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: σ_z = gH; σ_θ = 2λ₁gH; σ_r = 0. Устойчивое состояние контура ствола, по П. М. Цимбаревичу, будет, если: σ_θ = 2λ₁gH< R_сж.

Если же условие будет обратным, т. е. σ_θ > R_сж,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 Р_r = 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: Р_п = Р + Р_г, где Р_г — 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<H_пр, давление на крепь ствола будет отсутствовать и крепь принимается без расчета по нор­мам СНиП.

В том случае, если породы находятся в неустойчивом со­стоянии (h>H_пр), 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.