Определение устойчивости выработки и формы ее сечения

Форма поперечного сечения выработки определяется способом обеспечения устойчивости ее сечения. Обычными формами поперечного сечения горизонтальных и наклонных горно-разведочных выработок являются трапециевидная и прямоугольно-сводчатая.

Прямоугольно-сводчатая форма используется при проходке выработок без крепления в устойчивых породах и при их креплении штангами в породах средней устойчивости, а также и при проходке выработок с большим сроком службы в неустойчивых и весьма неустойчивых породах, когда применяется бетонное или металлическое крепление. Трапециевидная форма применяется при креплении деревом, когда срок службы выработки ограничен, а величина горного давления на крепь относительно невелика.

Определение устойчивости проектируемой выработки и выбор формы ее поперечного сечения проводится в следующей последовательности:

- приняв предварительно прямоугольно-сводчатую форму сечения выработки с высотой свода в 1/3 ширины выработки (К₂ = 0,3), определяются по формулам (2.7) и (2.8) величины напряжений σ_max и σ_min;

- определяется коэффициенты запаса прочности пород в стенках выработки n_б и в ее кровле n_в:

(2.9)

(2.10)

- если n_б≥ 4 и n_в≥ 4, то выработка считается достаточно устойчивой и крепления не требует, а форма ее сечения принимается прямоугольно-сводчатой;

- если n_б< 4 или n_в< 4, то выработка требует крепления деревом, а форма ее поперечного сечения принимается трапециевидной.

2.4. Определение требуемых размеров поперечного сечения выработки

При выборе размеров поперечного сечения выработок необходимо исходить из целевого назначения выработки, габаритных размеров применяемого проходческого оборудования, требований Правил безопасности по соблюдению размеров зазоров между габаритами оборудования и элементами крепи или бортами и кровлей выработки, способа крепления и соответствующей этому способу форме сечения. В течение всего срока эксплуатации выработка должна сохранять устойчивость и размеры, обеспечивающие требуемые Правилами безопасности зазоры между перемещаемым по ней оборудованием, ее боками и кровлей.

В связи с тем, что подавляющее большинство горно-разведочных выработок имеет относительно небольшой срок службы и малую протяженность, для них следует выбирать минимально возможное поперечное сечение выработок, а крепление, в случае необходимости, осуществлять деревом или штангами.

Типовым рядом поперечных сечений для горизонтальных и наклонных горно-разведочных выработок по ГОСТ 22940-85 предусмотрено две формы поперечных сечений: прямоугольно-сводчатая и трапециевидная. Размеры соответствующих типовых поперечных сечений в свету приведены в табл. 2.2 и в табл. 2.3.

Таблица 2.2 Размеры сечений в свету подземных горизонтальных горно-разведочных выработок прямоугольно-сводчатой формы по ГОСТ 22940-85
Рис.2.2. Прямоугольно-сводчатое поперечное сечение выработки	Обозначение сечения	Размеры сечения в свету, мм	Площадь сечения в свету S_c_в, м²
b	h_c	h₀	R	r
ПС-2,0					2,0
ПС-2,7					2,7
ПС-4,2					4,2
ПС-4,5					4,5
ПС-5,4					5,4
ПС-6,4					6,4
ПС-6,8					6,8
ПС-8,3					8,3
ПС-8,7					8,7
ПС-10,0					10,0
ПС-11,6					11,6
ПС-12,1					12,1

Таблица 2.3 Размеры сечений в свету подземных горизонтальных горно-разведочных выработок трапециевидной формы по ГОСТ 22940-85
Рис.2.3. Трапециевидное поперечное сечение выработки	Обозначение сечения	Размеры сечения в свету, мм	Площадь сечения в свету S_c_в, м²
b₁	b₂	h
Т-2,0				2,0
Т-3,0				3,0
Т-4,8				4,8
Т-5,1				5,1
Т-6,1				6,1
Т-7,0				7,0
Т-7,5				7,5
Т-8,4				8,4
Т-9,8				9,8
Т-11,0				11,0
Т-12,6				12,6
Т-13,6				13,6

При проведении горизонтальных горно-разведочных выработок отгрузка горной массы может осуществляться вручную и с применением средств механизации: скреперных установок, погрузочных машин, а ее транспортировка – вручную в вагонетках, скреперами, в вагонетках шахтными электровозами и пр. Особенности определения требуемых минимальных размеров выработок приведены ниже.

2.4.1. Определение требуемых размеров поперечного сечения выработок в свету

при скреперной отгрузке горной массы

Переносные скреперные установки (рис.2.4) применяются при проведении выработок небольшого сечения (Т-2,0; Т-3,0; Т-4,8 или ПС-2,0; ПС-2,7; ПС-4,2) протяженностью до 50 – 70 м, а при двойном скреперовании и до 120 м. Установка включает в себя скреперную лебедку 1 с двигателем, скреперный полок 2, скрепер 3, канаты рабочего 4 и холостого 5 хода и скреперный блок 6.

Рис. 2.4. Отгрузка горной массы из забоя переносной скреперной установкой в вагонетки через погрузочный полок

При скреперовании в люк рудоспуска скреперный полок может отсутствовать. Параметры скреперных установок следует принимать с учетом физико-механических свойств отгружаемой горной массы (табл. 2.4).

Таблица 2.4 Рекомендуемые параметры скреперных установок
Максимальный размер куска, мм	Насыпная объемная масса, т/м³	Расчетная вместимость скрепера, м³	Мощность двигателя лебедки, кВт	Диметр каната, мм	Диаметр скреперного блока, мм
рабочего	холостого
	< 2,0	0,10		8,8; 10,5	8,8; 10,5
2,0 – 2,8	0,10		10,5; 11,5	10,5; 11,5	160; 200
	< 2,0	0,16		10,5; 11,5	10,5; 11,5	160; 200
2,0 – 2,8	0,16		13; 14	13; 14
	< 2,0	0,25		13; 14	13; 14
2,0 – 2,8	0,25		14; 15	13; 14

При проходке выработок обычно используются литые разъемные скреперные блоки (рис. 2.5), жесткие гребковые скреперы СГ-01, СГ-0,16 и СГ-0,25 (рис.2.6, табл. 2.5) и двухбарабанные скреперные лебедки (рис.2.7, табл. 2.4).

Таблица 2.5 Техническая характеристика односекционных гребковых жестких скреперов СГ
Показатели	Вместимость скрепера, м³
0,10	0,16	0,25	0,40
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Масса, кг

Рис. 2.5. Блок скреперный разъемный литой БС 200

Рис. 2.6. Жесткий гребковый скрепер

Рис.2.7. Скреперная лебедка 17 ЛС

ПРЯМОУГОЛЬНО-СВОДЧАТАЯ форма поперечного сечения выработки (рис. 1.8).

Минимально необходимая ширина выработки в свету b_min определяется по формуле:

, (2.11)

где b_ск – ширина скрепера, мм; с –минимально допустимый зазор между габаритами скрепера и крепью (стенкой) по ширине выработки (200 мм для СГ-0,1; 250 мм для СГ-016 и СГ-0,25; 300 мм для СГ-0,40).

Рис.2.8. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки прямоугольно-сводчатой формы при скреперной отгрузке отбитой горной массы: b_ск – ширина скрепера; с – минимальный зазор между скрепером и стенкой выработки; b – ширина выработки; h – высота выработки;

По таблице 2.2 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию:

, (2.12)

где b – ширина стандартного сечения горно-разведочной выработки прямоугольно-сводчатой формы.

Трапециевидная форма поперечного сечения (рис.2.9).

Рис.2.9. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки трапециевидной формы при скреперной отгрузке отбитой горной массы

Необходимая ширина выработки в свету на уровне верхнего габарита скрепера определяется по формуле:

, (2.14)

а ее минимально допустима ширина в свету по почве выработки – по формуле:

, (2.15)

где h _ск – высота скрепера, мм; α – угол наклона стоек деревянной крепи, град. (≈83^о).

По таблице 2.3 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию:

, (2.16)

где b₂ – ширина в свету по низу стандартного сечения горно-разведочной выработки трапециевидной формы.

2.4.2. Определение требуемых размеров поперечного сечения выработок в свету

при машинной погрузке и рельсовой откатке горной массы

При проходке горно-разведочных выработок оборудованных рельсовыми путями, отгрузка горной массы осуществляется, как правило, погрузочными машинами ковшового типа (рис. 2.10, табл.2.5) в шахтные вагонетки (табл.2.6). При штольневом вскрытии разведочных горизонтов используются вагонетки с опрокидным кузовом (рис.2.11) типа ВО, а при вскрытии стволами – вагонетки с глухим кузовом типа ВГ (рис.2.12). Откатка вагонеток к месту их разгрузки или к стволу для последующего их подъема осуществляется обычно аккумуляторными электровозами (рис. 2.13, табл.2.7).

	Таблица 2.6 Техническая характеристика погрузочных машин периодического действия
Рис. 2.10. Погрузочная машина ППН -1с	Показатели	ППН-1с	ППН-2	ППН-1Э	ППН-3	IППН-5
Минимальная площадь сечения выработки, м²	5,75	5,75	5,75	7,25	4,4
Техническая производительность, м³/мин		0,8 – 1,2		1,25	1,25
Фронт погрузки, м	2,2	2,5	2,2	3,2
Высота, мм:
по траектории ковша				–	–
в транспортном положении
Длина, мм
Ширина, мм
Мощность двигателей, кВт:
ходовой части	8,8	13,2	9,25	37,2	–
подъема ковша	8,8	13,2	9,25	–	–
Масса машины, т	3,5	4,7	4,5

Рис. 2.11. Устройство вагонетки с опрокидным кузовом: 1- стойки рамы; 2 - кузов; 3 - рама; 4- подвагонный упор; 5- колесная пара; 6- сцепка; 7- поворотный сектор со штырями

Таблица 2.7 Технические характеристики вагонеток, применяемых на разведочных шахтах

Рис.2.12. Вагонетка с глухим не опрокидным кузовом

Тип вагонетки

Вместимость кузова, м³

Допустимая нагрузка, т

Основные размеры, мм:

Масса порожней вагонетки, кг

длина

ширина

высота

ВО-0,4^*

0,4

1,0

ВО-0,8

0,8

ВГ-0,7

0,7

1,8

ВГ-1,0

1,0

1,8

ВГ-1,1

1,1

2,0

ВГ-1,3

1,3

2,3

ВГ-1,4

1,4

2,5

Рис.2.13. Аккумуляторный электровоз АК-2у

Таблица 2.8 Техническая характеристика электровозов, применяемых на разведочных шахтах

Показатели

Аккумуляторные

Контактные

АК-2У

4,5АРП-2М

5АРВ-2М

4КР-1

7КР-1У

Сцепная масса, т

4,5

Ширина колеи, мм

600/750

Скорость, км/ч

6,5

5,5

10,5

Мощность двигателей, кВт

2´6

2´10,2

2´15

Размеры, мм:

длина по буферам

ширина

Высота от головки рельса

На рис. 2.14 показаны аккумуляторный электровоз, вагонетка и погрузочная машина в общей сцепке.

Рис. 2.14.

ПРЯМОУГОЛЬНО-СВОДЧАТАЯ форма поперечного сечения выработки (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки прямоугольно-сводчатой формы с рельсовым транспортом

Предварительно выбираются погрузочная машина, вагонетка и электровоз. После этого производится выбор стандартного размера сечения в следующей последовательности:

- выбирается наибольший поперечный транспортный габарит перемещаемого по выработке оборудования путем сравнения размеров по ширине погрузочной машины (табл.2.5), шахтной вагонетки (табл.2.6) и шахтного электровоза (табл.2.7);

- определяется минимально необходимая ширина выработки в свету

, (2.17)

где n – минимально допустимый зазор между оборудованием и стенкой (крепью) выработки, мм: для монолитной бетонной крепи n = 200 мм, в остальных случаях n = 250 мм; bo – наибольший поперечный транспортный габарит перемещаемого по выработке оборудования, мм; m =700 мм – минимально допустимая ширина прохода для людей;

- по таблице 2.3 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию (2.12).

Трапециевидная форма поперечного сечения (рис.2.16).

-рассчитывается высота верхнего строения пути h_в:

, (2.18)

где h_в – высота верхнего строения пути, мм; h_б – высота балластного слоя под шпалами, мм (обычно ≈100 мм); h_ш= 110÷130 мм – высота шпалы; h_р – высота рельс, мм – для рельс Р24 составляет 108 мм;

- выбирается наибольший поперечный транспортный габарит перемещаемого по выработке оборудования путем сравнения размеров по ширине погрузочной машины (табл.2.6), шахтной вагонетки (табл.2.7) и шахтного электровоза (табл.2.7);

Рис. 2.16. Схема для определения размеров поперечного сечения выработки прямоугольно-сводчатой формы с рельсовым транспортом

- по формуле (2.16) определяется минимально необходимая ширина выработки в свету на уровне верхнего габарита оборудования

- рассчитывается минимально необходимая ширина по почве рельсовой выработки трапециевидной формы сечения

, (2.19)

- по таблице 2.3 выбирается ближайшее по размеру стандартное сечение отвечающее требованию (2.16).

2.4.3. Расчет размеров поперечного сечения выработок вчерне и в проходке

Линейные размеры и площадь поперечного сечения вчерне для выработки прямоугольно-сводчатой формы, проводимой без крепления, равны линейным размерам и площади ее сечения в свету:

, (2.20)

где S_вч – площадь поперечного сечения выработки вчерне, м²; S_c_в – площадь поперечного сечения выработки в свету, м².

Рис. 1.17. Схема к расчету размеров вчерне выработки трапециевидной формы

Площадь поперечного сечения вчерне для выработки трапециевидной формы (рис.1.17) определяется по формуле:

, (2.20) где В₃ и В₄ – ширина выработки вчерне по кровле и по почве, м; h₁ – высота выработки вчерне, м. Линейные размеры поперечного сечения выработки вчерне рассчитываются по формулам

; (2.21)

: (2.22)

, (2.23) где В₁ и В₂ – ширина выработки в свету по кровле и по почве, м; h – высота выработки в свету, м; dст – диаметр стойки; Δз – толщина затяжки. Независимо от формы поперечного сечения выработки, площадь сечения в проходке определяется по формуле

, (2.24)

где К_пр – коэффициент превышения сечения, доли ед.

Численные значения коэффициента превышения сечения определяются по табл. 2.9.

Таблица 2.9 Допустимые значения коэффициента превышения площади сечений выработок
Категории пород по буримости	коэффициент превышения сечения при площади поперечного сечения выработки вчерне, м²
< 4	4 – 6,4	> 6.5
V – X	1,08	1,06	1,04
XI – XV	1,10	1,07	1,05
XV – XX	1,12	1,09	1,06