Sooruzh-gornykh-obektov

темы
или во-
проса

Наименование темы или вопроса по теме
Номер литературы и страницы

1
Общиесведения о сооружениигорныхобьектов


1.1
Размещение и основныетенденциигорногопроизводства
[1] стр.3-6 [2] стр.4

1.2
Видыгорныхобьектов
[1] стр 20-30

1.3
Формыпоперечногосечениягорныхвыработокифакторы, определяющиеихвыбор
[7] стр. 17-19

1.4
Выборформыиразмеров поперечного сечения горизонтальнихи наклонныхвыработок
[5] стр. 137-141

1.5
Выборформыиразмеров поперечного сечениявертикальних и наклонныхвыработок
[5] стр.4-10

1.6
Способысооружениягорныхобьектов
конспект

1.7
Стадиистроительствашахты
конспект

1.8
1-й й 2-й основнойпериодыстроительства
[3] с. 12-14

2
Подготовительныйпериодстроительства


2.1
Общиесведения о подготовительномпериоде
конспект

2.2
Внеплощадочныеработыподготовительногопериода
конспект

2.3
Внутриплощадочныеработыподготовительногопериода
конспект

2.4
Проходка устья ствола и технологическогоотхода
конспект

2.5
Обьемыработ и продолжительностьподготовительногопериода
конспект

3
Свойства и классификациягорныхпород


3.1
Общиесведения о горных породах
[7] с. 5-7

3.2
Физико-механическиесвойствагорныхпород
[7] с. 7-13

3.3
Понятие о внезапныхвыбросахугля, породы и газа
[7] с. 13-14

3.4
Понятие о горных ударах
[7] с. 14

3.5
Классификациягорныхпород по физико-механическимсвойствам
[7] с. 14-16

4
Напряженноесостояниегорныхпород и горноедавление


4.1
Напряженноесосотояниетвердых и связанныхпород в
нетронутоммассиве
[6] с. 19-20
[8] с. 18-20

4.2
Напряженноесостояниесыпучихпород
[6] с.20-22

4.3
Напряженноесостояниепородвокруггорныхвыработок
[8] с.20-22

4.4
Устойчивостьобнаженийгорныхпород в подземныхвыработках
[6] с.23-29 [8] с.22-24

4.5
Проявлениегорного давлення
[6] с.29-33 [8] с,24-26

4.6
Методыисследований проявлення горного давлення
[8] с.26-30

4.7
Горноедавление в горизонтальних выработках
[6] с.33-41

4.8
Горноедавление в вертикальныхвыработках
[6] с.41-45

4.9
Горноедавление в наклонныхвыработках
[6] с.45-47

5
Материалыкрепигорныхвыработок


5.1
Общиесведения о материалахгорнойкрепи
[6] с.45-47

5.2
Дерево
[6] с.54

5.3
Вяжущиевещества
[6] с.56-58

5.4
Растворы
[6] с.58-59

5.5
Бетон и железобетон
[6] с. 59-63

5.6
Естественные и искуственныекамни
[5] с.63-64

5.7
Металл и прочиематериалы
[6] с.64-66

6
Крепьгоризонтальныхвыработок


6.1
Общиесведения о крепигоризонтальныхвыработок
[6] с .66

6.2
Деревяннаякрепь
[6] с. 66-68

6.3
Металлическаякрепь
[6] с. 70-74

6.4
Каменная и бетоннаякрепь
[6] с. 77-80

6.5
Монолитнаяжелезобетоннаякрепь
[6] с. 80-82

6.6
Сборнаяжелезобетоннаякрепь
[6] с. 82-88

6.7
Смешаннаякрепь
[6[ с. 88-90

6.8
Анкерная(штанговая) крепь
[6] с. 90-96

6.9
Крепь закруглений, сопряжений и пересечений
[6] с. 96-98

6.10
Временнаякрепь
[6] с. 98-99

7
Крепьвертикальныхвыработок


7.1
Общиесведения о крепивертикальныхвыработок
[6] с. 100

7.2
Деревяннаякрепь
[6] с. 100-105

7.3
Бетонная и каменнаякрепь
[6] с. 105-107

7.4
Металлическаякрепь
[6] с. 107-110

7.5
Железобетоннаякрепь
[6] с. 110-112

7.6
Армировкастволов
[6] с. 115-118

8
Крепьнаклонныхвыработок


8.1
Общиесведения о крепинаклонныхвыработок
[6] с 119

8.2
Конструкциикрепинаклонныхвыработок
[6] с. 119-22

8.3
Крепьустьевнаклонныхстволов
[6] с. 122-123

8.4
Армировканаклонныхстволов
[6] с. 123-124



Список использованныхисточников при подготовкекурсалекцій по дисциплине«Технологиясооружениягорныхобьектов»

1. Воробьев Б.М., Бурчаков А.С. Основи технологии горного производства. Учебное пособие, М.Недра, 1973, 268 с.
2. Фролов В.П. Строительство и реконструкцияподземныхрудников. М.Недра, 1988, 255 с.
3. А.Г. Гузеев, А.Г. Гудзь, А.К. Пономаренко Технологиястроительствагорныхпредприятий, Киев-Донецк, «Вища школа», 1986, 390 с.
4. В.В.Смирняков, В.И.Вихарев, В.И.Очкуров, Технологиястроительствагорных предприятий, М. «Недра», 1989, 579 с.
5. М.М.Вяльцев. Технологиястроительствагорныхпредприятий в примерах и задачах. М. «Недра», 1989, 240 с.
6. Г.Д.Чупрунов. Технология и комплекснаямехенизация проведення горных выработок. М. «Недра», 1970, 367 с.
7. Н.И.Мельников. Проведение и креплениегорных выработок. М. «Недра», 1988, 336с.
8. Технология и комплекснаямеханизация проведення горныхвыработок. общ. ред. проф. Б.В.Бокия. М. «Недра», 1972. 335 с.



Тема1. Общие сведения о сооружениях горных объектов.

1.1. Размещение и основные тенденции горного производства.
Хозяйственный комплекс любой страны подразумевает использование полезных ископаемых, таких как нефть, газ, уголь, железная руда, бокситы, марганцевая руда и т.д. Значительная часть добычи полезных ископаемых во всем мире, не территории стран СНГ и в Украине приходится на железную руду и уголь.
В целом предприятия добывающие полезные ископаемые образуют горнодобывающую промышленность, которая в свою очередь делится на угольную промышленность ( занимается добычей угля ), горнорудную промышленность ( занимается добычей железной руды ), нефтедобывающую промышленность и т.д.
Угольная промышленность должна обеспечивать потребности страны в топливе, коксе и сырье. По запасам угля и его добыче страны СНГ занимают первое место в мире. Общие геологические запасы угля, разведанные до глубины 1800 м составляют 8660 млрд.тонн или 57 % общих мировых запасов / 1 стр. 3 /.
Основными угольными бассейнами стран СНГ являются Донецкий (Украина), Кузнецкий, Карагандинский, Печорский, Подмосковный (Россия). В меньших масштабах уголь добывают в Львовско-Волынском бассейне (Украина), Средней Азии, на Кавказе, Дальнем Востоке и Сахалине (Россия). В последние годы очень интенсивно развивается добыча угля на Экибастузском месторождении ( Республика Казахстан ) и на Итатском месторождении ( Кемеровская область России)./ 1 стр. 4 /
Горнорудная промышленность обеспечивает потребности страны в железной руде. На долю горнорудной промышленности стран СНГ приходится более 25 % мировых объемов. / 2 стр. 4 /
Основными регионами добычи железной руды на территории стран СНГ являются Украина и Россия / 2 стр. 4 /. В мире железная руда в значительных количествах добывается в Бразилии, Австралии и Китае. Крупнейшими месторождениями железной руды являются Криворожский бассейн ( Украина), Курская магнитная аномалия, Уральское ( Россия ) и Соколово-Сарбайское ( Республика Казахстан ) / 1 стр. 4 /.
Как видно из вышеизложенного, в Украине добывается значительное количество мировых запасов угля и железной руды.
Кроме этого в Украине добывается значительное количество марганцевых руд ( Никопольское месторождение ) / 1 стр. 4 /. Другие полезные ископаемые добывается в Украине в гораздо меньших объемах чем в странах СНГ и в мире.
Если отбросить специфические способы добычи нефти и газа, связанные с бурением глубоких скважин, в том числе и на море, то основными способами добычи твердых полезных ископаемых являются открытый и подземный способ.
Раскрыть сущность открытого и подземного способа
Хотя подземные работы менее эффективны, чем открытые, сохранение на достаточно высоком уровне объемов подземной добычи предопределяется условиями залегания месторождений / 1 стр. 6 /. Это особенно характерно для Криворожского железорудного бассейна, на примере которого и будет рассмотрено в настоящем курсе строительство горных объектов.

1.2. Виды горных объектов.
Эксплуатация месторождений угля и железной руды в Украине осуществляют производственные горные предприятия. К таким предприятиям относятся шахты, карьеры и рудники. Каждое предприятие наделяется определенным участком месторождения, предназначенного к разработке. / 1 стр. 28 /.
Карьером называют горное предприятие, осуществляющее добычу полезного ископаемого открытым способом. /1 стр. 29/.
В настоящее время предприятия, добывающие и обогащающие полезные ископаемые, добываемые открытым способом, называют горно-обогатительными предприятиями. Например в Кривбассе это самостоятельные предприятия ЮГОК, ИнГОК, предприятия входящие в единый комплекс СевГОК и ЦГОК, а также НКГОК, входящий в систему предприятий АрсеролМитал Кривой Рог, которые добывают железную руду, обогащают и выплавляют сталь..
Шахтой называют горное предприятие, которое осуществляет добычу полезного ископаемого подземным способом. Шахта состоит из зданий и сооружений на поверхности и системы подземных горных выработок. / 1 стр. 28 /
Рудником называют горное предприятие, состоящее из нескольких близко расположенных шахт, объединенных общим комплексом сооружений на поверхности / 1 стр. 29 /.
Основными характеристиками, определяющими тип шахты, является производственная мощность и срок службы шахты. /1 стр. 28 /
Производственной мощностью шахты ( А ) называется количество полезного ископаемого в тоннах, добываемого в год /1 стр. 28 /.
Срок службы шахты ( Т ) равен периоду в течение которого отрабатывается промышленные запасы в пределах шахтного поля / 1 стр. 28 /.
К горным объектам относятся горные выработки, поверхностные сооружения на территории шахт, а также все объекты, которые располагаются ниже поверхности земли ( метрополитен, подземные нефте и газохранилища, подземные переходы, склады и т.д.).
Горные выработки - это полости в земной коре, которые образовываются результате выемки полезного ископаемого в самом месторождении или пород в окружающих месторождение породах.
Горные выработки бывают открытые и подземные./ 1 стр. 20 /
Открытыми называют выработки, которые примыкают к поверхности земли и поэтому имеют незамкнутый контур поперечного сечения./ 1 стр. 20 /
Выработки, расположенные на некоторой глубине от поверхности, называют подземными. / 1 стр. 20 /.
По своему пространственному положению горные выработки подразделяют на горизонтальные, вертикальные и наклонные. / 1 стр. 20 /
В зависимости от расположения выработки по отношению к залежи полезного ископаемого различают горные выработки, проводимые по породам, по полезному ископаемому, частично по полезному ископаемому и породам. / 1 стр. 20 /
По горным выработкам циркулирует воздушная струя, в них размещают различное оборудование, а также прокладывают трубопроводы ( водоотливные, гидротранспортные, сжатого воздуха ) и электрические кабеля. / 1 стр. 20 /
Горные выработки проходят по простиранию плата или залежи полезного ископаемого, по восстанию, по падению и вкрест простирания или под некоторым углом к простиранию. / 1 стр. 20 /
По назначению различают:
разведочные горные выработки - проводимые с целью поисков или детальной разведки месторождения полезного ископаемого,
эксплуатационные горные выработки - необходимые при разработке разведанного месторождения. / 1 стр. 20 /
Следует отметить, что как отдельный вид выделяют временные горные выработки, т.е. такие горные выработки, которые необходимы только для сооружения эксплуатационных горных выработок.
В свою очередь эксплуатационные горные выработки по назначению делят на:
капитальные, обслуживающие подземное хозяйство шахты в течение всего срока разработки шахтного поля или его крупной части ( этажа, панели ),
подготовительные, в результате проведения которых месторождение или его часть подготавливается к добыче полезного ископаемого,
нарезные, проводимые по пласту или залежи полезного ископаемого и соединяющие транспортные и вентиляционные подготовительные выработки с очистными,
очистные, которые служат для непосредственной добычи полезного ископаемого /1 стр. 21 /
В подземных горных выработках различают следующие элементы:
Почва - поверхность горных пород, ограничивающая горную выработку снизу,
Бока- поверхности горных пород, ограничивающие выработку с боков,
Кровля - поверхность, ограничивающая выработку сверху.
Забой - поверхность, ограничивающая горную выработку и перемещающаяся в результате ведения горных работ.
Устье - начало горной выработки или место ее выхода на земную поверхность или место примыкания выработки к другой выработке.
В открытых горных выработках различают почву, борта и забой. /1 стр. 21 /
К вертикальным горным выработкам относятся: / 1 стр. 21-23 /
Шурф - вертикальная, реже наклонная горная выработка обычно прямоугольного сечения, которая имеет непосредственный выход на земную поверхность и служит для геологоразведочных или эксплуатационных работ. Шурфы имеют сравнительно небольшой срок службы. Глубина шурфов, как правило, не превышают 50-90 м.
Шахтным стволом называют вертикальную ( или наклонную ) горную выработку, которая имеет непосредственный выход на поверхность и предназначена для обслуживания подземных эксплуатационных или геологоразведочных работ. В последнем случае такую выработку называют стволом разведочной шахты.
Шахтный ствол, является капитальной горной выработкой со сроком службы, равным, как правило, сроку службы шахты.
Если на шахте находятся в действии два стола, то один ствол называют главным ( по нему выдают на поверхность полезное ископаемое ), а второй - вспомогательным. Вспомогательный ствол служит для выдачи из шахты породы, спуска материалов и оборудования, По этому стволу также производят спуск и подъем людей. На крупных шахтах число стволов может достигать шести-восьми. При этом отдельные стволы выполняют узкоспециализированные функции, в соответствии с чес их называют вентиляционными, водоотливными, закладочными и т.д.
Шахтные стволы в зависимости от вида подъемной установки, которой он оборудован, называют скиповым, клетевым, скипо-клетевым.
Слепой шахтный ствол, в отличие от шахтного ствола, не имеет выхода на поверхность.
Гезенком называют вертикальную горную выработку, которая не имеет непосредственного выхода на поверхность и служит для связи между рабочими горизонтами. В большинстве случаев полезное ископаемое спускается по гезенку самотеком, иногда с помощью винтовых спусков. Глубина гезенков может превышать 100м.
Восстающим называется вертикальная ( или наклонная ) горная выработка ,которая не имеет выхода на поверхность, проводится по восстанию и служит для целей разведки или эксплуатации.
Горизонтальные горные выработки. / 1 стр. 23 /
Почти все горизонтальные выработки имеют незначительный уклон для облегчения стока рудничных вод и облегчения откатки груженых составов с полезным ископаемым.
К горизонтальным выработкам относятся /1 стр. 23-26 /
Тоннель - горизонтальная гонная выработка (реже наклонная ), которая имеет два выхода на поверхность ( с обеих сторон ).
Штольня - горизонтальная горная выработка, которая имеет непосредственный выход на поверхность и служит для разведки или эксплуатации месторождения. Различают откаточные, вентиляционные и водоотливные штольни. Штольни проводят по простиранию и вкрест простирания месторождения Штольни можно применять только при гористом или холмистом рельефе местности. Обычно штольня является главной капитальной выработкой, имеющей значительный срок службы.
Квершлаг - протяженная горная выработка, которая не имеет непосредственного выхода на поверхность и проводится под углом к простиранию местрождения, чаще всего вкрест простирания.
Штрек протяженная горизонтальная горная выработка, которая не имеет непосредственного выхода на поверхность и проводится полностью или частично ( т.е. с подрывкой боковых пород ) по пласту полезного ископаемого в направлении его простирания при пологом, наклоном и крутом падении и в любом направлении при горизонтальном залегании.
Штреки, которые проводятся по породам - называют полевыми.
В зависимости от основного назначения штреки подразделяют на откаточные и вентиляционные.
В откаточных штреках, как правило, применяют локомотивный транспорт, Если транспортирование полезного ископаемого осуществляется конвейерами, то штрек называют конвейерным.
Вентиляционные штреки служат для отвода отработанной струи воздуха и для вспомогательных целей.
Длина штреков может достигать нескольких километров.
Орт - горизонтальная горная выработка которая не имеет непосредственного выхода на поверхность. Орты проводят вкрест простирания мощного пласта или залежи между ее висячими и лежачими боками.
Наклонные горные выработки / 1 стр. 26 /
Наклонный ствол - наклонная выработка, которая имеет выход на поверхность и служит для тех же целей, что и вертикальный ствол.
Бремсбергом называется наклонная выработка, которая не имеет непосредственного выхода на поверхность и проводится обычно по пласту полезного ископаемого. Бремсберги служат для спуска добытого полезного ископаемого с вышележащего горизонта на нижележащий. Бремсберги применяют только при наклонном и пологом падении залежей.
Уклоном называют наклонную выработку, не имеющую непосредственного .выхода на поверхность и проводимую обычно по плату полезного ископаемого. Уклоны служат для подъема полезного ископаемого с нижележащего горизонта на вышележащий.
Скатом называют наклонную выработку , проводимую обычно по полезному ископаемому и не имеющую непосредственного выхода на поверхность. Скаты служат для спуска полезного ископаемого и других грузов с вышележащего горизонта на нижележащий под действием собственного веса.
Среди горизонтальных горных выработок также выделяют камеры. / 1 стр. 27 /
Камеры - выработки, которые имеют небольшую длину по сравнению с размерами поперечного сечения. Различают камеры, проводимые по полезному ископаемому с целью его извлечения, и камеры, которые служат для размещения в них машин, механизмов и оборудования.
Совокупность подземных выработок, расположенных около стволов и предназначенных для обслуживания подземного хозяйства шахты, называют околоствольным двором.
Выработки небольшого поперечного сечения / 1 стр. 27 /
Шпур - это цилиндрическое углубление, которое выбуривается в толще пород или полезного ископаемого для размещения в нем заряда взрывчатых веществ или для других целей, связанных с разведкой и разработкой месторождения. Диаметр шпуров обычно 30-40 мм, иногда до 75 мм. Длина обычно 1,5 - 2,5 м, иногда до 5 м.
Скважина - это выработка, которая отличается от шпура увеличенным диаметром (100-150 мм и более ) и глубиной. Глубина скважин колеблется от 10 м до нескольких
тысяч метров.

1.3Формы поперечного сечения горных выработок и факторы , определяющие их выбор.
При подземной разработке угольных месторождений различают три стадии: вскрытие, подготовку и очистные работы. Каждая из этих стадий включает в себя проведение горных выработок главным образом буровзрывным или комбайновым способом.
Факторы, определяющие форму поперечного сечения выработки: физико-механические свойства горных пород, назначение и срок службы выработки, материал крепи, положение выработки в пространстве, размеры его поперечного сечения, величина и направление горного давления и др.
В зависимости от указанных факторов горные выработки имеют различные формы поперечного сечения: арочную (рис. 1,а), трапециевидную (рис. 1,6), прямоугольную (рис. 1,5), круглую (рис. 1,г), эллиптическую (рис. 1,д), полигональную (рис. 1,е), несимметричную (рис. 1,ж,з).


При бетонной или каменной крепи форма поперечного сечения выработки может быть сводчатая, круглая или эллиптическая, при металлической любая, при сборной железобетонной крепи выработка может принимать форму поперечного сечения: прямоугольную, трапециевидную, полигональную или с криволинейным очертанием выработки. Наличие горного давления со стороны почвы вызывает необходимость придавать выработке криволинейные замкнутые очертания в виде обратного свода или овала. При всестороннем горном давлении выработке, как правило, придают круглую форму.
Несимметричные формы поперечного сечения горизонтальных подготовительных выработок вызваны стремлением наилучшим образом вписаться в угольный пласт с целью обеспечения проведения их без присечки пород или с минимально необходимым объемом присекаемых пород. Для этих условий наиболее приемлемой крепью является анкерная, которая может применяться при любой форме выработки.
Рассматривая формы поперечного сечения горизонтальных выработок, следует отметить, что основные формы их сводчатая и трапециевидная (прямоугольная).
Сводчатая форма более благоприятна с точки зрения ее устойчивости, рационального использования крепи, ее несущей способности и перераспределения воспринимающих ею нагрузок.
Трапециевидная (прямоугольная) форма позволяет обеспечивать поддержание сопряжения выработки с очистным забоем, более эффективно использовать крепи усиления на сопряжении в виде обычных гидравлических, деревянных и других стоек. При этой форме в случае нижней подрывкипородсущественно улучшается состояние кровли на сопряжении с лавой. Однако, как показывает отечественный и зарубежный опыт, с увеличением глубины разработки область возможного применения трапециевидной (прямоугольной) формы сокращается и на больших глубинах более рациональной, а часто и единственной является сводчатая (кольцевая) форма выработок.
1.4 Выбор формы и определение размеров поперечного сечения горизонтальных наклонных выработок
Форму поперечного сечения горной выработки выбирают главным образом в зависимости от физико-механических свойств пересекаемых пород, проявления и величины горного давления, назначения и срока службы выработки, материала и типа крепи, а также ее экономичности.
С точки зрения использования площади наиболее экономична прямоугольная форма, а все остальные хотя и обеспечивают надежную устойчивость, но приводят к завышению площади сечения. Например: у выработок круглой формы излишки сечения достигают 30 %.
Решения по выбору формы и типа крепи должны удовлетворять Правилам безопасности, а также строительным нормам и правилам (СНиП) по проектированию формы и площади поперечного сечения, выбору материала и типа крепи, правилам производства и приемки работ.
В производственной практике наибольшее распространение получили арочная, сводчатая и трапециевидная форма выработок. В меньшей степени применяют круглую, подковообразную, полигональную и прямоугольную формы.
. В угольной промышленности арочную форму с металлической рамной крепью применяют при проведении выработок в породах с f=3-9, находящихся в зоне установившегося горного давления, а также в зоне влияния очистных работ при отсутствии пучащих пород в почве.
В горнорудной промышленности арочную и сводчатую формы применяют при креплении выработок набрызгбетоном, анкерами и металлической рамной крепью. В крепких породах f>10 горные выработки с арочной формой проводят без установки крепи.
Сводчатую форму с монолитной бетонной (железобетонной) крепью применяют при проведении выработок околоствольного двора, а также протяженных выработок в слабых неустойчивых породах. При пучении пород в почве применяют сводчатую форму с обратным сводом.
Подковообразная форма сечения с тюбинговой сборной и блочной крепью нашла применение при проведении протяженных капитальных выработок в слабых породах с высоким горным давлением (0,3 - 0,5 МПа). Эта форма получила распространение при строительстве шахт в Кузнецком, Карагандинском и Печорском бассейнах, а также в Донецком бассейне при проведении выработок на большой глубине.
Трапециевидную форму с рампой деревянной крепью нашла распространение в выработках с небольшим сроком службы. Достоинство этой формы более полное по сравнению cдругими формами использование поперечного сечения.
Прямоугольную форму применяют при проведении камер околоствольного двора и протяженных выработок с анкерной крепью.
Размеры поперечного сечения выработки (ширина, высота, диаметр и площадь) зависят от ее назначения, основных размеров оборудования, способа передвижения людей, количества проходящего по выработке воздуха, принятой формы поперечного сечения и определяются графо-аналитическим способом. I
Минимальную высоту выработки измеряют от уровня головки рельсов до внутренней поверхности крепи и она должна быть по Правилам безопасности равна 1,9 мв главных откаточных и вентиляционных выработках, 1,8 м в участковых подготовительных выработках. Минимальная ширина выработок складывается из основных размеров размещаемого в ней оборудования или подвижного состава с учетом прохода для людей и зазоров, предусмотренных Правилами безопасности (ПБ).
Далее графически определяют минимальную ширину выработки в свету, а затем аналитически все другие ее размеры и площадь поперечного сечения.
Сущность графического способа состоит в следующем. На бумагу в определенном масштабе на уровне верхней кромки подвижного состава или конвейера наносят максимальные основные размеры принятого оборудования, размещаемого в выработке, минимальные зазоры и расстояния между отдельными механизмами, между оборудованием и постоянной крепью выработки.
Затем по масштабу находят ширину выработки в свету на уровне верхней кромки подвижного состава или конвейерной установки. Затем аналитически определяют все остальные размеры.
При проектировании поперечного сечения выработки в свету необходимо учитывать запас на возможные осадки пород, зависящий от типа выработки, условий ее поддержания и мощности пласта т. Например, величина запаса на осадку по высоте в откаточных штреках и других выработках, находящихся в зоне влияния очистных работ, принимается равной (0,5 - 0,6)m, в выработках, проводимых широким забоем, (0,4 0,5) т. В типовых сечениях предусмотрены вертикальная податливость крепи 300 мм и горизонтальная на уровне 1,8 м от почвы выработки – 230-290 мм. В выработках, закрепленных податливой крепью, очень важно правильно установить запас на осадку, что может обеспечить ее безремонтное поддержание на весь срок службы
По расчетному поперечному сечению в свету принимают ближайшее большее типовое. Можно типовое сечение выработки подбирать по ширине выработки в свету, определенной на высоте подвижного состава, а затем найти все остальные размеры сечения с учетом толщины крепи и размеров принятого типового сечения выработки.
В случае арочной крепи, если искомое сечение выработки обязательно должно быть типовым, нет необходимости прибегать к трудоемкому графическому способу, а надо воспользоваться более упрощенным приемом, который заключается в следующем. По исходным данным (тип выработки, колея и число путей, вместимость вагонетки, тип электровоза, тип спецпрофиля СВП) для проектирования сечения выработки находят ширину выработки в свету на уровне высоты верхней кромки подвижного состава. Затем подбирают типовое сечение шириной, равной или больше расчетной, а также отвечающее другим требованиям. Принятое сечение проверяют на скорость движения воздуха аналитическим способом по формуле с учетом газообильности шахты

V = kqA/864Sсвd
· Vд

где v расчетная скорость движения воздуха, м/с; k=1,45 коэффициент утечки воздуха и неравномерности добычи угля; q выделение метана на 1 т суточной добычи, м3; А суточное количество угля, транспортируемого по выработке, т; Sсв площадь поперечного сечения выработки в свету, м2; d допускаемое содержание метана в исходящей струе выработки, %; Vд скорость движения воздуха, допускаемая по ПБ, м/с.
Окончательно размеры поперечного сечения корректируются с учетом сечения горных пород на основании методических указаний кафедры строительных геотехнологий, и затем выбирается ближайшее типовое сечение по каталогу.

1.5 Выбор формы и определение размеров поперечных сечений вертикальных стволов
Выбор формы сечения стволов обусловливается свойствами пересекаемых пород, сроком службы стволов, свойствами материалов крепи и др. В современном шахтном строительстве нашла основное применение не только в угольной, но также и горнорудной промышленности круглая форма стволов. Криволинейная форма ствола полностью исключена, а прямоугольная почти не применяется.
Площадь сечения стволов зависит от их назначения. Размеры сечения стволов, служащих для выдачи полезного ископаемого, зависят от производительности шахты, газового режима ее и глубины разработки. Размеры сечения материальных и вспомогательных стволов выбирают по основным размерам клетей, в которых будут производиться спуск и подъем рабочих, материалов и оборудования в вагонетках. Размеры сечения вентиляционных стволов зависят от газового режима шахты и количества воздуха, необходимого для проветривания подземных выработок.
Размеры сечения ствола определяют графическим способом исходя из размеров и расположения подъемных сосудов, расстрелов, проводников, зазоров между сосудами, между сосудами и крепью и других зазоров, регламентированных правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах (ПБ) [16], а также с учетом размещения лестничного отделения, ставов трубопроводов и кабелей.
Принимаемый типоразмер подъемных сосудов должен соответствовать массе груза, который необходимо поднять из шахты за один раз, и непосредственно зависит от производительности подъемной установки.
Производительность подъемной установки (т/ч)
Ач= kpA/(Nt) (1.1)
где kp коэффициент резерва подъема, учитывающий возможность увеличения добычи по сравнению с проектной, а также неравномерность поступления грузов к стволу (в угольной промышленности kp=1,5 для последнего проектируемого горизонта, в горнорудной промышленности kp= 1,15-:-1,25); А годовая проектная мощность шахты, т; N=300число рабочих дней в году по выдаче полезного ископаемого (при пяти рабочих днях в неделю N = 260);t число часов работы подъемной установки по выдаче полезного ископаемого в сутки (исходя из трехсменной работы t= 15 ч).
Масса одновременно поднимаемого полезного груза:
для угольных шахт
(1.2)

для рудных шахт

Qy = 0,00574
·HAч (1.3)


где H=hст+hз+hп высота подъема, hст глубина ствола от устья ствола до уровня почвы околоствольного двора, м; hп высота приемной площадки (при скиповом подъеме берется в пределах от 20 до 32 м, при неопрокидных клетях от 6 до 12 м, hн=0, если приемная площадка устроена на уровне устья ствола);hз=15-20 м высота загрузки скипа у подъемного бункера (для клетей hз=0);
· время, затрачиваемое на загрузку и разгрузку подъемных сосудов, с.
Установлены следующие величины
·: при вместимости скипа до 5 м3 ,
· = 7 с, при вместимости скипа больше 5 м3 число секунд на загрузку и разгрузку равно числу вместимости скипа в кубических метрах. Для одноэтажных клетей с вагонеткой вместимостью 1,3 м3
·=12 с, 2,54 м3
· = 15 с, 5,68 м3
· = 18-20. с. Для двухэтажных клетей при тех же вместимостях вагонеток
· соответственно 30, 35 и 40 спри постоянном радиусе навивки и 45, 50 и 55 с при переменном радиусе навивки.
По полученным массам одновременно поднимаемого полезного груза, определенным по вышеприведенным формулам, подбирают необходимый типоразмер скипа по справочным таблицам, или клети. По этим же таблицам устанавливают размеры подъемных сосудов. Выбирают сетку расстрелов из числа типовых, а также величину необходимых зазоров по ПБ (§ 50, табл. 1), размеры расстрелов и проводников. Для определения размеров сечения ствола графическим способом на бумагу в масштабе наносят сетку расстрелов и располагают оборудование (подъемные сосуды, лестничное и трубное отделения) с учетом необходимых зазоров. Вокруг этого оборудования описывают окружность с учетом зазоров между крепью и сосудами. Для этого необходимо найти три точки, не лежащие на одной прямой и находящиеся в одной горизонтальной плоскости, так как только в этом случае можно провести единственную окружность, которая будет искомой. Такими точками могут быть точки, отстоящие от выступающих частей оборудования (обычно углов скипов, клетей, противовесов) на расстоянии не менее 150 мм, а также точка, отстоящая на 1,51,57 м от середины расстрела, отделяющего лестничное и трубокабельное отделение. Затем согласно принятому масштабу определяют диаметр этой окружности, т. е. диаметр ствола в свету. По этому диаметру принимают ближайшее большое типовое сечение ствола, которое проверяют на скорость движения воздуха. Это сечение не должно превышать норм, установленных ПБ (§ 161, табл. 3).
Скорость движения воздуха по стволу
V = Q/(60S µ), (1.4)
где Q количество воздуха, необходимого для проветривания шахты, м3/мин; S площадь поперечного сечения ствола в свету, м2; µ = 0,75-1 коэффициент армировки.
Q=100qA/(24Ч60d) (1.5)
где q относительная газообильность шахты, м3/т; А производственная мощность шахты, т/сут; d=0,75 допустимая концентрация газа в исходящей струе, %.
Рассчитанная величина скорости должна удовлетворять неравенству VVкр, то следует принимать другой типоразмер сечения ствола, удовлетворяющий требованиям ПБ.

§ 3. Первый и второй основные периоды строительства шахт

Согласно СНиП ІІІ-11-77 в первый основной период строительства входят:
Проходка стволовшахт (штолен), в том числе их углубка;
проходка сопряжений стволов шахт с околоствольными выработками длиной до 10 м, а при использовании технологического оборудования для последующей проходки выработок длиной, определяемой из условий размещения этого оборудования;
проходка сопряжений стволов шахт (штолен) с приствольными 3выработками длиной не менее 5 м;
проходка временных и постоянных перекачных камер, камер временного и зумпфового водоотлива, загрузочных устройств, соединительных выработок между главным и вспомогательным стволами;
армирование стволов шахт;
строительно-монтажные работы по подготовке ко второмупериоду строительства доставка средств шахтного подъема; подземного и поверхностного транспорта; средств проветривания и водоотлива; подготовка мест для отвалов породы и складов полезных ископаемых.
На строительство главных (скиповых) стволов затрачивается 65...100 %, вспомогательных (клетевых) стволов 45...95 %, вентиляционных и воздухоподающих 18...40 % времени от полной продолжительности строительства шахты. Технология строительства и в первую очередь распределение объемов горно-проходческих работ по стволам во втором периоде строительства шахты должны быть тесно увязаны с прогнозируемой продолжительностью работ по строительству каждого ствола.
Конечная цель первого основного периода обеспечить не только эффективное строительство стволов, но и достаточную производительность подъемов, вентиляции, водоотлива во втором периоде. Энергоснабжение, транспорт и службы материально-технического обеспечения должны при этом полностью удовлетворять нужды всех одновременно действующих забоев.
Почти весь комплекс работ первого основного периода выполняют специализированные тресты или строительные управления по шахтопроходке: в Донецкой области Донецкшахтопроходка, в КривбассеКривбассшахтопроходка, в Кузбассе Кузбассшахтопроходка и др.
Второй основной период строительства шахты качественно отличается от первого. Если в первом периоде строятся штольни, вертикальные или наклонные стволы, то во втором горизонтальные и наклонные горные выработки, непосредственно вскрывающие и подготавливающие месторождения полезного ископаемого к разработке, а также околоствольные дворы и камеры, которые являются связующим звеном между стволами и вскрышными подготовительными выработками.
Комплекты проходческого оборудования, средства транспорта, водоотлива и т. д. в забоях вертикальных, горизонтальных и наклонных горных выработок принципиально различны. В связи с этим работы второго периода выполняют специализированные шахтостроительные организации, например, в Донецкой области тресты Донецкшахтострой, Макеевшахтострой. Артемшахтострой, Красноармейскшахтострой, Донецкшахтостроймонтаж с привлечением в необходимых случаях других организаций на субподрядных началах.
Для сокращения срока и повышения качества строительства очень важно правильно распределить объемы горно-проходческих и других работ между строительными организациями первого и второго периодов. Главная задача первого периода выполнение максимального объема горно-проходческих и монтажных работ в сопрягающихся со стволом выработках с тем, чтобы облегчить начало работ второго периода и по возможности сократить до минимума затраты времени на переход от первого ко второму периоду строительства.
К переходным работам относятся налаживание вентиляции, транспорта, энергоснабжения, водоснабжения и водоотлива, комплектование забоев проходческим оборудованием, т. е. выполнение всего комплекса работ, обеспечивающего нормальный разворот и нарастающий темп строительства вначале выработок и камер околоствольных дворов, затем капитальных и подготовительных горизонтальных и наклонных горных выработок вплоть до сдачи шахты в эксплуатацию.
Выбор последовательности строительства горных выработок, наиболее эффективной технологии, расчет средств подъема, транспорта, схем энергоснабжения, вентиляции, водоотлива, системы материально-технического обеспечения должны выполняться не обособленно, а в комплексе, что дает возможность достигнуть высоких показателей строительства горных выработок.
Тема 2. Подготовительный период строительства

2.1. Общие сведения о подготовительном периоде
До начала подготовительного периода осуществляют организационно-технические мероприятия:
Проводят инженерно-геологические изыскания; оформляют финансирование; заключают договора на строительство с подрядными и субподрядными организациями; решают вопросы, связанные с обеспечением строительства материалами, конструкциями и деталями; получают фонды и размещают заказы на поставку оборудования; производят отвод земель для строительства; решают вопросы обеспечения строительства рабочими кадрами и их жилищно-бытового устройства.
После выполнения указанных мероприятий приступают к выполнению строительно-монтажных и планировочных работ подготовительного периода.
Каждый из периодов строительства характеризуется сложными и трудоемкими горнопроходческими, земляными и строительно-монтажными работами, однако одним из наиболее важных и ответственных является подготовительный период строительства, так как от полноты, качества и своевременности выполнения всех работ во многом зависят технико-экономические показатели строительства всего горного предприятия в целом.
Подготовительные работы должны своевременно обеспечивать необходимый фронт работ для всех строительных подразделений и быть технологически увязаны с общим потоком строительно-монтажных работ.
Последовательность строительства систем и объектов в подготовительном периоде определяют календарным графиком с учетом необходимой очередности ввода систем и объектов в эксплуатацию.
Комплекс строительно-монтажных и земляных работ в подготовительный период выполняется как ха пределами промышленных площадок горного предприятия (внеплощадочные работы), так и непосредственно па промышленной площадке , (внутриплощадочные работы).

2.2. Внеплощадочные работы
В состав внеплощадочных работ входит строительство магистральных линий, протяженность которых превышает 3 км К ним относятся внешние подъездные железнодорожные пути, автомобильные дороги, линии электропередачи с трансформаторными и распределительными подстанциями, линии связи, водопроводные магистрали с заборными сооружениями, канализационные коллекторы с очистными сооружениями, судоходные трассы с водными
причалами.
Железную дорогу прокладывают от ближайшей железной дороги или эксплуатационной шахты до промышленной площадки горного предприятия. Протяженность железнодорожной линии зависит от территориального расположения горного предприятия. В случае, когда строительство железной дороги задерживается по техническим пли технологическим причинам, хранение оборудования и материалов организовывают на временных складах на ближайшей к шахте железнодорожной станции. На строительную площадку грузы доставляют автомобильным транспортом.
Автомобильную дорогу строят от ближайшей автомобильной дороги республиканского или областного значения до промышленной площадки горного предприятия. Автомобильную дорогу делают шириной не менее 6 м с асфальтовым покрытием.
Временные внеплощадочные и внутриплощадочные железные и автомобильные дороги следует строить в тех случаях, когда нецелесообразно использовать в подготовительный период постоянные дороги.
Электроснабжение строящейся шахты должно осуществляться по двум независимым линиям (ЛЭП). При выходе из строя одной из них оставшаяся в работе линия должна обеспечить нормальную работу всех электроприемников.
Линии электропередач строят для обеспечения электроэнергией всех энергопотребителей на промышленной площадке строящегося горного предприятия и на поверхности, и в горных выработках в период эксплуатации последнего. В практике применяют два варианта обеспечения горного предприятия электроэнергией.
Первый в подготовительный период строят постоянную ЛЭП напряжением 11035 кВ, которая рассчитана на обеспечение электроэнергией как строительства, так и эксплуатации горного предприятия. Эту ЛЭП подсоединяют к специальному фидерному автомату районной подстанции.
Второй вначале строят временную ЛЭП напряжением 1 6 кВ, которую подключают к фидерному автомату трансформаторной подстанции действующего горного предприятия или к ближайшей эксплуатационной ЛЭП соответствующего напряжения.
После окончания строительства горного предприятия или параллельно со строительством строят постоянную ЛЭП требуемого напряжения к началу развития основных объемов горных работ, которая служит для эксплуатации горного предприятия.
Этот вариант применяют в тех случаях, когда строительство постоянной ЛЭП требует продолжительного срока из-за больших объемов работ и строительство временной ЛЭП окупается за счет сокращения срока строительства всего горного предприятия.
Выбор напряжения 110, 35 или 6 кВ для передачи электроэнергии определяют техническими и экономическими расчетами.
При строительстве горных предприятий, удаленных на значительное расстояние от источников электроэнергии, работы подготовительного периода обеспечивают электроэнергией от передвижных электростанций с двигателями внутреннего сгорания ДГ-50; АД-70; ДГ-400. Временные источники (передвижные электроподстанции, энергопоезда) можно использовать только в самый начальный период строительства.
Временные сети высокого и низкого напряжения необходимо подвешивать на столбах. Допускается прокладка электрокабелей в траншеях лишь в тех случаях, когда строительство ЛЭП может осложнить выполнение основных строительно-монтажных работ или если выполнение таких работ не допускается по Правилам безопасности.
Линию телефонной связи (ЛТС) строят от ближайшего телефонного узла до промышленной площадки горного предприятия. ЛТС может быть воздушной (с подвеской проводов на столбах) и кабельной (с прокладкой кабеля в траншее). Тип ЛТС определяют в зависимости от протяженности, рельефа земной поверхности, экономического фактора, осложнения выполнения строительно-монтажных или земляных работ.
Воду, расходуемую на производственные (питание котлов, приготовление бетона, охлаждение компрессоров, мойка машин и т. п.), санитарно-бытовые (душевая, столовая) и противопожарные нужды, целесообразно подавать из действующих систем водоснабжения, расположенных вблизи строительной площадки. Для технических нужд используют воду из ближайших естественных водоемов. При их отсутствии бурят артезианские скважины. Потребность в воде определяют в соответствии с нормативами. Для сброса шахтных и бытовых вод строят канализационный трубопровод с очистными сооружениями.
Тепло- и пароэнергней стройку необходимо обеспечивать от действующих централизованных систем теплоснабжении. При соответствующих технико-экономических обоснованиях можно применять индивидуальные котельные, располагаемые на строительной площадке.
Схемы энергоснабжения, связи, водо- и теплоснабжения должны быть увязаны между собой на всех, этапах выполнения строительно-монтажных работ с учетом последующего развития строительства в данном районе.

2.3. Внутриплощадочные работы
В состав внутриплощадочных подготовительных работ входят: освоение строительной площадки и выполнение организационных мероприятий, обеспечивающих планомерное и рациональное развитие строительства стволов и всего горного предприятия. В этот период создают геодезическую сеть, необходимую для дальнейшего строительства, и делают ее привязку к триангуляционной сети района.
Дальнейшее освоение строительной площадки начинают с выполнения работ нулевого цикла, которые включают: рубку и корчевание леса, удаление растительного слоя и его складирование для последующего использования; расчистку территории строительной площадки и снос не используемых в процессе строительства строений; инженерную подготовку строительной площадки с горизонтальной и вертикальной планировкой, с обеспечением временных стоков поверхностных вод;перекладку существующих инженерных коммуникаций, если в них есть потребность; разбивку осей зданий н сооружений; рытье траншей и прокладку сетей энерго- и водоснабжения, канализации, телефонной и радиосвязи с сооружением для них коллекторов; устройство постоянных и временных внутриплощадочных дорог; строительство резервуаров для хранения запаса воды на противопожарные нужды; разработку котлованов и траншей с выкладкой фундаментов под здания и сооружения; тампонаж с поверхности водоносных пород или укрепление слоя наносов на глубину строительства устья в зонах расположения стволов.
Одновременно с завершением работ нулевого цикла создают общеплощадочное складское хозяйство, строят площадки для укрупненной сборки оборудования и конструкций, обеспечивают строительную площадку противопожарным водоснабжением и инвентарем, монтируют инвентарные здания, а после окончания работ нулевого цикла приступают к строительству временных и постоянных зданий и сооружений.
В подготовительный период строят административно-бытовой комбинат (АБК), в котором предусматривают помещения для нарядной, раздевалки, душа, аппарата управления и лиц надзора.
На промышленных площадках фланговых стволов в период строительства горного предприятия постоянные АБК, как правило, не строят. На промышленных площадках центральных стволов постоянные АБК представляют собой капитальные здания со сложным технологическим оборудованием, поэтому закончить их строительство к началу проходческих работ не удается. Поэтому и здесь необходимо строить также временные АБК для обслуживания рабочих, занятых на проходке стволов. В дальнейшем по мере завершения строительства постоянного АБК его частично можно использовать в период проведения горизонтальных и наклонных выработок, а также при строительстве шахтной поверхности.
Временные АБК располагают на свободной от застройки постоянными зданиями и сооружениями территории в непосредственной близости от ствола.
В подготовительный период строят также временные или постоянные механические мастерские с кузнечным, слесарным и электрическим отделениями, в которых размещают металлообрабатывающие и бурозаправочные станки, а также механизмы для ремонта электрооборудования.
В период проходки стволов все оборудование, а при проведении горизонтальных и наклонных выработок его большая часть (особенно на рудниках) оснащены пневматическим приводом. Для удовлетворения потребностей в пневматической энергии в подготовительный период предусматривается строительство здания временной компрессорной станции, в котором размещают несколько компрессоров, работающих на общую пневматическую сеть. В настоящее время находят все более широкое применение передвижные компрессорные станции типа ПКС-150/8.
Схемы теплоснабжения, применяемые при строительстве горных предприятий, предусматривают наряду с централизованным получение тепла от временных котельных, построенных на строительной площадке. Теплоснабжение необходимо для отопления АБК, производственных зданий и подогрева воздуха, подаваемого в зимнее время в шахту.
Для временных котельных применяют котлы типа ММЗ-0,8/8 или ТМЗ-1,8/8 производительностью соответственно 0,8 и 1,8 т/ч-пара. Целесообразно применять передвижные котлоагрегатыПКУ-Е-1/9-2т конструкции Донгипрооргшахтостроя, состоящие из транспортабельного блока, в котором в полной заводской готовности размещены водотрубный котел Е-1/9-2т, водоумягчительная установка, водонагреватели с сетевыми насосами и бункера для угля. Передвижная котельная установка доставляется к месту мотажаотдельнымикотлоагрегатами автомобильным и железнодорожным транспортом.
На промышленной площадке строят также временную или постоянную трансформаторную подстанцию. Для сокращения стоимости и продолжительности монтажных работ, а также обеспечения мобильности целесообразно применять передвижные подстанции конструкции Донгипрооргшахтостроя типа ОРУ-6, понижающие напряжение с 6 до 0,4 кВ.
В период строительства на поверхности горных предприятий предусматриваются временные устройства, отводящие шахтную воду в горизонтальный отстойник, а затем в пониженный участок-местности или водоем. Горизонтальный отстойник представляет собой вытянутый по ходу стока воды прямоугольный резервуар, предназначенный для выделения из шахтных вод грубодисперсных и неорганических веществ. На центральной промышленной площадке целесообразно строить станцию для очистки шахтной воды от механических примесей и бактериальных загрязнений с последующим использованием ее для производственных нужд. Для этой цели применяют установку конструкции ДонУГИ производительностью 300 м3/ч.
Для хранения запаса воды строят резервуары цилиндрической формы диаметром до 15 м, заглубленные в землю, с железобетонными стенами, дном и перекрытием. Объем резервуаров определяется из расчета хранения трехчасового запаса воды на противопожарные нужды, 15% максимального расхода воды для бани и 12-часового расхода на текущие хозяйственные нужды.
Для хранения материалов, конструкций и оборудования в количестве, определяемом проектом организации строительства горного предприятия, строят складские здания и сооружения. Склады подразделяют по виду материалов, подлежащих хранению, на специальные и универсальные, а по условиям хранения материалов на закрытые и открытые склады и навесы. Специальные склады предназначены для хранения материалов определенного наименования, универсальные для различных наименований.
Закрытые специальные склады используют в основном для хранения цемента в сварных металлических силосах или бункерах.
Склады строительного кирпича, сборных железобетонных и бетонных конструкций, асбоцементных и керамических труб, леса и инертных материалов устраивают открытыми.
Под навесами складируют: в стеллажах полосовую, уголковую сталь и стальные трубы; в штабелях листовую сталь, арматуру, асбоцементные листы и плитки.
В универсальных складах хранят электромонтажные и отделочные материалы, спецодежду, метизы, инструменты и приборы. Рационально располагать склады около железнодорожных путей и оснащать погрузоразгрузочными механизмами.
На горное предприятие бетонную смесь доставляют автосамосвалами, автобетоновозами МАЗ-503А, КрАЗ-2565, автобетоносмесителями БМ-92 при расположении районной строительной базы на расстоянии менее 10 км от промышленной площадки или приготовляют в бетоносмесительных установках, расположенных на промышленной площадке.
Все строящиеся на промышленной площадке здания и сооружения обеспечиваются конструкциями, материалами и изделиями как в порядке централизованного снабжения в соответствии с выделяемыми фондами, так и собственными предприятиями. Местные материалы на стройку поставляют с подсобных предприятий. При необходимости строят заводы по производству сборного железобетона и товарного бетона.
В подготовительном периоде при строительстве современного горного предприятия возводят в среднем 4050 временных и постоянных зданий и сооружений различного назначения. Целесообразно строительство вести групповым (объектовым) потоком с сетевым планированием.

2.4. Проходка устья ствола и технологического отхода
В подготовительный период проходят устье ствола и технологический отход. Объемно-планировочные и конструктивные решения устьев вертикальных стволов принимают с учетом опыта строительства в аналогичных условиях, исходя из конкретных условий, учитывая нагрузки па крепь и местоположение по глубине сопрягающихся выработок. Инженерные изыскания для проектирования и строительства устьев стволов выполняют в период организационно-технических мероприятий по подготовке строительства.
Конструкцию устьев определяют исходя из назначения ствола, величин вертикальных н горизонтальных нагрузок, условий залегания и физико-механических свойств горных пород, наличия фильтрации грунтовых вод, материала крепи и способа ведения работ. Устье в зависимости от назначения ствола может служить фундаментом для проходческого или постоянного (башенного) копра, опорой для подвески временной крепи и части проходческого оборудования при проходке технологического отхода, для размещения сопряжений вентиляционных и калориферных каналов, водоотливных и дегазационных труб, кабелей и труб сжатого воздуха, запасных выходов.
Для защиты от попадания в стволы поверхностных вод устье возводят на 200 мм выше земной поверхности.
Глубину устьев стволов определяют расчетом, исходя из конкретных горно-геологических условий, размеров проемов каналов и глубины их заложения, а также глубины залегания плотных пород, в которых закладывают опорный венец. Обычно устье имеет глубину 1020 м.
Крепь устьев стволов чаще сооружают монолитной бетонной и железобетонной, реже из металлических и железобетонных тюбингов. При тюбингах утолщения крепи для восприятия вертикальных нагрузок выполняют из монолитного бетона. Конструкции крепи устьев стволов проектируют в зависимости от действующих нагрузок, размеров проемов каналов, а также диаметров отколов. Устье состоит из оголовка 1, средней части 2 и опорного венца 3 (рис. 2.1, а).
На рис. 2.1 показаны распространенные конструкции устьев. При расположении коренных пород на глубине 1012 м устьем пересекают наносы и опорный венец устраивают в коренных породах, а когда копер опирают на крепь устья, то устраивают и оголовок (см. рис. 2.1, а). Конструкцию устья без оголовка (рис 2.1,6) применяют, когда коренные породы выходят на поверхность земли, а копер имеет самостоятельные фундаменты. При строительстве стволов в наносах, где невозможно заложить венец, устье проходят на глубину 1012 м такой конструкции, в которой вертикальную нагрузку воспринимает только оголовок (рис. 2,1, и) При наличии в устье каналов оголовок усиливают опорным двухконическим венцом (рис. 2.1, г). На стволах с башенным копром устью придают более сложную конструкцию (рис. 2.1.д) .








Постепенно демонтируя (если позволяют условия) временную крепь, заменяют раму-шаблон на основную проходческую (нулевую) раму.
Достоинства этой технологической схемы малый объем подготовительных работ. Недостатки: большая трудоемкость работ, низкие технико-экономические показатели, наличие временной крепи, которую часто приходится оставлять при возведении монолитной бетонной, что приводит к увеличению стоимости.
При совмещенной технологической схеме проходки устья выемку породы и возведение постоянной монолитной бетонной крепи производят заходками сверху вниз с использованием секционной или створчатой металлической опалубки или с навеской железобетонных (чугунных) тюбингов (рис. 2.3). Высоту заходки выбирают, исходя из устойчивости пород, высоты опалубки и организации работ.
Достоинства схемы: небольшой объем подготовительных работ, меньшая трудоемкость и стоимость работ по сравнению с последовательной схемой, отсутствие временной крепи, более высокая скорость проходки.
Проходку устьев с применением проходческого оборудования, используемого для проходки основной части ствола, выполняют по следующим схемам оснащения:





временной с использованием временных проходческих копров и подъемных машин; . .
постоянной с использованием постоянных копров и подъемных машин;
комбинированной с различным сочетанием типов постоянного и временного копрового и подъемного оборудования.
В каждой из схем оснащения выемку породы и возведение постоянной крепи производят как по последовательной, так и по совмещенной технологическим схемам, выбор которых осуществляют исходя из горно-геологических и технологических условий, а также технико-экономического анализа возможных вариантов.
Схему оснащения с использованием временных проходческих копров и подъемных машин целесообразно применять, когда проходческий копер оставляют для постоянной эксплуатации (вентиляционные и воздухоподающие фланговые стволы). Достоинства схемы: высокая календарная скорость строительства всего ствола, наиболее полная механизация всех процессов проходческого цикла. Недостатком является большая продолжительность подготовительного периода. Если схему применяют при последующем переоснащении на постоянное оборудование, то увеличивается продолжительность переходного периода.
Схему оснащения с использованием постоянных копров и подъемных машин целесообразно применять, когда для приспособления постоянного копра к проходке и на восстановление его после проходки требуются минимальные затраты средств и времени. При данной схеме оснащения до начала монтажа постоянного копра необходимо пройти 56 м устья, закрепить оголовок и установить подкопровую раму.
Проходка устья при такой схеме оснащения имеет ряд преимуществ, которые выделяют ее как наиболее прогрессивную. Как правило, к окончанию оснащения проходки ствола на строительной площадке бывают возведены необходимые сооружения и проложены коммуникации, что позволяет наиболее полно механизировать основные процессы, повысить скорость и снизить стоимость проходки устья и всего ствола. Работы по проходке и креплению оголовка и установке подкопровой рамы можно выполнять параллельно с подготовительными работами.
Достоинства схемы: минимальная продолжительность переходного периода, максимальная общая скорость строительства ствола; высокие технико-экономические показатели, наилучшая организация работ и технологичность. При комбинированных схемах оснащения применяют следующие варианты набора оборудования: временные проходческие копры и постоянные эксплуатационные подъемные машины; постоянные металлические копры и постоянные эксплуатационные подъемные машины; постоянные башенные копры и временные проходческие подъемные машины.
Окончательный выбор технологической схемы проходки устья ствола и схемы оснащения производят по наименьшей общей продолжительности, стоимости, трудозатратам и наибольшей общей скорости строительства ствола. Способ разрушения породы и отделения ее от массива принимают в зависимости от физико-механических свойств пород, а также наличия определенных механизмов.
Пластичные и сыпучие породы отделяют от массива и грузят в бадьи без предварительного рыхления, если мощность ковша или грейфера достаточна для ее зачерпывания. Разработку мягкой породы производят отбойными молотками или пневмоломами слоями толщиной 0,40,6 м от центра ствола к его стенкам. Породы средней крепости и крепкие разрушают буровзрывным способом с использованием шпуров глубиной 1 1,3 м и зарядов малых величин (0,20,4 кг).
Породу при небольшой глубине устья выдают из ствола непосредственно грейферами или бадьями.
Погрузку породы в бадьи производят грейферными грузчиками КС-3 вместимостью 0,22 м3 или 0,65 м3 от погрузочной машины КС-2у/40. Грузчики подвешивают на автомобильном кране или лебедке, оборудованной двумя тормозами. Дистанционное управление грейфером вместимостью 0,65 м3 осуществляют с пульта управления, расположенного на нулевой отметке устья. Бадью с породой разгружают в аккумулирующий бункер или во временный лоток, установленный на разгрузочном станке. Из бункера породу автосамосвалами доставляют в отвал, из-под лотка породу перемещают в отвал бульдозером (рис. 2.4).
Работы по строительству устья в устойчивых или крепких породах начинают с планировки участка заложения ствола и укладки рамы-шаблона, которую изготовляют или из деревянных брусьев, соединяемых болтами (рис. 2.5, а), или из стальных прокатных профилей (рис. 2.5, б).
Возведение деревянной рамы-шаблона более трудоемко, причем дерево не обладает достаточной прочностью. Поэтому в настоящее время изготовляют раму-шаблон в основном из двутавровых балок и устанавливают их на столбчатых бетонных фундаментах. На эти балки укладывают кольцо из швеллеров, которое собирается в зависимости от диаметра устья из 510 сегментов, соединяемых друг с другом при помощи накладок и конусных штырей. Кольцо крепят к двутавровым балкам при помощи металлических скоб, планок и гаек.
Нулевая рама (рис. 2.6) предназначена для перекрытия устья ствола. На ней производятся посадка в бадью и высадка людей из бадьи, загрузка и разгрузка бадьи материалами и оборудованием при их спуске и подъеме из ствола.
К раме-шаблону по мере проходки подвешивают кольца временной крепи на 2-образных подвесках из круглой стали диаметром 3032 мм.
Кольца временной крепи изготовляют из швеллерного профиля № 1622 в зависимости от диаметра ствола, устойчивости пород и шага колец. Каждое кольцо собирают из отдельных сегментов.

2.5 Расчет объемов работ и продолжительности подготовительного периода
Для определения объемов работ подготовительного периода необходимо знать потребность стройки в воде, сжатом воздухе, электроэнергии и других ресурсах, а также протяженность дорог коммуникаций.
Протяженность железнодорожной линии зависит от территориального расположения шахты и изменяется от 3 до 35 км. В случаях, когда строительство железной дороги задерживается, на ближайшей к шахте железнодорожной станции сооружают временные склады для хранения материалов и оборудования, которые в дальнейшем перевозят на шахту автомобильным транспортом. Автомобильная дорога соединяет шахтную площадку с ближайшей автомобильной дорогой республиканского или областного значения. Автомобильные дороги делают с асфальтовым покрытием шириной 6 м.
Линии электропередачи (ЛЭП) сооружают для обеспечения строительства и эксплуатации шахты электроэнергией.
В подготовительный период можно строить сразу постоянную ЛЭП напряжением 1035 кВ, которую подсоединяют к свободному фидеру районной подстанции.
Также вначале можно строить временную ЛЭП напряжением 16 кВ, а затем постоянную. Временную ЛЭП подключают к фидеру трансформаторной подстанции действующего предприятия или к проходящей вблизи шахты соответствующей линии электропередачи. Этот вариант применяют в случаях, когда строительство постоянной ЛЭП осложняется большим объемом работ и несвоевременной поставкой проектной документации, материалов и оборудования. Строительство постоянной ЛЭП должно быть закончено к началу развития основных горных работ.
Если район строительства шахты удален на значительное расстояние от источников электроэнергии, то начальные работы подготовительного периода обеспечиваются электроэнергией от передвижных электростанций с двигателями внутреннего сгорания ДГ-50, АД-70, ДГ-400.
Линию телефонной связи (ЛТС) строят от шахтной площадки до ближайшего телефонного узла.
ЛТС бывают воздушные, с подвеской проводов на столбах и кабельные. Марку ЛТС определяют в зависимости от отдаленности шахт от узла связи, рельефа поверхности и др.
При строительстве шахт вода расходуется на производственные (охлаждение компрессоров, приготовление бетонной смеси, мойка машин, котельная и т. п.), санитарно-бытовые (душевая, столовая) и противопожарные нужды. Потребность воды определяют расчетом по нормативам: приготовление бетонной смеси 200300 л на 1 м3, мойка автомашин 300 600 л/сут на одну машину, душ 2530 л за 5 мин; норма на санитарно-бытовые нужды 200 л/сут; противопожарные нужды 20 л/ч при площади застроенной территории до 50 га и т.п.
Котельная служит для отопления административно-бытовых комбинатов, производственных зданий и подогревания воздуха, подаваемого в ствол. Для временных котельных применяют вертикально-цилиндрические водотрубные котлы ММЗ-0,8 производительностью 8 т/ч пара или ТМЗ-1,8/8 производительностью 1 т/ч. Целесообразно также применять передвижные котельные установки ПКУ-1/91Т конструкции Донгипрооргшахтостроя, которые состоят из водотрубного котла К-1/9 производительностью 1 т/ч и комплектующего оборудования. На шахтной площадке устанавливают 2-3 такие котельные установки.
На центральных площадках с расходом пара до 10 т/ч применяют передвижные (на железнодорожных платформах) котельные ПКБМ-10/9.
Трансформаторная подстанция (ТП) служит для приема электроэнергии, трансформации и распределения её по потребителям на промышленной площадке. Если трансформаторная мощность не превышает 750 кВт, то целесообразно применять передвижные подстанции конструкции Донгипрооргшахтостроя ОРУ-6. Применение передвижных ТП позволяет уменьшить стоимость монтажных работ в 22,5 раза и протяженность кабеля в 1,52 раза.
Мощность Р(кВт) и тип передвижной электроподстанции определяют исходя из суммарной мощности потребляемых источников [32] по формуле:

где
·=1,1 – коэффициент, учитывающий потери мощности в сети;
·Pc – сумма номинальных мощностей всех установленных электродвигателей, кВт; cos
·=0,75 – коэффициент мощности; Ро.в. – общая мощность электроприборов в помещении, кВт; Ро.н. – общая мощность электроприборов наружного освещения, кВт; k1, k2, k3 – коэффициенты одновременности работы.
Ориентировочная потребляемая мощность электроприемников при проходке стволов с применением буровзрывных работ приведена в табл. 1.3.
Резервуары для воды сооружают объемом из расчета хранения 3-часового запаса воды на противопожарные нужды, 15% максимального расхода воды для бани и 12-часового расхода на текущие хозяйственные нужды. Резервуар цилиндрической формы диаметром до 15 м заглубляют в землю.


Таблица 1.3

Глубина ствола, м
Диаметр ствола, м
Потребляемая мощность (кВт) при скорости проходки, м/мес.



50
75
100

300
5
440
530
710


6
540
640
830


7
650
850
1070


8
770
1030
1350

600
5
570
720
1100


6
680
850
1220


7
800
1080
1410


8
940
1360
1800

900
6
920
1150
1560


7
950
1330
1820


8
1230
1720
2400

1200
7
1310
1830
2400


8
1650
2230
3100


На период строительства строят склады четырех типов :открытый для хранения леса, кирпича, песка, железобетонных металлических конструкций; полузакрытый (навес) для хранения профильного металла, труб, арматуры, битума и т. п.; закрытый для хранения цемента, гипса и извести; универсальный (магазин) для хранения электромонтажных материалов, красок, цветных металлов, измерительных приборов, инструмента, запасных частей, спецодежды и т. п. Склады обычно располагают около железнодорожных путей, их оснащают погрузочно-разгрузочными механизмами.
Строительство шахты бетонной смесью обеспечивают двумя способами: 1) бетонную смесь, приготовленную в районном бетонном заводе, доставляют на площадку в автомашинах; 2) бетонную смесь приготовляют в смесительных установках, расположенных на шахтной площадке. Наиболее рациональным является первый способ.
Бетонную смесь транспортируют на расстояния до 10 км.
Шахтная бетоносмесительная установка имеет одну или две бетономешалки вместимостью до 500 л. Применяют передвижные установки С-543.
Для определения сроков и очередности строительства отдельных объектов поверхности шахты составляют календарный график строительства объектов подготовительного периода.
Продолжительность подготовительного периода является одной из составных частей продолжительности строительства всего горного предприятия, поэтому все работы в подготовительный период необходимо планировать и осуществлять так, чтобы заканчивать их в кратчайшие сроки.
Продолжительность подготовительного периода, исчисляемая от начала строительно-монтажных работ на промышленной площадке до начала проходки ствола, зависит от мощности горного предприятия, числа, диаметра, глубины и расположения строящихся стволов, горно-геологических условий, рельефа местности и степени освоенности района строительства, расстояния промышленной площадки строительства до магистральных железных и автомобильных дорог, источников энерго- и водоснабжения и др.
По нормативам продолжительность подготовительного периода равна 12 мес. при производственной мощности шахт 600 тыс. т/год и 16 мес. при мощности шахты 3 млн. т/год. Фактическая продолжительность подготовительного периода часто превышает нормативную и составляет 2024 мес. и более, что является причиной существенного удорожания стоимости его работ и строительства.
Поэтому необходимо стремиться к сокращению продолжительности подготовительного периода, что достигается своевременным обеспечением строительства проектно-сметной документацией, выделением в требуемом объеме материалов, полуфабрикатов, оборудования и денежных средств, максимальной индустриализацией строительства, научной организацией труда, планированием и управлением строительства.
Совершенствование организации работ в подготовительный период должно выполняться за счет максимального использования постоянных зданий и сооружений для проходческих целей. В случае необходимости временные здания и сооружения следует применять в инвентарном и блочном сборно-разборном исполнении.
Снизить стоимость работ и продолжительность подготовительного периода позволяет применение передвижного оборудования проходческого комплекса Донгипрооргшахостроя, в состав которого входят передвижные подъемные машины, проходческие лебедки, объекты энергетического хозяйства (котельные и компрессорные установки, электроподстанции), вентиляторные установки и проходческие копры блочной конструкции, а также использование постоянных зданий и сооружений для целей строительства.
В период проходки ствола можно использовать следующие постоянные здания и сооружения: копры главного и вспомогательного стволов, здания подъемных машин, автомобильные дороги, санитарно-технические коммуникации, энергетические магистрали, резервуары для хранения запаса воды и на противопожарные цели, насосные станции, градирню, электроподстанции, часть здания АБК., бетоносмесительную установку, здание обслуживания бурильных установок.
На организацию работ также отрицательно влияет исключительное разнообразие технических решений по размещению объектов на промплощадке, обусловленное практически неповторяющимися исходными данными для проектирования. Это затрудняет применение типовых технологических схем по оснащению ствола.
Расчеты Донгипрооргшахтостроя показали, что при имеющихся производственных мощностях в Донбассе можно одновременно оснащать не более 810 стволов. При таком решении, например, за пятилетку реально оснастить такое же, как и ранее, число стволов, но каждый из них в 2 раза быстрее.
Продолжительность подготовительного периода зависит от мощности шахты, числа, диаметра и глубины проходимых стволов, степени освоенности района строительства, расстояния шахтной площадки от линии железных и автомобильных дорог, источников электроснабжения и водоснабжения и др.
Нормы продолжительности подготовительного периода в зависимости от производственной мощности шахты приведены ниже.

Производственная
Мощность шахты,
тыс. т/год
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
3000
3600

Нормы продолжительности подготовительного периода, мес.
12
12
15
15
15
16
16
16
16


Фактическая продолжительность подготовительного периода часто превышает нормативную и составляет 2024 мес.
Расчет объемов подготовительного периода производят на основе ситуационных планов района строительства шахты. Для расчета земляных работ при вертикальной планировке необходимо иметь следующие документы: план вертикальной планировки, картограмму земляных работ, план промплощадки с отметками чистого пола, топосъемку в масштабе 1:500. Методика расчета этих объемов изложена в книге [1].
Общая стоимость работ подготовительного периода составляет 1014% сметной стоимости строительства шахты.
Существенное влияние на организацию и продолжительность подготовительного периода оказывает освоенность района строительства. В неосвоенных районах до начала работ на промышленных площадках шахт требуется выполнить большой объем работ по созданию материально-технической базы строительства.
Одним из главных направлений повышения технико-экономических показателей подготовительного периода является максимальное использование постоянных зданий и сооружений во время строительства шахт.
На период проходки ствола целесообразно использовать следующие постоянные здания и сооружения: копры главного и вспомогательного ствола, санитарно-технические коммуникации, автомобильные дороги, резервуары запасной и противопожарной воды, насосную станцию, градирню, столовую, часть здания административно-бытового комбината (в объеме 14 16 тыс. м3), электроподстанцию и линию электропередачи. Объем постоянных зданий и сооружений на центральной площадке, которые используют при проходке стволов, должен достигать 5070 % общего их объема.

Тема 3. Свойства и классификация горных пород

3.1 Общие сведения о горных породах
Горные породы представляют собой связанные комплексы различных минералов, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. По степени связи минеральных зерен и частиц все породы делятся на твердые, связные и сыпучие.
По происхождению горные породы подразделяют на три группы: магматические или изверженные (базальт, габбро, диорит и др.), образовавшиеся в результате застывания па поверхности земли или в земной коре силикатного расплава, называемого магмой; осадочные (песчаник, известняк н др.), образовавшиеся при переносе и осаждении органических и неорганических веществ на дне водных бассейнов; метаморфические (мрамор, гнейс, кристаллические сланцы и др.) образовавшиеся в процессе изменения осадочных и изверженных горных пород под влиянием высокой температуры и давления.
По числу минеральных компонентов входящих в состав пород, последние могут быть мономинеральными, например каменная соль, гипс, доломит, полиминеральными почти все магматические породы, а из осадочных песчаники, конгломераты, глины и др.
По строению горные породы бывают кристаллическими, обломочными и аморфными. Кристаллическими могут быть как магматические, так и осадочные породы.
Строение любой горной породы оценивается двумя основными признаками: структурой и текстурой.
Под структурой горных пород понимают взаимное расположение отдельных минеральных зерен или отдельных агрегатов этих зерен, на которые горные породы могут распадаться. Структура характеризует крупность зерен, слагающих породу, которая бывает мелко-, средне- и крупнозернистой. Мелкозернистые породы, как правило, обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые того же минералогического состава.
Под текстурой породы понимают те ее особенности, которые обусловливаются взаимным пространственным расположением
минеральных зерен, т. е. текстура показывает сложение породы. К текстурным признакам относят слоистость, пористость и сланцеватость.
Горные породы по минеральному составу являются телами неоднородными. В результате динамических процессов, происходящих в земной коре, в горных породах возникают трещины, различные по величине и направлению.
Твердые горные породы состоят из обломков, зерен, кристаллов, связанных между собой минеральным цементом, силами молекулярного сцепления пли давлением. Прочность таких пород определяется в основном характером цементации и составом цемента. Цемент может быть известковым, мергелистым, кремнистым, глинистым, гипсовым и др. Наибольшей прочностью обладают породы с кремнистым цементом и наименьшейс глинистым цементом. Если связь между частицами отсутствует, то горная порода представляет собой механическое скопление твердых частиц или обломков и называется сыпучей,
Сыпучая порода сохраняет свою форму вследствие массы частиц и трения между ними. Сопротивление движению, возникающее при перемещении соприкасающихся частиц породы, находящихся внутри ее массива, называется внутренним трением сыпучей породы.
Свободная поверхность откоса породы сохраняет свой наклон под некоторым углом к горизонту, называемым углом естественного откоса.
Угол естественного откоса зависит от крупности частиц материала, его влажности, а также от формы и характера поверхности частиц и удельного веса материала. С ростом крупности частиц угол естественного откоса увеличивается.
Средняя величина угла естественного откоса для некоторых пород приведена в табл.3.1
Таблица 3.1

Порода
Угол естественного откоса породы, градус


сухой
влажной
мокрой

растительный грунт
40
-
25

глинистый грунт
40
30
20

песок
30
35
25

гравий
35-40
35
30

разрушенная скальная различной кусоватости
32-45
35-48
30-40

уголь (разрыхленный)
30
40
50


Сжатие сыпучих пород в основном возможно из-за перегруппировки частиц и при очень высоких давлениях может сопровождаться дроблением частиц. Перегруппировка частиц может быть облегчена при применении вибрации, обеспечивающейзначительное уплотнение песков, гравия и других сыпучих материалов, которое не может быть достигнуто даже при очень больших давлениях. При незначительной связи между частицами порода считается рыхлой. Сыпучие породы, которые при полном их насыщении водой и весьма малых размерах частиц способны течь, называют плывучими.
К плывучим породам (плывунам) в практике проведении горных выработок относят несвязанные водоносные породы (мелкий песок с частицами размером 0,20,1 мм и менее, глина частицами размером 0,010,001 мм н менее), которые при проведении в них горных выработок и под воздействием гидростатического напора приходят в движение и принимают характер текучего тела. По отношению к воде различают неосушаемые и осушаемые (отдающие воду) плывуны.
По характеру воздействия воды на плывуны различают плывуны безнапорные и напорные.
Безнапорные плывуны представляют собой разжиженный песок, глину, ил, способные удерживать воду. Если плывуны указанного состава будут подвержены действию воды, находящейся под напором, то их относят к напорным плывунам.
Горные породы или минеральные вещества, добываемые из недр земли и используемые человеком в естественном виде или после предварительной обработки, называют полезным ископаемыми, а окружающие их породы пустыми.
Осадочные породы, в том числе и ископаемый уголь, залегают в виде пластов и линз. Для пластовой формы залегания горной породы характерно значительное распространение по площади и ограничение ее сверху и снизу двумя примерно параллельными плоскостями.

3.2. Физико-механические свойства горных пород
Знание физико-механических свойств горных пород позволяет заблаговременно составить представление о характере возможных деформаций и степени устойчивости обнажений массива, а также является основанием для разработки и внедрения наиболее эффективных методов разрушения горных пород при ведении горных работ, крепления и поддержания горных выработок.
Под механическими свойствами горных пород понимаются характеристики, определяющие способность пород сопротивляться деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие, акустические и др.
При проведении горных работ приходится иметь дело в основном с твердыми породами, свойства которых зависят не только от их минералогического состава, но и от условий образования.
Прочность характеризует способность горной породы сопротивляться раздавливающим, разрывающим и скалывающим нагрузкам.
Пределом прочности называется напряжение, при котором образец породы разрушается,

·=Р/F,
где Р - величина внешней разрушающей нагрузки, Н; Fплощадь, на которую действует приложенная нагрузка, м2.
Сцепление определяет сопротивляемость горных пород тангенциальным нагрузкам

·=T/F,
где T - величина общей тангенциальной нагрузки, Н.
Угол внутреннего трения характеризует вязкое сопротивление пластическому течению в образце породы при превышении предела упругости. Этот угол определяет внутреннее трение между частицами породы, образующими соответствующие плоскости скольжения.
Большинство горных пород имеет зернистую структуру. Типичными породами, имеющими зернистую структуру, являются песчаники. У большинства горных пород межкристаллическое сцепление или прочность цемента, скрепляющего зерна, значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные породы хрупкие и разрушаются без предварительной пластической деформации. Ограниченное количество горных пород (глины, некоторые виды известняков) обладает пластическими свойствами.
Горные породы имеют достаточно высокую прочность только на сжатие, сопротивление же их растяжению, сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли сопротивления сжатию.
При процессах механического разрушения горных пород (зарубка, бурение, отбойка и т. д.) чаше находит применение термин «крепость горной породы».
Крепостью горной породы называют способность породы сопротивляться воздействию внешних усилий (бурению, отбойке, взрыванию и т. д.).
Данные о физико-механических свойствах горных пород получают путем испытания их образцов па сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.
К свойствам горных пород относят также обобщающие их характеристики разрушаемости механическими способами. Сюда входят дробимость ударом, абразивность и контактная прочность.
Дробимость сопротивление горной породы разрушению, которое оценивается по расходу энергии на дробление.
Под термином «абразивность горных пород и угля» понимают их способность истирать металлы, твердые сплавы и другие твердые тела. Поэтому абразивность обычно оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой.
За критерий абразивности принята суммарная потеря массы стержня из незакаленной стали при его истирании о поверхность образца горной породы. При этом истирание стержня производится в течение 10 мин при напряжении 1,5 МПа и частоте вращения 400 мин-1 .
Численно показатель абразивности горных пород при бурении можно выразить по величине износа режущих кромок инструмента или уменьшению его массы по формуле
Ак=В1-В2/
·
где B1 иB2 масса буровой коронки до и после бурения, г;
· - длина пробега коронки (длина пробуренных шпуров), м.
Шкала абразивностигорных пород (по Л. И. Барону и А. В. Кузнецову) приведена в табл. 3.2




Таблица 3.2
Класс абразивности
Наименованиекласса пород
Показатель абразивности
Порода

l
Весьма малоабразивные
<5
Известняк, мрамор, мягкие сульфиды без кварца (галенит, сфалерит, пирротин), апатит, каменная соль.

ll
Малоабразивные
5 – 10
Сульфидные руды, баритосульфидные руды, аргиллиты, мягкие сланцы, углистые, глинистые, хлоритовые, хлорито-аспидные.

lll
Ниже средней абразивности
10 - 18
Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сульфидные руды, магматические тонкозернистые породы, песчаники, кварцевые и аркозовые тонкозернистые, руды железные, известняки окремененные.

lV
Среднеабразивные
18 – 30
Песчаники кварцевые и аркозовые, мелкозернистые диабазы, плавленый базальт, крупнозернистый пирит, арсенопирит, жильный кварц, кварцево-сульфидные руды, мелкозернистые магматические породы, окварцованные известняки, джаспероиды.

V
Выше средней абразивности
30 – 45
Песчаники кварцовые и аркозовые, средне- и крупно зернистыеплагиограниты, нефелиновые сиениты, мелкозернистые граниты, мелкозернистые диориты, порфириты, грейзеры, лапрофиры, габро, скарны (рудные и нерудные).

Vl
Повышенной абразивности
45 – 65
Породы магматические, средне- и крупнозернистые граниты, диориты, гранодиориты, порфириты, нефелиновые сиениты, сиениты, кератофиры, пироксенты, моноциты, амфиболиты, сланцы кварцевые и окварцованные, гнейсы.

Vll
Высокоабразивные
65 - 90
Порфириты, диориты, граниты, гранитоидные нефелиновые сиениты.

Vlll
высшей степени абразивности
>90
Корундсодержащие породы.



Сопротивляемость горной породы внедрению инструмента или вдавливанию при статическом воздействии называют статической твердостью.
Одной из наиболее простых является шкала относительной твердости Мооса, не утратившая практического значения до настоящего времени.
Под контактной прочностью понимается сопротивление горной породы вдавливанию плоского штампа в необработанную поверхность горной породы:
Рк=Р/S,
где Рк контактная прочность, МПа; Р усилие в момент хрупкого разрушения (выкол лунки), Н; S площадь штампа, см2.
Этот метод определения сопротивляемости горных пород наиболее полно воспроизводит условия их разрушения при шарошечном бурении и широко применяется в горной практике.
Хрупкость свойство горных пород разрушаться без пластических деформаций. Это свойство чаще всего проявляется при воздействии динамической нагрузки, например при ударе буровым инструментом. Между хрупкими и пластичными телами нельзя провести резкой грани, так как одно и то же тело в зависимости от рода и скорости нагрузки может быть и хрупким, и пластичным.
Твердость свойство горной породы оказывать сопротивление внедрению или вдавливанию в нее инструмента. Применительно к поликристаллическим телам, какими являются многие горные породы, следует отличать твердость отдельных компонентов (кристаллов), из которых состоит порода, от ее агрегатной твердости.
Вязкость свойство горной породы сопротивляться усилиям, стремящимся отделить часть породы от массива. Вязкость часто выражается через работу деформации работу, необходимую для разрушения породы. Вязкость зависит от прочности и пластичности породы, она возрастает с повышением каждой из этих величин. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех направлениях. В неоднородных породах вязкость меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендикулярном к слоям. Если вязкость известняка принять за 1, то относительная вязкость песчаника составит 1,1. а кварца 1,9.
Пористость характеризуется объемом пор в породе. Наличие в породе пор и трещин уменьшает силы сцепления и облегчает разрушение породы под действием бурового инструмента. Чем больше объем пор, тем меньше ее плотность.
Пористость горных пород изменяется в широких пределах и зависит от размеров и формы зерен, слагающих породу, а также от минералогического состава, однородности, плотности ее сложения. Пористость ряда гранитов составляет 1,2%, песчаников 4,828%, а глин до 47%. При наличии пористости горные породы должны обладать сжимаемостью (уменьшением объема после сжатия), однако практически сжимаемость горных пород незначительна. Например, уменьшение образца глинистого сланца после сжатия его под давлением 100 МПа составляет 0,71%, каменного угля.2,32%.
Плотность горной породы масса единицы объема (т/м3) горной породы в естественном ее состоянии со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами. Плотность горной породы выражает степень заполнения минеральным веществом данного объема породы или отношение массы тела к ее объему.
Упругостью называется свойство тела восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия на него силы. Изменение формы тела после прекращения действия на него силы называется деформацией.
Свойство тела сохранять новую форму после прекращения действия силы называется пластичностью.
Ползучесть способность горной породы замедленно деформироваться в результате силового воздействия неизменной интенсивности. Ползучесть горных пород имеет большое значение при поддержании горных выработок, так как от этого зависят смещение на контуре выработок и, следовательно, величина нагрузок на крепь.
Ползучесть горных пород в большей мере проявляется на больших глубинах от поверхности. Разрыхляемостью называют свойство горных пород занимать в разрыхленном состоянии больший объем по сравнению с тем объемом, который эта горная порода занимает в массиве. Отношение объема породы в разрыхлённом состоянии к объему той же породы в массиве называется коэффициентом разрыхления. Величина этого коэффициента зависит от крепости породы, ее строения и сложения, способа добычи, степени ее дробления и соотношения между крупностью кусков, наличия воды. Наиболее разрыхляемыми являются твердые и прочные породы, наименьшей разрыхляемостью обладают малосвязанные и рыхлые породы.
В результате действия сил тяжести и влаги с течением времени куски и частицы породы уплотняются, В этом случае имеет место так называемая остаточная разрыхляемость.
Трещиноватость горных пород совокупность трещин разного происхождения и разных размеров, обычно сообщающихся между собой
Трещиноватость горных пород значительна ослабляет устойчивость массива, существенно влияет на параметры буровзрывных работ, способы проведения, крепления и поддержания горных выработок. Влагоемкость свойство горных пород удерживать воду (в порах и трещинах). Влагоемкость определяют по количеству оставшейся воды после свободного стекания ее избытка с образца, который предварительно был погружен в воду. Влагоемкость выражается в процентах, отнесённых к объему или массе образца. По влагоемкости горные породы делятся на влагоемкие (глины, торф и др.), слабовлагоемкие (пески, мергели, мел и др.), невлагоемкие (галечник, гравий, каменистые породы).
Водопроницаемость способность горных пород пропускать воду. Величина влагопроницаемости определяется скоростью фильтрации, которая равна количеству воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Эта зависимость характеризуется коэффициентом фильтрации, т.е. скоростью фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Коэффициент фильтрации выражают обычно в м/сут. или см/с. Газоносность горной породыколичество газов, содержащихся в весовой или объемной единице горной породы в виде свободных и сорбированных газов. Газоносность обычно измеряется в м3/т или м3/м3. Различают газоносность горной породы потенциальную, природную и остаточную. Потенциальная газоносность возможная в определенных термодинамических условиях (температура, газовое давление, пористость и т. п.); природная в природных условиях; остаточнаягазоносность частично дегазированной горной породы в результате ведения горных работ.
Газопроницаемость - способность горной породы (угля) пропускать сквозь себя газ. Газопроницаемость является основным свойством горной породы, проявляющимся при фильтрации газа. Газопроницаемость зависит в основном от свойств этой породы и отчасти от свойств самого газа.
Пучение горных пород - вязкопластическое течение пород в виде выдавливания их в выработку, обусловленное горным давлением.

3.3. Понятие о внезапных выбросах угля, породы и газа
Проблема борьбы с газодинамическими явлениями в глубоких угольных шахтах стала одной из наиболее актуальных во многих угольных бассейнах. Многие угольные пласты Донецкого бассейна склонны к внезапным выбросам угля и газа, а с глубины 700800 м здесь все чаще происходят выбросы породы, которые весьма осложняют подготовку новых горизонтов и строительство глубоких шахт. Внезапный выброс представляет собой быстропротекающее разрушение, призабойной части газоносного угольного или породного массива под воздействием сил горного давления, давления газа и собственной массы угля, сопровождающееся отбросом или обрушением угля (породы) в горную выработку и обильным газовыделением, превышающим обычное газовыделение.
Основные признаки происшедшего внезапного выброса угля и газа: образование в угольном массиве характерной полости, отброс угля от забоя в горизонтальных выработках крутых пластов и во всех выработках пологих пластов, наличие повышенного по сравнению с обычным содержания газа в горной выработке после выброса.
Дополнительные признаки происшедших внезапных выбросов угля и газа: механическое повреждение крепи выработки отброшенным углем, повреждение и отброс оборудования, установленного в выработке, наличие тонкоизмельченного пылевидного угля в конце откоса выброшенного угля и на крепи, а иногда и по всей выброшенной массе, меньший угол откоса выброшенного угля в горизонтальной выработке по сравнению с углом его естественного откоса.
Предупредительные признаки внезапных выбросов: уменьшение прочности угля, выдавливание угля из забоя, усиленное давление на крепь, удары и трески различной силы и частоты в массиве, отскакивание кусочков угля и шелушение забоя, появление пылевого облака, резкое выделение газа в выработку, зажим штанг, выброс штыба и газа при бурении скважин.
Выброс породы и газа представляет собой явление возникающее в некоторых песчаниках впереди забоя выработки при взрывных работах за пределами непосредственного воздействия ВВ и характеризующееся быстроразвивающимся разрушением массива с отбросом породы и выделением газа. Основной определяющий признак выброса - характерное измельчение основной массы породы на чешуеобразные пластины, оконтуривающие полость выброса и дробящиеся при отбросе до состояния песка.

3.4. Понятие о горных ударах
Горный удар представляет собой быстро протекающее разрушение целика или части массива угля (породы), проявляющееся в виде выброса угля (породы), в подземные выработки с нарушением крепи, смешением машин, механизмов, оборудования и т.д. Удар сопровождается резким звуком, сотрясением горных пород, образованием большого количества пыли и воздушной волной. На газоносных угольных пластах горный удар может сопровождаться усиленнымгазовыделением.
По силе проявления горные удары подразделяют на собственно горные удары, микроудары, толчки и стреляния.
Микроударпроявляется в виде выброса или осыпания угля (породы) в горные выработки без нарушения крепи и без смещения машин и механизмов. Микроудар сопровождается звуком, незначительным сотрясением массива горных пород и образованием пыли.
Толчок проявляется в разрушении пласт угля (породы) в глубине массива без выброса в горную выработку. Толчок сопровождается звуком, сотрясением массива, появлением пыли.
Стреляниепроявляется в отскакивании от угольного пласта (пород) отдельных кусков. Оно сопровождается резким звуком.

3.5. Классификация горных пород физико-механическим свойствам
Для возможности сравнения прочности различных пород с целью создания эффективных средств механизации разработки нормативов производительности машин и труда рабочих приближенной экономической оценки < разрушаемости пород по М. М. Протодьяконовым разработана классификация пород по крепости, получившая наиболее широкое распространение в нашей стране (табл. 3.3). Для каждой горной породы устанавливают коэффициент крепости, т. е. величину, количественно характеризующую крепость горной породы. Обычно принимают, что коэффициент f крепости горной породы равен, частному от деления величины
·сж временного сопротивления сжатию (МПа) на 100, т.е.
f =
·сж /100.
Каждая единица прочности соответствует напряжению при сжатии 10 МПа. Например, если песчаник разрушается под нагрузкой 90 МПа, то коэффициент крепости его будет равен 9, а в плотных глинах, способных выдержать нагрузку 10Мпа, будет равен 1.Достоинства классификации горных пород проф. М.М. Протодьяконова:простота и доступность для практического применения коэффициент крепости дает общую характеристику породы во всех направлениях;
коэффициенты крепости горных пород имеют корреляционную зависимость с некоторыми физико-механическими константами горных пород, определяемыми более точными методами, например контактная прочность, усилие среза, усилие разрыва, упругие константы и др.
охватывает сравнительно широкий диапазон торных пород - от крепких до плывучих.
Недостатки этой классификации: предел пучности на сжатие для одной и той же породы значительно меняется в зависимости от формы и размеров испытываемых образцов, направления сжимающей силы по отношению к напластованию породы (например, предел прочности каменной соли при увеличении высоты образца с 5 до 20 см уменьшается в 2 раза и более);
не всегда подтверждается справедливость одного из основных исходных положений о том, что коэффициент крепости пород при различных производственных процессах одинаков (например, коэффициент крепости у глины, определенный по бурению, равняется единице, а по взрыванию он доходит до десяти).
Существует более точная корреляционная зависимость между пределом прочности на сжатие и коэффициентом крепости :

Коэффициент крепости имеет довольно четкую связь с буримостью, расходом взрывчатого вещества и др. процессами разрушения породы. Классификация пород по СНиПу (строительным нормам и правилам) аналогична классификации М. М. Протодьяконова, но построена она в обратном порядке наиболее крепкие породы относятся к XIкатегории, наиболее слабые и плывучие к Iкатегории.
Имеются классификации пород по буримости, взрываемости, разрушаемости породы, расходу режущего инструмента (зубков врубовых машин) и др. Буримость выражается либо длиной шпура, пробуренного за минуту чистого времени в стандартных условиях, либо затратой чистого времени бурения 1 м шпура при тех же условиях. Взрываемость, т. е. сопротивляемость породы разрушению взрывом, характеризуется расходом взрывчатого вещества (кг) на 1 м3
Показатели буримости получают для так называемых стандартных условий, предусматривающих применение одного типа бурового молотка по всем категориям крепости горных пород при одной форме и диаметре коронки, бурение шпуров глубиной 1м при давлении воздуха 0,45 Мпа. При применении для определения буримости пород других типов перфоратора формы и диаметра коронки рекомендуются поправочные коэффициенты полученные опытным путем.

Таблица 3.3

Категория крепости
Степень крепости пород
Породы
Коэффициент крепости
Плотность породы, т/м3
Коэффициент разрыхления

l
В высшей степени крепкие
Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы
20
2,8 – 3
2,2

ll
Очень крепкие
Очень крепкие гранитовые породы. Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Менее крепкие указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки
15
2,6 – 2,7
2,2

lll
Крепкие
Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды
10
2,5 – 2,6
2,2

llla
Крепкие
Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. Доломит. Колчеданы
8
2,5
2

lV
Довольно крепкие
Обыкновенный песчаник.
Железные руды
6
2,4
2

lVa
Довольно крепкие
Песчанистые сланцы
Сланцевые песчаники
5
2,5
2

V
Средние
Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк, мягкий
конгломерат
4
2,8
2

Va
Средние
Разнообразные сланцы
(некрепкие), плотный мергель
3
2,5
1,8

Vl
Довольно мягкие
Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел каменная соль, гипс. Мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный песчаник сцементированные галька и хрящ, каменный грунт
2
2,4
1,6 – 1,7

Vla
Довольно мягкие
Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшийся сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный
уголь. Отвердевшая галька
1,5
1,8 – 2
1,4 – 1,5

Vll
Мягкие
Глина (плотная). Мягкий каменный уголь. Крепкий нанос, глинистый грунт
1
1,8
1,3 – 1,4

Vlla
Мягкие
Легкая песчанистая глина. Песчаный гравий. Мягкий уголь
0,8
1,6
1,25 – 1,35

Vlll
Землистые
Растительная земля. Торф. Легкий суглинок. Сырой песок
0,6
1,5
1,2 – 1,3

lX
Сыпучие
Песок, осыпи, мелкий гравий, насыпная земля, добытый уголь
0,5
1,7
1,1 – 1,2

X
Плывучие
Плывуны, болотистый грунт, разжиженный лёсс и другие разжиженные грунты
0,3
1,5 – 1,8
1,05



4.1. Напряженное состояние
твердых связных пород в нетронутом массиве
В массиве, сложенном из однородных и изотропных горных пород, мысленно выделим на некоторой глубине Н от поверхности кубик породы, стороны которого равны единице (рис. 4). На этот кубик породы будет действовать вес столба породы G =
·Н, под влиянием которого возникают деформации. Если за основную силу принять
·2, то величина этих деформаций будет равна:
вдоль действующих сил

·2 =
·2 /E,
поперечная

·1 = (
·1 /E) µ,
в плоскости, перпендикулярной чертежу,

·3 = (
·3/E) µ,
где
·1,
·2,
·3 нормальные составляющие действующих напряжений в сторонах кубика породы, кГ/см2;
Е модуль упругости горных пород, кГ/см2;

· - объемный вес породы, кг/м3;
µ коэффициент Пуассона.
Для горных пород µ = 0,1 - 0,4 и µср = 0,2 - 0,25.
Так как кубик в массиве пород находится в равновесии, то его деформация в пределах упругости отсутствует, что выражается уравнением



или


откуда



или



так как


Величина µ /1-µ = А, называется коэффициентом горизонтального распора, показывает, какая часть вертикального давления передается в горизонтальном направлении. Но так как горные породы не являются идеально упругими телами, значение А более правильно определять экспериментально.

4.2 Напряженное состояние сыпучих пород
Через толщу сыпучей породы (рис. 5, а) мысленно проведем вертикальную плоскость АВ и, обозначив левую часть толщи высотой H, будем считать эту плоскость подпорной стенкой. Часть породы правой части будет сползать по прямой ВС (а точнее по кривой ВС1) в виде призмы АВС и оказывать давление на подпорную стенку АВ. При этом будет иметь место действие сил: Q вес призмы сползания; D реакция подпорной стенки; R давление призмы АВС на плоскость сползания ВС или реакция последней.
Ввиду наличия сил трения, действующих вверх по плоскости ВС, сила Rбудет отклонена от нормали вниз на некоторый угол.
Разложив силу Rна составляющие N и Т. найдем, что для момента предельного равновесия угол между силами N и Rравен углу внутреннего трения породы (так как Т/ N = tg
·) и угол между силами Nи Q равен
· -
·, где
· угол наклона плоскости сползания ВС.
Силы Q, D, и Rнаходятся в равновесии и поэтому пересекаются в одной точке; силовой многоугольник из них будет замкнутым (рис. 5, б).
Из построенного силового треугольника получим
D = Qtg (
· -
·).
Характер распределения напряжений вокруг ствола круглой формы поперечного сечения, пройденного в однородной упругой и изотропнойсреде, определен в условиях плоской задачи
проф. С. Г. Лехницким.
В этих условиях предполагается возникновение в массиве пород, окружающем ствол, радиальных
·rи нормальных
·n к ним (тангенциальных) напряжений:

·r=(µ/1-µ)
·H(1a2/r2)

·n= (µ/1-µ)
·H(1+a2/r2)
где а радиус сеченияствола;
r расстояние от рассматриваемой точки до центра ствола. Приr= а, т. е. для точек, расположенных на контуре ствола

·r= 0 и
·n= 2µ/1-µ
С удалением от контура сечения ствола в глубь массива пород значения
·r увеличиваются, а
·n уменьшаются, асимптотически приближаясь к значениям напряжений,существовавших в нетронутом массиве (рис. 6).


Рис. 6. Эпюры напряжений в массиве вокруг ствола круглого сечения.

4.4 Устойчивость обнажений пород в горных выработках
Под устойчивостью обнажений пород понимают их способность противостоять проявлениям горного давления не разрушаясь. В горизонтальных и наклонных выработках такими обнажениями являются их кровля, бока и почва, а в вертикальных стенки.


Рис. 7. Области пониженных 1 и повышенных 2 напряжений вокруг горизонтальной выработки в зависимости от места залегания неустойчивых пород:
а и б в кровле; в в кровле и боках; г в кровле, боках и почве
Вблизи контура обнажений напряжения, вследствие их концентрации, могут превзойти предел прочности пород, вследствие чего происходит их разрушение или пластическое течение.
Часть породного массива, в пределах которого под влиянием проведения горных выработок происходят сдвижение, деформации и разрушение пород, вызванные перераспределением напряжений, называют областью влияния горной выработки.
Часть этой области, примыкающую непосредственно к контуру горной выработки, в пределах которой напряжения ниже, чем в нетронутом массиве, называют зоной (1, рис. 7) пониженных напряжений, а примыкающую к ней часть, в пределах которой напряжения выше, чем в нетронутом массиве, зоной (2, рис. 7) повышенных напряжений. Последнюю, постепенно переходящую в область напряжений, соответствующих существовавшим в нетронутом массиве, иногда называют зоной опорного давления.
Характер формирования области влияния горной выработки зависит при прочих равных условиях (форма и размеры поперечного сечения выработки и др.) от физико-механических свойств пород (см. рис. 7).
В этом отношении можно представить четыре основных случая.



Тогда давление на подпорную стенку будет
D = (
·H2/2) Ч ctg
· Ч tg2(
·-
·)
Максимальное давление на подпорную стенку Dmax имеет место в момент предельного равновесия. Приравняв нулю производную dD /d
·, устанавливаем, что Dmax будет при
· = (90+
·)/2
D = (
·H2/2) Ч tg2(90-
·/2). (27)
По формуле (27) можно определить давление породы на всю подпорную стенку. Для определения давления на единицу площади стенки на любой ее высоте нужно дифференцировать выражение (27) по Н т.е.
dD/dH = Pr=
·H tg2(90-
·)/2 (28)
Сравнивая выражения (28) с формулами (25), можно видеть, что
tg2 (90-
·)/2 =A (29)
аналогичен по своей сути µ/1-µ, т.е. тоже является коэффициентом горизонтального распора, но для сыпучих пород.
По формуле (28) можно построить эпюру давления породы на стенку. Площадь этой эпюры равна максимальному давлению, на нижнее основание
Рr =
·Htg2 (90-
·)/2.
Давление Dтaх, определяемое по формуле (27), отражает давление призмы сползания на подпорную стенку в момент предельного равновесия и называется активным. Давление стенки па породу или ее отпор называется пассивным. Предположим, что к стенкеА'В' (рис. 5, в) приложена сила Dпaсс(пассивное давление), которая стремится сдвинуть стенку вправо и вызвать выпирание грунта.Для момента предельного равновесия реакция Rсо стороны плоскости выпиранияВ'С' отклонена вверх от нормали к этой плоскости на угол внутреннего трения
·, так как в этом случае сила Т равна по величине и противоположна по знаку силе трения Nf0 = N tg
· направленной книзу. 1. Породы кровли, боков и подошвы устойчивы, т. е.
k1 (µ/1-µ)
·H·p
· иk2
·H·сж
· , (4) где
· коэффициент длительной прочности;
·р и
·сж пределы прочности пород соответственно при растяжении и сжатии в условиях двухосного напряженного состояния.
При условиях выражения (4) опасных деформаций в обнажениях пород быть не может.
2. Породы кровли выработки неустойчивы, а боков и подошвы устойчивы т. е.
k1 (µ/1-µ)
·H>kc
·p
· иk2
·H·сж
· , (5)

В этом случае бока и подошва выработки будут устойчивы, а в кровле породы будут разрушаться, причем тем более интенсивно, чем больше превышение k1 (µ/1-µ)
·Hотносительно
·p.
При развитии в зоне, прилегающей непосредственно к кроило выработки, трещиноватости взаимно пересекающиеся трещины выделяют отдельные куски, глыбы или участки породы, которые, теряя связь с массивом, выпадают.
Постепенное обрушение пород продолжается до образования некоторой поверхности неправильного очертания, которую можно уподобить своду. Его называют сводом обрушения;
Если естественное очертание свода обрушения условно перенести несколько в глубь массива и оконтурить правильной поверхностью, то получим его теоретическое очертание, которое принято считать параболическим.
Поверхность свода естественного равновесия можно принять за нижнюю границу области повышенных напряжений. В этой области породы не разрушаются, и свод естественного равновесия остается устойчивым вследствие того, что породы в ее пределах находятся в объемном напряженном состоянии и обладают поэтому более высокой прочностью.
При горизонтальном залегании в кровле выработки пластичных слоистых пород появлению трещин предшествует их прогиб. Величина и пролет прогиба отдельных слоев уменьшаются по мере удаления от кровли выработки в массив, причем эти пролеты прогибов вписываются в свод, который принимают соответствующим своду естественного равновесия.
Развитие пластического прогиба может привести к образованию трещин, а в дальнейшем к выпадению в выработку отдельных кусков и глыб, как и при хрупком разрушении пород.
Так как пластические деформации обычно протекают с упрочнением пород, то в случае недостаточной нагрузки прогиб и дальнейшая деформация пород кровли могут приостановиться.
Породи в кровле и в боках выработки неустойчивы, т. е.
k1 = (µ/1-µ)
·H>kc
·p
· иk2
·H>kc
·сж
· . (6)
В этом случае область неупругих деформаций распространяется как на кровлю, так и на бока выработки (см. рис. 7, в).
4. Породы неустойчивые в кровле, боках и подошве выработки - область неупругих деформаций распространяется во все стороны от выработки (рис. 7, г).
Устойчивость обнаженной породы в вертикальных стволах круглого поперечного сечения ВНИМИ предложил оценивать, исходя из условия
K3
·H
· kc
·сж
·
где k3 коэффициент концентраций напряжений.

4.5 Проявления горного давления
Проявления горного давления связаны с образованием вокруг выработки зоны неупругих деформаций (см. § 9).
В горизонтальных выработках наиболее типичным является горное давление со стороны кровли, проявляющееся в результате прогиба пород, а затем трещинообразования. Для предупреждения или снижения развития деформаций пород устанавливается шахтная крепь. После ее установки происходит совместная работа системы порода крепь.
Зона неупругих деформаций разливается до границы зоны повышенных напряжений (прекращения деформаций пород), вследствие чего горное давление постепенно возрастает, а достигнув некоторой величины, стабилизируется.
Боковое горное давление наблюдается при наличии в боках выработки сравнительно слабых пород и при значительном развитии опорного давления.
Горное давление со стороны подошвы выработки наблюдается при наличии в ее подошве также относительно слабых пород, главным образом глинистых. В этом случае происходит выдавливание пород в выработку, т. е. пучение пород, которое может усиливаться вследствие ослабления связности породы при ее увлажнении.
При большом давлении со стороны подошвы выработки обычно наблюдается также значительное горное давление со стороны ее боков и кровли.
Горное давление может быть направлено по отношению к кровле и бокам выработки нормально или под некоторым углом (косо). Первый случай характерен для горизонтального или пологого с небольшим углом падения залегания пород.
Косое направление горного давления наблюдается при более значительных углах падения, особенно при крутом залегании слоистых трещиноватых пород.
При проведении выработок на сравнительно небольшом расстоянии одна от другой в зоне их влияния наблюдается интенсификация проявления горного давления. Особенно резкое влияние оказывают очистные выработки вследствие зависания пород кровли на их границах и развития в этом районе опорного давления, оказывающего воздействие на подготовительные выработки.
Наблюдениями на шахтах Донбасса установлены характерные зоны (рис. 8) влияния очистных работ.
I зона охватывает штрек от его забоя до линии, отстоящей от очистного забоя на 1025 м. В этой зоне штрек обычно находится в целиках и горное давление невелико.
II зона распространяется от границы первой на расстояние 40100 м за линию очистного забоя и, в свою очередь, может быть разделена на три участка: от границы I зоны до очистного забоя, где наблюдается постепенный рост горного давления; па расстояние 520 м за линией очистного забоя, где наблюдается наибольшее горное давление, и от границы этого участка до расстояния 40 100 м от очистного забоя. Па этом участке наблюдается постепенное снижение горного давления до величины, несколько превышающей давление в I зоне.
Характер изменения горного давления и протяженность отдельных зон зависит от системы разработки, физико-механических свойств пород, конструкции крепи штрека и других факторов.
Влияние очистных работ может проявляться не только в выработках, проведенных по пласту, по которому ведутся очистные работы, но и в выработках, проведенных выше (подработка) или ниже его (надработка выработок).
В зоне установившегося давления с течением времени горное давление может увеличиваться вследствие реологических свойств пород или под влиянием их выветривания, вызывающих ослабление пород.
Способ проведения выработки также может влиять на величину горного давления: оно больше (по сравнению, с проходкой комбайном) при применении взрывных работ вследствие образования трещин, вызывающих структурное ослабление пород, и концентраций напряжений на неровностях контура выработки, а также в зависимости от срока установки крепи.
Горное давление возрастает с глубиной.
При достаточно высоких напряжениях в породах, склонных к хрупкому разрушению, могут возникать горные удары, практически представляющие внезапный их выброс вследствие предельного напряженного состояния и быстрого высвобождения накопившейся в них энергии.
Горные удары могут происходить как в зоне влияния очистных работ, так и в условиях одиночной подготовительной выработки. Сильные горные удары вызывают серьезные разрушения подземных выработок и являются опасными для жизни людей.
Для предотвращения горных ударов требуется выполнение ряда профилактических мероприятий. С увеличением глубины разработки возникают выбросы горных пород при проведении капитальных горных выработок. Природа их недостаточно изучена, но она связана, с одной стороны, с внезапными выбросами газа, а с другой с горными ударами.
Из изложенного видно, что проявление горного давления и его величина изменяются в пространстве и во времени и зависят, с одной стороны, от естественных (геологических), а с другой от производственно-технических условий.

4.6 Методы исследования проявлений горного давления
Установление зависимости между горным давлением и влияющими на него факторами осуществляется путем специальных исследований аналитическим, экспериментально-производственным и лабораторным (моделирование) методами. В большинстве случаев для получения правильных решений требуется их комплексное применение.
Аналитическим методом называют установление зависимостей напряжений и деформаций вокруг горных выработок от физико-механических свойств пород и производственно-технических факторов с помощью математики.
Аналитические исследования, в основном базирующиеся на методах механики сплошной среды, требуют введения в расчеты ряда упрощений, допустимость которых в каждом конкретном случае должна быть доказана.
Наблюдения за проявлениями горного давления в шахтных условиях (натурные наблюдения) имеют первостепенное значение, так как при этом наиболее правильно отражаются явления, происходящие в горных выработках и в массиве окружающих их пород.
Основными параметрами, которые при этом определяются, являются: напряженное состояние массива, нагрузка на крепь, деформации и смещения горных пород и крепи.
Исследованию напряженного состояния массива горных пород в настоящее время придается большое значение. Основными методами его являются метод разгрузки, замеры в скважинах и звуковой метод.
Метод разгрузки, горных пород основан на использовании характеристик упругого восстановления формы образца при искусственном отделении его от окружающего массива пород.
Для этого с помощью специального станка пробуривают в породе скважину диаметром до 120 мми шлифуют ее забой. Затем, после установки в забое скважины тензометров, выбуривают тем же станком керн на глубину, равную не менее диаметра скважины. Элементом разгрузки является керн, на торце которого закреплены тензометры. С помощью этих тензометров и специальной электрической аппаратуры измеряются осевая и поперечная упругие деформации в процессе разгрузки элемента (керна) массива. По полученным данным и известным для данной породы значениям модуля упругости и коэффициента Пуассона производят расчет напряжений
·хи
·упо формулам теории упругости.
Метод буровых скважин отличается от метода разгрузки тем, что в скважине с помощью специального прибора измеряются в различных направлениях деформации пород в стенках скважины и исследуется процесс их изменения в пространстве и времени. Расчет напряжений производится по замеренным упругим деформациям, так же как и в предыдущем случае.
Звуковой метод основан на существовании для изотропной среды зависимости между скоростью распространения звуковых волн и упругими свойствами этой среды, выражающейся известными формулами.
Нагрузка на крепь может быть определена непосредственно или косвенно. Первый способ осуществляется с помощью специальных приборов, называемых динамометрами, а второй путем замеров деформаций элементов крепи (верхняков, затяжек) с последующим определением по формулам сопротивления материалов нагрузки, вызвавшей эти деформации.
Применяющиеся динамометры по принципу действия бывают механические, гидравлические и электрические.
На рис. 9 показаны механические динамометры конструкции ЛГИ для определения распределенной нагрузки и стоечный. В качестве чувствительного элемента в них применено кольцо из вакуумированной резины. Головка динамометра (диск с резиновым кольцом) при его установке помещается за крепью, а трубка выводится в выработку. Верхний диск воспринимает нагрузку и передает ее на резиновое кольцо, которое сжимается, и стержень, приваренный к наружному диску, перемещается в трубе. Замерив величину этого перемещения, а следовательно, и деформацию резинового кольца, определяют величину нагрузки на динамометр. Несколько таких динамометров, установленных по периметру выработки, дают возможность определять не только величину, но и характер распределения нагрузки на крепь.
В электрических динамометрах в качестве чувствительного элемента используются специальные датчики. Принцип действия струнных приборов основан на свойстве стальной струны изменять частоту колебаний при изменении ее натяжения. Колебания струны преобразуются в электрические колебания, частота которых измеряется соответствующим прибором.


Баллоны оборудованы клапанами податливости и динамометрами для определения давления внутри них.
Для измерения нагрузки на крепь вертикальных стволов и горизонтальных выработок, закрепленных тюбингами, применяется динамометрическая крепь с регулируемой податливостью, предложенная. В НИМИ. Эта крепь состоит из прочного жесткого остова (например, железобетонных тюбингов).



Рис. 9. Динамометры конструкции ЛГИ.


15

Приложенные файлы

  • doc 18371783
    Размер файла: 363 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий