О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт
Викладено механізм деформування системи «кріплення-масив» виробок глибоких шахт. Наведено результати натурних спостережень за вдавлюванням стійок кріплення в підошву виро-бок. Обгрунтовано необхідність застосування підп'ятників під стійки рамного кріплення в умовах порід середньої міцності. The...
Saved in:
| Published in: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99535 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт / Ю.М. Халимендик, А.С. Барышников, В.Ю. Халимендик // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2014. — № 14. — С. 100-112. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859744921368395776 |
|---|---|
| author | Халимендик, Ю.М. Барышников, А.С. Халимендик, В.Ю. |
| author_facet | Халимендик, Ю.М. Барышников, А.С. Халимендик, В.Ю. |
| citation_txt | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт / Ю.М. Халимендик, А.С. Барышников, В.Ю. Халимендик // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2014. — № 14. — С. 100-112. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| description | Викладено механізм деформування системи «кріплення-масив» виробок глибоких шахт. Наведено результати натурних спостережень за вдавлюванням стійок кріплення в підошву виро-бок. Обгрунтовано необхідність застосування підп'ятників під стійки рамного кріплення в умовах порід середньої міцності.
The mechanism of deforming of the "support-rock massif" system of mine workings in deep mines is developed. The results of in-situ observations over the support racks penetration into the floor of work-ings are presented. Necessity of application of end-thrust bearings with racks of arch support under the conditions of medium-hard rock is substantiated.
|
| first_indexed | 2025-12-01T20:29:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
100
УДК 622.28, 622.831
О ДЕФОРМИРОВАНИИ СИСТЕМЫ «КРЕПЬ-МАССИВ» В
УСЛОВИЯХ СЛОИСТЫХ ПОРОД ГЛУБОКИХ ШАХТ
Халимендик Ю. М., Барышников А. С.
(Государственное ВУЗ «НГУ», г. Днепропетровск, Украина)
Халимендик В. Ю.
(НПО «Механик», г. Донецк, Украина)
Викладено механізм деформування системи «кріплення-
масив» виробок глибоких шахт. Наведено результати натурних
спостережень за вдавлюванням стійок кріплення в підошву виро-
бок. Обгрунтовано необхідність застосування підп'ятників під
стійки рамного кріплення в умовах порід середньої міцності.
The mechanism of deforming of the "support-rock massif" system
of mine workings in deep mines is developed. The results of in-situ
observations over the support racks penetration into the floor of work-
ings are presented. Necessity of application of end-thrust bearings
with racks of arch support under the conditions of medium-hard rock
is substantiated.
При ведении горных работ на малых глубинах подтвержде-
но представление о формировании пород кровли выработок в ви-
де сводов естественного равновесия [1]. Идея использования дав-
ления разрушенных пород кровли на крепь используется в дей-
ствующих нормативных документах [2]. Примером эмпирическо-
го подхода к расчету горного давления является СНиП [3]. Ос-
новными целями этих документов есть решения задач выбора
крепи.
Переход на большие глубины ведения работ требует изме-
нения подходов к проектированию и использованию крепей
[4–6]. Несмотря на стремление решать задачу с помощью исполь-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
101
зования механики сплошной среды, использование неупругих
деформаций пород вокруг выработки не нашло полного решения.
В данной статье обосновываются инженерные решения,
внесенные в конструкцию арочной крепи и предотвращающие
внедрение стоек в почву.
Первым, наиболее заметным проявлением горного давления
является вертикальная конвергенция, которую можно рассматри-
вать как сумму процессов:
1. опускание верхнего элемента крепи за счет:
− проскальзывания в замковых соединениях,
− пластических деформаций,
− внедрения стоек крепи в почву;
2. поднятие почвы выработки.
Часто этот суммарный процесс ошибочно называют «пуче-
нием», что уводит от правильных инженерных решений по
предотвращению потерь сечения выработки. Процесс вертикаль-
ной конвергенции проявляется в виде активного периода и менее
активного, с постоянной скоростью деформации крепи и пород.
Причиной этих процессов являются постоянно действующие
упругие и неупругие деформации массива вокруг выработок. Ча-
сто ремонтные работы в виде перекрепления или подрывок при-
водят к активизации этих процессов [6].
В упрощенном виде характер распределения напряжений
горного массива вокруг выработки удобно рассмотреть в поляр-
ной системе координат (рис. 1) и описать формулами (1), (2) тео-
рии упругости [7].
)cos2
4r
43R+
2r
24R-)(1-(1+)
2r
2R-)(1+(1
2
H=r θλλγσ (1)
)cos2
4r
43R+ )(1-(1-)
2r
2R)(1+(1
2
H=
+ θλλγσθ (2)
где: rσ , θσ , – соответственно: радиальные и нормальные
тангенциальные напряжения в массиве пород после проведения
выработки круглого сечения;
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
102
γ – удельный вес пород, МН/м2;
Н – глубина заложения выработки, м;
λ – коэффициент бокового давления в нетронутом массиве;
R – радиус выработки, м;
r – радиус до рассматриваемой точки массива, м;
θ – угол полярной системы координат, град.
кровл
θσ
– сжимающие нормальные тангенциальные напря-
жения, действующие в кровле параллельно пород-
ным слоям,
борт
θσ – сжимающие нормальные тангенциальные напря-
жения, действующие в бортах перпендикулярно по-
родным слоям.
Рис. 1. Формирование напряженного состояния горного
массива вокруг выработки круглого сечения
На примере шахты «Западно-Донбасская» приведем анализ
деформирования системы «крепь-массив».
Ранее проводилась оценка напряженного состояния горного
массива при проведении выработок [8] в горизонтальном и вер-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
103
тикальном направлениях. На глубине 480 м коэффициент боково-
го отпора составил примерно λ≈1. Предел прочности пород ар-
гиллита и алевролита на сжатие перпендикулярно слоям составлял
около 25 МПа. При r = R согласно формулам (1), (2) по всему
контуру выработки действуют только сжимающие нормальные
тангенциальные напряжения величиной 2γН, т.е. около 25 МПа. В
слоистых породах коэффициент геометрической анизотропии из-
меняется от 1,3 до 2,0 [9]. Для аргиллитов и алевролитов Запад-
ного Донбасса этот коэффициент изменяется от 2,7 до 3,4 [10].
Таким образом, в кровле и почве выработки предел прочности
пород на сжатие параллельно слоям составит около 8 МПа, что
меньше, примерно в 3 раза от возникающих сжимающих напря-
жений кровл
θσ (рис. 1).
В этих условиях в кровле и почве выработок образовывают-
ся клинья выдавливания слоистых пород (рис. 2).
Такая деформация пород вокруг выработки происходит на
всех глубоких угольных шахтах Украины, боковые породы кото-
рых обладают слоистой структурой (рис. 3, 4).
Поднятие пород почвы за счет выдавливания, как правило,
называют «пучением». Разрушенные породы почвы способству-
ют внедрению стоек крепи в почву.
Перемещение стоек крепи в почву происходит по наклонной
плоскости, представленной границей нарушенных и ненарушен-
ных пород (рис. 5).
Вместе с горизонтальными упругими деформациями горно-
го массива, действующими на конец стоек и движением их по
наклонной поверхности в бортах выработки, в начальной стадии
неупругих деформаций пород вокруг выработки образовываются
пустоты в бортах выработки между крепью и массивом. Тогда за-
тяжка, при её сплошной укладке во время проведения выработки,
складывается с разворотом – в «гармошку» (рис. 6).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
104
Рис. 2. Образование клина выдавливания пород кровли в
условиях шахты «Западно-Донбасская»
Рис. 3. Образование клина выдавливания пород кровли в
условиях шахты «Свято-Андреевская»
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
105
Рис. 4. Выдавливание пород почвы в условиях шахты «Бело-
зерская»
1 – клин выдавливания в кровле; 2 – клин выдавливания в почве; 3 – разру-
шение бортов вследствие образования клиньев выдавливания; 4 – поднятие поч-
вы; 5 – опускание кровли; 6 – смещение в замках; 7 – внедрение стоек крепи в
почву.
Рис. 5. Схема деформирования системы «крепь-массив» во-
круг выработки глубокой шахты
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
106
Рис. 6. Явление складывания затяжки «в гармошку». Шахта
«Комсомолец Донбасса»
Это явление в виде движения затяжки одна на другую явля-
ется хорошим свидетельством внедрения стоек крепи в почву и
позволяет визуально обнаруживать этот процесс без инструмен-
тальных наблюдений.
Внедрение стоек крепи в почву приводит к увеличению
клина выдавливания пород кровли, а это в свою очередь – к уве-
личению давления на крепь [11].
Количественная оценка внедрения стоек крепи производи-
лась на наблюдательной станции, заложенной в уклоне № 1 пла-
ста l8 гор. 550 м шахты «Белозерская». Станция состояла из трех
сечений с реперами, заложенными в бортах выработки, в кровле
и в почве. Для определения каждой составляющей вертикальной
конвергенции производилось нивелирование реперов с техниче-
ской точностью. Выработка пройдена с горизонта 550 м на гори-
зонт 830 м и во время проведения наблюдений находилась вне
зоны влияния очистных работ. В кровле залегал алевролит (f = 3),
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
107
непосредственная почва была представлена аргиллитами (f = 2),
основная почва – алевролитами (f = 5). Динамика внедрения стоек
в почву и поднятия самой почвы показана на графиках (рис. 7).
Рис. 7. Величины внедрения стоек крепи в почву, ш. «Бело-
зерская»
Через 3 месяца на сечении № 2 началось интенсивное внед-
рение стойки в почву. На момент окончания наблюдений вели-
чина внедрения составила около 0,5 м (рис. 7, сечение 2). Внед-
рение стоек крепи с установленными подпятниками на сечении 1
на момент окончания наблюдений составляет порядка 0,1 м, что
соответствует толщине штыба (рис. 7, сечение 1). При зафикси-
рованном внедрении стоек, поднятие почвы по сечениям анало-
гично и составляет порядка 0,3 м. Таким образом, установленный
подпятник в данных условиях предотвращает внедрение стойки
крепи в почву более чем в 3 раза.
В условиях более крепких боковых пород (песчанистый
сланец, f = 5–7) проводились наблюдения в конвейерной выра-
ботке 11-й западной лавы пласта l7 шахты «Комсомолец Донбас-
са». Наблюдательная станция была заложена на глубине 780 м до
начала влияния очистных работ. В арочной крепи подпятники не
применялись.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
108
Установлено, что интенсификация процесса внедрения
стойки крепи в почву начинается за 10 до лавы и в момент
нахождения лавы в створе с замерным сечением составляет около
0,5 м (рис. 8). При этом отметки почвы выработки впереди лавы
и в 10 метрах после ее прохода не изменяются, что свидетель-
ствует об отсутствии процесса пучения.
Рис. 8. Внедрение стоек крепи в почву, ш. «Комсомолец
Донбасса»
Для уменьшения процесса внедрения стоек крепи в почву
СОУ [2] предусматривает применение в условиях слабых боковых
пород подкладки или лежаки под стойки крепи. Однако, в случае
пород средней крепости, процесс выдавливания пород кровли и
почвы приводит к значительному уменьшению их расчетной кре-
пости.
В процессе перекрепления выработок на шахте «Свято-
Андреевская» с крепостью пород f = 6 было отмечено самозата-
чивание концов стоек при их внедрении в почву (рис. 9).
Исследования, проведенные сотрудниками НГУ Украины и
ОАО «Павлоградуголь» [12–15], показали, что величина внедре-
ния стоек крепи в почву достигает 0,4 м. При перекреплении па-
нельных выработок, часто из-за большого внедрения стоек в поч-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
109
ву (до 1,5 м) их приходится оставлять в массиве, «срезая» верх-
нюю часть.
Рис. 9. Явление самозатачивания концов стоек арочной кре-
пи при внедрении их в породы почвы. Шахта «Свя-
то-Андреевская»
В условиях шахты «Юбилейная» длительное время произ-
водилось наваривание отрезков спецпрофиля на торец стоек и
усиление сопротивления замковых соединений крепи. Это позво-
лило увеличить шаг установки крепи с 0,5 м до 0,8–1,0 м. Однако,
технология наваривания отрезков металла на торец профиля име-
ет ряд недостатков: большая трудоемкость работ по подготовке
крепи, сложность пакетной транспортировки стоек крепи, слож-
ность извлечения стоек при погашении выработок.
Сотрудниками ООО «Донбасскрепь» разработан новый ва-
риант опорного башмака для металлической крепи из СВП
(рис. 10). Изделие изготавливается из отрезка листового металло-
проката и имеет:
– плоскую основу 1 в форме равнобокой трапеции, на кото-
рую опирается торец стойки;
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
110
– средний упор 2, который опирается на внутреннюю по-
верхность дна профиля;
– боковые симметричные упоры 3, которые опираются на
внешние поверхности флангов профиля.
1 – основа;
2, 3 – упоры.
Рис. 10. Опорный башмак
Конструкция этого опорного башмака позволяет произво-
дить его монтаж на стойку металлокрепи непосредственно перед
её установкой, что в свою очередь упрощает процесс транспорти-
ровки и установки, снижая трудоемкость работ.
При выемке горной массы комбайном такая опора не попа-
дает в зону работы рабочего органа комбайна.
Выводы.
1. В условиях глубоких шахт в кровле и почве выработок,
пройденных в слоистом анизотропном массиве, образовываются
клинья выдавливания пород.
2. Внедрение стоек крепи в почву происходит не только при
слабых боковых породах, а и при их средней крепости. Основным
фактором, влияющим на интенсивность этого процесса, является
деформирование пород почвы в результате выдавливания, что
влечет потерю первоначальной крепости. Областью применения
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
111
подпятников или подкладок является наличие низкой расчетной
крепости пород почвы, например, в зоне влияния опорного дав-
ления очистных работ.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Протодьяконов М. М. Давление горных пород и рудничное
крепление [Текст] М. М. Протодьяконов. –– М.–Л. : ОГИЗ,
1931. –– 186 с.
2. СОУ 10.1.00185790.011:2007. Підготовчі виробки на пологих
пластах. Вибір кріплення, способів і засобів охорони [Текст].
Мінвуглепром України. –– К., 2007. –– 113 с.
3. СНиП-94-80. Подземные горные выработки [Текст]. Госстрой
СССР –– М. : Стройиздат, 1982. –– 24 с.
4. Заславский Ю. З. Исследование проявлений горного давления
в капитальных выработках глубоких шахт Донбасса [Текст]
Ю. З. Заславский. –– М : «Недра», 1966 –– 267 с.
5. Литвинский Г. Г. Фундаментальные закономерности и новая
классификация проявлений горного давления [Текст] /
Г. Г. Литвинский // Наукові праці ДонНТУ. Серія «гірничо-
геологічна». Вип. 10 (151). 2009 р. С. 21––28.
6. Зорин А. Н. Механика разрушения породного массива и ее
использование при добыче полезных ископаемых [Текст] /
А. Н. Зорин, Ю. М. Халимендик, В. Г. Колесников. –– М. :
ООО «Недра-Бизнесцентр» –– 2001 г. –– 413 с.
7. Баклашов И. В. Механика подземных сооружений и констру-
кций крепей [Текст] / И. В. Баклашов, Б. А. Картозия. –– 2-е
изд. –– М. : Недра, 1992. –– 543 с.
8. Мещаников С. К. Определение компонент напряжений мас-
сива горных пород. [Текст] / С. К. Мещаников, Ю. М. Хали-
мендик // Геотехническая механика. Зб. научных трудов
ИГТМ НАН Украины. –– Днепропетровск. 2000 –– вып. 22,
С. 75––79.
9. Протосеня А. Г. Геомеханика. [Текст] / А. Г. Протосеня,
О. В. Тимофеев; СПбГГИ им. Г. В. Плеханова. –– СПб. ––
2008.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014
112
10. Усаченко Б. М. Свойства пород и устойчивость горных выра-
боток. [Текст] / Б. М. Усаченко –– К. : «Наукова думка» 1979.
–– 136 с.
11. Халимендик Ю. М. Определение зависимости пучения почвы
от высоты свода обрушения пород в горной выработке
[Текст] / Ю. М. Халимендик, А. С. Барышников // Вісник
Криворізького національного університету. Збірник наукових
праць. Випуск 30. ДВНЗ «КНУ», 2012 р.
12. Ковалевська І. А. Дослідження впливу геомеханічних параме-
трів вуглевмісного масиву слабких порід на здимання підош-
ви виробки [Текст] / І. А. Ковалевська О. Р. Мамайкін,
В. В. Фомичов // Науковий вісник НГУ. –– 2008. –– № 7. –
C. 32––35.
13. Колоколов О. В. О вертикальной конвергенции пород в усло-
виях слабой почвы [Текст] / О. В. Колоколов, А. В. Шмиголь,
Ю. М. Халимендик // Уголь Украины. –– 1986. –– № 11 (но-
ябрь).
14. Ковалевська І. А., Розрахунок величини вдавлювання стояків
рамного кріплення у слабкі породи підошви пластової вироб-
ки [Текст] / І. А. Ковалевська, О. В. Вівчаренко, В. Г. Черва-
тюк, О. Р. Мамайкін // Науковий вісник НГУ. –– 2009. ––
№ 12. –– С. 10––15.
15. A. Mamaykin, V. Lapko and L. Tokar. Methods of calculation of
pressing value of frame support's props New Techniques and Tech-
nologies in Mining. «Abalkema book». –– 2010. –– p. 255––258.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99535 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T20:29:40Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Халимендик, Ю.М. Барышников, А.С. Халимендик, В.Ю. 2016-04-30T08:40:53Z 2016-04-30T08:40:53Z 2014 О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт / Ю.М. Халимендик, А.С. Барышников, В.Ю. Халимендик // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2014. — № 14. — С. 100-112. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99535 622.28, 622.831 Викладено механізм деформування системи «кріплення-масив» виробок глибоких шахт. Наведено результати натурних спостережень за вдавлюванням стійок кріплення в підошву виро-бок. Обгрунтовано необхідність застосування підп'ятників під стійки рамного кріплення в умовах порід середньої міцності. The mechanism of deforming of the "support-rock massif" system of mine workings in deep mines is developed. The results of in-situ observations over the support racks penetration into the floor of work-ings are presented. Necessity of application of end-thrust bearings with racks of arch support under the conditions of medium-hard rock is substantiated. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Наукові праці УкрНДМІ НАН України О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт On Support-Rock Mass Deformation in Conditions of Layered Rocks in Deep Mines Article published earlier |
| spellingShingle | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт Халимендик, Ю.М. Барышников, А.С. Халимендик, В.Ю. |
| title | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт |
| title_alt | On Support-Rock Mass Deformation in Conditions of Layered Rocks in Deep Mines |
| title_full | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт |
| title_fullStr | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт |
| title_full_unstemmed | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт |
| title_short | О деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт |
| title_sort | о деформировании системы «крепь-массив» в условиях слоистых пород глубоких шахт |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99535 |
| work_keys_str_mv | AT halimendikûm odeformirovaniisistemykrepʹmassivvusloviâhsloistyhporodglubokihšaht AT baryšnikovas odeformirovaniisistemykrepʹmassivvusloviâhsloistyhporodglubokihšaht AT halimendikvû odeformirovaniisistemykrepʹmassivvusloviâhsloistyhporodglubokihšaht AT halimendikûm onsupportrockmassdeformationinconditionsoflayeredrocksindeepmines AT baryšnikovas onsupportrockmassdeformationinconditionsoflayeredrocksindeepmines AT halimendikvû onsupportrockmassdeformationinconditionsoflayeredrocksindeepmines |