3.1 
Основы механики горных пород
Горные породы в нетронутом массиве находятся в состоянии напряженного равновесия.
Напряжения, испытываемые элементарной частицей, расположенной на глубине Н от поверхности (рис. 3.1).
Любая частица в земной коре испытывает напряжения: по вертикальной оси σz = γН, по горизонтальной оси σх=σу= λγН, где Н — глубина от земной поверхности, м; γ — объемный вес горных пород, кН/м3; λ — коэффициент бокового распора. Коэффициент бокового распора равен λ = μ(1 – μ), где μ —коэффициент Пуассона (для горных пород равен 0,1–0,4, в среднем 0,2–0,25).
Под действием этих напряжений любая частица породы находится в состоянии напряженного равновесия. Это объясняется тем, что внутри нетронутого массива земной коры без влияния внешних сил породы не могут перемещаться и изменять свою форму. При ведении горных работ равновесие нарушается, породы вокруг выработки деформируются. В массиве вокруг горной выработки происходит перераспределение напряжений. Горные породы при этом сдвигаются в сторону образовавшейся выработки. Такие явления в массиве горных пород после проведения выработки называются деформациями.
Если не принимать мер против развития этих деформаций, то с течением времени в выработке начнется обрушение пород.
Чтобы этого не произошло, в горных выработках необходимо возводить крепь. Только в крепких породах выработки более или менее продолжительное время могут сохранять устойчивость без крепи. Крепь препятствует перемещению пород внутрь выработки, а, следовательно, воспринимает на себя давление горных пород.
Под горным давлением понимают силы в породах, окружающих выработку, действующие на крепь и массив горных пород.
Известны несколько моделей взаимодействия крепи с массивом пород: упругая, жесткопластческая, упругопластическая, вязкая и др. Рассмотрим жесткопластическую модель на основе гипотезы М.М. Протодьяконова. Согласно этой модели в массиве выделяются две области: область предельного состояния пород (пластическая область, формирующая сползающий объем пород) и область за пределами сползающего объема (жесткая область), не участвующая в нагружении крепи. Гипотеза М.М.Протодьяконова построена на основе рассмотрения условий образования над выработкой свода давления (естественного равновесия), воспринимающего нагрузки вышележащих слоев породы. При этом полагают, что крепь нагружается весом породы, находящейся между верхним контуром сечения выработки и сводом естественного равновесия (рис. 3.2), вследствие чего величина горного давления не зависит от глубины залегания выработки.
В горизонтальных выработках при неустойчивых стенках выработки вертикальная нагрузка на крепь определяется по формуле
qв = γh1,
где qв — нагрузка на крепь выработки, кН/м2; γ — удельный вес породы, кН/м3; h1 — высота свода обрушения, м,
h1 = L/2f,
где 
— коэффициент крепости породы по шкале М.М.Протодьяконова; L — максимальный пролет свода обрушения, м;
где В и h — ширина и высота выработки вчерне, м; 
— условный "кажущийся" угол внутреннего трения, определяемый с учетом сцепления между частицами породы:
,
где ρ — действительный угол внутреннего трения породы, град (табл. 3.1); σ — нормальное напряжение на контакте между частицами породы, кН/м2; с — коэффициент сцепления.
Таблица 3.1 Характеристика горных пород
| Порода | Удельный вес, кН/м3 | Угол внутреннего трения ρ, град |
| песчаники: | ||
| крупнозернистые | 26–27 | 38–43 |
| средней крупности | 35–40 | |
| мелкозернистые | 26,5–27 | 32–38 |
| пылевидные | 26,5–27 | 30–36 |
| алевролиты | 25,5 | 28–30 |
| аргиллиты | 25,5 | 29–31 |
Высоту свода обрушения в нарушенных переменных породах можно определить по формулам:
для выработок, расположенных в целиках достаточных размеров на значительной глубине Н,
для выработок, расположенных в зоне влияния очистных работ,
.
Боковая нагрузка на крепь:
в верхней точке
в нижней точке
Крепежные материалы
Крепежными называют материалы, применяемые для изготовления горных крепей.
Крепежные материалы подразделяются:
• по использованию в конструкции крепи — на основные, применяемые в несущих конструкциях крепей (металл, бетон, дерево, естественные и искусственные камни, пластмассы и др.), вяжущие, служащие для приготовления растворов, бетонов и пластмасс (цемент, известь, смолы и др.), и вспомогательные (водоизоляционные материалы, химические реагенты и др.);
• по степени сопротивляемости действию огня (в условиях пожара) — на огнестойкие (бетон, некоторые камни), полуогнестойкие (металл, пластмассы), сгораемые (древесина);
• по сроку службы в выработках — на долговечные (бетон, металл и др.) и недолговечные (дерево);
• по характеру деформации под нагрузкой — на хрупкие (бетон, камни и др.) и упругопластические.
Крепежные материалы должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать высокой удельной прочностью, т.е. иметь наибольшее отношение временного сопротивления (прочности) материала к его объемной массе; иметь невысокую стоимость; не быть дефицитными, а также огнеопасными или легковоспламеняющимися; обладать стойкостью против коррозии и гниения (быть долговечными).
Важным техническим показателем всех конструкционных материалов, в том числе и крепежных, является коэффициент конструктивного качества материала, т.е. отношение прочности (временного сопротивления) материала к его объемной массе.
Лесоматериалы довольно широко применяются для крепления горных выработок, так как древесина имеет относительно высокую прочность при небольшой массе, обладает упругостью, легко обрабатывается и сравнительно дешева. Основные недостатки дерева — неогнестойкость, значительный разброс прочностных показателей и недолговечность в связи с подверженностью гниению. Вследствие гниения срок службы сосновой крепи в среднем составляет всего 2—3 года, а при неблагоприятных условиях (в выработках с исходящей вентиляционной струей и повышенной влажностью) — менее 1 года.
Чтобы увеличить длительность службы крепежного леса в подземных выработках, его предохраняют от загнивания пропитыванием специальными растворами химических веществ (антисептиками).
В качестве крепежного материала применяют круглые лесоматериалы — бревна, подтоварник, стойки и пиломатериалы — пластины (распилы), брусья, доски, обаполы (горбыли). Наибольшее применение для крепления выработок имеют стойки и обаполы (рис. 3.3).
Бревно — отрезок ствола дерева длиной от 5 до 9 м и толщиной в верхнем торце 12 см и больше. Бревно не должно содержать сучьев и веток и должно быть опилено перпендикулярно продольной оси.
Подтоварник — круглый лесоматериал длиной от 3 до 9 м и толщиной в верхнем торце от 8 до 11 см.
Рудничная стойка — круглый лесоматериал длиной от 0,5 до 5 м и толщиной в верхнем торце от 7 до 30 см.
Распилы — стойки, распиленные пополам вдоль продольной оси.
Брусья — пиломатериалы, толщина которых равна ширине или более половины ширины.
Доски (плахи, тес) — пиломатериалы, ширина которых более двойной толщины.
Обаполы или горбыли — крайние части ствола дерева, распиленного на брусья или доски.
Металл является одним из наиболее совершенных крепежных материалов, так как обладает высокой прочностью, возможностью многократного использования, долговечностью, огнестойкостью, значительной деформируемостью без потери несущей способности. Сталь — упругопластический материал, поэтому металлические крепи могут претерпевать пластические деформации без потери несущей способности. После выправления деформированных элементов металлическая крепь может быть повторно использована для крепления горных выработок. Недостатком металла является подверженность его коррозии.
Для крепления применяют чугунное и стальное литье, прокатную сталь различных профилей и типоразмеров. Чугунное и стальное литье применяют для тюбингов, башмаков, фигурных накладок и других элементов крепи.
Для изготовления металлических рамных крепей применяется преимущественно специальный желобчатый шахтный профиль проката СВП (специальный взаимозаменяемый профиль) из горячекатаной стали марки Ст.5 шести типоразмеров; 14, 17, 19, 22, 27 и 33 кг/м (рис 3.4). Геометрические характеристики профиля СВП приведены в табл. 3.2.
При изготовлении металлических крепей применяют в меньших объемах профили проката общего назначения — двутавровые балки, швеллеры, рельсы, уголковая сталь и др.
Таблица 3.2 Характеристика балок спецпрофиля
| Профиль | Масса 1 м, кг | Площадь сечения, см2 | Размеры, мм | ||||||
| В | b | М | m | h | δ | h | |||
| СВП17 | 17,06 | 21,73 | 131,5 | 91,5 | 8,5 | ||||
| СВП19 | 19,2 | 24,44 | 9,5 | ||||||
| СВП22 | 21,9 | 27,91 | 145,5 | 99,5 | 51,5 | 25,5 | |||
| СВП27 | 26.98 | 34,37 | 149,5 | 99,5 | 59,5 | 50,6 | |||
| СВП33 | 33,40 | 42,53 | 66,5 | 14,5 |
Для армирования обычных и предварительно напряженных элементов железобетонных крепей горных выработок применяются горячекатаная сталь и стальная проволока.
Вяжущие вещества представляют собой тонко измельченные порошкообразные строительные материалы, которые при смешивании с водой постепенно твердеют, образуя прочную окаменевшую массу, связывающую между собой зерна песка и куски щебня.
Для изготовления горной крепи применяют только гидравлические вяжущие, например цементы, которые могут схватываться и затвердевать как на воздухе, так и в воде.
Бетон как крепежный материал обладает высокой прочностью (при действии сжимающих нагрузок), долговечностью, огнестойкостью и относительно невысокой стоимостью, так как приготовляется из местных материалов. Особенностью бетона является хрупкость при ударе и незначительная сопротивляемость растягивающим и изгибающим усилиям (в 8–10 раз меньше прочности при сжатии).
Для бетонных и железобетонных подземных конструкций применяются конструкционные бетоны: тяжелый средней плотности (2200–2500 кг/м3), мелкозернистый средней плотности свыше 1800 кг/м3, легкий плотный и поризованной структуры.
Естественные камни для крепления горных выработок в настоящее время практически не применяются, искусственные камни, в основном бетонные блоки, иногда применяются при креплении капитальных горных выработок.
К полимерным крепежным материалам относятся стеклопластики, пластобетон, углепласт, химические составы на базе синтетических смол для закрепления анкеров в скважинах. В качестве затяжек в последнее время используются различные синтетические тканевые материалы.
Крепь горных выработок
