Выбор и расчет рамных крепей

Цель работы: получить практические навыки по расчету крепей.

Выбор вида крепи согласно СНиП (Строительным нормам и правилам), допускается про­изводить по безразмерному показателю устойчивости пород (П_у):

П_у= γ×H_p/R_сж, (2.1)

здесь γ - объемный вес пород, кН/м³; Н_р - расчетная глубина расположения выработ­ки, м; R_cж - расчетное сопротивление пород сжатию, кПа.

R_cж = G_сж× К_с×ξ , (2.2)

где G_сж – предел прочности пород одноосному сжатию, кПа; К_с - коэффициент структурного ослабления, доли ед.; ξ - коэффициент длительной прочности, доли ед.

Коэффициент длительной прочности (ξ) равен отношению предела прочности образца при длительном воздействии нагрузки (G_д) к пределу прочности пород при сжатии (G_сж). Для пород с хрупким характером разрушения (гранитов, кварцитов, песчаников с кварце­вым цементом и т.п.) рекомендуется принимать ξ =1-0,7; для пород, в которых перед раз­рушением возникают пластические деформации (большинство слабых и средней крепо­сти осадочных и метаморфических пород), ξ =0,7-0, 5.

Согласно рекомендации СНиП II-94-80 установить значение коэффициента структур­ного ослабления (К_с) можно по табл. 2.1.

Таблица 2.1 - Зависимость коэффициента (К_с) от трещиноватости пород

Среднее расстояние между поверхно­стями ослабления пород, м	>1,5	1,0-1,5	0,5-1, 0	0,1-0,5	<0,1
Коэффициент структурного ослабления (Кс)	0,9	0,8	0,6	0,4	0,2

Для рудников цветной металлургии рекомендуется выбирать вид крепи по табл. 2.2, а для угольных шахт по табл. 2.3.

Таблица 2.2 - Выбор крепи по показателю устойчивости пород для рудников

Значение Пу	Рекомендуемая крепь
до 0,10	Крепь не требуется. При интенсивной трещиноватости пород следует применять набрызгбетон толщиной до 30 мм.
0,10-0,30	Анкерная либо комбинированная крепь.
0,30-0,45	Крепи: монолитная бетонная без обратного свода; деревянная; металлическая податливая; комбинированная с металлическими рамами или арками, либо с бетоном.

Таблица 2.3 - Выбор крепи по показателю устойчивости пород для угольных шахт

Значение Пу	Расположение выработки относительно напластования пород	Рекомендуемая крепь
до 0,05	Вкрест простирания и в однородных породах	Крепь не требуется. При интенсивной трещиноватости применять торкретирование.
0,05-0,10	Вкрест простирания и в однородных породах	Крепь не требуется. При интенсивной трещиноватости применять торкретирование или набрызгбетон толщиной до 30 мм.
0,10-0,24	Вкрест простирания и в однородных породах	Набрызгбетон толщиной 30-50 мм, деревянные рамы (параметры рамы - по расчету).
Более 0,24	Вкрест простирания и в однородных породах	Комбинированная крепь - набрызгбетон и ан­керы (параметры по расчету)
до 0,05	По простиранию	Крепь не требуется. При интенсивной трещиноватости применять торкретирование.
0,05-0,10	По простиранию	Крепь не требуется. При интенсивной трещиноватости применять торкретирование или на­брызгбетон толщиной до 30 мм.
0,10-0,24	По простиранию	Комбинированная крепь - набрызгбетон и анкеры (параметры по расчету)
Более 0,24	По простиранию	Податливая металлическая арочная крепь (параметры по расчету)

Расчеты крепей производятся по одной из групп предельных состояний, принятых в строительной механике: первая - по потере несущей способности; вторая - по пригодности к нормативной эксплуатации, т.е. по допустимым деформациям.

Расчеты крепей по первой группе предельных состоянийведутся по значениям расчетной нагрузки (Р) и расчетного сопротив­ления материала крепи (R). Расчетная нагрузка равна величине горного давления на крепь, умноженной на коэффициент перегрузки (m). В большинстве расчетов при этом давление считают установившимся без учета фактора времени, условий формиро­вания давления, глубины ведения горных работ и конструктивных особенностей крепи, что снижает достоверность расчетов.

Расчеты по второй группе предельных состояний выполняют на нормативные нагруз­ки с учетом нормативных сопротивлений материалов, чтобы не допустить чрезмерных деформаций и перемещений конструкций крепи либо ограничить ширину раскрытия тре­щин в породах. Расчетные предельные состояния принимают в зависимости от назначе­ния и вида выработки, срока ее службы в соответствии с эксплуатационными, технологи­ческими и технико-экономическими требованиями.

Для ответственных капитальных горизонтальных и наклонных выработок расчеты рекомендуется выполнять по обеим группам предельных состояний и окончательно при­нимать большие расчетные параметры крепи. Для выработок с небольшим сроком службы (до 5-6 лет) и выработок в зоне влияния очистных работ расчеты можно вести по первой группе предельных состояний.

Расчет деревянной крепи

Расчет деревянной крепи производят по первой группе предельных состояний.И он заключается в определении диаметра верхняка, а при необходимости и диаметра стоек крепежной рамы по максимальному изгибающему моменту, моменту сопротивления элементов крепи и действующим усилиям в этих элементах. При установке крепежных рам вразбежку и необходимости возведения межрамного ограждения (затяжки), то параметры затяжки также подлежат расчетам.

В породах с коэффициентом крепости f>4,когда борта выработки устойчивы, а кровля неустойчива и при отсутствии бокового давления определяют только прочные размеры верхняка крепежной рамы. Диаметр стойки принимается равным принятому диаметру верхняка.

Расчет верхняка.Верхняк уподобляется балке, лежащей на двух опорах. Он выдер­жит давление со стороны кровли, если его сопротивление изгибу (R_из) будет не меньше мак­симального изгибающего момента, обусловленного этим давлением (М_из, кН×м):

R_из×W> М_из, (2.3)

Данному условию будет удовлетворять верхняк диаметром (d, м):

, (2.4)

где a – полупролет выработки по кровле вчерне, м; m - коэффициент перегрузки, ед. (m=1,5 - для стволов, их сопряжений, околоствольных дворов и камер, m=1,2 - для остальных выработок, m=1,5÷2 - соответственно в сложных горно-­геологических условиях); L - расстояние между смежными крепежными рамами, м; R_из – расчетное сопротивление древесины изгибу, кПа (табл. 2.4); n_v - коэффициент условий работы деревянной крепи, (табл. 2.5).

Таблица 2.4 - Характеристики пород древесины

Породы древесины	Плотность воздушно-сухой дре­весины, г/см3	Расчетные значения сопротивления, кПа
при изгибе	при растя­жении вдоль воло­кон	при сжатии и смятии вдоль воло­кон	при сжатии и смятии по­перек воло­кон
Сосна	0.53
Ель	0.46
Пихта	0.39
Лиственница	0.68

Таблица 2.5 - Величина коэффициента условий работы крепи

Величина (nу)	Условия работы крепи
0,75	Для конструкций, длительное время работающих в условиях повышенной влажности
0,85	При кратковременном увлажнении
0,9	В сухих выработках на свежей струе

Расчет межрамных ограждений. Межрамные ограждения (затяжки), бортов и кровли выработок могут сооружаться из досок, обапола, распилов, а также из гибких материалов, металлических сеток, решеток, стеклоткани. При расчете межрамных ограждений норма­тивные и расчетные нагрузки на них от горного давления принимаются такими же, как и при расчете крепежной рамы. Для расчета выбирается та затяжка, которая наиболее на­гружена, т.е. лежащая на участке периметра рамы, где интенсивность давления макси­мальная. Обычно это характерно для кровли выработки. Затяжка рассчитывается как балка, свободно лежащая на двух опорах - соседних рамах, ее пролет принимается рав­ным (L) - шагу рамы.

Толщина затяжек из досок (Δ, м): , (2.5)

где q - максимальная интенсивность нагрузки, кН/м²:

q = b× γ = (a/ƒ)×γ, (2.6)

где b - высота свода обрушения, м.

Толщина затяжек из обапола (Δ_об, м): Δ_об = 1,5× Δ, (2.7)

Толщина затяжек из распилов (d_р, м): , (2.8)