РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ НАГРУЖЕНИЯ
И ОСОБЕННОСТЕЙ СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ РАМНЫХ КРЕПЕЙ
2.1. Задачи и методика шахтных инструментальных наблюдений
Анализ научных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках [9, 14, 16, 24, 25, 28, 32] показывает, что в современных условиях ведения подземных работ нагрузка на крепь имеет неравномерный, зачастую асимметричный характер распределения, в результате чего крепь может терять несущую способность, несмотря на высокий запас прочности отдельных своих элементов. Это ведет к нерациональному расходу материальных ресурсов, росту затрат на крепление и поддержание выработок. Основными причинами такого положения являются несовершенство конструкций крепей, представляющих собой систему взаимосвязанных элементов из одинаковых спецпрофилей, а также методов расчета, использующих всестороннее (в большинстве случаев равномерное) распределение нагрузки. Несмотря на то, что многие авторы [9, 14, 24, 50, 62, 105, 157] обращали внимание на существенную неравномерность действующих усилий и локализацию участка сосредоточения нагрузки, механизм и закономерности ее формирования не были достаточно изучены и учтены в расчетных схемах крепи.
Решение задачи равномерного нагружения крепи некоторые исследователи видели исключительно в обеспечении эффективного контактного взаимодействия рам с массивом пород (тампонаж закрепного пространства, технология "Буллфлекс", распор рамной крепи и др.), что должно было, по их мнению, обеспечить равномерно распределенную (или близкую к ней) нагрузку по периметру крепи [102-104, 165, 242 и др.].
Другим направлением решения этой задачи было воздействие на массив вмещающих пород, с целью снижения неравномерности и интенсивности смещений пород, т.е. формирования благоприятных условий нагружения крепи (методы разгрузки массива [15, 25], анкерование отдельных участков контура [94, 106]).
Следует отметить, что данные способы весьма перспективны для повышения устойчивости горных выработок, однако их применение сопряжено с высокими дополнительными затратами, причем обеспечить равный запас прочности узлов и грузонесущих элементов рамы, как правило, не удается.
Это выдвигает в число приоритетных направлений исследование напряженного состояния стальных рамных крепей в различных горно-геологических условиях формирования нагрузки с последующей разработкой способов управления усилиями непосредственно в конструкции крепи.
Для реализации данного направления необходимо исследовать параметры участка активного нагружения рамной крепи, что потребовало проведения комплексных шахтных наблюдений. Особое внимание в данном случае было уделено количественной оценке эксплуатационного состояния крепи, учитывающей работоспособность различных узлов и элементов конструкций. При этом впервые были проведены систематизация, оценка и прогнозирование ошибок проектирования крепи с учетом влияния основных горнотехнических факторов.
Целью шахтных инструментальных наблюдений являлись сбор, накопление и обработка фактических данных о формировании нагрузки и эксплуатационном состоянии крепи в различных горно-геологических условиях. Задачами натурных наблюдений являлись:
- разработка и обоснование количественных критериев эксплуатационного состояния крепи, а также планов контроля горных выработок;
- сбор и обработка фактических данных о работоспособности крепи и ее отдельных элементов, согласно разработанной классификации состояний;
- сбор информации для построения вероятностных функций распределения смещений горных пород в условиях их среднего и высокого метаморфизма;
- выявление характерных особенностей взаимодействия крепи с массивом пород, формирования нагрузки на крепь;
- выявление, анализ и прогноз ошибок проектирования крепи первого и второго рода.
Отличительными чертами принятой методики шахтных инструментальных наблюдений являлись:
- разработка и использование плана контроля горной выработки, обосновывающего необходимое количество наблюдений при заданной надежности результатов;
- новая классификация состояний крепи, базирующаяся на предложенных количественных критериях работоспособности с выделением четырех эксплуатационных состояний крепи (в т.ч. недогруженного состояния);
- использование нового способа измерения изгибающих моментов, действующих на контрольных участках периметра крепи.
Важной особенностью методики является обобщение региональных горно-геологических условий ведения подземных работ для группировки характерных особенностей формирования нагрузки на крепь. В этих целях удобно воспользоваться хорошо разработанным в геологии понятием метаморфизма угля. Ведущее значение для углефикации основной массы ископаемых углей имел региональный метаморфизм, обусловленный изменением физических и физико-химических свойств органического вещества углей и вмещающих пород в зависимости от палеотермических условий, в которых те или иные участки угленосных площадей находились при максимальном их погружении в недра земли. Таким образом, стадии и классы метаморфизма углей (табл. 2.1) показывают, каким воздействиям подвергались угли и вмещающие породы, что косвенным образом характеризует их прочностные и деформационные свойства [187]. Поэтому при сборе и обработке больших объемов (выборок) статистической информации класс метаморфизма углей следует считать удобной обобщающей характеристикой устойчивости пород горного массива. В классификации метаморфизма наиболее четким и последовательным изменением значений характеризуется показатель отражения витринита R0, принятый за основу классификации.
Таблица 2.1
Классификация ископаемых углей по стадиям метаморфизма
ГруппаСтепень метаморфизмаПоказатель отражения витринитав иммерсионном масле, R0,%в воздушной среде, 10R, усл. ед.классБуроугольная01
02
030,30
0,30-0,39
0,40-0,49<58
58-66
67-6901
02
03Ка