Расчет горного давления в горизонтальных выработках

При проведении горизонтальных горных выработок в проч­ных слаботрещиноватых породах горное давление визуально может не проявиться и выработка будет устойчивой на про­тяжении длительного времени. Устойчивость выработки в креп­ких сравнительно устойчивых породах обеспечивается путем придания ей сводчатой формы или другими методами.

В слабых сильнотрещиноватых породах или в породах, ли­шенных сил сцепления (водоносные пески, рыхлые породы, плывуны), горное давление на крепь развивается сразу. В этих случаях обычно требуются специальные способы проведения выработок и крепь с высокой грузонесущей способностью.

Для расчета крепи необходимо знать величину горного дав­ления. Величину горного давления расчетным путем в конкрет­ных горно-геологических условиях проведения выработки опре­делить трудно, так как еще недостаточно разработана теория расчета в связи со сложностью явлений, протекающих в мас­сиве горных пород.

В настоящее время все известные методы расчета величины горного давления на крепь выработок предназначены для опре­деленных горно-геологических условий и разделяются на две группы:

1. методы расчета по заданной нагрузке;

2. методы расчета по заданной деформации.

В методах расчета по заданной нагрузке давление на крепь рассматривается как внешняя нагрузка, величина которой не зависит от конструкции крепи и ее податливости. Вторая же группа методов расчета характеризуется тем, что горное давле­ние рассматривается как результат взаимодействия крепи и бо­ковых пород. Величина давления на крепь определяется с уче­том величины деформации контура выработки и деформацион­ных свойств крепи.

Первая группа расчетных методов основывается на положе­ниях и представлениях строительной механики, а вторая — на решениях механики сплошной среды с привлечением теорий пластичности и ползучести.

К расчетным методам (или гипотезам) первой группы от­носятся методы, предложенные профессорами М. М. Протодьяконовым, П. М. Цимбаревичем, В. Д. Слесаревым, Р. Квапилом (ЧССР) и др.

Расчетные методы второй группы в связи со сложностью математического аппарата при аналитическом исследовании проявлений горного давления в настоящей книге не рассмат­риваются. Наиболее полно это направление представлено в ра­ботах А. Лабасса (Бельгия), К.В. Руппенейта (СССР), А. Саутовича (ПНР), Ж.С. Ержанова (СССР) и др.

Расчетные методы первой группы обеспечили практику со­зданием простых инженерных методов расчета величины гор­ного давления на крепь выработок. Они применяются в тех случаях, когда породы на контуре выработки неустойчивы и крепь не препятствует формированию свода обрушения в связи с податливостью или наличием зазоров между крепью и кровлей.

Г ипотеза проф. М. М. Протодьяконова основана на предпо­ложении, что массив горных пород не является сплошным, так как он разбит многочисленными трещинами, а поэтому и не является упругим. По гипотезе над выработкой образуется свод естественного равновесия параболической формы. Свод разгружает давление вышележащих пород и передает его на боковые породы. На крепь выработки оказывает давление лишь порода, находящаяся ниже контура свода естественного равновесия, т. е. порода в объеме свода обрушения.

Схема расчета гор­ного давления на крепь в гори­зонтальной выработке (по М. М. Протодьяконову)

Высота свода равна: b = , где a – полупролет выработки, м; f – коэффициент внутреннего трения для сыпучих пород или коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова.

Величина горного давления на единицу длины выработки определяется весом породы внутри свода (площадь которого равна S = ): Q = , где γ – плотность пород в массиве, кг/м³.

Горное давление на одну крепежную раму будет равно: Q = L, где L – расстояние между рамами, м.

При сроке службы выработки более одного года следует увеличивать в два раза.

Тогда: Q = L .

Величину горного давления по М. М. Протодьяконову мо­жно определять при неустойчивой кровле и устойчивых боках выработки.

Метод проф. П. М. Цимбаревича при расчете величины гор­ного давления следует применять в том случае, когда кровля и бока (или только бока) выработки неустойчивы. Профессор П. М. Цимбаревич считает, что для средних глубин при f>9 выработка является устойчивой и горное давление практически отсутствует. При 4≤f≤9 кровля выработки обычно неустой­чива, а бока и почва — устойчивы. В кровле выработки образу­ется зона обрушения, которая по форме приближается к треугольнику. Высота треугольника определяется так же, как и у проф. М. М. Протодьяконова, т. е. , а давление на одну крепежную раму: .

Е сли выработка имеет прямоугольную форму, кровля и бока которой неустойчивы, над выработкой образуется свод естест­венного равновесия высотой b₁ с основанием 2 . В этом случае в боках выработки происходит сползание боковых породных призм под углом θ, которые оказывают давле­ние на крепь с боков. Считается, что на раму оказывает дав­ление столб породы в пределах свода естественного равновесия высотой b₁ и нагрузка на верхняк рамы распределена равно­мерно.

С хема расчета горного давле­ния на крепь в горизонтальной выра­ботке (по ГР М. Цимбаревичу)

При прямых боках выработки полупролет свода естествен­ного равновесия равен:

,

а при наличии наклона стоек рамы под углом  к горизонталь­ной плоскости (трапециевидное сечение выработки): .

Высота свода естественного равновесия в обоих случаях может быть определена из выражения: . Давление на верхняк рамы (вертикальная нагрузка): .

Полное боковое давление на стойку рамы: .

Расчетный метод определения нагрузок на крепь проф. П. М. Цимбаревича может быть использован при не­устойчивой кровле и боках выработки, а также при неустойчи­вых боках и устойчивой кровле.

Другими методами расчета нагрузки на крепь, основанными на гипотезе сводообразования, являются методы, предложенные В. Д. Слесаревым, Р. Квапилом, В. В. Орловым и др. Расчет­ные методы проф. М. М. Протодьяконова и П. М. Цимбаревича получили наибольшее распространение при определении на­грузки на крепь горизонтальных выработок.