2. Порядок выполнения работы

2.1. На основе исходных данных для проектирования подобрать и изучить специальную литературу на заданную тему (правила безопасности, учебные пособия, справочники, монографии, научно-технические статьи).

2.2. Оценить ожидаемое состояние устойчивости породных обнажений в выработке и сделать предварительный выбор конструкции крепи (вид крепи, как правило, задается). Прогноз устойчивости выработок очень важен. Известно много предложений по этому вопросу. Согласно официально утвержденной методике [16], выделяется 4 категории состояния устойчивости породных обнажений по величине смещений контура. Например, для осадочных пород: 1 категория – состояние устойчивое (до 50 мм); 2 категория – состояние среднеустойчивое (50-200 мм); 3 категория – состояние неустойчивое (200-500 мм); 4 категория – состояние весьма неустойчивое (больше 500 мм).

Для скальных горных пород, где смещения пород на контуре незначительны, оценку устойчивости незакрепленной выработки рекомендуется выполнять по предложенному О.В. Тимофеевым критерию П_В напряженности ее элементов (боков и кровли):

(1)

где: σ - величина напряжений в нетронутом массиве (задается на основе экспериментальных данных или рассчитывается по формулам σ_z=γ∙Н и σ_x=σ_y=σ_z∙λ соответственно для вертикальных и горизонтальных напряжений);

γ – объемный вес толщи пород до поверхности (0,025 МН/м³);

λ – коэффициент бокового распора (λ = μ/(1- μ); μ – коэффициент Пуассона, который условно следует принять равным 0,4);

К₁ – коэффициент концентрации напряжений на контуре

выработки от ее проведения (условно 2,5);

К₂ – коэффициент изменения напряжений от влияния других выработок (1,4 – на одностороннем сопряжении выработок);

К₃ – коэффициент дополнительной концентрации напряжений от воздействия горных ударов или массовых взрывов (1,0 – при их отсутствии, в противном случае по спец. расчетам);

R_СЖ – предел прочности на сжатие породы в образце, МПа;

К_С – коэффициент структурного ослабления (К_С≤1,0) (рис. 1);

К_дл – коэффициент длительной прочности породы (1,0 - 0,5);

К_у – коэффициент упрочнения массива пород анкерованием или инъекционными способами (1,0 - 2,0).

При проектировании выработок коэффициент структурного ослабления K_C вмещающих пород определяется по данным количественного анализа трещиноватости горного массива отдельно для кровли и боков выработки с учетом ее поперечных размеров (B, H – ширина и высота выработки) и среднего расстояния между трещинами l_T (рис. 1).

Рис. 1 Зависимость K_C от степени трещинноватости пород:

B/l_Т – для кровли выработки; H/l_T – для боковвыработки

В критерии П_В числитель представляет собой расчетные напряжения в рассматриваемом элементе, а знаменатель – расчетное сопротивление породного массива в нем.

По величине критерия П_В выделяется 4 категории устойчивости незакрепленной выработки (табл. 2).

Таблица 2

Классификация устойчивости незакрепленной выработки

Величина ПВ	Категория	Состояние устойчивости
меньше 1,0	I	устойчивое
1,0 – 1,29	II	предельное
1,3 – 3,0	III	неустойчивое
больше 3,0	IV	очень неустойчивое

Для прочих условий критерий устойчивости может быть вычислен в соответствии с [7].

На основе задания и прогноза состояния устойчивости выработки назначаются, предварительно, основные конструктивные и технологические параметры крепи (ее толщина, плотность расстановки рам или анкеров, необходимая податливость и конструктивно-технологические пути ее обеспечения и т.п.)

2.3. Размеры поперечного сечения выработки в свету определить по габаритам транспортных средств или оборудования с учетом регламентированных правилами безопасности зазоров и ожидаемой величины смещения пород или деформирования крепи при ее эксплуатации под нагрузкой. Форму поперечного сечения выработки выбирают с учетом необходимых ее размеров, назначения, условий эксплуатации (ожидаемых проявлений горного давления), принятого типа и конструкции крепи.

При определении и выборе формы и размеров поперечного сечения выработки рекомендуется графический способ (вычерчивание схем в масштабе) как наиболее наглядный и удобный. При оформлении чертежа поперечного сечения следует в качестве примера использовать подходящее типовое сечение [19, 20].

2.4. В расчетной схеме крепи или системы массив – крепь должна быть отображена конструктивная схема крепи (с обозначенными на ней размерами) и схема ее нагружения. Сборные крепи из дерева, металла и железобетона наиболее часто представляют в виде замкнутых или незамкнутых шарнирных рам различной формы.

Прямоугольные и трапециевидные рамы обычно рассматривают как четырехшарнирные стержневые конструкции (рис. 2, а, б), которые при необходимости усиливают стойками с прогоном или стропильной крепью (рис. 2, в, г). Арочные и кольцевые крепи (рис. 3) часто выполняют в виде двух – шести шарнирных конструкций. Кольцевая крепь, кроме того, может быть и бесшарнирной (рис. 3, а).

Схему нагружения чаще всего принимают в виде равномерно распределенной нагрузки сверху и с боков.

Определение величины и характера распределения пассивных нагрузок сопряжено во многих случаях со значительными трудностями из-за значительной их зависимости от условий на контакте крепи с массивом пород; эти условия в свою очередь зависят от ряда случайных факторов (неравномерности толщины и качества забутовки закрепного пространства, качества сборки крепи и т.п.). Поэтому при расчете сборных рамных крепей часто схему нагружения представляют в виде активных нагрузок (распределенных или сосредоточенных), величины которых определяют по одной из теорий горного давления или по результатам экспериментальных исследований.

На рис. 2 и 3 представлены расчетные схемы наиболее распространенных типов крепи, нагруженных равномерно распределенной вертикальной нагрузкой р [кПа], и боковой np [кПа], где n – коэффициент боковой нагрузки, принимающий значения от 0 до 1, а в отдельных случаях и больше. В литературных источниках приведены расчетные схемы некоторых других типов крепи [2, 3, 4]. Следует иметь в виду, что величина нагрузки на податливые конструкции крепи, как правило меньше, чем на жесткой.

Рис. 2. Расчетные схемы прямоугольных и трапециевидных конструкций крепи

Рис. 3 Расчетные схемы кольцевых и арочных конструкций крепи

2.5. Расчет крепи включает в себя определение на первом этапе усилий в элементах и узлах крепи, а на втором – выбор размеров сечения элементов крепи и их проверку на прочность и устойчивость. Иногда, при заданных размерах сечения элементов, определяют необходимое число рам на 1 м выработки и расстояние между рамами крепи. По результатам расчета усилий в элементах крепи следует построить эпюры изгибающих моментов М [кНм], продольных N [кН] и поперечных Q [кН] сил. Эпюры позволяют четко выявить характер работы элементов крепи, а также грубые ошибки, если они допущены при расчете.

2.5.1. Методика расчета усилий в элементах прямоугольных или трапециевидных четырехшарнирных (рис. 4) конструкций (рис. 2, а, б) изложена в справочниках по креплению горных выработок [8, 10]. Следует заметить, что в трапециевидных крепях обычных горных выработок принимают угол наклона стоек к горизонту =80-85, поэтому влияние такого наклона на усилия в стойке и верхняке незначительно и им можно пренебречь, считая крепь как прямоугольную с пролетом l [м] (рис. 2). Расчетные формулы при этом упрощаются. В усиленных конструкциях трапециевидной крепи (рис. 1, в, г) верхняк рассматривают как двух- или трехпролетную неразрезную балку (рис. 2, д-ж) и определяют усилия в нем с учетом реакции промежуточных опор. Расчетная схема стойки крепи по схеме на рис. 2, б представлена на рис. 2, з. Методика расчета усилий в элементах таких крепей приведена в приложении 1.

2.5.2. Методика расчета усилий в элементах кольцевых бесшарнирных, трех- и четырехшарнирных крепей (рис. 5) (соответственно рис. 3, а, в, д) представлена в справочнике [8]. Там же приведена методика расчета пяти- и шестишарнирных кольцевых крепей, а также двух-, трех и пятишарнирных арочных крепей для частного случая арок с вертикальными прямыми стойками (рис. 3, г). Нами рекомендуется использовать для расчета двух- и трехшарнирных арок (рис. 3, в, г) методику, приведенную в приложениях 2, в которой рассмотрен общий случай арок с наклонными стойками (рис. 3, б, г).

Рис. 4. Конструкция и габаритные размеры трапециевидных деревянных крепей: а – симметричная; б – несимметричная.

Следует заметить, что в обычных конструкциях податливой крепи из шахтного специального профиля СВП при соединении элементов внахлестку с помощью двух хомутов узлы податливости не являются шарнирными. Поэтому кольцевую крепь из СВП рассчитывают как бесшарнирное кольцо (рис. 3, а), а арочную – как двухшарнирную арку (рис. 3, б). В узлах податливости некоторых конструкций крепи предусмотрены шарниры. Они должны быть учтены при составлении расчетной схемы.

2.5.3. Расчет параметров анкерной крепи: длины анкеров, расстояния между ними (или плотности расстановки) и несущей способности – начинают с определения размеров зоны возможного обрушения пород вокруг выработки и выбора на этой основе длины и типа анкеров. Рекомендуемая методика расчета параметров металлической, железобетонной и деревянной анкерной крепи изложена в работах [3, 10, 18]. В тех случаях, когда напряжения в массиве пород вокруг выработки недостаточно велики и не вызывают закономерного разрушения пород у контура выработки, но не исключено вывалообразование вследствие трещиноватости массива, размеры зоны возможного обрушения пород могут быть определены пометодике, изложенной В.М.Мостковым [7].

2.5.4. Расчет параметров набрызг-бетонной крепи, при ее самостоятельном и совместном применении с анкерной или рамной крепями, может быть выполнен по методике В.М.Мосткова и И.Л.Воллера [7]. Возможно применение других методик расчета набрызг-бетонной и комбинированной крепей.

2.5.5. Расчет монолитных и сборных сплошных бетонных и железобетонных крепей рекомендуется выполнять по методике, изложенной в работах [2, 4].

2.5.6. Расчет элементов крепи, проверку на прочность и устойчивость выполняют в соответствии с указаниями соответствующих глав строительных норм и правил [14-17]. Следует при этом учитывать, что элементы рамной крепи горных выработок, как правило, работают на изгиб и продольное сжатие.

Рис. 5. Конструкции и габаритные размеры арочных крепей из СВП в выработках:

а – однопутевой, б – двухпутевой.

Предварительный выбор поперечного сечения элемента крепи выполняют обычно по условию его прочности на изгиб, а затем принятое сечение проверяют с учетом продольной силы, а также на устойчивость (продольный изгиб). Коэффициент условий работы крепи в горных выработках принимают согласно указаниям СНиП.

2.7. Расчет расхода крепежных материалов выполняется в пояснительной записке раздельно по элементам крепи и приводится на чертеже в виде таблицы (см. табл. 1).