Порядок выполнения работы. 3.1. Исходные данные (вариант 24):

3.1. Исходные данные (вариант 24):

Таблица 1

Исходные данные для варианта № 24

 

№ Варианта

Наименование горных пород

Объёмная масса, γ, т/м3

Коэффициент Пуассона, μ

Водоприток, м3/час

Тип горной выработки

Длина выработки, L, м

Глубина заложения, H, м

Оборудование

Погрузочная машина или скрепер

Перегружатель

Вагонетка

Электровоз (ручная)

Бурение шпуров

Змеевики плотные с отдельностями в зонах нарушения

2,55

0,25

12,0

Штольня

ППН-3

-

ВПК-7

АРП-8

БКГ-2

3.2. В соответствии с физико-механическими свойствами горных пород и условиями проведения выработки производим расчёт безразмерного параметра устойчивости П_у

 

№ Варианта

Наименование горных пород

Категории пород по трещиноватости

Коэффициент структурно-го ослабления, Ксо

Категория пород по буримости (по ЕНВ-77)

Предел прочности пород на сжатие, σсж, МПа

Коэффициент крепости по Протодьяконову, ƒ

Кажущийся угол внутрен-него трения (φ=arctg ƒ)

Коэффициент разрыхления, Кр

Объёмная масса, γ, т/м3

Коэффициент длительной прочности, ξ

Коэффициент Пуассона, μ

Коэффициент бокового распора, λ

Водоприток, м3/час

Тип горной выработки

Длина выработки, L, м

Глубина заложения, H, м

Оборудование

Погруз. машина или скрепер

Перегружатель

Вагонетка

Электровоз (ручная)

Бурение шпуров

Змеевики плотные с отдельностями в зонах нарушения

V

0,9

XIII

8,5·107

8-9

83,3

0,1

2,55

0,85

0,25

0,33

Штольня

ППН-3

-

ВПК-7

АРП-8

БКГ-2

 

Физико-механические свойства породы:

· категория пород по трещиноватости -V;

· степень трещиноватости горной породы - массивная;

· среднее расстояние между трещинами - Более 1,5 м;

· коэффициент структурного ослабления - 0,9;

Породы массивные довольно однородные по составу. Трещины (диаклазы) практически отсутствуют.

Штольня -горная выработка, проведенная к месторождению с поверхности горизонтально или с незначительным подъемом, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных горных работ при разведке или разработке полезного ископаемого. Проведение штольни возможно при гористом рельефе местности. Она проводится как по простиранию, так и под углом к простиранию с уклоном 0,004–0,005 в сторону устья для обеспечения стока воды и облегчения транспортирования грузов. Штольни могут быть откаточные, вентиляционные и водоотливные.

Предварительно выбор крепи и, соответственно, формы ПС можно произвести на основе расчёта безразмерного параметра устойчивости П_у, который используется при проектировании выработок (в типовых паспортах крепления) для рудников цветной металлургии и для угольных шахт:

П_у = γН/σ_сж, (1)

Где γ - объёмный вес горных пород, Н/м³;

Н - глубина заложения горной выработки, м;

σ_сж - предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород, Па;

σ_сж = 10⁷ · ƒ (Па) = 10 · ƒ (МПа),

где ƒ – коэффициент крепости горных пород и грунтов по шкале профессора М.М. Протодьяконова (ƒ= 1…20).

Для районов, подверженных движениям земной коры, и для зон тектонических нарушений вместо Н принимается расчётная глубина:

Н_р = К_н Н, (2)

Где Н_р - расчётная глубина заложения выработки;

К_н – коэффициент перегрузки по глубине заложения выработки:

- 1,0 - в массиве, не имеющем пустот, тектонических трещин и ранее пройденных выработок;

- 1,5 для районов, подверженных движениям земной коры, и для зон тектонических нарушений при отсутствии соответствующих экспериментальных данных.

Н_р = 1·170 = 170 м

σ_сж = 10⁷·(8-9) = 8·10⁷–9·10⁷ Па

Для дальнейших расчётов принимаем 8,5·10⁷ Па

П_у = 25500·170/8,5·10⁷ = 0,05

3.3. По результатам расчёта производим предварительный выбор материала крепи и, соответственно, формы поперечного сечения выработки. Для этого воспользуемся рекомендациями по выбору крепи, приведенными в табл. 3.

 

 

Таблица 3

Рекомендации по выбору крепи

на основании параметра устойчивости П_у.

 

Показатель	Значения Пу
Пу≥0,2	0,15≤ Пу<0,2	0,05< Пу<0,15	Пу≤0,05
Для пород I – II категории трещиноватости	Для пород III – IV категории трещиноватости
Материал крепи	Бетон, ж/бетон, комбинированные крепи: стойка деревянная, верхняк из металла (швеллер, двутавр, СВП); металл. сетка + н/бетон + анкер; металл. сетка + н/бетон	Деревянная крепь	Набрызг-бетон	Анкерная крепь	Без крепи (на основании проверочного расчёта)

 

Т.к., П_у≤0,05 то крепление штольни будет производиться без крепи. Предварительный выбор крепи необходимо подтвердить проверочным расчётом запаса прочности пород и действующих напряжений с пределом прочности массива для боков n_б и кровли n_к.

3.4. Произведём проверочный расчёт запаса прочности пород и действующих напряжений с пределом прочности массива для боков n_б и кровли n_к.

Проверочный расчёт запаса прочности пород производят, сравнивая максимальные из действующих напряжений, с пределом прочности массива.

Для боков горизонтальной выработки запас прочности n_б можно рассчитать по формуле

n_б = σ_сж К_с.о.К_д.п./(ρgНК_σ.б.), (3)

σ_сж - предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород, Па;

К_с.о. -коэффициент структурного ослабления пород, зависящий от системы трещиноватости обнажённого массива горных пород;

К_д.п.- коэффициент длительной прочности, учитывающий уменьшение прочности породы в массиве во времени при сроке службы выработки от 3-ч и более лет;

Н - глубина заложения горной выработки, м;

К_σ.б. - коэффициент концентрации смещающих напряжений в боках выработки.

Таблица 4

Значения коэффициента концентрации напряжений в боках выработки

Показатель	Глубина от поверхности, м
0<Н≤200	200<Н≤500	500<Н≤1000	Н>1000
Коэффициент концентрации напряжений, Кσ.б	3,2	3,2-2.5 (2,85)	2.5-2.0 (2,25)	2.0

.

n_б = 8,5·10⁷·0,9·0,85/ (25500·170·3,2) = 4,68

Аналогично оценим запас прочности пород в кровле выработки n_к, причём на этом этапе кровля выработки принимается плоской. Расчёт ведём по формуле:

n_k =σ_сж К_р К_с.о.К_д.п./(ρgНК_σ.к.λ), (4)

где К_р – коэффициент, учитывающий соотношение между пределами прочности породы на растяжение и сжатие (для различных пород лежит в широком диапазоне, но для многих равен приблизительно 0,1);

К_σ.к. - коэффициент концентрации растягивающих напряжений в кровле. Так как на первоначальном этапе расчёта кровля принимается плоской, то принимается К_σ.к. = 1,0;

λ - коэффициент бокового давления (горизонтального распора), рассчитывается по коэффициенту Пуассона μ;:

λ = μ/(1 – μ), (5)

где μ для многих пород лежит в диапазоне 0,2÷0,3(0,25).

λ = 0,25/(1 – 0,25) = 0,33.

n_к = 8,5·10⁷·0,1·0,9·0,85/(25500·170·1,0·0,33) = 4,54.

 

Т.о. на основании приведённой выше методики расчётов можно принять решение о форме поперечного сечения выработки. Для этого введём градацию устойчивости пород кровли и боков выработки по коэффициенту запаса прочности на контуре выработки, который для массива горных пород можно принять n_зп = 4 (для сравнения, если считать массив горных пород, окружающих выработку, строительной конструкцией из бетона, то коэффициент запаса прочности у него должен быть n_зп ≥ 2). В связи с наличием в породном (не бетонном) массиве трещиноватости принимаем n_зп = 4:

 

n_зп = К_п К_б.м. К_н ∕ К_у,р.,(6)

 

где К_п - коэффициент перегрузки для бетонной крепи К_п = 1,2;

К_б.м. - коэффициент безопасности по материалу: для горных пород К_б.м. = 2,0 (для бетона К_б.м. = 1,5);

К_н - коэффициент надёжности для бетонной крепи К_н = 1,15;

К_у,р - коэффициент условий работы для бетонной крепи К_у,р = 0,7,тогда по формуле 6:

 

n_зп = 1,2х 2,0х1,15 ∕0,7=3,94,

то в этом случае коэффициент запаса прочности для массива горных пород можно принять n_зп = 4,0.

В соответствии с запасом прочности пород в кровле выработки n_к и запасом прочности пород для боков горизонтальной выработки n_б, возможны следующие случаи:

· кровля и бока устойчивы при n_к ≥ 4 и n_б ≥ 4;

· кровля и бока относительно устойчивы при 1 < n_к < 4 и 1 ≤ n_б < 4;

· кровля и бока неустойчивы при n_к ≤ 1 и n_б ≤ 1.

 

При этом возможны следующие случаи:

 

1. Если кровля неустойчива ( n_к ≤ 1; n_к = R_р ∕ σ_min ≤ 1, т.е. R_р ≤ σ_min), а бока устойчивы n_б ≥ 4 или относительно устойчивы 1 ≤ n_б < 4, (n_б = R_сж ∕ σ_max ≥ 4 R_сж > σ_max), то в кровле образуется свод обрушения (равновесия). Породы, оказывают давление на крепь.

Крепь будет нести полную нагрузку со стороны свода. Со стороны боков нагрузка отсутствует (горные породы в боках выработки устойчивы или относительно устойчивы). Для определения нагрузки со стороны свода пользуются расчётным методом М.М. Протодьяконова. Высота свода обрушения

 

b=а / tg φ, (7)

где φ – угол внутреннего трения пород.

 

2. Когда кровля и бока неустойчивы, т.е. соблюдаются условия n_к ≤ 1 и n_б 1 ≤; R_р ≤ σ_min; R_сж ≤ σ_max,в кровле образуется свод обрушения, а в боках выработки – призмы сползания и отделившаяся порода начинает оказывать давление на крепь.

3. И кровля и бока выработки устойчивы n_к ≥ 4; n_б ≥ 4 или относительно устойчивы 1 < n_к < 4; 1 < n_б < 4 (т.е. n_к ≥ 4 и 1 < n_б < 4 или n_б ≥ 4 и 1 < n_к < 4).

(Случай n_к ≥ 4 или 1 < n_к < 4 (схема 2) и n_б ≤ 1 не рассматриваем).

Прочная кровля опирается на непрочные боковые породы. Боковые породы под весом пород кровли разрушаются.

При этом предельные состояния для кровли и боков выработки будут различны: выпадение отдельных кусков породы из кровли должно быть исключено, но можно допускать некоторое осыпание боков. Это говорит о том, что при n_к ≥ 4 и n_б ≥ 4 выработка может проектироваться без крепи, но при наличии в кровле сильной трещиноватости (категория пород по трещиноватости I...II) потребуются меры по предотвращению выпадения кусков породы из кровли – возведение облегчённой крепи (торкрет- или набрызгбетон).

По полученным в результате поверочного расчёта n_к = 4,54 и n_б = 4,68 делаем вывод, что кровля и бока устойчивы (случай 3 стр. 7).

Для принятия окончательного решения по выбору крепи, воспользуемся рекомендациями, приведёнными в табл. 1.28[1, стр. 71], отклоняем предварительный выбор крепи и как итог, принимаем:

· тип крепи - деревянная крепь;

· форма сечения выработки (штольни) - трапециевидная.

 

При проектировании горно-разведочных выработок в качестве проектных сечений принимают сечения выработок в проходке.

Размеры выработок в проходке определяются в каждом конкретном случае в соответствии с «Нормативами превышения сечений горно-разведочных выработок в проходке по сравнению с сечением вчерне при производстве геологоразведочных работ». Увеличение проектных (в проходке) размеров выработки в результате излишнего разрушения породы должно приниматься не более указанного ниже приведённой таблице 5.

Таблица 5

 

Категория пород по буримости	Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову, ƒ	Максимально допустимый коэффициент превышения сечения выработки вчерне, м2
до 4,0	4,0- 6,4	6,5 и более
V –X	1,2 – 4	1,08	1,06	1,04
IX – XV	5 – 12	1,10	1,07	1,05
XVI - XX	13 -20	1,12	1,09	1,6

 

Вывод:

1. На основании расчёта безразмерного параметра устойчивости (П_у = 0,05), поверочного расчёта запаса прочности пород в кровле выработки(n_к = 4,54) и запаса прочности пород для боков горизонтальной выработки (n_б = 4,68), а также рекомендаций, произвёл выбор материала крепи и, соответственно, формы поперечного сечения выработки (штольни):

· тип крепи - деревянная крепь;

· форма сечения выработки (штольни) - трапециевидная.

2. В соответствии с запасом прочности пород в кровле выработки (n_к = 4,54) и запасом прочности пород для боков горизонтальной выработки (n_б = 4,68), сделал вывод, что кровля и бока неустойчивы, т.к.n_к ≥ 4 иn_б ≥ 4.