Лекція №6 «вивчення взаємодії порід із кріпленням»
Відповідно до сучасних подань кріплення гірничих виробок певним чином взаємодіє з навколишніми породами, у результаті чого утвориться єдина досить складна просторово-тимчасова система «кріплення–породи». Напружно-деформований стан елементів цієї системи визначається впливом великого числа одночасно діючих факторів, з яких основними є параметри поля напруг масиву гірських порід (як природного походження, так і виникаючого під впливом експлуатаційних навантажень), напруги в кріплення, а також деформаційні характеристики порід, що вміщають, і кріплення.
З урахуванням великого числа діючих факторів і недосконалості сучасних розрахункових методів одним з основних методів вивчення процесів взаємодії кріплення виробок з масивом порід, у конкретних гірничо-геологічних умовах є проведення спеціальних натурних вимірів.
Як правило, натурні виміри носять комплексний характер і містять у собі:
а) вимір параметрів зрушення товщі порід навколо виробки й деформацій її контуру з метою визначення розмірів області порід, що безпосередньо робить тиск на кріплення, а також контролю за станом порід навколо виробки;
б) вимір деформацій в елементах кріплення з наступним розрахунком напруг і зусиль, випробовуваних кріпленням;
в) вимір тиску на кріплення з боку порід, що вміщають, і реакції кріплення.
Деформації в елементах кріплення (рис. 17) вимірюють декількома методами, що практично не відрізняються від методів виміру деформацій будівельних конструкцій. До їхнього числа насамперед ставляться електротензометричний метод і метод фотопружних покриттів.
Рисунок 17 - Деформування аркового кріплення.
Тензодатчики опори або фотопружні покриття приклеюють або наносять безпосередньо на елементи кріплення, напруги в які прагнуть визначити.
Додаткові труднощі при вимірах цими методами в шахтних умовах складаються в необхідності спеціальних заходів щодо забезпечення надійності роботи датчиків й апаратури в умовах підвищеної вологості й забруднення.
Зокрема, за допомогою тензодатчиков опору (рис. 18) зручно вимірювати деформації, оцінювати зусилля й вивчати особливості роботи анкерного кріплення в різних гірничо-геологічних умовах. Із цією метою на поверхню анкерів наклеюють тензометри й за допомогою звичайних тензометричних апаратур вимірюють деформації анкера після його установки в шахті.
Рисунок 18 - Тензометрична штанга - схема пристрою. 1 - арматурний стрижень, 2 - електричні тензометри, 3 – вологозахисний шар, 4 - штепсельне рознімання; 5 - корпус штепсельного рознімання.
Використання фотопружних покриттів відкриває можливості фіксувати характер зміни деформацій безупинно по всій поверхні досліджуваних конструкцій, внаслідок чого цей метод знаходить застосування при дослідженні роботи різних конструкцій кріплень й, зокрема, механізованих кріплень виїмкових агрегатів (рис. 19).
Рисунок 19 - Розташування фотопружних датчиків (б) у кріпленні агрегатів А-3 й епюри розподілу навантажень (а) на кріплення в умовах Підмосковного вугільного басейну. Номерами зазначені фотопружні датчики.
Існує безліч оптично прозорих матеріалів, показник переломлення яких може змінюватися під впливом механічних напруг або деформації. Такі матеріали називаються фотопружними. Їх можна використати в оптичних системах як хвильові пластинки, чутливі до механічних напруг (або деформаціям).
Існує безліч видів таких матеріалів, починаючи від скла, що має низьку чутливість до напруги, але високу до деформації, і закінчуючи желатином, що має дуже високу чутливість до деформації, але низьку – до напруги.
Широко застосовують також методи безпосереднього виміру навантажень на кріпленні різних типів. Із цією метою використають динамометри різноманітних конструкцій — механічні, гідравлічні, електричні з різними типами датчиків.
Механічні стоїчні динамометри (рис. 20). Являє собою пружну мембрану, виготовлену з високоякісної сталі й закріплену в силуминовом корпусі. Навантаження через корпус динамометра передається на мембрану, прогин якої фіксується за допомогою індикаторного вимірника годинного типу або самописа. Оскільки деформація мембрани пропорційна тиску на динамометр, відлік по індикаторі або ордината кривій самописа показує значення навантаження, для чого попередньо динамометр градуюють на пресі.
Рисунок 20 – Конструкція механічного стоїчного динамометру (тип 45Д-135). 1 - ковпачок; 2 - пружина важеля, 3 - верхня опора; 4 - важіль; 5 - нижня опора; 6 - регулювальний гвинт; 7 - мембрана, 8 - пружина; 9 - обичайка.
Подальшим розвитком техніки виміру навантажень на кріпленні гірничих виробок з'явилося створення динамометричних секцій кріплень, що дозволило встановлювати розподіл навантажень на значних площах контакту елементів кріплень із поверхнею стінок, покрівлі й ґрунту виробок.
Особливо більші можливості для вивчення процесів взаємодії порід і кріплення, у тому числі при різній їхній деформаційній здатності, дає конструкція динамометричного кріплення, що дозволяє змінювати деформаційні характеристики в широких межах.
Динамометричне кріплення регульованої піддатливості (мал. 21) являють собою міцний твердий кістяк (наприклад, із залізобетонних або чавунних тюбінгів), оточений поясом металевих балонів, заповнених бітумом1 і розташовуваних по всьому контурі виробки на ділянці вимірів. Балони обладнані динамометрами для виміру тиску бітуму й мають спеціальні клапани для випуску бітуму й зниження тиску. При повністю закритих клапанах кріплення працює практично як тверда система й дозволяє визначати максимально можливу в даних умовах навантаження. При відкритих клапанах бітум повільно випливає з балонів, балони деформуються, кріплення скорочується в діаметрі, при цьому її опір тиску порід, що вміщають, падає. У будь-який момент, при досягненні заданої піддатливості, витікання бітуму може бути припинено, і кріплення знову почне працювати як жорстка конструкція.
Рисунок 21 - Елемент динамометричного кріплення регульованої піддатливості для шахтних стовбурів: 1 - балони для регулювання піддатливості, 2 - динамометр; 3 - тюбінг; 4 - клапан піддатливості.