а массив условно принимается как однородный и изотропный.

Рассмотрим напряженное состояние кубика со стороной, равной

единице измерения (рис. 46), на глубине H(z) от поверхности.

Он нахо-

дится в условиях всестороннего сжатия, характеризующегося напряже-

ниями σ

, σ

. Поскольку среда принимается однородной, а оси коорди-

нат произвольны, напряжения σ

и σ

равны. Вертикальная составляющая

определяется массой столба породы единичной площади высотой Н:

= ρН,

где ρ – плотность породы, т/м

154

Рис. 46. Схема напряжений в элементе нетронутого массива

твердой горной породы

Величину возможной деформации ξ в направлении осей можно оп-

ределить по закону Гука, из которого абсолютное удлинение стержня

Δ=

где ∆l – абсолютное удлинение стержня от действия силы Р, м; l – длина

стержня до воздействия силы Р, м; Е – модуль Юнга; F – площадь попе-

речного сечения стержня, м

Отношение ∆l / l = ξ

называется относительным продольным, a

∆b/b = ξ' – относительным поперечным удлинением стержня. Отноше-

ние Р/F = σ, откуда ξ

= σ/Е, где σ – нормальное напряжение, Н/м

. От

действия сил происходят продольная и поперечная деформации кубика.

Суммарная деформация по осям х и z равна произведению

σσ

′

= ,

по осям х и у, соответственно,

(здесь μ = ξ'

/ ξ

– коэффициент Пу-

ассона).

155

По оси х произойдет только продольная деформация сжатия – σ

/Е.

Полная относительная деформация по оси х

/Е – μσ

/Е = 0,

откуда при σ

= σ

получим уравнение напряжения в нетронутом массиве:

−

Отношение μ /(1

– μ) = λ называется коэффициентом бокового рас-

пора (обычно меньше 1).

§ 3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ

ВЫРАБОТОК

Проведение горной выработки вносит изменение в напряженное

состояние массива. Это объясняется тем, что столб породы над выра-

боткой лишается непосредственной опоры, вес этого столба передается

на смежные части массива. Вокруг выработки концентрируются сжи-

мающие (в стенках) и растягивающие (в почве и кровле) напряжения

(рис. 47).

При λ < 1 в ее стенках на

контуре сжимающие вертикальные на-

пряжения составляют k

ρН (k

≈ 3…5 – коэффициент концентрации

сжимающих напряжений – отношение напряжений в данной точке по-

сле проведения выработки к напряжению, существующему в нетрону-

том массиве). В кровле и почве выработки возникают растягивающие

напряжения k

ρН (k

– коэффициент концентрации растягивающих на-

пряжений), которые по мере удаления от контура уменьшаются до нуля,

а затем переходят в сжимающие и постепенно достигают величины, со-

ответствующей напряжению в нетронутом массиве. В углах выработок

и вершинах впадин возникает наибольшая концентрация напряжений.

Закругления углов резко снижают напряжение.

Вокруг выработок круглого сечения при гидростатическом

распреде-

лении напряжений в нетронутом массиве имеют место только сжимающие

напряжения одинаковой величины по всему периметру контура сечения.

Устойчивостью обнажений считается такое состояние обнаженно-

го незакрепленного участка массива пород, при котором в течение не-

обходимого по условиям производства периода времени не происходит

обрушение или сползание пород, а смещение поверхности обнажений

или ее части не выходит за допустимые пределы. При отсутствии крепи

предопределяется соотношением прочностных показателей породы и

величины напряжений в зоне аномалий.

156

Рис. 47. Изолинии главных нормальных (а) и максимальных (б) напряжений

вокруг прямоугольной выработки (на изолиниях даны значения коэффициента K)

В горизонтальных и наклонных выработках такими обнажениями

являются кровля, почва и стенки выработки, в вертикальных – стенки.

Вблизи контура обнажений напряжения (σ), вследствие их концентра-

ции, могут превзойти предел прочности пород и произойдет их разру-

шение или пластическое течение. Часть массива горных пород, в преде-

лах которого под влиянием проведения горной выработки

происходят

сдвижения, деформации и разрушение пород, вызванные перераспреде-

лением напряжений, называется областью влияния горной выработки.

Для выработки прямоугольной формы она не превышает (3…5)l, свод-

чатой – (2,5…3) l, круглой и эллиптической – (1,5…2,5)l (l – наиболь-

ший линейный размер сечения выработки). Часть этой области, где на-

пряжение в зоне σ

зоны

меньше напряжения в массиве σ

мас

, т. е. σ

зоны

< σ

мас

будет зоной пониженных напряжений, а при σ

зоны

> σ

мас

– повышенных

напряжений. Зона повышенных напряжений постепенно переходит в

область напряжений, существующих в нетронутом массиве, иногда на-

зываемую зоной опорного давления.

Характер формирования области влияния горной выработки зави-

сит от формы, размеров сечения выработки, физико-механических

свойств горных пород и др.

По степени устойчивости обнажений выделяют следующие группы

выработок: весьма

устойчивые; устойчивые; средней устойчивости; не-

устойчивые; весьма неустойчивые.

Степень устойчивости обнажений элементов выработки оценивает-

ся отношением

kρН

Q σk

ξ.

157

Можно рассмотреть следующие случаи устойчивости обнажений:

1. Кровля, стенки (бока) устойчивы:

1cp

kHk

−

;

2cсж

kHk

2. Кровля неустойчива, стенки и почва устойчивы:

1cp

kHk

−

;

2cсж

kHk

3. Кровля и стенки неустойчивы:

1cp

kHk

−

;

2cсж

kHk

где ξ = 0,7…0,9 – коэффициент длительной прочности, который зависит

от пористости и влажности пород; k

– коэффициент структурного ос-

лабления.

Коэффициент структурного ослабления характеризуется отноше-

нием прочности пород в массиве к прочности пород в «куске».

Прочность пород в «куске» – это дополнительное понятие, которое

вводится для характеристики массива. Прочность пород в массиве

меньше, чем в «куске», вследствие влияния поверхностей ослабления:

слоистости, трещиноватости и пр.

Ниже

даны ориентировочные значения k

Породы

Слаботрещи-

новатые

Среднетрещи-

новатые

Сильнотрещи-

новатые

Весьма тре-

щиноватые

Коэффициент

структурного

ослабления

пород

0,8–1 0,5–0,8 0,3–0,5 0,1–0,3

Устойчивость обнажений при отсутствии крепи определяется фор-

мой, размерами выработки (L

пр

) и глубиной ее заложения.

В качестве устойчивости обнажений принимаются соотношения

2а ≤ L

. В свою очередь,

пр тр

(1, 2...1, 4) /

Lkkkm

, где k

– коэф-

фициент, характеризующий мощность слоя непосредственной кровли т

(при m ≤ 0,02 k

= 1) k

– коэффициент, учитывающий нагрузку Р непо-

средственной кровли (при Р = 0 k

= 1); k

тр

– коэффициент, учитываю-

щий трещиноватость кровли (при наличии параллельных трещин

тр

= 0,2…0,8; при расположении трещин перпендикулярно к оси выра-

ботки k

тр

= 0,8…0,9; при наличии двух систем трещин k

тр

= 0,2…0,8).

158

Устойчивость пород в обнажениях определяется прочностью, пол-

зучестью, строением, нарушенностью массива, обводненностью пород и

пролетом выработки.

Существует несколько классификаций горных пород по устойчивости.

Теоретическая оценка напряженного состояния вокруг вертикаль-

ной выработки дана проф. С.Г. Лехницким. Им решена задача о распре-

делении напряжений вокруг круглого отверстия в упругой невесомой

пластинке

при нагружении ее равномерной нагрузкой (рис. 48):

Рис. 48. Схема напряжений вокруг ствола круглого сечения

Главные напряжения определяются по формулам

(1 / )

σρα

=−

−

(1 / )

σρα

=−

−

где α – радиус ствола (вчерне); r – расстояние рассматриваемой точки от

центра ствола.

На контуре ствола при

,0, 2

σσ ρσ

=== =

−

По мере удаления от контура ствола

→

−

, а

от

ρρ

μμ

→

−−

Потеря устойчивости обнажений произойдет, если σ

≥ R

сж

, где R

сж

–

предел прочности пород на сжатие.

−

159

§ 4. РАСЧЕТ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ

ВЫРАБОТКАХ

Массив горных пород – это область в верхней части земной коры, в

которой осуществляется строительство подземного сооружения или

системы горных выработок.

Усложнение условий, в которых осуществляется подземное строи-

тельство (многолетняя мерзлота, высокая сейсмичность, большие глу-

бины и т. п.), оставляет все меньше возможностей для проектирования

по аналогии.

В настоящее время

получило развитие научное направление – ме-

ханика подземных сооружений.

Механика подземных сооружений включает в себя раздел механики

горных пород, целью которого является изучение свойств и закономер-

ностей изменения напряженно-деформируемого состояния пород в ок-

рестности выработки, а также закономерностей взаимодействия пород с

крепью горных выработок для создания целесообразных методов

управления горным

давлением; механика подземных сооружений раз-

рабатывает методы расчета самих конструкций крепи. Она оперирует

механическими моделями взаимодействия крепи с массивом пород.

В зависимости от механических свойств массива пород и характера

протекающих в нем процессов используются различные модели, кото-

рые в совокупности охватывают многообразие массива пород и иссле-

дуемых явлений. Наиболее широко

применяются следующие модели

массива пород: упругая, вязкоупругая, упруго- и жесткопластическая (в

том числе неоднородная), вязкоупругопластическая, текучая (вязкая),

раздельноблочная (зернистая) и др.

Для условий проведения подземных горно-разведочных выработок

наиболее приемлема жесткопластическая модель. Эта модель рассмат-

ривает массив пород, способный к пластическим (необратимым) де-

формациям, величина которых существенно превышает упругие дефор-

мации, поэтому последние во внимание не принимаются.

Для жесткопластической среды выделяются следующие основные

гипотезы горного давления – гипотезы сил и гипотезы деформаций.

К гипотезам сил относятся:

1) гипотеза учета полной массы столба породы:

= ρН;

2) гипотеза учета неполной массы столба породы (опускающийся

столб породы):

= ФρН;

160

3) гипотеза балок (плит):

= 0 при L

ycт

≥ 2а, Р

= ρb

при L

ycт

< 2а;

4) гипотеза свода обрушения:

= Ф ρа,

где Р

– интенсивность вертикальной нагрузки на крепь, Н/м

; ρ – плот-

ность породы, Н/м

; Н – глубина заложения выработки, м; а – полупро-

лет или радиус выработки, м; b

– высота зоны обрушения слоев пород

до устойчивого слоя, м; Ф – члены формул, характеризующие долю на-

грузки от максимальной.

Первую гипотезу (рис. 49, а) применяют при неустойчивых породах

и небольшой глубине заложения выработки (Н ≤ 2а), когда над ней не

формируются устойчивая плита или свод естественного равновесия.

Вторую гипотезу

(рис. 49, б) применяют в тех же случаях, что и

первую, но при глубине Н ≥ (1…2)2а.

Рис. 49. Схемы к расчету горного давления по гипотезам сил

Третья гипотеза предназначена для слоистого массива пород и по-

строена на отыскании предельного пролета L

уст

(рис. 49, в, г), при кото-

ром слой породы (балка или плита) мощностью т способен сохранять

устойчивость. Если L

ycт

< 2а, то над выработкой может образоваться

вывал высотой b, масса которого и определяет вертикальную нагрузку

на крепь. Если L

пр

≥ 2а, то кровля выработки устойчива и регулярного

давления на крепь выработки не должно возникать.