Методы изучения взаимодействия пород с крепью

Согласно современным представлениям крепь горных выработок определенным образом взаимодействует с окружающими породами, в результате чего образуется единая весьма сложная пространственно-временная система "крепь - вмещающие породы". Напряженно-деформированное состояние элементов этой системы определяется влиянием большого числа одновременно действующих факторов, из которых основными являются параметры поля напряжений массива горных пород (как естественного происхождения, так и возникающего под воздействием эксплуатационных нагрузок), напряжения в крепи, а также деформационные характеристики как вмещающих пород, так и крепи.

С учетом большого числа действующих факторов и несовершенства современных расчетных методов одним из основных методов изучения процессов взаимодействия крепи выработок с массивом вмещающих пород в конкретных горно-геологических условиях является проведение специальных натурных измерений.

Как правило, натурные измерения носят комплексный характер и включают в себя:

а) измерение деформаций контура выработки и параметров зоны неупругих деформаций вокруг выработки с целью определения размеров области пород, непосредственно оказывающей давление на крепь;

б) измерение деформаций в элементах крепи с последующим расчетом напряжений и усилий, испытываемых крепью;

в) измерение давления на крепь со стороны вмещающих пород и реакции крепи.

Деформации в элементах крепи измеряют несколькими методами, практически не отличающимися от методов измерения деформаций строительных конструкций. К их числу, прежде всего, относятся электротензометрический метод и метод фотоупругих покрытий. Тензодатчики сопротивления или фотоупругие покрытия приклеивают или наносят непосредственно на элементы крепи, напряжения в которых стремятся определить. Дополнительные трудности при измерениях этими методами в шахтных условиях состоят в необходимости специальных мер по обеспечению надежности работы датчиков и аппаратуры в условиях повышенной влажности и загрязнения.

В частности, с помощью тензодатчиков сопротивления удобно измерять деформации, оценивать усилия и изучать особенности работы анкерной крепи в различных горно-геологических условиях. С этой целью на поверхность анкеров наклеивают тензометры и с помощью обычной тензометрической аппаратуры измеряют деформации анкера после его установки в шахте. На рис. 8.6 представлена одна из применяемых конструкций тензометрических штанг, разработанная в Горном институте Кольского научного центра РАН.

Рис. 8.6 Тензометрическая штанга

а - общий вид штанги и регистрирующего прибора; б - схема устройства.

1 - арматурный стержень, 2 - электрические тензометры, 3 - влагозащитный слой, 4 - штепсельный разъем; 5 - корпус штепсельного разъема.

Использование фотоупругих покрытий открывает возможности фиксировать характер изменения деформаций непрерывно по всей поверхности исследуемых конструкций, вследствие чего этот метод находит применение при исследовании работы различных конструкций крепей и, в частности, механизированных крепей выемочных агрегатов. На рис. 8.7 в качестве примера показаны расположение фотоупругих датчиков в крепи агрегата А-3 и результаты определения давления на крепь со стороны вмещающих пород в условиях Подмосковного угольного бассейна.

Широко применяют также методы непосредственного измерения нагрузок на крепи различных типов. С этой целью используют динамометры разнообразных конструкций - механические, гидравлические (мессдозы), электрические с различными типами датчиков.

Чаще всего в условиях шахт применяют механические стоечные динамометры. Одна из конструкций такого динамометра приведена на рис. 8.8.

Рис. 8.7 Эпюра распределения нагрузок (а) на крепь в условиях Подмосковного угольного бассейна и расположение фотоупругих датчиков (б) в крепи агрегата А-3.

Номерами указаны фотоупругие датчики

Рис. 8.8. Конструкция механического стоечного динамометра (тип 45Д-135).

1 - колпачок; 2 - пружина рычага, 3 - верхняя опора; 4 - рычаг; 5 - нижняя опора; 6 - регулировочный винт; 7 - мембрана, 8 - пружина; 9 - обечайка.

Измерения нагрузок динамометрами обычно сопряжены со значительными погрешностями. Одним из источников таковых погрешностей может служить различная жесткость элементов крепи и динамометров. С целью исключения влияния этого фактора разработаны многочисленные конструкции динамометрических стоек, которые полностью сохраняют характеристики стандартной крепи. Принципы действия чувствительных элементов таких стоек аналогичны принципам действия динамометров с той лишь разницей, что фиксируются при этом деформации самих стоек.

Дальнейшим развитием техники измерения нагрузок на крепи горных выработок явилось создание динамометрических секций крепей, позволившее устанавливать распределение нагрузок на значительных площадях контакта элементов крепей с поверхностью стенок, кровли и почвы выработок.

Особенно большие возможности для изучения процессов взаимодействия пород и крепи, в том числе при различной их деформационной способности, дает конструкция динамометрической крепи, позволяющая изменять деформационные характеристики в широких пределах.

Динамометрическая крепь регулируемой податливости (рис. 8.9) представляет собой прочный жесткий остов (например, из железобетонных или чугунных тюбингов), окруженный поясом металлических баллонов, заполненных битумом и располагаемых по всему контуру выработки на участке измерений.

Рис 8.9 Элемент динамо-метрической крепи регулируемой податливости для шахтных стволов

1 - баллоны для регулирования податливости, 2 - динамометр; 3 - тюбинг; 4 - клапан податливости.

Баллоны оборудованы динамометрами для измерения давления битума и имеют специальные клапаны для выпуска битума и снижения давления. При полностью закрытых клапанах крепь работает практически как жесткая система и позволяет определять максимально возможную в данных условиях нагрузку. При открытых клапанах битум медленно вытекает из баллонов, баллоны деформируются, крепь сокращается в диаметре, при этом ее сопротивление давлению вмещающих пород падает. В любой момент, при достижении заданной податливости, истечение битума может быть прекращено, и крепь вновь начнет работать как жесткая конструкция.