Рассечка приствольной выработки может осуществляться в период строительства ствола после его проходки или в период эксплуатации ствола и приводит к изменению установившегося равновесного состояния системы «крепь – массив».
Выполненный по результатам математического моделирования качественный анализ интенсивности главных и эквивалентных напряжений в крепи ствола на участке приствольной выработки позволяет выделить ряд характерных зон влияния. Рассмотрим изменение напряжений в крепи в процессе строительства приствольной выработки применительно к зоне 1 – противоположному выработке участку ствола.
Он наиболее характерен для участка камеры загрузочных устройств скипового ствола. Рассечка очередного слоя камеры приводит к увеличению радиальных нагрузок на крепь противоположной стенки ствола на соответствующей высотной отметке и вызывает рост нормальных тангенциальных напряжений в бетоне крепи.
Основным фактором, определяющим интенсивность увеличения напряжений является параметр В/Dств, где В – ширина выработки, Dств – диаметр ствола в свету. На рис. 1 представлена зависимость коэффициента К?.n, характеризующего прирост нормальных тангенциальных напряжений в крепи по сравнению с обычным участком ствола в тех же условиях от отношения В/Dств при модуле деформации пород Е=10x103 МПа.
Рисунок 1 – Влияние относительной ширины камеры на интенсивность увеличения нормальных тангенциальных напряжений в крепи ствола в зоне 1
Аналогичные результаты получены и при других параметрах системы. Они показывают, что при увеличении ширины приствольной выработки интенсивность нормальных тангенциальных напряжений в крепи противоположной камере стенке ствола возрастает по слабовыраженной параболической зависимости. Суммарное увеличение напряжений по сравнению с обычным участком ствола может достигать 25 %, что свидетельствует о необходимости усиления крепи в зоне 1 или применении мер по снижению радиальных нагрузок.
Анализ возможных конструктивных и технологических решений по реализации данных воздействий показывает, что обеспечить их достаточно сложно без разборки существующий крепи или изменения диаметра ствола.
Наиболее целесообразным решением является предварительное анкерное упрочнение крепи и массива в зоне 1 до начала работ по рассечке приствольной выработки. В качестве дополнительной меры возможна установка металлической сетки с последующим нанесением слоя набрызгбетона. Такие меры позволят создать единую упрочненную систему «крепь – массив», повысить сопротивляемость крепи деформациям сжатия и изгиба, а также не приведут к существенному уменьшению диаметра ствола.
Важнейшей проектной задачей при этом является обоснование необходимой длины упрочняющей анкерной крепи, так как при ее недостаточных значениях установка анкеров может привести, напротив, к увеличению нагрузки на бетонную крепь, а также возникновению локальных зон концентраций напряжений.
На основании исследования поэтапного изменения напряженно-деформированного состояния пород в зоне 1 от стенки ствола вглубь массива в процессе строительства приствольной камеры при отношении В/Dств = 1,0 были определены необходимые размеры зон упрочнения пород, обеспечивающие устойчивое состояние системы «крепь – массив» в различных условиях. В графическом виде для ствола диаметром в свету 6,0 м они приведены на рис. 2.
Рисунок 2 – Необходимые радиальные размеры областей упрочения породного массива в зоне 1 влияния строящейся приствольной выработки при различной прочности пород и величине вертикального горного давления
Данные графики можно использовать при определении длины упрочняющей железобетонной или сталеполимерной анкерной крепи с учетом ее дополнительного увеличения на величину толщины крепи, а также для закрепления концевой части анкера в устойчивых породах.