Поддержание очистного пространства крепью

На случай подвижки пород висячего бока рекомендуется устанавли­вать распорки с отклонением от нормали (по восстанию) на 6-10° во избежание их выпадения. Для обеспечения совместной работы пород и крепи необходимо тщательное расклинивание распорок со стороны лежачего и висячего боков, а для предотвращения вывалов - затяжка обнажений висячего бока.

Схема к определению рабочего сопротивления стоек при трещиноватой слоистой непосредственной кровле:

1 - выработанное пространство; 2 - стойка; 3 - целик; 4 - непосредственная кровля; 5 - порода-мост

Если породы висячего бока имеют однородное строение (несло­истое), то давление на крепь определяется на основании теории свода. Распределение опорного давления показано на рис., стойки рассчи­тываются на случай наиболее неблагоприятной работы, т.е. в средней части блока. Величины Р₀и σ₀ принимаются на основании давления по­род, заключенных в объеме свода давления.

Специалистами ВНИИ-1, по результатам экспериментальных исследований получены расчетные формулы для определения расстояния между рядами распорной крепи по простиранию a и падению b :

При квадратной сетке

где i - число стоек распорной крепи в одном кусте, шт; d – диаметр распорок, м; σ_сж – допустимое напряжение при сжатии материала распорок, МПа; h – толщина ослабленного слоя пород кровли, устанавливаемая экспериментально или по структурным характеристикам массива, м; мощность ослабленного слоя обычно составляет в породах малонарушенных монолитных блочной структуры 0,3-1,0 м, в слоистых и средненарушенных 1-2,5 м, в сильнонарушенных более 2,5 м (по некоторым данным до 5-6); γ – объемный вес пород, кг/м³; n – коэффициент кратности толщины поддерживаемого слоя пород по отношению к ослабленному (зависящий от степени нарушенности пород; n=1,2 при слабонарушенных породах, n=2 при средненарушенных, n=3 при сильнонарушенных; k – коэффициент перегрузки крепи (для деревянной рекомендуется принимать равным 1,2).

При прямоугольной сетке

где b – принимается от 1 до 3 м в зависимости от удобства работ в очистном забое, обычно равное или кратное величине уходки забоя за цикл.

В том случае если расчет при i =1 дает значения расстояния между рядами одиночных стоек распорной крепи меньше технологически допустимого (<0,7-1,0 м), то производится перерасчет при i = 2, 3,… и определяется расстояние, между рядами кустов распорной крепи.

В случае поддержания очистного забоя крепежными рамами рас­считываются не только стойки, но и верхняки. Расчеты проводятся для наиболее тяжелых условий работы крепи (на границе с выработанным пространством).

Рассмотрим случай разработки горизонтально залегающего место­рождения, когда для обеспечения безопасности работ сохраняются не­полные крепежные рамы в трех отрабатываемых заходках, остальные погашаются вместе с обрушением пород.

Схема к расчету крепежной рамы в заходке (а), эпюры действующих

нагрузок (б), изгибающих моментов (в) на верхняк крепежной рамы:

1,2, 3 - заходки; 4 - массив руды; 5 - контур предполагаемого самообрушения

Давление на крепежные рамы будет возрастать в направлении от руд­ного массива к выработанному пространству и поэтому каждая стойка и верхняк будут испытывать различные напряжения и деформации. В нашем случае в наиболее тяжелых условиях горного давления будет находиться заходка 1, предназначенная для погашения. Основные работы по добыче полезного ископаемого (бурение, доставка) сосредотачивают­ся в заходке 3 и поэтому ее крепление должно быть наиболее надежным.

Размеры отдельных элементов крепежных рам определяют на осно­вании конкретных условий напряженного состояния вышележащих по­род. Для этого опытным путем или расчетами горного давления опреде­ляют нагрузки на стойки и верхняк крепежной рамы, на основании которых методами строительной механики рассчитывают их диаметры.

Диаметр верхняка dвыбирают на основании момента сопротивления для круглого леса по формуле

откуда d = 2,15 .

Зная, что максимальное сопротивление изгибу (где M_max – максимальный изгибающий момент), можно определить d:

Если учесть коэффициент запаса прочности крепежного материала К₃,то формула будет иметь следующий вид:

Коэффициент запаса прочности обычно принимают равным 1,5÷2,0.

Максимальный изгибающий момент определяется в зависимости от распределения нагрузки на верхняк:

при равномерно-распределенной нагрузке qна пролете l:

при различных усилиях Р₁ и Р₂

где - реактивное усилие R₁ =1 (Р₂⁺2P₁)/σ;

l₀ - расстояние от стойки крепежной рамы до точки максималь­ного прогиба верхняка

здесь P₁=q₁b и Р₂=q₂b - соответственно усилия на стойки со стороны рудного массива и выработанного пространства; и q₂ - действую­щие напряжения на стойки; b - расстояние между крепежными рамами.

Определив величину М_mах находят диаметр верхняка. Стойки прини­мают такого же диаметра, как верхняк, но предварительно проверяют на прочность при большем осевом усилии P₂. Если P₂≤σ_сж S_CT (где σ_сж сопротивление материала стойки на сжатие; S_CT - площадь сече­ния стойки), то стойка будет устойчивой.

Костровая крепь применяется в пологих залежах для поддержания кровли при большом горном давлении, иногда в дополнение к органной крепи. Для увеличения прочности костра внутрь его иногда засыпают породу. При наклонном падении залежи для предотвращения сползания костров предварительно устанавливают стойки по углам. Деревянная костровая крепь податлива, т.к. ее элементы сжимаются поперек волокна дерева с уменьшением толщины в 2-3 раза. На золотых рудниках ЮАР («Эльзбург», «Витватерсранд») разрабатывающих пологие рифы мощностью 1,8 м на глубине более 2-2,3 км каркас костра возводят из уложенных по периметру деревянных брусьев, а внутрь помещают мешок размером 1х1х1,8 м из полипропилена. Этот мешок заполняют подаваемым по трубам с поверхности цементным раствором (1 часть цемента на 2 части песка, добавка 0,5% хлористого кальция для быстрого твердения). Через 2 часа после установки костра рядом можно вести взрывные работы. За смену в забое возводят до 9 костров.

Станковая крепь представляет собой пространственную решетку из деревянных брусьев или бревен, возведенную в выработанном пространстве от лежачего до висячего бока. Каждый куб (станок) имеет поперечный размер 2-2,2 м. В залежах мощностью более 3-4 м выработанное пространство, закрепленное станками, обязательно заполняют пустой породой или закладкой.

Самоопускающиеся перекрытия применяют при неустойчивой руде и вмещающих породах. Вынимают руду под перекрытием горизонтальными слоями, начиная с верхнего слоя. Под давлением обрушенных пород перекрытие опускается по мере выемки под ним руды и служит искусственной кровлей. Подробнее при разборе системы разработки слоевым обрушением.

Каменная крепь применяется в виде искусственных опор или полос из бутового камня на песчано-цементном растворе. Отдельные столбы-опоры возводятся в очистных забоях по мере подвигания работ, полосы выкладываются взамен междублоковых и междуэтажных целиков до начала отработки блока или с некоторым опережением. Материал и раз­меры каменных опор выбираются на основании конкретных горно-геологических условий. Из-за трудности механизации работ и больших объемов ручного труда возведение каменной крепи требует значитель­ных экономических затрат. Поэтому этот вид поддержания наибольшее распространение получил при отработке жильных месторождений ценных руд или опасных по горным ударам (Индия, Южная Африка). При боль­ших объемах работ по креплению этот способ поддержания становится нецелесообразным и его заменяют закладкой выработанного простран­ства.

На калийных и марганцевых месторождения, залегающих в слабых осадочных породах и характеризующихся достаточно выдержанными ус­ловиями залегания (сравнительно постоянная мощность, горизонталь­ный или пологий угол падения), применяют системы разработки длин­ными столбами с обрушением пород. Для крепления очистных забоев применяют металлические стойки и различного типа передвижные меха­низированные комплексы. Конструкции применяемых крепей для под­держания очистных забоев - лав аналогичны тем, которые широко ис­пользуются при разработке пологих угольных пластов. По этим вопро­сам имеется обширная специальная литература и поэтому изложение воп­росов применения механизированной передвижной крепи здесь не приво­дится.

Набрызгбетоном укрепляют кровлю и стенки очистных и подготовительно-нарезных выработок, чтобы предотвратить отслоение кусков и выветривание. Процесс торкретирования полностью механизирован.

В тех случаях, когда породы склонны к заколам, отслоениям, вывалам, для повышения устойчивости кровли камер применяют анкерную крепь. До того, как произойдет расслоение кровли, нижние ее слои, подверженные растягивающим напряжениям, “пришиваются” к верхним, более устойчивым.

В горнорудной практике применяются различные конструкции анкерной крепи (металлической, деревянной, железобетонной): с точечным закреплением в донной части шпура (скважины) или по всей длине; с закреплением в породах быстротвердеющими химическими составами, полимерами. Основным критерием надежной работы анкерной крепи является ее несущая способность, определяемая пределом прочности анкера на разрыв или сопротивлением замка анкера скольжению под воздействием усилий, развивающихся в кровле камеры.

Сопротивление (МПа) набрызгбетона различным нагрузкам

Сущность крепления горных выработок штанговой крепью за­ключается в том, что слои непосредственной кровли подшиваются к более прочной основной кровле или скрепляются между собой штангами. Скрепление пород кровли осуществляется металлическими, железобетонными, деревянными или сталеполимерными штангами.

Металлические штанги состоят из круглого стержня, на одном конце ко­торого имеется резьба и гайка, а на другом — замок, с помощью которого штанга закрепляется в шпуре. Конструкции замков разделяют на клинощелевые, рас­порные и взрывораспорные.

Клинощелевые штанги изготавливают из круглой стали диаметром 18—25 мм. В замковой части имеется щель шириной 3—5 мм и длиной 200—250 мм, в ко­торую при установке штанг вводят клинья длиной 150—200 мм и толщиной 25— 40 мм. Штангу при установке вводят в шпур замковой частью. При ударах по выступающему из шпура концу штанги она надвигается на клин, при этом раз­резные половинки внедряются в породу стенок шпура и закрепляются. Диаметр шпура должен быть на 10—15 мм больше диаметра штанги в замковой части. После закрепления штанги на ее конец, выступающий из шпура, надевают опор­ную плитку и завинчивают гайку.

Несущая способность замка зависит от прочности пород на вдавливание и от площади контакта разрезных половинок штанги с породой. В породах средней крепости несущая способность замка достигает 100—120 кН. В слабых (/< 12) и крепких (/> 12) породах клинощелевые штанги применять не рекомендуется: в первом случае из-за смятия пород замком, во втором случае — из-за слабого расклинивания замка. Достоинством клинощелевых штанг является простота конструкции и достаточно высокая несущая способность штанг. Данная кон­струкция штанг является неиззлекаемой.

Штанги о распорным замком состоят из металлического стержня диаметром 20—25 мм и пустотелой головки, в которой помещен заряд низкобризантного ВВ. Закрепление замка осуществляется в шпуре в результате раздутия головки при взрыве заряда. Штанги рекомендуется применять в мягких глинистых породах.

Штанги рассмотренных конструкций способны воспринимать нагрузку сразу после их установки.

Железобетонные штанги получают в результате заполнения песчано-цементным раствором шпура, в который затем вводят стальную арматуру.

В качестве арматуры используют сталь периодического профиля диаметром16—25 мм. Иногда применяют арматуру из нескольких стержней небольшого диаметра или сви­тых проволок, а также исполь­зуют отрезки очищенного от смазки старого стального каната.

Заполнение скважин рас­твором производят с помощью пневматических нагнетателей. Достоинством железобетон­ных штанг является то, что рас­твор, заполняющий скважину, создает прочный контакт с по­родой по всей длине штанги и поэтому наилучшим образом препятствует смещению и рас­слоению пород.

Штанги вступают в работу лишь после приобретения рас­твором определенной прочности,, поэтому их целесообразно при­менять в тех случаях, когда дав­ление в выработке начинает проявляться через некоторое¹ время. При быстротвердеющем цементе этот срок сокращается до 5—6 ч.

Деревянные штанги пред­ставляют собой круглые стерж­ни диаметром 35—60 мм, на обоих концах которых установ­лены замки клинощелевого типа. Щели шириной 4—5 мм распо­лагают во взаимно перпендику­лярных плоскостях. Длина щели на глубинном конце штанги 400—450 мм, а на контурном — 200—250 мм. Стержни готовят из прочных пород леса (листвен­ница, дуб и т. п.), но часто используют и сосну. Клинья готовят из дуба, бе­резы, лиственницы и прессованной древесины. Их длину принимают на 30— 40 мм меньше длины щелей, а толщину 20—25 мм.

Штангу со вставленным клином вводят в шпур до упора в забой. Ударяя по выступающему из шпура концу штанги, подвигают ее на клин. Внедрения дере­вянной штанги в бока шпура не происходит, поэтому несущая способность замка деревянной штанги определяется в основном сопротивлением древесины смятию поперек волокон и площадью контакта с породой. При ручной забивке штанг несущая способность замка составляет 10—15 кН, а при механизированной забивке или задавливании она повышается до 35—40 кН.

Деревянные штанги применяют преимущественно в выработках небольшого поперечного сечения со сроком службы до одного года при легких условиях поддержания.

Сталеполимерные штанги состоят из круглого стального стержня и уплот-нительного кольца. На конце штанги, находящегося у контура выработки, имеется резьба для гайки и опорная плитка. Глубинный конец закрепляют в шпуре с помощью быстротвердеющего полимербетона, состоящего из смолы, отвердителя, ускорителя твердения и мелкого наполнителя. Для подачи полимер-бетонной смеси в забой шпура обычно используют полиэтиленовые ампулы, наполненные смесью смолы, ускорителя и наполнителя. Отвердитель вводят в ам­пулу в закрытой стеклянной пробирке.

При установке штанги ампулу вводят в шпур, досылают до забоя стержнем Штанги, раздавливая ампулу и пробирку с отвердителем. Затем контурный конец штанги временно расклинивают в устье шпура. Время твердения состава поли­мербетона не превышает 15—20 мин.

Параметры анкерной крепи в камере с плоской кровлей могут быть рассчитаны по методике, предложенной Н.И. Мельниковым. Высота возможного свода обрушения в кровле камеры определяется по Протодьяконову из выражения:

где а - величина полупролета камеры: f – коэффициент крепости пород по Протодьяконову; η – коэффициент структурного ослабления пород; в нетрещиноватых породах η=0,9; слоистых η=0,4; трещиноватых изверженных породах η=0,2÷0,3.

Полную длину анкера при установке можно разделить на участки активной длины ( находящейся в шпуре ) , пассивной ( выступающей в выработку ) . Значение зависит от конструкции штанги и обычно равно 0,1÷0,25 м, активная длина в случае закрепления штанги за пределами свода давления ( обрушения ), или несущей породной плиты определяется из условия или , где - длина заглубления штанги в устойчивые породы, =0,2÷0,4 м.

Толща несущей породной плиты

где ξ – коэффициент ползучести пород, для песчаников ξ= 1,0÷0,7 , алевролитов и аргиллитов ξ= 0,7÷0,5; - горизонтальные сжимающие напряжения в массиве пород, m – коэффициент бокового распора пород ( m=0,3÷0,4 ); - среднее значение удельного веса пород по поверхности; Н – глубина заложения выработки; р – давление пород в своде обрушения ( p=bγ ); - коэффициент запаса прочности; - прогиб кровли выработки, укрепленной анкерами ( по данным практики =0,02а ).

Несущая способность штанги определяется весом отслаивающей толщи пород кровли, т.е.

где - расстояние между анкерами.

При закреплении штанги цементным раствором или полимерными составами сила закрепления анкера определяется усилиями сдвига его относительно стенок шпура:

где ψ – коэффициент, зависящий от площади среза; - диаметр шпура; - длина закрепления анкера в скважине; - сопротивление сдвигу по поверхности среза; - боковой распор, действующий на штангу, можно принимать - коэффициент трения по поверхности среза; - сцепление закрепляющего состава со стенками скважины ( для полиэфирных смол =2500-3500 кПа, для цементных составов =1500÷2000 кПа).

Для обеспечения устойчивого состояния кровли камеры необходимо соблюдать условие

Длина закрепления анкера

Из условия сопротивления материала анкера на разрыв определяется его диаметр , где - удельное сопротивление материала анкера на растяжение ( для стали Ст. 3 , Ст.5 ).

Из условия равновесия веса поддерживаемых пород силой закрепления анкера

Можно определить площадь кровли , приходящуюся на один анкер расстояние между анкерами по квадратной или прямоугольной сетке ( здесь и b – расстояние между соответственно рядами анкеров и анкерами в ряду).

На практике расстояние между рядами анкеров принимается в зависимости от устойчивости пород и изменяется от 0,5 до 1,5 м.

В трещиноватых породах учитывается расстояние между трещинами из-за опасности вывалов принимается не более размера структурного блока. Если рассчитанное по формуле расстояние анкерами больше размера структурного блока, то необходимо кровлю дополнительно покрывать набрызгбетоном для предотвращения дальнейшего разрушения пород.

В случае сводчатой формы кровли камеры расчеты штанговой крепи ведутся аналогично предыдущему случаю, но расположение анкеров, как сказано выше, определяется трещиноватостью пород. Нагрузка на один анкер зависит от веса пород ослабленной зоны и определяется из выражения

где и - соответственно площадь и мощность ослабленной зоны, приходящиеся на один анкер; - принимается в зависимости от расстояния между трещинами (обычно ÷1,0 м).

Число анкеров на 1 площади кровли рекомендуется выбирать из условий нарушенности пород трещинами ( т.е. коэффициента структурного ослабления).

где - прочность закрепления штанги в ненарушенном массиве; - коэффициент структурного ослабления; -коэффициент запаса прочности, учитывающий нарушенность массива трещинами.

Наряду с установкой штанг в трещиноватых породах рекомендуется применять набрызгбетон, подвесные деревянные или металлические прогоны и сетку. Такая подвесная крепь должна выбираться в соответствии с конкретными горно-геологическими условиями. Наиболее целесообразно применение набрызгбетона в сочетании с анкерной крепью и металлической сеткой, так как он, хорошо заполняя трещины защищает поверхность горных пород от воздействия рудничного труда в камерах.

В последнее время на установке штанговой крепи все шире применяются анкероустановщики. См. приложение «Установки для штангового крепления»