Тема 1. Крепь вертикальных выработок. Особенности

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
___________________
Руководитель ООП
по направлению 130400
декан ГФ проф. О.И. Казанин
__________________
Зав. кафедрой СГП и ПС
проф. А.Г. Протосеня
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«МЕХАНИКА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ»
Направление подготовки: 130400 Горное дело
Специализация: № 5 «Шахтное и подземное строительство»
Квалификация (степень) выпускника: специалист, специальное звание
«горный инженер»
Форма обучения: очная
Составители: профессор кафедры СГП и ПС
А.Г. Протосеня
доцент кафедры СГП и ПС Д.Н. Петров
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
МЕХАНИКА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
1. Цели и задачи дисциплины
Цель преподавания дисциплины – овладеть знаниями и навыками выбора и
расчета конструкций подземных сооружений с учетом их взаимодействия с массивом
горных пород.
Задачи дисциплины:
- изучение методов выбора конструкции и расчета крепей подземных
сооружений;
- расширение кругозора будущего специалиста при расчете крепей подземных
сооружений с использованием математического моделирования, численных методов и
ПЭВМ.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Механика подземных сооружений» (C3.С.3) относится к
специализированной части Профессионального цикла С3.
Для изучения дисциплины требуется освоение дисциплин «Физика горных
пород» (С2.С.1) базовой части математического и естественно-научного цикла,
«Материаловедение»
(С3.Б.9),
«Геомеханика»
(С3.Б.15)
базовой
части
Профессионального цикла С3.
Дисциплина является предшествующей для освоения разделов учебных
дисциплин «Проектирование и строительство горных предприятий и подземных
сооружений», «Строительство выработок большого поперечного сечения»,
специализированной части Профессионального цикла С3, а также дисциплин
«Шахтное и подземное строительство» (С3.С.1), «Реконструкция горных предприятий»
(С3.ДВ.2.2), «Технология строительства горных выработок специальными способами»
(С3.ДВ.4.2) вариативной части Профессионального цикла С3.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
а) общекультурных:
- способностью к обобщению и анализу информации, постановке целей и выбору путей
их достижения (ОК-1);
- умением логически последовательно, аргументировано и ясно излагать мысли,
правильно строить устную и письменную речь (ОК-3);
- готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-4);
- умением вести переговоры, устанавливать контакты, устранять (урегулировать)
конфликты интересов (ОК-5);
- способностью к поиску правильных технических и организационно-управленческих
решений и нести за них ответственность (ОК-6);
- использованием нормативных правовых и инструктивных документов в своей
деятельности (ОК-7);
б) профессиональных, в том числе
б1) общепрофессиональных
- демонстрировать пользование компьютером как средством управления и обработки
информационных массивов (ПК-4);
2
- способностью выбирать и (или) разрабатывать технологические схемы специальных
способов строительства горных выработок с высоким уровнем автоматизации
управления (ПК-5);
б2) в области производственно-технологической деятельности
- владением основными принципами технологий возведения крепей подземных
выработок (ПК-9);
- готовностью осуществлять техническое руководство при проектировании крепей
подземных объектов (ПК-10);
- использованием нормативных документов по безопасности и промышленной
санитарии при проектировании и возведении крепей горных выработок (ПК-12);
б3) в области организационно-управленческой деятельности
- обеспечивать правильность выполнения их исполнителями; составлять перспективные
планы, инструкции, сметы, заявки на материалы и оборудование, заполнять
необходимые отчётные документы в соответствии с установленными формами (ПК-17);
б4) в области научно-исследовательской деятельности
- готовностью участвовать в исследованиях объектов профессиональной деятельности
и их структурных элементов (ПК-20);
- способностью изучать научно-техническую информацию в области строительства
(ПК-21);
б5) в области проектной деятельности
- готовностью к разработке проектных инновационных решений по креплению
подземных объектов (ПК-25);
- способностью разрабатывать необходимую техническую и нормативную
документацию в составе творческих коллективов и самостоятельно, контролировать
соответствие проектов требованиям стандартов, техническим условиям и других
нормативных документов промышленной безопасности; разрабатывать, согласовывать
и утверждать в установленном порядке технические, методические и иные документы,
регламентирующие порядок, качество и безопасность выполнения горно-строительных
работ по возведению крепей (ПК-26);
- готовностью работать с программными продуктами общего и специального
назначения для моделирования геомеханических процессов в массиве и крепи (ПК-28).
в) по специализации № 5 «Шахтное и подземное строительство»
- способностью разрабатывать технологические схемы возведения крепи, выбирать
способы, технику и технологию горно-строительных работ, ориентируясь на
инновационные разработки; обеспечивать технологическую и экологическую
безопасность жизнедеятельности; составлять необходимую техническую и финансовую
документацию (ПСК-5-3);
- готовностью проводить технико-экономический анализ, комплексно обосновывать
принимаемые и реализуемые решения, изыскивать возможности совершенствования
горно-строительных работ, содействовать обеспечению подразделений предприятия
необходимыми техническими данными, документами, материалами, оборудованием;
участвовать в работах по исследованию, разработке проектов и программ строительной
организации (ПСК-5-4).
В результате изучения дисциплины студент обязан:
Знать:
- закономерности взаимодействия с массивом пород разнообразных конструкций крепи
подземных сооружений;
Уметь:
- выбирать и рассчитывать эффективные конструкции крепи подземных сооружений;
3
Владеть:
- горной и строительной терминологией;
- основными правовыми и нормативными документами;
- метрологическими правилами, нормами, нормативно- техническими документами по
стандартизации и управлению качеством строительства.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость учебной дисциплины составляет 5 зачетных единиц.
Вид учебной работы
Всего
Аудиторные занятия, в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа, в том числе
Расчетно-графические работы
Курсовой проект
Другие виды самостоятельной работы
Изучение литературы по механике
подземных сооружений, подготовка к
лекциям и практическим занятиям
Вид промежуточной аттестации (зачет,
экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
Всего
часов
108
102
68
34
6
4
2
-
108
Семестры
6
53
7
55
34
17
2
2
-
34
17
4
2
2
-
-
зачет
экзамен
53
55
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1
1.
Наименование
раздела
дисциплины
2
Материалы и
классификация
крепей горных
выработок.
2.
Интервальные
крепи горных
выработок
3.
Сплошные крепи
горизонтальных
горных
Содержание раздела
3
Тема 1. Виды горной крепи и основные крепежные
материалы. Требования к крепям и нормативные положения по
ее проектированию. Типовые сечения горных выработок и
паспорта крепления. Крепежные материалы.
Тема 1. Деревянные крепи. Конструкции деревянных
крепей горизонтальных и наклонных горных выработок. Область
применения крепей, достоинства и недостатки. Основные
принципы их расчета.
Тема 2. Металлические жесткие и податливые крепи.
Типы металлического проката, применяемого в подземном
строительстве. Конструкции жестких металлических крепей,
область применения. Конструкции податливых крепей. Виды
узлов податливости, их достоинства и недостатки. Шарнирные
арочные крепи. Затяжка и забутовка интервальных крепей.
Тема 1. Каменная, бетонная и железобетонная крепи:
жесткие и податливые. Особенности крепи из бетона, торкрети набрызгбетона. Принципы конструирования монолитных и
4
выработок.
4.
Упрочняющие
крепи.
5.
Принципы
расчета крепей
6.
Крепь
капитальных
выработок и
подземных
сооружений
7.
Расчет крепи по
заданным
нагрузкам
8.
Расчет крепи по
схеме
сборных железобетонных крепей. Достоинства, недостатки и
области применения различных видов каменной и бетонной
крепи.
Тема
1.
Классификация
анкерных
крепей.
Металлические,
железобетонные,
сталеполимерные,
пластмассовые,
деревянные
и
смешанные
анкера.
конструктивные виды и способ закрепления анкеров в массиве.
Тема 2. Конструкции анкерных. Разновидности
замковых анкеров и способы их закрепления в скважине.
Полноконтактные анкера. Принципы расчета параметров и
конструктивных элементов штанговой крепи. Достоинства,
недостатки и области применения разных видов анкерной крепи.
Тема 1. Принципы расчета интервальных рамных
крепей горизонтальных горных выработок. Оценка
устойчивости обнажений пород в горных выработках. Расчет
усилий в рамных крепях. Расчет шага и плотности расстановки
рам крепи. Методика расчета трапециевидной крепежной рамы,
усиленной прогоном на стойках.
Тема 2. Принципы расчета анкерных крепей. Выбор
расчетной схемы. Оценка устойчивости и размеры зоны
возможного обрушения пород. Расчет параметров анкерной
крепи.
Тема 1. Крепь вертикальных выработок. Особенности
условий работы крепи вертикальных стволов шахт на участках
устья, основной части и сопряжения с выработками
околоствольного
двора.
Монолитная
бетонная
и
набрызгбетонная крепь. Железобетонная монолитная крепь.
Крепи
из
железобетонных
и
чугунных
тюбингов.
Комбинированная крепь. Многослойные крепи для сложных
гидрогеологических и горнотехнических условий. Область
рационального применения основных видов крепи вертикальных
стволов. Расчет крепи вертикальных шахтных стволов по СНиП.
Тема 2. Крепь тоннелей и других капитальных
подземных сооружений. Монолитная бетонная и
железобетонная крепь тоннелей транспортного,
гидротехнического и коммунального назначения. Сборные
бетонные, железобетонные и металлические крепи тоннелей,
станций метрополитенов, камер, сопряжений и подземных
сооружений.
Тема 1. Расчет монолитной бетонной крепи стволов и
горизонтальных выработок кольцевой формы. Распределение
напряжений в крепи, ее проверка на прочность. Паспорт несущей
способности крепи. Определение нагрузок и расчет крепи
стволов и сопряжений стволов с околоствольными выработками
по СНиП.
Тема 2. Расчет многослойной крепи кольцевой формы,
состоящей из однородных слоев. Паспорт несущей способности
многослойной крепи. Расчет монолитных конструкций
замкнутой и незамкнутой формы методом Метрогипротранса.
Расчет сборных сплошных крепей незамкнутого и замкнутого
очертаний. Выбор расчетной схемы, определение усилий, расчет
сечений и стыков в элементах тюбинговых и блочных крепей.
Расчет нагрузок на обделки тоннелей по СНиП.
Тема 1. Модели взаимодействия крепи и пород. Расчет
5
9.
взаимодействия
крепи и пород
однослойной и многослойной крепи по схеме контактного
взаимодействия с окружающими породами для различных
геомеханических моделей массива. Оценка прочности крепи,
выбор параметров. Учет влияния технологии сооружения
выработки на формирование нагрузок на крепь стволов.
Тема 2. Проектирование крепи капитальных выработок и
подземных
сооружений
с
использованием
системы
автоматизированного проектирования ( САПР ). Понятие о
системах
автоматизированного
проектирования
крепи
выработок. Расчет крепи стволов и выборе оптимальных
параметров с использованием системы автоматизированного
проектирования.
Расчет крепи по
аналогам, на
сейсмические
воздействия и на
устойчивость
Тема 1. Расчет крепи по аналогам. Объекты-аналоги. Условия
однозначности. Критерии геомеханического подобия. Расчет
параметров крепи по методу аналогов.
Тема 2. Расчет крепи при сейсмических воздействиях. Типы
волн при сейсмических воздействиях. Напряжения в массиве при
сейсмических воздействиях. Схема расчета напряжений в
массиве и крепи от сейсмических воздействий. Конструктивные
меры по снижению действия на крепь землетрясений и массовых
взрывов.
Тема
3. Расчет нагрузок на
обделки
тоннелей
метрополитенов по СП. Виды нагрузок и воздействий.
Постоянные и временные нагрузки. Расчет конструкций
подземных сооружений.
Тема 4. Расчеты крепи на устойчивость. Понятие об
устойчивости крепи. Особенности расчета крепи, стволов,
сооружаемых способом бурения. Устойчивость тонкостенных
труб. Расчет на устойчивость крепи стволов. Расчет напряжений
в массиве пород и крепи методом конечных элементов.
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами.
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
1
1.
2.
3.
Проектирование
строительства горных
предприятий и подземных
сооружений
Технология строительства
горных выработок
специальными способами
Шахтное и подземное
строительство
Номера разделов данной дисциплины,
необходимых для изучения последующих
дисциплин
2
3
4
5
6
7
8
9
+
+
+
+
-
+
-
-
-
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
6
6.
7.
8.
9.
Всего
час
4.
5.
Подгот.
к занят.
3.
РГР
2.
Материалы и классификация крепей
горных выработок.
Интервальные крепи горных выработок
Сплошные крепи горизонтальных горных
выработок.
Упрочняющие крепи.
Принципы расчета крепей
Крепь капитальных выработок и
подземных сооружений
Расчет крепи по заданным нагрузкам
Расчет крепи по схеме взаимодействия
крепи и пород
Расчет крепи по аналогам, на
сейсмические воздействия и на
устойчивость
Курс.
проект
1.
Наименование раздела дисциплины
Пракич.
занятия
№
п/
п
Лекции
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
4
-
-
-
-
4
8
1
-
-
-
9
6
-
-
-
-
6
10
6
0,5
0,5
2
-
-
10,5
8,5
8
0,2
-
8,2
9
0,4
-
-
-
9,4
7
0,9
-
-
-
7,9
10
0,5
-
-
-
10,5
6. Лабораторный практикум. Учебным планом не предусмотрено.
7. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
2, 5
2.
2, 5
3.
4.
5.
6.
4, 5
4, 5
6.
7.
7.
8.
9.
10.
11.
8
9
7
Тематика практических занятий
Проектирование рамной деревянной крепи с
промежуточной опорой
Проектирование металлической податливой крепи из
специального взаимозаменяемого профиля
Проектирование замковой анкерной крепи
Проектирование полноконтактной анкерной крепи
Расчет крепи стволов на СНиП
Расчет однослойной и многослойной крепи по схеме
заданных нагрузок
Расчет нагрузок на крепь по схеме взаимодействия
Расчет нагрузок на крепь и крепи с использованием САПР
Расчет крепи выработок на сейсмические воздействия
Расчет крепи стволов на устойчивость
Расчет крепи по методу Метрогипротранса
Трудоемкость,
час
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1
0,4
0,4
0,6
0,6
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ).
Паспорт крепления подготовительной горной выработки.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
ЛИТЕРАТУРА
а) основная
1. Геомеханика: Учеб. пособие / А.Г.Протосеня, О.В.Тимофеев. СПГГИ(ТУ) СПб,
2008, 117 с.
2. Геомеханика. Том 2. /Баклашов И.В., Картозия Б.А., Борисов В.Н. и др. М.: изд-во
МГГУ, 2004, 248 с.
7
3. Материалы и конструкции крепей горных выработок: Учеб. Пособие /
О.В.Тимофеев, Д.Н. Петров. СПГГИ(ТУ) СПб, 2009, 111 с.
4. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М., Недра, 1979. –
263с.
б) дополнительная
1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для ВУЗов. 2-е изд.
М.:Недра, 1994г., - 382с.
2. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных
пород. М.: Недра, 1992г. -224с.
3. Трушко В.Л., Протосеня А.Г. и др. Геомеханика массивов и динамика выработок
глубоких рудников. Л., Наука, 2000 г.
4. СНиП 11-94-80. Подземные горные выработки. М. Стройиздат., 1982 г.
3. Каретников В.И., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и
подготовительных горных выработок. Справочник. М., Недра, 1989. –571с.
в) программное обеспечение: Abaqus, AutoCAD, Word, Excel.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
http://www.miningexpo.ru – информационно-аналитический горнопромышленный
портал России
http://info.donntu.edu/ua - информационный портал Донецкого национального
технического университета
http://window. edu.ru – единое окно доступа к образовательным ресурсам
Norma CS – информационно-поисковая система по нормативным документам
СтройКонсультант – информационно-справочная система
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированная аудитория, оснащённая средствами мультимедиа,
компьютерный класс, программное обеспечение дисциплины. Нормативная литература,
презентация дисциплины, техническая документация по реальным проектам,
методические руководства по практическим занятиям и самостоятельной работе
студентов.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Чтение лекций сопровождается демонстрацией с помощью мультимедийных
средств рисунков, фотографий, схем, чертежей, часть из которых выполнена в
динамической постановке, а также соответствующими фрагментами видео.
Для повышения уровня усвоения лекционного материала и приобретения
практических навыков принятия технологических решений предусматривается
активная форма проведения практических занятий в виде индивидуальных расчетнографических заданий по основным аспектам учебной дисциплины с их последующей
защитой.
В часы самостоятельной работы студенты имеют возможность работать с
конспектом лекций и учебными пособиями, выполнять индивидуальные расчетнографические задания и курсовое проектирование в компьютерном классе.
Разработали:
проф. кафедры СГП и ПС
А.Г. Протосеня
доц. кафедры СГП и ПС
Д.Н. Петров
8