Н.Н. Касьян, А.О. Новиков

         Механизм взаимодействий рамной крепи выработок с окружающим горным массивом является весьма сложным и не однозначным. Существующее представление о том, что отпор крепи распределяется по внутренней поверхности выработки на ширину, равную шагу установки крепи, не отражает фактически наблюдаемую ситуацию в шахтных условиах, особенно при образовании зоны разрушенных пород. Практически отпор массиву крепью осуществляется только по поверхности контакта между ними. В межрамном пространстве величина отпора массиву определяется шагом установки крепи и жесткостью межрамного ограждения. При этом несушим элементом, оказывающим сопротивление смещающимся породам, являются только рамы крепи. Характер распределения нагрузки по периметру рамной крепи в настоящее время изучен до¬статочно глубоко. Вместе с тем, крепь представляет собой пространственную конструкцию, и вопрос о механизме взаимодействия рамной крепи с вмещающим породным массивом, с учетом влияния на него характера деформирования пород в межрамном пространстве до настоящего мо¬мента полностью не исследован. Задачами исследований являлось: установить влияние режима работы затяжки (жесткой или податливой) и плотности крепления на величину и характер нагру-жения рам крепи; установить особенности механизма нагружения рам крепи и затяжки при пода¬тливом режиме ее работы; обосновать требования к параметрам податливой загяжки. Для решения поставленных задач в работе использовался метод физического моделирования на моделях из эквивалентных материалов и структурных моделях. Пригрузка модели осуществляется при помощи пневмобалонов, В качестве эквивалентного материала при моделировании использовались гипсопесчаные смеси. При отработке структурных моделей в качестве материала моделей использовалась мраморная крошка с размером частиц до 10 мм. . Моделировался слоистый горный массив с прочностью пород на одноосное сжатие 40-60 МПа. В моделях, рамы крепи по длине выработки устанавливались с шагом 60; 40; 20 и 13 мм. что соответствует 1.5; 1,0; 0,5 и 0,33 м в натуре. Для изучения характера распределения напряжений в массиве горных пород в моделях на расстоянии 30 и 70 мм от контура выработки всплошную устанавливались датчики трения. Аналогичные датчики устанавливались и под рамы крепи. Вначале была отработана модель, №1 с жесткой затяжкой. Анализ"результатов измерения давления на рамы крепи показал, что с увеличением плотности установки крепи нагрузка на раму уменьшается. Так, при величине внешнего давления на модель 40 кПа с уменьшением шага установки крепи с 1,5 до 0,33 м натрузка на раму уменьшается с 121 до 42 кПа, Это подтверждает существующее мнение о том, что участие жесткой затяжки в формировании нагрузки на крепь сводится только к ее перераспределению на рамы, в зависимости от тага их установки. Анализ графиков характера распределения давления в массиве модели показывает, что он также зависит от плотности установки рам крепи. Так, при шаге установки крепи 1,5-0,5 м непосредственно над рамами наблюдается максимальное давление, при этом с уменьшением шага крепи разница между давлением над рамами крепи и между ними снижается. При шаге менее 0,5 м давление в массиве распределяется более равномерно. Такая же закономерность наблюдается и при большем удалении от контура выработки. Очевидно, что рамы крепи выступают в роли концентраторов давления, так как их несущая способность и жесткость значительно больше, чем у затяжки. Вследствие этого массив непос¬редственно над рамами разрушается сильнее. При шаге крепи менее 0,5 м несущая способность и жесткость крепления по длине выработки практически одинаковы и давление распределяется более равномерно по длине выработки. Следовательно, увеличение жесткости затяжки приведет к более интенсивному разрушению пород между рамами. Модель № 2 была отработана для аналогичных условий, яо с податливой затяжкой. В ре¬зультате было установлено, что нагрузка на рамы крепи при шаге их установки от 0,5 м до 1,5 м распределяется равномерно и практически не зависит от расстояния между рамами. При шаге установки крепи 0,5 м и менее нагрузка на рамы распределяется аналогично, как и при жесткой затяжке, т.е. с уменьшением расстояния между рамами нагрузка уменьшается. Распределение давлений в глубине массива носит равномерный характер при шаге крепи 0,5.. .1,5 м, при этом концентрации давления над рамами крепи не наблюдается. При шаге крепи менее 0,5 м давление в глубине массива распределяется аналогично, как и при жесткой затяжке. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что при шаге установки рам крепи более 0,5 м затяжка не только отраждает выработку от возможных обрушений, но и участвует в процессе формирования нагрузки на рамы крепи. При этом, чем больше податливость затяжки, тем более равномерно распределяется давление на рамы и в глубине массива по длине выработки. При шаге установки крепи менее 0,5 м роль затяжки сводится только к удержанию забутовочного материала. Для оцени! влияния податливости затяжки на величину нагрузки на рамы крепи была от¬работана модель №3. В модели рамы крепи по длине выработки устанавливались с шагом 40 мм, что соответствовало 1,0 м в натуре. Под рамами крепи устанавливались датчики трения. В модели, между рамами крепи 1-4 была установлена податливая затяжка, а между рамами 4-7 - жесткая. В результате выполненных исследований было установлено, что нагрузка на рамы крепи при жесткой затяжке на 3(МЮ% больше, чем при податливой. Для более детального изучения механизма формирования нагрузки на рамы крепи были отрабо¬таны модель № 4, 5, б. Для моделирования зоны разрушенных пород в качестве материала модели использовалась мраморная крошка с крупностью чистил до 10 мм. В модели рамы крепи по длине выработки устанавливались через 40 мм, что соответствует шагу крепи в натуре 1,0 м. Под каждой рамой крепи устанавливался датчик трения. Между рамами крепи 1-4 устанавливалась податливая затяжка, а между рамами 4-7 - жесткая. В моделях № 4, 5 и 6 имитировалась величина зоны разрушенных пород над выработкой, соответственно равная половине шага установки крени, шагу установки крепи и двум шагам установки крепи. Анализ полученных данных показал, что в начальной стадии формирования зоны разрушенных пород (при величине внешнего пригруза от 0 до 10 кПа) податливость затяжки не ока¬зывает существенного влияния на величину нагрузки на крепв. Начиная с величины внешнего пригруза в 10 кПа, нагрузка па рамы с податливой затяжкой растет менее интенсивно и по ве¬личине (в 1,5-2,5 раза) меньше, чем на рамы с жесткой затяжкой. При увеличении внешнего пригруза более 30 кПа интенсивность нагружения рам с податливой затяжкой возрастает, а с жесткой - уменьшается. Но в целом нагрузка на рамы с податливой затяжкой, как и было установлено ранее, на 30-40% меньше, чем на рамы с жесткой затяжкой, Такой механизм формирования нагрузки на рамы крепи можно объяснить следующим. На¬чиная с величины внешней нагрузки в 10 кЛа, податливая затяжка начинает прогибаться и при размере зоны разрушенных пород над выработкой более половины шага крепи между рамами образуется свод естественного равновесия. Свод полностью сформировался при величине внеш¬ней нагрузки 30 кПа. После этого нагрузка на рамы крепи начинает возрастать с увеличением внешней нагрузи! более интенсивно. Нагрузка на рамы с жесткой затяжкой с увеличением величины внешней нагрузки возрастает практически по линейной зависимости, так как затяжка только перераспределяет нагрузку на рамы. Однако, при внешней нагрузке более 30 кПа. затяжка немного прогибается и нагрузка на крепь снижается. Образование свода естественного равновесия между рамами крепи вдоль выработки позволяет объяснить тот факт, что в шахтных условиях, лаже при значительных деформациях податливой крепи с железобетонной затяжкой, не наблюда¬ется полного разрушения затяжки и обрушения пород между рамами крепи. При этом несущая способность затяжки значительно меньше, чем рамы крепи. Исследования позволяют уточнить механизм формирования нагрузки на систему «крепь -межрамное ограждение» в процессе образования вокруг выработки зоны разрушенных пород, который заключается в следующем. В начальный период формирования вокруг выработки ЗРТ7 (размер ЗРП не превышает шага установки крепи) и отсутствия деформации затяжки последняя только перераспределяет нагрузку от смещений контура выработки на рамы крепи, не оказывая существенного влияния на ее величину, При дальнейшем росте ЗРП вглубь массива и прогибе затяжки вследствие смещений пород в полость выработки, так как ее жесткость и несущая способность меньше чем у рамы крепи, между рамами, вдоль продольной оси выработки, начинают образовываться своды естественного равновесия. Затяжка, прогибаясь, воспринимает часть смещений котура выработки и тем самым снижает нагрузку на рамы. После завершения образования в межрамном пространстве сводов естественного равновесия затяжка воспринимает нагрузку только от веса породы внутри этого свода. А так как эти своды опираются на рамы крепи, то при дальнейшем росте зоны разрушенных пород вокруг выработки нагрузка ними перераспределяется только на рамы крепи и не передается на затяжку. Установленный механизм позволяет сформировать требования к параметрам межрамного ограждения: податливость затяжки должна обеспечивать возможность образования сводов ес¬тественного равновесия внутри ЗРП в межрамном пространстве без ее разрушения; несущая способность затяжки должна приниматься такой, чтобы воспринимать нагрузку от веса пород в пределах свода естественного равновесия.