05.01.2021

Крепь "Монолит"


В капитальных выработках для обеспечения неизменности их размеров в свету необходимо возводить крепи, работающие в режиме заданных деформаций. Для сложных горно-геологических условий больших глубин разработки предложен активный способ управления напряженным состоянием и прочностью массива горных пород с целью создания мощной монолитной оболочки вокруг горной выработки.

Сущность предложения заключается в том, что вначале производится разгрузка горных пород от действующих напряжений. Для этого достаточно разгружаемую часть пород отделить от массива трещинами, например, взрывая под защитой крепи-опалубки камуфлетные заряды BB за пределами проектного контура выработки. Из образованной зоны разбитых трещинами пород напряжения перемещаются в глубь массива. Зона разгрузки представляет собой естественную строительную конструкцию типа каменной кладки. Размеры отдельных породных блоков, хорошо пригнанных друг к другу по криволинейным трещинам, колеблются в значительных пределах (0,1—2 м и более). В разгруженную часть массива горных пород с искусственно образованными трещинами инъектируют скрепляющий раствор. Следовательно, способ сводится к выполнению двух этапов: снижению напряженного состояния и последующему упрочнению разгруженных пород.

Последовательность технологических операций при возведении крепи из упрочненных пород сводится к следующему (рис. 3.73): выработку проводят комбайном или буровзрывным способом под защитой передвижной крепи-опалубки, в ней предусмотрены направляющие отверстия, через которые бурят в радиальном направлении шпуры длиной 2 м для размещения камуфлетных зарядов. Взрывание BB следует совмещать во времени со взрыванием шпуров в забое выработки, причем размеры поперечного сечения выработки вчерне делают на 0,05—0,1 м больше ее размеров в свету. Этот зазор между крепью-опалубкой и породным контуром заполняется разрыхленной после взрыва породой. Заряд BB выбирают таким образом, чтобы обеспечить образование трещин, отделяющих разгруженную зону от массива, не допуская выброса пород в выработку. Накопленный опыт ведения подобного рода взрывных работ позволяет выполнить эти требования без особых затруднений.

Для упрочнения зоны интенсивной трещиноватости через отверстия в крепи-опалубке устанавливают инъекторы в ранее оставшиеся или вновь пробуренные скважины и нагнетают по донной схеме зажимным или циркуляционным способом скрепляющий раствор, который, проникая в трещины, заполняет их, двигаясь из глубины массива к контуру выработки. Попадая между опалубкой и контуром, раствор после схватывания образует гладкую внутреннюю поверхность выработки. Использование различных добавок позволяет в широких пределах менять свойства скрепляющего раствора (прочность, сроки схватывания и твердения, подвижность и пр.). Расход раствора предопределяется объемом трещинной пустотности в разгруженной зоне. После начала схватывания раствора опалубку передвигают на новую заходку и цикл работ повторяется.

При изменении горно-геологических условий крепь из упрочненных пород допускает ряд модификаций, которые можно осуществлять без перестройки проходческого цикла. В устойчивых породах можно не производить разгрузки пород от напряжений и глубинного инъектирования пород, ограничившись заполнением раствором зазора между опалубкой и контуром. Если ожидается интенсивное проявление горного давления, следует увеличить зону разгрузки и глубину ее тампонирования, дополнительно применив армирование породной оболочки с помощью железобетонных анкеров. С этой целью используют освободившуюся тампонажную скважину и после изъятия из нее инъектора устанавливают анкеры из периодического профиля. Скважину замоноличивают скрепляющим раствором.

Параметры технологических процессов должны соответствовать требованиям к несущей способности, долговечности и надежности крепи из замоноличенных пород. Исходя из этого, рассмотрим расчетную схему взаимодействия крепи с массивом. После камуфлетного взрывания происходят упругая разгрузка пород в зоне интенсивной трещиноватости и дополнительные упругие смещения на внешней границе разгруженной зоны. Можно считать, что упрочнение пород производится вслед за их разгрузкой, а деформации ползучести незначительны. Нагрузка на крепь возникает при разрушении массива горных пород за пределами разгруженной зоны, что сопровождается образованием зоны неупругих деформаций и смещениями пород в сторону выработки. Следовательно, формирование нагрузки на крепь происходит во времени и зависит от кинематики разрушения и неупругого деформирования пород. Стабилизация-Процесса смещений произойдет при достижении зоной неупругих деформаций предельных размеров, когда возникает, соответствующий отпор со стороны крепи из упрочненных пород, условно названной «Монолит». Рассматривая осесимметричный случай (рис. 3.74) п принимая, что породы в пределах зоны неупругих деформаций находятся в запредельном состоянии на падающей ветви диаграммы загружения, причем крепь из замоноличенных пород упруго деформируется, находим ее параметры, считая, примерно, равными свойства крепи и массива.

Нагрузку на крепь из упрочненных пород со стороны массива и безразмерный радиус m зоны неупругих деформаций определяем из системы уравнений

p — давление вышележащей толщи пород, МПа; R00 — длительная прочность пород массива при одноосном сжатии (по данным натурных измерений Roo = (0,3-0,5)R. МПа; R — прочность пород при одноосном сжатии в образце, МПa; р — угол внутреннего трения пород; r0 — внутренний радиус крепи, м; m — отношение радиуса зоны неупругих деформаций L к радиусу внешнего контура крепи.

Требуемая толщина крепи находится из выражения

где Ry — прочность при одноосном сжатии упрочненных пород.

Толщину крепи «Монолит» можно принимать до 2 м и более.

Выбор Ry имеет важное значение, поэтому его следует рассмотреть подробнее. Начальная прочность пород при одноосном сжатии R после камуфлетного взрывания и проявления интенсивной трещиноватости снижается в несколько раз. Можно считать, что в "разгруженной от напряжений зоне прочность пород равна нулю, т. е. породы можно уподоблять сыпучей среде. На самом деле в зоне разгрузки возникает среда, по своим свойствам приближающаяся к каменной кладке без раствора, с точной подгонкой породных блоков по криволинейным трещинам. Прочность отдельных блоков этой кладки равна R.

После нагнетания скрепляющего раствора разгруженная зона приобретает монолитность. Предельным случаем следует считать полное восстановление начальной прочности пород. Отметим, что этот случай не является недостижимым, даже если прочность скрепляющего раствора значительно ниже прочности пород (аналогично случаю, когда прочность кирпича в кладке значительно превышает прочность раствора). Однако для обеспечения запаса прочности и надежности работы конструкции с учетом коэффициента однородности и условий работы следует считать, что Ry = (0,25-0,4)R, где нижнюю границу нужно принимать для более прочных пород.

Требуемый радиус упрочнения ry зависит от угла внутреннего трения пород и должен удовлетворять неравенству

И чтобы более полно учесть реальные горно-геологические условия, следует принять во внимание возможные различия прочностных свойств массива в кровле Rк00 и боках Rб00 выработки, а также разнокомпонентность исходного поля напряжений массива,-описываемую коэффициентом бокового распора Лу. Определим в этом случае оптимальное соотношение полуосей внешнего контура крепи «Монолит», исходя из условия его равнопрочности и достижения более равномерного давления на крепь со стороны массива при пологом залегании пород:

где s=Rк00/Rб00 — соотношение прочностей пород на соответствующих полуосях в кровле и боках внешнего контура крепи Из формулы (3.51) вытекает, что внешний контур крепи «Монолит» должен иметь форму, близкую к эллиптической с большей осью, как правило, расположенной по нормали к напластованию пород. Этого можно достигнуть путем переменной длины радиальных скважин для камуфлетного взрывания в различных точках периметра выработки.

Расчет технико-экономических показателей крепи «Монолит» подтверждает ее эффективность. Так, отношение несущей способности крепи к ее стоимости у крепи «Монолит» составляет (4-8)*10в-2 МПа/руб, а у обычных крепей оно не превышает (0,2-0,3)*10в-2 МПа/руб. Малая трудоемкость и материалоемкость, возможная механизация возведения, высокая несущая способность, доходящая до 5 МПа и более, обосновывают перспективность данного направления в креплении горных выработок.

Крепь «Монолит» «может быть применена в капитальных выработках с длительным сроком службы в зоне частичного влияния очистных работ и вне ее в широком диапазоне горно-геологических условий.





Яндекс.Метрика