Расчет устойчивости пород и нагрузок на крепь, выбор типа и расчет крепи

3.18. Выбор типа и расчет параметров крепи вертикального шахтного ствола следует производить дифференцированно для устья, протяженной части, участков сопряжений в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических условий, вредных воздействий, а также с учетом схем организации и методов производства работ.

3.19. Крепь устьев стволов и шурфов следует проектировать из монолитного бетона или железобетона, металлических или железобетонных тюбингов. Конструкцию крепи устьев в зависимости от действующих нагрузок, размеров проемов для каналов и диаметров вертикальных выработок следует предусматривать одно-, двух- к трехступенчатыми венцовыми или ступенчато-венцовыми.

3.20. Расчет крепи устьев стволов и шурфов следует производить на действие вертикальных и горизонтальных давлений (нагрузок).

Вертикальные нагрузки следует определять как сумму давлений от собственного веса крепи, веса оборудования и сооружений, опирающихся на крепь; горизонтальные - от давления пород массива, пригрузки от поверхностных фундаментов и опор и гидростатического давления в водоносных горизонтах.

3.21. Расчетную вертикальную нагрузку Р _в^р кН (тс), действующую на крепь устья, следует определять по формуле

, (5)

где n - коэффициент перегрузки, равный 1,4;

- сумма вертикальных нагрузок, передаваемых опорами горнотехнических сооружений, расположенных на поверхности вблизи ствола, на крепь устья ствола, кН (тс);

Q _у - собственный вес крепи устья, кН (тс).

3.22. Расчетное горизонтальное (радиальное) давление пород Р _п, кПа (тс/м²), на крепь устья ствола в малосвязных и глинистых породах наносов следует определять по формуле

, (6)

где n - коэффициент перегрузки, равный 1,3;

k _у - коэффициент, принимаемый равным 1,7 при расстоянии от проемов в крепи более 20 м и 2,9 - при расстоянии менее 20 м;

r ₀- радиус ствола в свету, м;

j - угол внутреннего трения наносов, град;

y - безразмерный коэффициент, определяемый из выражения

y = 2tg j tg(45°+);

H - глубина рассматриваемого участка от поверхности, м;

Р _ф - наибольшая суммарная дополнительная нагрузка от зданий и сооружений, расположенных на поверхности вблизи ствола, кПа (тс/м²), определяемая согласно прил. 1;

g - удельный вес породы (грунта), кН/м³ (тс/м²), определяемый из выражения

g = r_m g;

r_m - средняя плотность пород (грунта), т/м³;

g - ускорение силы тяжести, м/с² (вводится только для единиц СИ).

Допускается вести расчет нагрузок на крепь, назначать тип и параметры крепи устья ствола согласно главе СНиП по проектированию сооружений промышленных предприятий (в части опускных колодцев).

3.23. Выбор типа и расчет параметров крепи для протяженной части ствола, а также участков сопряжения следует производить на основании определения категорий устойчивости пород вертикальных выработок согласно табл. 2.

Таблица 2

Категория устойчивости пород	Оценка состояния устойчивости пород	Критерий устойчивости пород вертикальной выработки С
I	Устойчивое	До 3
II	Среднеустойчивое	От 3 до 6
III	Неустойчивое	От 6 до 10
IV	Очень неустойчивое	Более 10
Примечание. При R _c £ 2 МПа породы относятся к IV категории устойчивости.

3.24. Величину критерия устойчивости пород вертикальной выработки С следует определять по формуле

, (7)

где k _p - коэффициент, учитывающий взвешивающее действие воды: для участков вне водоносных горизонтов k _г равен 1, для пород водоносного горизонта k _г определяется по формуле

, (8)

h ₁ - высота толщи пород от почвы водоупора до земной поверхности, м;

h ₂ - высота толщи пород от рассматриваемого сечения в водоносном горизонте до почвы водоупора (до кровли водоносного горизонта), м;

g_п, g_в - соответственно, удельный вес частиц пород водоносного горизонта и удельный вес воды, кН/м³ (тс/м³);

e - коэффициент пористости пород водоносного горизонта, принимаемый как отношение объема пор к объему скелета и определяемый по данным гидрогеологических изысканий;

Н - высота толщи пород от рассматриваемого сечения до земной поверхности, м;

Р _в - давление подземных вод с учетом водопонижения, кПа (тс/м²);

k _сб - коэффициент воздействия на ствол других выработок: для протяженных участков ствола k _сб равен 1; для сопряжений k _сб равен 1,5;

k _ц - коэффициент воздействия на ствол очистных работ: для участков, не испытывающих воздействий k _ц равен 1; при воздействии очистных работ k _ц принимается по данным специализированных организаций;

k _a - коэффициент влияния угла залегания пород a град: для горизонтально залегающих пород k _a равен 1, в остальных случаях k _a следует принимать из выражения

k _t - коэффициент влияния времени эксплуатации проектируемой выработки: для шахтных стволов k _t равен 1; для остальных выработок - 0,9,

Н _р, R _с, g - обозначения те же, что и в формулах (1), (2) и (6).

Примечание: При размерности R _с в кгс/см² в формулу (7) вместо R _с следует подставлять 0,1 R _с.

3.25. На протяженных участках ствола с жесткой армировкой, а также для участков сопряжений ствола в породах I, II и III категорий устойчивости при отсутствии воздействия очистных работ, других выработок и водопонижения следует применять, как правило, монолитную бетонную крепь; при этом:

в породах I категории устойчивости толщина бетонной крепи принимается без расчета по табл. 3.

в породах II и III категорий устойчивости толщину бетонной крепи следует устанавливать расчетом согласно требованиям п. 3.34 настоящих норм, но не менее величин, указанных в табл. 3.

Таблица 3

Глубина расположения участка, м	Толщина бетонной крепи, мм при углах залегания пород, град
до 35°	более 35°
До 500
Более 500

При соответствующем обосновании допускается в стволах с жесткой армировкой, пройденных в породах I категории устойчивости, назначать крепи и их параметры, определяемые по п. 3.26 настоящих норм.

Если расчетная толщина монолитное бетонной крепи превышает 500 мм, то следует применять бетон более высокой марки или другой тип крепи.

3.26. В стволах с гибкой армировкой, а также в вентиляционных стволах и шурфах, не оборудованных подъемными установками, в восстающих выработках и рудоспусках при отсутствии влияния очистных работ и водопонижения, где притоки воды не более 8 м³/ч, в породах I и II категорий устойчивости следует применять набрызгбетонную крепь либо комбинированную крепь из анкеров, металлической сетки и набрызгбетона; при притоках воды более 8 м³/ч в породах I, II и III категорий устойчивости следует применять монолитную бетонную крепь. При этом:

в породах I категории устойчивости толщина набрызгбетонной крепи на протяженных участках ствола принимается без расчета по табл. 4

Таблица 4

Глубина расположения участка, м	Толщина набрызгбетонной крепи, мм, при углах залегания пород, град
до 35	более 35
До 500
Более 500

в породах I категории устойчивости для участков сопряжений ствола, а также в породах II категории устойчивости на протяженных участках ствола толщину набрызгбетонной крепи следует устанавливать расчетом согласно требованиям п. 3.34 настоящих норм. При этом толщина набрызгбетонной крепи должна быть не менее 150 мм на глубинах до 500 м ч 200 мм на глубинах более 500 м.

В комбинированной крепи длину анкеров l _а следует принимать равной 2 м; расстояние между анкерами 0,7 l _а. При соответствующем обосновании допускается изменять длину анкеров и расстояния между ними.

3.27. В породах IV категории устойчивости, на участках ствола с напорными водами, а также на калийных и подобных им месторождениях следует применять тюбинговую, железобетонную, многослойную крепь, а при достаточной устойчивости пород - монолитную бетонную крепь.

3.28. Расчет крепи протяженной части стволов и шурфов следует производить на суммарное действие горизонтального (радиального) давления пород массива Р _п и давления остаточного напора подземных вод Р _г с учетом технологической и монтажной нагрузок.

Общее давление надлежит определять на момент времени, когда оно является наибольшим.

3.29. Расчётное горизонтальное (радиальное) давление пород Р _п, кПа (тс/м²), на крепь протяженной части вертикальной выработка при отсутствии влияния горизонтальных деформаций от воздействия очистных работ следует определять по формуле

Р _п = пm _у п _н Р ^н[1 + 0,1(r ₀ - 3)], (9)

где r ₀ - радиус выработки в свету, м;

п - коэффициент перегрузки, равный 1,3;

m _y - коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 5.

Таблица 5

Тип крепи	Коэффициент условий работы m _y
Набрызгбетонная	0,50
Сборная	0,75
Монолитная	0,80

п _н - коэффициент приведения к расчетному (максимальному) давлению при неравномерной эпюре нагрузок, принимаемый по табл. 6.

Таблица 6

Угол залегания пород, a, град	Коэффициент п _н
при последовательной и параллельной схемах проходки	при совмещенной схеме проходки
До 10	2,00	1,75
От 10 до 35	2,50	2,00
Более 35	2,75	2,25

P ^н - нормативное давление на крепь, кПа (тс/м²), определяемое для пород I, II и III категории устойчивости по формулам:

при С £ 6 Р ^н = 10[(2 С - 1) + D], (10)

при 10 ³ С > 6 Р ^н = 10[(3 С - 7)+D], (11)

где C - критерий устойчивости вертикальных выработок, рассчитываемый по формуле (7);

D - параметр, учитывающий технологию проходческих работ, принимаемый равным: при последовательной и параллельной технологических схемах - нулю; при совмещенной технологической схеме проходки с передвижной опалубкой при С £ 6 D равно 2 и при 10 ³ С > 6 D равно 3.

Примечания: 1. Нормативное давление на крепь Р ^н для пород IV категории устойчивости определяется по методикам специализированных организаций.

2. В формулах (10) и (11) множитель 10 вводится при единицах СИ.

3.30. Расчетное горизонтальное давление пород Р _п на крепь вертикальной выработки в районе сопряжения на протяжении 20 м вверх и 20 м вниз от сопряжения следует определять по формуле (9) настоящих норм, принимая в ней вместо величин п _н и Р ^н величины п _нс и Р _с^н рассчитываемые по формулам:

п _нс = п _н+(20 - z) x, (12)

Р _c^н = Р ^н(1,5 - 0,025 z). (13)

где z - расстояния от узла сопряжения до рассматриваемого сечения в районе 20 м;

х - коэффициент перехода от протяженного участка к району сопряжения, принимаемый по табл. 7.

Таблица 7

Угол залегания пород a, град	Коэффициент х
при последовательной и параллельной схемах проходки	при совмещенной схеме проходки
До 10	0,050	0,037
Более 10	0,025	0,025

3.31. В местах пересечения ранее выработанных пространств на удалении до 6 m в кровлю и до 2 m в почву (где m - мощность пласта) величина нормативного давления P _p^н, кПа (тс/м²), на крепь определяется по формуле

Р _р^н = 0,66 Р ^н + 100, (14)

где Р ^н - нормативное давление, определяемое по формулам (10) или (11);

100 - слагаемое в единицах СИ; при единицах давления в тс/м² слагаемое следует принимать равным 10.

3.32. При проектировании сопряжений ствола с горизонтальными выработками и камерами для исключения их влияния на ствол необходимо:

околоствольные выработки в породах II категории устойчивости на протяжении от ствола не менее 30 м, а в породах III и IV категории - не менее 50 м крепить жесткой крепью; в породах I категории тип крепи не регламентируется;

погашаемые околоствольные выработки в породах I и II категорий устойчивости на протяжении от ствола до 10 м, а в породах III и IV категорий устойчивости до 30 м закладывать кусковатой породой с тампонажным раствором.

3.33. Давление подземных вод Р _г, кПа (тс/м²), на крепь выработки в коренных породах без их тампонажа следует определять по формуле (15), а при наличии тампонажа пород по формуле (16)

, (15)

, (16)

где п - коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,1;

Н _е - естественный или сниженный общим водопонижением напор в данном водоносном горизонте, определяемый по результатам гидрогеологических исследований, м;

k _ф^кр - коэффициент фильтрации крепи (для бетонной крепи k _ф^кр = 0,00158 м/сут);

k _ф^п, k _ф^т - соответственно коэффициенты фильтрации породы и затампонированной зоны, определяемые по данным гидрогеологических исследований, м/сут;

r ₁, r ₀, r _т - соответственно внешний, внутренний радиус крепи и радиус затампонированной зоны, м; при неизвестном r ₁ в расчете следует принимать для первого приближения толщину бетонной крепи r ₁ - r ₀, равной 0,5 м с последующим уточнением толщины крепи;

R (t) - радиус влияния дренажа выработки, определяемый по данным гидрогеологических изысканий из выражения R (t) = 1,5;

а - коэффициент пьезопроводности водоносного горизонта, м²/сут;

t - время от начала дренирования, сут;

g_в - обозначение то же, что в формуле (8).

В тех случаях, когда по расчетам Р _г более Р^н, в формулах (15) и (16) необходимо учитывать корректировку времени, принимая t соответствующим моменту на 2 мес. после введения крепи в работу.

Если менее 4, то в формуле (16) Р _г равно 0, а при , более 100 определяется из выражения

Р _г = Н _еg_в.

При расчете горизонтального давления обводненных пород в формуле (9) вместо коэффициента п _н следует принимать коэффициент п _н^г, определяемый по формуле

. (17)

3.34. Расчет толщины монолитной бетонной и набрызгбетонной крепи вертикальной выработки d_к, мм, следует производить по формуле

. (18)

где r ₀ - радиус вертикальной выработки в свету, мм;

m _у - коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным 1,25;

m _б1, m _б3, m _б7 - соответственно коэффициенты, учитывающие длительную нагрузку, условие для нарастания прочности и температурные колебания, принимаемые в соответствии с главой СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций;

R _п_p - расчетное сопротивление бетона сжатию, принимаемое в соответствии с главой СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, кПа (тс/м²);

k _p - коэффициент концентрации напряжении в конструкции крепи, принимаемый равным 1 на протяженных участках ствола и равным (2 - 0,05 z) в районе сопряжения, где z - расстояние от узла сопряжения до рассматриваемого сечения, м;

Р - горизонтальное давление, кПа (тc/м²), определяемое как суммарное от давления пород Р _п и подземных вод Р _г;

d_пб - толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы: для набрызгбетона принимаемая равной 50 мм, для остальных типов крепи - равной нулю.

3.35. В вертикальных выработках, находящихся в зонах воздействия очистных работ и других выработок, а также водопонижения при величинах ожидаемых относительных деформаций пород вблизи выработки, превышающих их допускаемые значения для крепи, указанные в табл. 8, в породах всех категорий устойчивости следует применять конструктивные элементы защиты или конструкции крепи, приспособленные к принудительному деформированию совместно с массивом пород.

Таблица 8

Крепь	Допускаемые относительные вертикальные деформации, мм/м
при сжатии	при растяжении
Монолитная	0,85	По несущей способности 0,05
Монолитная	0,85	По раскрытию трещин 0,25
Сборная	2,00	1,00

3.36. Конструктивные элементы защиты крепи ствола следует назначать на основе расчета ожидаемых относительных деформаций пород околоствольного массива и с учетом необходимой степени гидроизоляции ствола. При этом, если:

деформации растяжения пород превышают значения, указанные в табл. 8, то следует предусматривать горизонтальные разрезные швы на расстояниях не более 15 м друг от друга, преимущественно на пересечении наиболее слабых слоев пород;

деформации сжатия пород находятся в интервале от указанных в табл. 8 до 15 мм/м, то следует предусматривать горизонтальные осадочные швы (узлы вертикальной податливости) в местах наибольших деформаций и на контактах прочных и слабых пород или меры по обеспечению проскальзывания крепи на защищаемом участке;

деформации сжатия пород превышают 15 мм/м, то следует предусматривать осадочные зоны и узлы вертикальной податливости;

проявляются горизонтальные деформации, то следует предусматривать повышение несущей способности и податливые конструкции, обоснованные расчетом.

3.37. Для компенсации вертикальных деформаций сжатия осадочными швами максимальное расстояние между ними в вертикальной выработке устанавливается расчетом согласно требованиям настоящих норм, но не более 20 м. Осадочные швы выполняются из податливого материала, а при необходимости гидро- и газоизоляции в них устанавливаются специальные герметичные узлы податливости,

Максимальное расстояние 1, м, между осадочными швами определяется по формуле

, (19)

где D ₁ - диаметр выработки в проходке (вчерне), м;

D ₀ - диаметр выработки в свету, м;

f _тр - коэффициент трения породы о крепь, принимаемый: 0,6 для изверженных пород, песчаников и известняков; 0,5 - для алевролитов и аргиллитов и 0,4 для углей и соляных пород;

R _пр, Р _п, m _б1, m _б3, mб7 - обозначения те же, что и в формулах (9) и (18).

3.38. Расчетная рабочая высота h _ш, мм, осадочного шва определяется по формуле

, (20)

где Dh_р - разность оседаний на границах защищаемого участка, мм, которая определяется из выражения Dh_р = Se_i m _i;

e_i - относительные вертикальные деформации в пределах защищаемого участка, мм/м;

m _i - мощность слоя, м;

а _п - сжимаемость материала прокладок в шве или узле податливости, %, при нагрузках равных допускаемым для материала крепи, принимаемая по результатам испытаний материала.

3.39. При полной компенсации вертикальных и горизонтальных деформаций массива от воздействия очистных работ конструктивными мерами защиты величины расчетных давлении на крепь вертикальной выработки следует определять согласно требованиям настоящих норм без учета воздействия очистных работ.

В случае неполной компенсации проявлений указанных деформаций от воздействия очистных работ или отсутствии конструктивных мер защиты выработки расчет крепи следует производить по ожидаемым перемещениям согласно методикам специализированных организаций.

При этом минимальная величина несущей способности крепи должна приниматься не менее величины расчетного давления на крепь без учета влияния очистных работ.

Примечание. Расчеты давления на крепь, конструктивные элементы защиты крепи вертикальных выработок при скользящих крепях с заполнением закрепного пространства следует производить по методикам специализированных организаций.

3.40. При проектировании горных выработок сумма остаточных водопритоков с водоносных горизонтов не должна превышать допустимого водопритока в ствол, установленного в главе СНиП по правилам производства и приемки работ подземных горных выработок.

Остаточный водоприток в ствол Q _ост, м³/сут, в результате фильтрации воды через крепь следует определять по формуле

Q _ост = Wm. (21)

где m - мощность водоносного горизонта, м;

W - фильтрационный расход воды на единицу длины ствола, м²/сут, определяемый по формулам:

в условиях без тампонажа пород

, (22)