Введение

Горная крепь - искусственное сооружение, которое возводится в выработках для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых площадей сечений выработок в нормальном состоянии на протяжении всего срока эксплуатации.

В общем комплексе работ, связанных с добычей полезных ископаемых, важное место занимает крепление и поддержание капитальных выработок. Для дальнейшего совершенствования горно-подготовительных работ в выработках особую роль занимает проблема развития методов прогнозирования проявлений горного давления и расчета крепей. С применением численных методов и ПЭВМ методы выбора способов охраны выработок и проектирования крепей получили достаточно достоверную научную основу, что приводит к улучшению состояния выработок и способствует повышению технико-экономических показателей подземной разработки.

Цель данного курсового проектирования – приобретение навыков проектирования крепи горных выработок с использованием современных ПЭВМ.

Исходными данными для проектирования являются горно-геологические и горнотехнические условии проведения выработок в реальных условиях со следующими характеристиками:

Сечение выработки Sсв - 12,8м2

Высота выработки-3400 мм

Ширина выработки - 5300 мм

Глубина залегания - 950м

Прочность пород, МПа/мощность, м: 1 аргиллиты - 32/2,0;

алевролиты - 45/2,8; песчаники-58/6,9; уголь - 18/2,6.

Обводненность: небольшая

Расстояние от почвы пласта – 4/0

Угол падения пород - 9 градусов.

Направление проходки – под углом

Срок службы - 4 года, одиночная

Тип выработки - вскрывающая

Условия проходки - БВР

Расчет внутренних усилий в крепи производится по программе, разработанной авторами под руководством проф. Колоколова С.Б.

Курсовой проект состоит из двух частей: расчета металлической арочной податливой крепи и расчета монолитной бетонной крепи.

1. Расчет горного давления на крепь выработки

1.1. Определение расчетных сопротивлений окружающих выработку пород

По заданному сечению выработки определяются основные геометрические размеры выработки (высота, ширина, радиус). Данные по геометрическим размерам крепи приведены в справочной литературе (справочник по креплению). Данные в задании приведены для сечения выработки в свету, а для расчетов необходимо использование геометрических размеров для сечения выработки в проходке. Для этого размеры по ширине выработки должны быть увеличены на 0,4 м, а по высоте на 0,3 м.

Нпр=h+300мм (1.1) Нпр=3400+300=3700мм

Впр=b+400мм. (1.2)

Впр=5300+400=5700мм

Расчетная глубина Нр размещения подземной горной выработки определяется по формуле:

Нр=Н*k, м (1.3)

где Н –проектная глубина заложения выработки, м; k - коэффициент учитывающий отличие действующего напряженного состояния массива от собственного веса толщи пород до поверхности. Принимается в зонах тектонических нарушений равным 1.5. и равным 1.0 во всех остальных случаях.

Нр=900*1=900м

Расчетное сопротивление пород сжатию Rc определяется по формуле:

Rc=R*kc*kH2O, Мпа

R - среднее значение сопротивления пород в образце на одноосное сжатие, МПа;

kc - коэффициент учитывающий дополнительную нарушенность массива пород.

kH2O - коэффициент обводненности

Rcаргил=1*32*0,75 = 24 МПа

Rcалевр=1*45*0,8 = 36 МПа

Rcпесч=1*58*0,9 = 52 МПа

Rcуголь=1*18*1 = 18 МПа

В случае обводненности проектируемой выработки снижение прочности пород за счет воздействия влаги учитывают путем уменьшения прочности песчаников до 20%, алевролитов до 40% и аргиллитов до 50%.

Для оценки ранее выполненной проектной документации и при использовании имеющихся нормативных документов допускается определять сопротивление пород сжатию в образце R по коэффициенту крепости пород f в соответствии со шкалой М.М. Протодьяконова.

R=10*f (1.5)

где f - коэффициент крепости пород, принимаемый по шкале М.М. Протодьяконова.

Расчетное сопротивление пород сжатию Rc по контуру поперечного сечения выработки должно определяться с учетом всех пересекаемых выработкой слоев (пластов) мощностью более 0,1 м, залегающих на расстояниях от контура сечения выработки: в кровле 1,5 B, в почве и боках выработки - 1B, где B - ширина выработки (см. рис.1). При наличии п слоев, залегающих по контуру поперечного сечения выработки, с изменчивостью Rc в пределах 30% принимается для всей выработки усредненное значение расчетного сопротивления пород сжатию, определяемое по формуле:

Rcy=(m1R1+m2R2…+mnR) /(m1+m2+…mn)

где R - расчетное сопротивление пород сжатию, МПа;

n - число породных слоев;

m - мощность i-го слоя.

Rкровля= МПа

Rпочва= МПа

Rбок= МПа

Определение требуемых характеристик крепи

По методике ВНИМИ, для прогноза устойчивости горизонтальных выработок угольных шахт в качестве критерия устойчивости принимается величина ожидаемых смещений на контуре сечения незакрепленной выработки за весь срок ее службы, определяемых по формуле:

u=КККSКвКtUт, мм

где, uт - смещения (типовые), определяемые по графикам (рис.1.2);

Рисунок 1.2. - Графики для определения типовых смещений пород.

Uт кр=280; Uт бок=1050; Uт поч=500

К - коэффициент, учитывающий направление смещений пород и принимающий значение 1 при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении). При определении боковых смещений пород (в горизонтальном направлении) К принимается по табл.1.1.

Таблица 1.1

Кαкр= 0,85; Кαбок= 0,85; Кαпоч= 0,85

К - коэффициент, учитывающий направление смещений пород и принимающий значение 1 при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении). При определении боковых смещений пород (в горизонтальном направлении) К принимается по табл.1.1.

Кθкр = 0,45; Кθпоч = 0,45; Кθбок = 0,45

КS - коэффициент влияния пролета выработки для кровли и почвы принимается равным КS = 0,2 (b-1), для боков выработки КS = 0,2 (h-1) (b - пролет выработки, h - высота выработки);

Кsкр. пч. =0,2(5,7-1) =0,94 (1.8)

Кs бок=0,2(3,7-1) =0,54

КВ - коэффициент влияния других выработок, равный для одиночных выработок 1;

Кt - коэффициент влияния времени, принимаемый равным 1 для выработок, срок службы которых более 15 лет.д.ля выработок срок службы которых более года Кt определяется по рис.1.3. Смещения определяются отдельно для кровли, почвы и боков выработки.

Рисунок 1.3. - Графики для определения коэффициента Кt при сроке службы выработки более года.

Uкр=0,85*0,45*0,94*1*1*280=101 мм.

Uпоч=0,85*0,45*0,94*1*1*500=180 мм.

Uбок=0,85*0,45*0,54*1*0,5*1050=108 мм.

1.3. Определение расчетных нагрузок на крепь

Нормативные нагрузки на незамкнутую крепь определяют по графикам рис в зависимости от смещений пород U и ширины выработки в проходке. Если свойства пород в боках выработки различны, то ожидаемые смещения U и определяемые по смещениям нормативные нагрузки боковые нагрузки также будут отличаться друг от друга. В этом случае для дальнейших расчетов принимают усредненное значение нормативной нагрузки со стороны боков и нормативную нагрузку со стороны почвы.

Нормативные нагрузки на замкнутую крепь также определяются по графикам рис.1.4. отдельно для кровли, почвы и боков. Усредненная вертикальная нагрузка определяется по значениям нормативных нагрузок со стороны кровли и почвы, усредненная горизонтальная нагрузка - по значениям нормативных нагрузок со стороны боков.

В=6 м

В=5 м

В=4 м

Рисунок 1.4. - Графики определения нормативной нагрузки на крепь

Расчетная вертикальная нагрузка на 1 м длины выработки определяется по формуле:

Рв=kп*kн*kпр*Рнв, кПа, (1.9)

где kп - коэффициент перегрузки, учитывающий изменчивость нагрузки (табл.1.2);

kн - коэффициент, принимаемый для главных вскрывающих выработок равным 1,1; для остальных-1;

kпр - коэффициент условий проведения выработок, принимаемый равным 1 при проведении выработок буровзрывным способом.

Рнв - нормативная вертикальная нагрузка.

Таблица 1.2. - Значения коэффициента kп

Рв=1,1*1*1*45=50 кПа

Расчетная нагрузка на 1 м выработки со стороны боков определяется по формуле:

Рб=kп*kн*kпр*Рнб, кПа, (1.9)

где Рнб - нормативная горизонтальная нагрузка, кПа.

Рб= 1,1*1*1*29=32 кПа

2. Расчет металлической арочной податливой крепи

По полученным данным расчетных сопротивлений окружающих выработку пород, определение смещений контура выработки и определение расчетных нагрузок на крепь. Выбор данных параметров производится согласно разработанной методики ВНИМИ.

Полученные данные должны быть введены следующие данные:

1) Радиус криволинейной части крепи R и высота прямолинейной части (стоек) h, (рис.2.1).

R=В/2 (2.1)