05.01.2021

Крепь, ослабленная отверстиями


Согласно существующей методике определения нагрузок на крепь вертикальных шахтных стволов и ее расчету на прочность требуется, начиная с глубины, примерно, 800—900 м, применение мощных железобетонных конструкций, возведение которых невозможно увязать со скоростной проходкой. Такая же крепь должна быть на участках сопряжения стволов с горизонтальными выработками.

Опыт крепления капитальных выработок глубоких шахт показал, что даже весьма мощными железобетонными жесткими крепями удержать смещения пород массива невозможно. В связи с этим в сложных геомеханических ситуациях применяют крепи, позволяющие породному массиву сместиться на определенную величину внутрь выработки. Такая конструкция применялась, например, при креплении стволов на шахтах «Спика» и «Поллукс» (ФРГ), расположенных в районе нескольких сбросов, и показала высокую работоспособность в условиях большого давления. Роль податливой забутовки там выполняли пустотелые бетонные блоки, имевшие прочность вдвое меньшую, чем несущий жесткий бетонный цилиндр крепи, сложенный более прочными монолитными блоками. Пустотелые блоки, разрушаясь, давали возможность породному контуру ствола сместиться на величину до 5 см. Такая конструкция крепи успешно выдержала испытания в тяжелой геомеханической обстановке. Это дает основание рекомендовать применять в сложных условиях для крепления стволов и других выработок новую конструкцию крепи из монолитного бетона, принцип работы которой аналогичен приведенному примеру. Такая крепь, работающая в податливом режиме, возводится непосредственно в забое, обеспечивает податливость без введения в нее дополнительных элементов и не изменяет внутреннего сечения выработки.

Вариант крепи для выработки круглой формы показан на рис. 3.5 Конструкция представляет собой бетонную оболочку, в которой у внешнего контура по периметру в процессе возведения выполняются полости. Полости образуются путем установки в опалубке специальных закладных деталей по числу и размерам пустот. Закладные детали могут быть постоянными элементами опалубки или представлять собой легкоплавкие стержни (например, из парафина), удаляемые из бетона термовоздействием.

Работает конструкция следующим образом. Под воздействием смещающихся пород внешний, ослабленный пустотами слой крепи разрушается, а затем уплотняется, при этом внутренняя часть конструкции остается без изменения. Податливый режим работы конструкции и требуемая величина податливости обеспечиваются определенным соотношением размеров оболочки и пустот.

Разработанная методика расчета позволяет определять параметры кольцевой обделки для случая ее осесимметричного загружения.

Геометрические параметры пустотного слоя характеризуются коэффициентом ослабления К, представляющим собой отношение суммарной длины полостей в сечении крепи к ее периметру:

Минимальный коэффициент ослабления получен из условия, что в момент разрушения целиков между полостями-пустотами нагрузка, передаваемая на неослабленную часть кольца, будет равна несущей способности последней.

Толщина ослабленной части кольцевой крепи b определяется необходимостью обеспечения требуемой податливости последней и за счет разрушения ослабленного слоя и последующего уплотнения материала в нем. В результате получено уравнение, связывающее основные геометрические параметры обделки в возможную для реализации податливость u:

где в — коэффициент, учитывающий разрыхление материала крепи при разрушении и последующее уплотнение его при давлениях, равных несущей способности крепи (коэффициент может быть определен экспериментально; ориентировочно в = 1,2-1,6).

Переходя к безразмерным величинам b'=b/R1 и u'=u/R1, а также считая, что технология обеспечивает толщину перемычки b1 близкой к нулю, уравнение (3.5) можно представить в более простом виде

Для проверки работоспособности предлагаемой конструкции обделки и методики расчета параметров пустотного слоя, проводилось моделирование на кольцевом горизонтальном стенде.

Модели обделок с ослабленным слоем изготавливались из песчано-цементного раствора и после набора прочности испытывались в режиме равномерного обжатия по периметру. Целью испытаний было проверить принципиальную возможность работы обделки в расчетном режиме, т. е. определить, при каком значении коэффициента ослабления К начнет разрушаться ослабленный слой без нарушения основной части конструкции.

Сопоставительные. результаты моделирования и теоретические расчеты показали, что при толщине несущего слоя 25 мм, внутреннем диаметре обделки 300 мм и внешнем — 380 мм для моделей № 1, № 2 и № 3 расчетный минимальный коэффициент ослабления составил 0,86, а фактический — соответственно 0,66; 0,85 и 0,90.

При испытаниях модель № 1 разрушилась целиком, что следует из теоретических расчетов, так как расчетный коэффициент ослабления был равен 0,86, а фактический — 0,66. В моделях № 2 и № 3. где фактический коэффициент ослабления был соответственно равен и больше, чем минимально необходимый по расчету, вначале наблюдалось разрушение и смятие ослабленного пустотами слоя, а затем наступало общее разрушение моделей.

Таким образом, испытания показали:

- работоспособность конструкции монолитной бетонной обделки с ослабленным полостями слоем;

- правомерность расчета коэффициента ослабления обделки по формуле (3.6).

Произвести достаточно точный экономический расчет, подтверждающий эффективность предлагаемой конструкции, без опыта внедрения не представляется возможным. Назовем только некоторые ее основные преимущества по сравнению с известными крепями, применяемыми при сооружении шахтных стволов:

- по сравнению с железобетонной крепью толщиной 500 мм, рекомендуемой для крепления глубоких стволов проектными институтами, предлагаемая конструкция имеет стоимость на 650 руб./м меньше (в стволе диаметром 6 м). При этом исходя из геомеханики процесса податливая крепь будет испытывать намного меньшую нагрузку, чем железобетонная жесткая;

- конструкция работает в податливом режиме и расширяет область применения монолитного бетона. При этом технология крепления практически не изменяется;

- конструкция проще и технологичнее известных податливых крепей.





Яндекс.Метрика