Введення
Гірська кріплення - штучна споруда, що споруджується в виробках для запобігання обвалення навколишніх порід і збереження необхідних площ перерізів виробок у нормальному стані впродовж всього терміну експлуатації.
У загальному комплексі робіт, пов'язаних з видобутком корисних копалин, важливе місце займає кріплення та підтримання капітальних виробок. Для подальшого вдосконалення гірничо-підготовчих робіт у виробках особливу роль займає проблема розвитку методів прогнозування проявів гірського тиску і розрахунку кріплень. Із застосуванням чисельних методів і ПЕОМ методи вибору способів охорони виробок і проектування кріплень отримали достатньо достовірну наукову основу, що призводить до поліпшення стану виробок і сприяє підвищенню техніко-економічних показників підземної розробки.
Мета даного курсового проектування - придбання навичок проектування кріплення гірничих виробок з використанням сучасних ПЕОМ.
Вихідними даними для проектування є гірничо-геологічні і гірничотехнічні умови проведення виробок в реальних умовах з наступними характеристиками:
Перетин вироблення S св - 12,8 м2
Висота вироблення-3400 мм
Ширина вироблення - 5300 мм
Глибина залягання - 950м
Міцність порід, МПа / потужність, м: 1 аргіліти - 32 / 2,0;
алевроліти - 45 / 2,8; пісковики-58 / 6,9; вугілля - 18 / 2,6.
Обводненість: невелика
Відстань від підошви пласта - 4 / 0
Кут падіння порід - 9 градусів.
Напрямок проходки - під кутом
Термін служби - 4 роки, одиночна
Тип вироблення - розкривають
Умови проходки - БПР
Розрахунок внутрішніх зусиль у кріплення проводиться за програмою, розробленою авторами під керівництвом проф. Колоколова С.Б.
Курсовий проект складається з двох частин: розрахунку металевої арочної податливою кріплення та розрахунку монолітної бетонної кріпи.
1. Розрахунок гірського тиску на кріплення виробки
1.1. Визначення розрахункових опорів оточуючих вироблення порід
По заданому перетину вироблення визначаються основні геометричні розміри виробітку (висота, ширина, радіус). Дані за геометричними розмірами кріплення наведені в довідковій літературі (довідник по кріпленню). Дані в завданні наведені для перетину виробки у світлі, а для розрахунків необхідне використання геометричних розмірів для перетину виробки у проходці. Для цього розміри по ширині виробки повинні бути збільшені на 0,4 м, а по висоті на 0,3 м.
Нпр = h +300 мм (1.1) Нпр = 3400 +300 = 3700мм
Впр = b +400 мм. (1.2)
Впр = 5300 +400 = 5700мм
Розрахункова глибина Нр розміщення підземної гірничої виробки визначається за формулою:
Нр = Н * k, м (1.3)
де Н-проектна глибина закладення вироблення, м; k - коефіцієнт враховує відміну чинного напруженого стану масиву від власної ваги товщі порід до поверхні. Приймається в зонах тектонічних порушень рівним 1.5. і рівним 1.0 у всіх інших випадках.
Нр = 900 * 1 = 900м
Розрахунковий опір порід стисненню Rc визначається за формулою:
Rc = R * kc * kH2O, М па
R - середнє значення опору порід у зразку на одноосьовий стиск, МПа;
kc - коефіцієнт враховує додаткову нарушенность масиву порід.
kH 2 O - коефіцієнт обводнення
Rc аргіл = 1 * 32 * 0,75 = 24 МПа
Rc алеврит = 1 * 45 * 0,8 = 36 МПа
Rc песча = 1 * 58 * 0,9 = 52 МПа
Rc вугілля = 1 * 18 * 1 = 18 МПа
У разі обводнення проектованої вироблення зниження міцності порід за рахунок впливу вологи враховують шляхом зменшення міцності пісковиків до 20%, алевролітів до 40% і аргілітів до 50%.
Для оцінки раніше виконаної проектної документації і при використанні наявних нормативних документів допускається визначати опір порід стисненню у зразку R за коефіцієнтом міцності порід f відповідно до шкали М.М. Протодьяконова.
R = 10 * f (1.5)
де f - коефіцієнт міцності порід, що приймається за шкалою М.М. Протодьяконова.
Розрахунковий опір порід стисненню Rc по контуру поперечного перерізу виробки повинен визначатися з урахуванням всіх пересічних виробленням шарів (пластів) потужністю більше 0,1 м, що залягають на відстанях від контуру перерізу виробки: у покрівлі 1,5 B, в грунті і боках виробки - 1 B, де B - ширина виробки (див. рис.1). При наявності п шарів, що залягають по контуру поперечного перерізу виробки, з мінливістю Rc в межах 30% приймається для всієї вироблення усереднене значення розрахункового опору порід стиску, що визначається за формулою:
Rcy = (m1R1 + m2R2 ... + mnR) / (m1 + m2 + ... mn)
де R - розрахунковий опір порід стиску, МПа;
n - число породних шарів;
m - потужність i-го шару.
R покрівля = МПа
R грунт = МПа
R-пліч = МПа
Визначення необхідних характеристик кріплення
За методикою Слухаючи, для прогнозу стійкості горизонтальних виробок вугільних шахт як критерію стійкості приймається величина очікуваних зміщень на контурі перетину незакріпленої виробітку за весь термін її служби, що визначаються за формулою:
u = К a До q До S КВК tU т, мм
де, u т - зміщення (типові), що визначаються за графіками (рис.1.2);
Малюнок 1.2. - Графіки для визначення типових зміщень порід.
U т кр = 280; U т пліч = 1050; U т поч = 500
До q - коефіцієнт, що враховує напрямок зміщень порід і приймає значення 1 при визначенні зсувів з боку покрівлі або грунту (у вертикальному напрямку). При визначенні бічних зсувів порід (у горизонтальному напрямку) До q приймається за табл.1.1.
Таблиця 1.1
Напрямок проходки вироблення | Коефіцієнти До a і К q в залежності від кута падіння порід a, град | |||||||||
до 20 | 21-30 | 31 - 40 | 41-50 | більше 50 | ||||||
До a | До q | До a | До q | До a | До q | До a | До q | До a | До q | |
За простиранню | 1 | 0,35 | 0,95 | 0,55 | 0,8 | 0,8 | 0,65 | 1,2 | 0,6 | 1,5 |
Навхрест простягання | 0,7 | 0,55 | 0,6 | 0,8 | 0,45 | 0,95 | 0,25 | 0,95 | 0,2 | 0,8 |
Під кутом до простяганню | 0,85 | 0,45 | 0,8 | 0,65 | 0,65 | 0,9 | 0,45 | 1,05 | 0,35 | 1,1 |
До α кр = 0,85; До α-пліч = 0,85; До α поч = 0,85
До q - коефіцієнт, що враховує напрямок зміщень порід і приймає значення 1 при визначенні зсувів з боку покрівлі або грунту (у вертикальному напрямку). При визначенні бічних зсувів порід (у горизонтальному напрямку) До q приймається за табл.1.1.
До θ кр = 0,45; До θ поч = 0,45; До θ пліч = 0,45
До S - коефіцієнт впливу прольоту виробітку для покрівлі і грунту приймається рівним К S = 0,2 (b -1), для боків виробки До S = 0,2 (h -1) (b - проліт вироблення, h - висота виробки) ;
До s кр. пч. = 0,2 (5,7-1) = 0,94 (1.8)
До s пліч = 0,2 (3,7-1) = 0,54
КВ - коефіцієнт впливу інших виробок, рівний для одиночних виробок 1;
До t - коефіцієнт впливу часу, що дорівнює 1 для виробок, термін служби яких більше 15 лет.д.ля виробок термін служби яких більше року До t визначається за рис.1.3. Зсуви визначаються окремо для покрівлі, грунту і боків виробки.
Малюнок 1.3. - Графіки для визначення коефіцієнта Кt при терміні служби вироблення більше року.
U кр = 0,85 * 0,45 * 0,94 * 1 * 1 * 280 = 101 мм.
U поч = 0,85 * 0,45 * 0,94 * 1 * 1 * 500 = 180 мм.
U-пліч = 0,85 * 0,45 * 0,54 * 1 * 0,5 * 1050 = 108 мм.
1.3. Визначення розрахункових навантажень на кріплення
Нормативні навантаження на незамкнену кріплення визначають за графіками рис у залежності від зміщень порід U і ширини виробки у проходці. Якщо властивості порід у боках виробки різні, то очікувані зміщення U і які визначаються за зсувам нормативні навантаження бічні навантаження також будуть відрізнятися один від одного. У цьому випадку для подальших розрахунків приймають усереднене значення нормативного навантаження з боку боків і нормативне навантаження з боку грунту.
Нормативні навантаження на замкнену кріплення також визначаються за графіками рис.1.4. окремо для покрівлі, грунту і боків. Усереднена вертикальне навантаження визначається за значеннями нормативних навантажень з боку покрівлі і грунту, усереднена горизонтальне навантаження - за значеннями нормативних навантажень з боку боків.
Малюнок 1.4. - Графіки визначення нормативного навантаження на кріплення
Розрахункова вертикальне навантаження на 1 м довжини виробітку визначається за формулою:
Рв = k п * k н * k пр * Рнв, кПа, (1.9)
де k п - коефіцієнт перевантаження, що враховує мінливість навантаження (табл.1.2);
k н - коефіцієнт, який приймається для головних розкриваючих виробок дорівнює 1,1, для решти-1;
k пр - коефіцієнт умов проведення виробок, що дорівнює 1 при проведенні виробок буровибуховим способом.
Рнв - нормативна вертикальне навантаження.
Таблиця 1.2. - Значення коефіцієнта k п
U, мм | Значення k п для виробок | |
Розкриваючих | Підготовляють | |
до 50 | 1,25 | 1,1 |
51-200 | 1,1 | 1,05 |
201-500 | 1,05 | 1 |
більше 500 | 1 | 1 |
Рв = 1,1 * 1 * 1 * 45 = 50 кПа
Розрахункове навантаження на 1 м виробки з боку боків визначається за формулою:
Рб = kп * kн * Kпр * рнб, кПа, (1.9)
де РНБ - нормативна горизонтальне навантаження, кПа.
Рб = 1,1 * 1 * 1 * 29 = 32 кПа
2. Розрахунок металевої арочної податливою кріплення
За отриманими даними розрахункових опорів оточуючих вироблення порід, визначення зміщень контуру виробки і визначення розрахункових навантажень на кріплення. Вибір даних параметрів виробляється згідно розробленої методики Слухаючи.
Отримані дані повинні бути введені наступні дані:
1) Радіус криволінійної частини кріплення R і висота прямолінійної частини (стійок) h, (рис.2.1).
R = В / 2 (2.1)
R = 5700 / 2 = 2850 мм
h = HR (2.2)
h = 3700-2850 = 850 мм
Малюнок 2.1. - Розрахункова схема для металевої аркового кріплення.
2) Число частин розподілу кожної з вертикальних стійок 4 і число поділу криволінійної частини 9.
3) Вертикальна і горизонтальна навантаження на кріплення рівні відповідно 50 кПа і 32 кПа.
4) Кут нахилу стійкий до вертикалі дорівнює нулю.
Отримані результати розрахунку містять значення згинальних моментів і поздовжніх сил в кожній заданій точці кріплення (таблиця 2.1). На підставі даних значень знаходиться максимальний згинальний момент (за модулем) і відповідне цьому моменту нормальна сила.
Таблиця 2.1. - Розрахунок металевого кріплення на ЕОМ
i = х [i] = y [i] = М [i] = N [i] =
1-2.850.00 0.0000-142.5000
2-2.850.21 1.0002-142.5000
3-2.850.43 0.5554-142.5000
4-2.850.64 - 1.3344-142.5000
5-2.850.85 - 4.6692-143.0609
6-2.811.34 - 11.9141-143.7196
7-2.681.82 - 14.7291-142.4850
8-2.472.28 - 13.6014-138.6918
9-2.182.68 - 9.4427-133.0686
10-1.833.03 - 3.4556-126.5388
11-1.423.32 3.0324-120.1014
12-0.973.53 8.7480-114.7045
13-0.493.66 12.6401-111.1255
140.003.70 14.0177-109.8735
150.493.66 12.6401-111.1255
160.973.53 8.7480-114.7045
171.423.32 3.0324-120.1014
181.833.03 - 3.4556-126.5388
192.182.68 - 9.4427-133.0686
202.472.28 - 13.6014-138.6918
212.681.82 - 14.7291-142.4850
222.811.34 - 11.9141-143.7196
232.850.85 - 4.6692-143.0609
242.850.64 - 1.3344-142.5000
252.850.43 0.5554-142.5000
262.850.21 1.0002-142.5000
272.850.00 0.0000-142.5000
У нашому випадку після розрахунків М max = 14,01 кН * м, і N = 109,87 кН * м
Перевірка міцності здійснюється за формулою:
(2.3)
де W пр - момент опору з (табл.2.2);
F пр - площа поперечного перерізу з (табл.2.2)
Таблиця 2.2. - Характеристики спецпрофілю.
Найменування профілю | Вага 1 п. р. м, кг | Площа поперечно. перерізу, F см2 | Моменти опору, см3 | Моменти інерції, СМ4 | ||
Wx | Wy | Jx | Jy | |||
СВП-17 | 17,06 | 21,73 | 50,3 | 57,9 | 243,4 | 382,3 |
СВП-22 | 21,9 | 27,91 | 81,3 | 77,8 | 428,6 | 566,3 |
СВП-27 | 27,0 | 34,3 | 100,2 | 101,5 | 639,5 | 763,1 |
СВП-33 | 33,8 | 42,46 | 138,5 | 148,0 | 1000 | 1228 |
R - розрахунковий опір вигину прокатної сталі може бути прийнято 230 МПа (2300кг/см2)
L - крок кріплення приймається 0,33; 0,5; 0,75; 1.
Таблиця 2.3.
Тип профілю | 0,33 | 0,5 | 0,75 | 1 |
СВП-22 | 15 * 107 | 15 * 107 | 15 * 107 | 15 * 107 |
69,7 * 107 | 46 * 107 | 30,6 * 107 |