Лабораторная работа № 1. Определение параметров крепи очистных забоев

Задание. Определить параметры распорной крепи при выемке запасов маломощных рудных месторождений системами разработки с креплением выработанного пространства.

Крепление очистных забоев применяется при неустойчивых руде и вмещающих породах. Наиболее простые виды крепи - деревянные стойки и распорки, крепежные рамы, станки, костры. Кроме того, используется каменная или бетонная крепь. При отработке месторождений горизонтального и пологого залегания (главным образом калийных и марганцевых) применяются металлические стойки и механизированные передвижные крепи.

Крепление очистного забоя деревянной крепью в настоящее время чаще всего встречается в практике отработки жильных месторождений мощностью не более 2, 0-2, 5 м и месторождений со слабыми рудами и вмещающими породами системой слоевого обрушения.

Работа крепи определяется ее рабочим сопротивлением Р_а и податливостью δ _а, величина которых зависит от угла падения залежи α = 0.

, МПа (1.1)

где Р_о и δ _о - необходимые сопротивление и податливость крепи при α = 0.

Для большей безопасности ведения горных работ и надежного поддержания очистного пространства в верхней части блока значения Р_а и δ _а необходимо принимать по величине равными Р_max = (0, 9-1, 0) Р₀ и δ _max = (0, 9-1, 0) δ ₀ соответственно.

В связи с тем, что расстрелы поддерживают слабую, склонную к обрушению непосредственную кровлю, нагрузки на крепь должны определяться с учетом трещиноватости кровли, а места ее установки - с учетом расстояний между трещинами. Стойки рекомендуется устанавливать с отклонением от нормали по восстанию на 6-10° во избежание их выпадения. Для обеспечения совместной работы пород и крепи необходимо тщательное расклинивание расстрелов со стороны лежачего и висячего боков, а для предотвращения вывалов - затяжка обнажений висячего бока (рисунок 1.1). Крепежный лес для уменьшения его гниения устанавливается вершиной вниз. Расстрел в нижней части обязательно зарубается топором под «карандаш». Это повышает несущую способность крепления за счет уменьшения площади его опоры и лучшего проникновения стоек крепи в породы лежачего бока.

Если породы висячего бока имеют однородное строение, то давление на крепь определяется на основании теории свода.

Для случая кососекущей трещиноватости пород непосредственной кровли (рисунок 1.2) рабочее сопротивление стоек определится по формуле, рекомендованной институтом ВНИМИ

, МПа (1.2)

где w - угол между диагональными трещинами и нормалью к залежи, град.;

f - коэффициент внутреннего трения пород.

Рисунок 1.1. Схема установки крепежных стоек

Рисунок 1.2. Схема определения рабочего сопротивления стоек при трещиноватой слоистой непосредственной кровле: 1 - выработанное пространство; 2 - стойки; 3 - целик; 4 - непосредственная кровля; 5 - порода-мост

Расчеты показывают, что с увеличением угла падения залежи а давление на крепь Р_а уменьшается. Если α = 90^о, то крепь испыты­вает боковой распор пород σ _х и рабочее сопротивление крепи выби­рается из условия Р_а > σ _х.

Расчет параметров крепежной стойки производится с учетом распределения опорного давления по площади очистного блока для са­мых неблагоприятных условий работы - в средней части блока. Вели­чины Р_о и δ _о принимаются на основании давления пород, заключен­ных в объеме свода.

В случае поддержания очистного забоя крепежными рамами рассчитываются не только стойки, но и верхняки. Расчеты проводятся для наиболее тяжелых условий работы крепи (на границе с вырабо­танным пространством).

На рисунке 1.3 приведен случай разработки месторождения системой слоевого обрушения, когда для обеспечения безопасности работ со­храняются неполные крепежные рамы в трех отрабатываемых заходках, остальные погашаются вместе с обрушением пород.

Рисунок 1.3. Схема к расчету крепежной рамы: а - схема расположения крепления в забое; б - эпюра действующих нагрузок; 1, 2, 3 - заходки; 4 - рудный массив; 5 - контур предполагаемого обрушения

Давление на крепежные рамы будет возрастать в направлении от рудного массива к выработанному пространству, поэтому, в зависи­мости от удаления от очистного забоя, каждая стойка и верхняки бу­дут испытывать различные напряжения и деформации. В случае, при­веденном на рисунке 1.3, а, в наиболее тяжелых условиях горного давле­ния будет находиться заходка 1, предназначенная для погашения. Заходка 2 предназначена для передвижения людей, доставки в очистной забой крепежных материалов. Основные работы по добыче полезного ископаемого (бурение, доставка) сосредоточиваются в заходке 3, по­этому ее крепление должно быть наиболее надежным.

Размеры отдельных элементов крепежных рам определяют из ус­ловий напряженного состояния вышележащих пород. Для этого опыт­ным путем или расчетами горного давления определяют нагрузки на стойки и верхняк крепежной рамы, на основании которых методами строительной механики рассчитывают параметры крепи.

Диаметр верхняка выбирают на основании момента сопротивле­ния для круглого леса по формуле

(1.3)

Откуда

, м. (1.4)

Зная максимальное сопротивление изгибу, σ _изг = М_max /W, где M_max - максимальный изгибающий момент, кН, можно определить

, м (1.5)

Если учесть коэффициент запаса прочности крепежного материа­ла К_з, то формула (1.5) примет следующий вид

, м. (1.6)

Коэффициент запаса прочности К_з обычно принимают равным 1, 5-2, 0.

Величины сопротивления различных материалов стойки на сжатие σ _сж и на изгиб σ _изг приведены в таблице 1.1.

Максимальный изгибающий момент определяется в зависимости от распределения нагрузки на верхняк:

- при равномерно-распределенной нагрузке q на пролете l

, кН; (1.7)

Таблица 1.1

Характеристика крепежных материалов из древесины

- при различных усилиях P₁ и P₂

, кН (1.8)

где R ₁ - реактивное усилие , кН м;

l₀ - расстояние от стойки крепежной рамы до точки максимального прогиба верхняка.

, м (1.9)

P₁ = q₁ b и P₂ = q₂b - соответственно усилия на стойки со стороны рудного массива и выработанного пространства, кН;

q₁ и q₂ - дейст­вующие на стойки напряжения, кПа;

b - расстояние между крепеж­ными рамами, м.

Величину M_max определяют по формулам (1.7, 1.8) и, подставив его значение в формулу (1.6), находят диаметр верхняка. Стойки принимают такого же диаметра, что и верхняк, но предварительно прове­ряют на прочность при большем осевом усилии. Если P₂ ≤ σ _сж S_ст, то стойка будет устойчивой. В этом выражении σ _сж - сопротивление материала стойки на сжатие, кПа; S_ст - площадь сечения стойки, м.

Верхняки в заходках 1 и 2 на рисунке 1.3, а будут нагружены равно­мерно-распределенной нагрузкой и расчеты M_max можно произво­дить по формуле (1.7). При этом значение q должно быть значительно выше, чем q₁ и q₂. В заходке 1, крепи, рассчитанные для заходки 3, под воздействием давления отслаивающейся непосредственной кров­ли будут деформироваться. Этот процесс наблюдается на практике.

Таблица 1.2

Данные к лабораторной работе № 1