Расчет горного давления в вертикальных выработках
Стволы шахт и шурфы могут пересекать разнородные по своим механическим свойствам породы: отводоносных или сыпучих песков до весьма крепких разностей. Крепь вертикальных выработок не должна иметь нарушений, что обеспечивается необходимым запасом ее прочности. Среди известных методов расчета величины горного давления на крепь вертикальных выработок наибольшее практическое применение нашли методы, основанные на теории расчета подпорных стен (методы строительной механики), и эмпирические методы, основанные на шахтных и лабораторных экспериментах (методики ВНИМИ и СНиП). Рассмотрим метод определения величины горного давления, основанный на теории расчета подпорных стен, предложенный П. М. Цимбаревичем. Как известно, напряжения на стенках ствола равны: σz = gH; σθ = 2λ1gH; σr = 0. Устойчивое состояние контура ствола, по П. М. Цимбаревичу, будет, если: σθ = 2λ1gH< Rсж.
Если же условие будет обратным, т. е. σθ > Rсж,то породы на этом участке ствола разрушатся и приобретут состояние, близкое к сыпучей среде. В этом случае на крепь ствола, так же как и на боковую стенку горизонтальной выработки, будут оказывать давление призмы сползания разрушенных пород.
Давление в верхней части разрушенного слоя породы Рr = 0, если вышележащий слой породы устойчив. Максимальное давление будет наблюдаться в нижней части этого слоя, величина его равна:
, где т – мощность разрушенного слоя или нескольких разрушенных смежных слоев, м. Полное боковое давление на крепь на участке ствола высотой т:
.
При диаметре ствола d = 2r давление на этом участке , где r — радиус ствола, м.
Величина наибольшей нагрузки Р на крепь ствола или шурфа, пройденного в сыпучих породах, по В. Г. Березанцеву: , где
.
Эта формула справедлива, если не учитывать пригрузку от зданий и сооружений, расположенных на поверхности вблизи ствола. Дополнительная нагрузка за счет веса зданий учитывается в том случае, если здание отстоит от контура ствола не дальше, чем на пять радиусов ствола. Если сыпучие рыхлые породы обводнены напорными водами, то полное давление на крепь должно определяться с учетом давления воды, а именно: Рп = Р + Рг, где Рг — гидростатический напор пластовой воды, Па.
Определение нагрузки на крепь при прочных породахпроизводится по методике СНиП II—М.4—65. Этот метод предложен ВНИМИ по данным производственных экспериментов и распространяется на вертикальные стволы, проходимые в обычных горно-геологических условиях, диаметром до 8 м в свету при притоках воды до 8 м3/ч (а также и при больших притоках с обязательной предварительной цементацией или химическим укреплением горных пород).
Рекомендации метода не распространяются на вертикальные стволы, проходимые в слабых, рыхлых, сыпучих, пластичных породах (например, в условиях Мосбасса, КМА и др.), а также в зонах многолетней мерзлоты (Воркута и др.), и могут быть использованы для районов Донбасса, Кузбасса, Караганды, Урала.
Порядок расчета величины горного давления на крепь ствола следующий. В первую очередь определяют устойчивость породных стенок ствола по формулам на протяженных участках и на сопряжениях с околоствольным двором. Если проектная глубина ствола Н меньше предельной, т. е. соблюдается условие h<Hпр, давление на крепь ствола будет отсутствовать и крепь принимается без расчета по нормам СНиП.
В том случае, если породы находятся в неустойчивом состоянии (h>Hпр), нагрузку на крепь ствола принимают поданным, приведенным в таблице:
Глубина ствола, м | Нормативная средняя нагрузка (рн ∙104, Па) при схемах проходки | |
последовательной и параллельной (в числителе приведены данные при угле падения пород до 30°, в знаменателе — более 30°) | при совмещенной с передвижной опалубкой и крепостью из быстротвердеющего бетона | |
Не более 400 (исключая наносы) 400—800 800—1200 | 5/6 7/9 8/10 | 7/9 11/13 13/15 |
Расчетная максимальная нагрузка на крепь ствола (за исключением участка в наносах):
,где п — коэффициент перегрузки, равный 1,5; n1– безразмерный коэффициент (в обычных условиях принимают равным 0,67; на сопряжениях – 1, в пучащих породах — 1,34); v — безразмерный коэффициент неравномерности распределения нагрузок по контуру крепи ствола, зависящий от геологических факторов (угла падения пород), технологии проходки и равный от 0,3 до 0,9.
Коэффициент v принимается по СНиП II—М.4—65.
Коэффициент структурного ослабления пород изменяется от 0,3 до 1. Необходимо иметь в виду, что сопряжения в слабых и пучащих породах не закладываются.