Основные нормативные документы

Вклад российских ученых и горных инженеров в создание и совершенствование расчетных методов выбора конструктивных параметров крепи и дальнейшее развитие теории крепления горных выработок.

Понятие о крепи и креплении горных выработок.

Горная крепь (шахтная, рудничная) – искусственное сооружение, возводимое для предотвращения обрушения окружающих выработку горных пород, сохранения необходимых размеров поперечного сечения и рабочего состояния выработок.

Крепление выработки – это совокупность работ по возведению (установка или монтаж) в ней крепи (обделки) с целью предотвращения обрушения или уменьшения смещения окружающих пород и обеспечения необходимых для эксплуатации размеров и формы поперечного сечения.

Поддержание выработки – совокупность оперативных технических мероприятий, устраняющих нарушение ее устойчивости в период эксплуатации. Сюда входят работы по частичному ремонту крепи (обделки), подрывке подошвы выработки, дополнительному ее креплению, перекреплению, последующему упрочнению массива пород и пр.

Под устойчивостью выработки понимается способность ее сохранять заданные размеры и форму поперечного сечения в течение всего срока службы (эксплуатации).

Коэффициент концентрации напряжений - отношение напряжения, возникающего после проведения выработки, к первоначальному. Обычный диапазон его значений 1,3-3,0.

В дальнейшем проблемами расчета горного давления для тех или иных горно-геологических и горнотехнических условий занимались П.М. Цимбаревич, В.Д. Слесарев, А.Н. Динник,А.Г. Протосеня, А.Н. Ставрогин, К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Б.А. Картозия, Н.С. Булычев, Г.Л. Фисенко,и др.

Некоторые из предложенных гипотез обеспечили создание простых инженерных методов расчета, дающих приемлемые для практики решения отдельных задач горного давления и расчета крепи. В настоящее время широкое развитие получили теории горного давления, в основе которых лежат строгие методы механики сплошной среды, позволяющие решать задачи, связанные с проявлением горного давления, на более высоком уровне.

Для предотвращения нарушения связанности пород (их обрушения) горную выработку необходимо крепить. Крепь горных выработок наряду с обеспечением рабочего состояния выработок и безопасных условий работы в них в течение всего срока службы и минимальными первоначальными затратами на изготовление, возведение и эксплуатацию должна быть не сложной в изготовлении (технологичной), транспортабельной, удобной для обслуживания и надежной в работе, обладать незначительной трудоемкостью при возведении, иметь простые по конструкции и легко собираемые узлы и минимальное число составных элементов, занимать в выработке небольшую площадь в поперечном сечении.

Крепь должна обладать постоянством механических свойств; иметь минимальный расход материалов на единицу несущей способности крепи.Для достижения устойчивости выработки необходимо каким- либо способом крепления увеличить собственную несущую способность пород. Наиболее эффективным способом является увеличение прочности на изгиб и растяжение воздействующих на выработку пород. Необходимое упрочнение против действия растягивающих напряжений наиболее эффективно и просто может быть осуществлено закреплением в породах стальных или полимерных стержней – анкеров. Рассмотрим развитие теории крепления горных выработок на примере теории анкерного крепления анкерной крепи.

По вопросу анкерного крепления выполнено большое число исследований отечественных и зарубежных ученых, позволивших на научной основе глубже подойти к раскрытию физической сущности этого вида крепления. Обширные экспериментальные и аналитические исследования, а также данные практики не привели к созданию общепризнанной теории работы анкерной крепи и разработке единого метода расчета ее параметров. Однако анализ существующих методов расчета показывает, что подавляющим большинством ученых в качестве основного фактора, определяющего плотность установки анкеров, принимается несущая способность замка анкера или его начальное натяжение.

Существующие представления об анкерном креплении горных выработок, изложенные в работах отечественных и зарубежных исследователей, можно свести к пяти основным теориям: подвешивания непосредственной кровли к основной; формирования грузонесущей конструкции; сжатия поддерживающих пород; совместной работы крепи и породы; энергетической теории.

Теория подвешивания непосредственной кровли впервые была предложена в 1950г. Ф. Бакки, ее сторонниками являются Л. Рабцевич, Б.К. Чукан, А.П. Широков и ряд других исследователей.

Сущность этой теории состоит в том, что слабые, разрушенные или склонные к отслоению породы непосредственной кровли горной выработки подвешиваются анкерами к более прочным и устойчивым породам. Длина анкеров принимается при этом из условия закрепления их замков за пределами зоны возможного обрушения, а плотность установки анкеров должна быть такой, чтобы их суммарная несущая способность превышала вес поддерживаемых ими пород. Основной расчетной величиной для определения параметров анкерной крепи является площадь кровли, приходящаяся на один анкер, и определяемая как функция несущей способности его замка или предварительного (начального) натяжения анкера.

Теория формирования грузонесущей конструкции впервые была сформулирована О.Якоби и получила дальнейшее развитие в работах В.Н.Семевского, Е.Я. Махно, Л. Панека, О.В.Тимофеева, Б.К. Чукана, А.А. Борисова и других исследователей.

Сущность этой теории состоит в том, что при анкерном креплении горные породы подвергаются искусственному упрочнению и в массиве формируется грузонесущая конструкция, аналогичная составной балке, плите, своду или арке. Скрепляемые породы подвергаются в этом случае главным образом сжатию, а анкера воспринимают растягивающие усилия.

Расчетными методами, базирующимися на этой теории, длина анкеров определяется исходя из различных соображений. Площадь кровли, приходящаяся на один анкер, в явном или неявном виде зависит от натяжения (несущей способности) анкеров или прочностных свойств материала, из которого они изготовлены.

Сторонники теории сжатия поддерживающих пород Ж. Талобр, Р.Квапил, А. Югон и А. Кости предполагают, что работа анкерной крепи сводится к сжатию скрепляемой толщи пород и предотвращению возникающих в ее нижних слоях растягивающих напряжений. если сразу же после выемке горной массы установить анкерную крепь, сжав породы усилием, равным предварительному натяжению анкеров, развитие растягивающих напряжений прекратится и разрушение пород на контуре выработки не произойдет. Если же выработка в течение некоторого времени остается незакрепленной, то кровля подвергается изгибу и развивающиеся в нижних слоях растягивающие напряжения приведут к опасным деформациям и обрушению пород кровли. Площадь кровли, приходящаяся на один анкер, определяется авторами этой теории в зависимости от величины начального натяжения анкеров.

Рассмотренные теории работы анкерной крепи согласуются с данными практики в тех условиях, для которых они рекомендуются. Однако предложенные в соответствии с этими теориями методы расчета основаны на упрощении рассматриваемых явлений и содержат ряд допущений, снижающих достоверность и практическую ценность полученных при расчетах результатов.

Так, взаимодействие анкерной крепи и поддерживаемых ею пород авторы указанных выше гипотез рассматривают как статическую задачу, хотя общеизвестно, что после установки крепи горные породы в течение определенного времени продолжают смещаться в сторону выработки. В качестве основного фактора, определяющего плотность установки анкеров, принимается несущая способность замков анкеров или их начальное натяжение. При этом предполагается, что величина несущей способности анкеров и их натяжение в процессе работы крепи остаются неизменными, хотя данные практики и специальных исследований показывают, что натяжение анкеров, установленныхв горных выработках, претерпевает существенное изменение, которое значительно может отличаться от первоначального.

В связи с этим в последние годы все большее внимание уделяется изучению работы анкеров в условиях их длительной эксплуатации. Механизм взаимодействия анкерной крепи и поддерживающих пород раскрывается теорией совместной работы крепи и породы, в соответствии с которой анкерная крепь, обладая определенной податливостью, не может полностью предотвратить процесс неупругого смещения пород кровли, а может лишь ограничить его скорость и при определенных условиях приостановить. По этой схеме работы анкерной крепи обеспечивается взаимодействие отдельных слоев пород в кровле выработки. Это означает, что отдельные слои пород в зоне пониженных напряжений стягиваются анкерами, тем самым исключается в этих слоях действие вертикальных растяжения и сжатия и обеспечивается несущая способность кровли выработки.

В настоящее время для определения величины горного давления и нагрузок на крепь в конкретных горно-геологических условиях пользуется рекомендациями СНиП 3.02.03-84 «Подземные горные выработки», в которых учтены последние достижения в области механики горных пород. Среди других нормативных документов необходимо отметить:

1. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М., Стройиздат, 1983, 272 с.

2. Нормы технологического проектирования рудников цветной металлургии с подземным способом разработки. М., Цветметинформация,1986, 212 с.

3. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. Книга 1 и 2, М., НПО ОБТ, 1996.

Для условий апатитовых рудников выбор крепи и расчет ее параметров осуществляется в соответствии с действующей «Инструкцией по креплению горных выработок на рудниках ОАО «Апатит». Апатиты-Кировск, изд. Кольского научного центра АН СССР, 2003, 74 с.