CC BY
35
УДК 622.2
А.Е. Майоров
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРОВ СЫПУЧИМ МАТЕРИАЛОМ
Интенсификация подземной добычи полезных ископаемых Кузбасса, увеличение глубины ведения горных работ актуализируют вопросы создания облегченных комбинированных систем крепления, адаптируемых к изменяющимся горногеологическим и горнотехническим условиям.
Концепция ресурсосбережения и максимального использования несущей способности при-контурного массива горных пород (И.В. Бакла-шов, Ю.В. Бурков, Ю.З. Заславский, Б.А. Карто-зия, Г.С. Франкевич, Е.И. Шемякин, В.А. Хямя-ляйнен и др.) продолжает развиваться автором на базе КемНЦ СО РАН и кафедры теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ. Разработана серия технологий инъекционного упрочнения нарушенного приконтурного массива горных пород цементными растворами в сочетании с известными и новыми анкерами, закрепляемыми в скважине сыпучим материалом (СМ) [1]. Упрочненная и армированная напряженными анкерами приконтурная зона представляет собой несущую конструкцию - интегрированную в массив систему крепления с возможностью ее усиления в процессе эксплуатации подземного сооружения. При этом скважины анкерного крепления используются как для нагнетания цементного раствора, так и в качестве дренажных фильтрационных сбросов «излишней» жидкой фазы, которая не участвует в процессе гидратации и необходима только для гидротранспорта частиц цемента по трещинам. Используемый для закрепления анкеров песок также представляет собой фильтрующую среду. Дисперсионная среда отфильтровывается из системы трещин через песок дренажных скважин под воздействием давления нагнетания и последующего механического сжатия (поджатия) анкерами расслоившейся и нарушенной структуры прикон-турной зоны. Возможно также применение эффекта вакуумирования. Анкеры в данных технологиях также выполняют функцию временной крепи, ограничивая развитие системы трещин под действием давления нагнетания цементного раствора. Таким образом, определяющим для развития и внедрения указанных технологий является исследование процесса закрепления анкера в скважине СМ, являющимся одновременно несущей и фильтрующей средой.
Обзор российских и зарубежных разработок, проведенный в течение нескольких лет при патентном поиске по рассматриваемому направлению исследований, показывает уникальность известных и созданных конструкций анкерной крепи (АК) закрепляемой СМ. Положительными особенностями анкерного крепления при использова-
нии в качестве СМ кварцевого песка являются: высокая надежность закрепления в широком диапазоне условий, высокая скорость закрепления в скважине, низкая стоимость, доступность, химическая инертность и стабильность свойств закрепляющего материала, термоустойчивость и устойчивость к динамическим нагрузкам замка анкера.
Особо необходимо отметить появление с начала 1980-х годов в ИГД СО РАН работ, связанных с изучением механизма взаимодействия сыпучих материалов со стенками скважин в процессе нагружения АК (Е.И. Шемякин, С.Б. Стажев-ский, А.Ф. Ревуженко и др.). Проведены исследования по отработке технологии заполнения скважин песком и совершенствованию конструкций анкеров. Среди множества вариантов, оптимальной по критериям производительности, качества заполнения, возможности дистанционного управления процессом оказалась технология заполнения скважин СМ при помощи сжатого воздуха. Аналогичная схема использована в аппаратах для заряжания скважин россыпным взрывчатым веществом или в пескоструйных аппаратах с водяным пылеподавлением. Работа АК, закрепляемой СМ (рекомендуется использовать кварцевый песок фракцией до 1 мм с величиной кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера около 1,5 мм), основывается на свойстве СМ сопротивляться сдвиговым деформациям за счет развивающихся при нагружении АК сил трения, сцепления и дилатансии. При использовании соотношения типа янсеновского в ИГД СО РАН была создана математическая модель, определяющая необходимую глубину заполнения скважины СМ [2]. В дальнейшем конструкции и технологии возведения анкеров с замками из сыпучих материалов прошли апробацию в Болгарии, Германии, Грузии. Метод расчета анкеров выполнен совместно со специалистами Инсбрукского университета.
Развитие данного направления происходило и в Кузбассе. На основании исследований, проведенных в Лаборатории горного давления ИУУ СО РАН [3, 4], коллективом авторов под руководством В.Е. Ануфриева разработана анкерная крепь АКМЗ для закрепления которой в шпуре также используется СМ - кварцевый песок. Исследованы нагрузочные характеристики АКМЗ, обоснованы допустимые параметры конструкции с позиции соблюдения условия равнопрочности и устойчивости. Это позволяет рассматривать АК не в качестве обособленно независимой конструкции, а в виде системы «анкерная крепь - сыпучий материал - шпур», что является необходимым условием для практической реализации техноло-
гии. В 1997 г. получены положительные результаты натурных испытаний при проведении полевого уклона шахты «Комсомолец» ОАО «Ленин-скуголь».
Данная статья дополняет ранее проведенные автором исследования процесса структурирования СМ при статическом нагружении в ограниченном жесткими стенками объеме щелевого пространства. Определено, что процесс структурирования твердых частиц СМ при механическом нагружении в ограниченном объеме реализуется в виде их стесненного сдвигово-ротационного взаимо-влияющего смещения, инициирующего возникновение взаимосогласованных слоевых иерархичных структур (слоев распора), эстафетная перекомпоновка которых выражается в виде прямых и обратных волн прилива плотности [5].
Для дальнейшего изучения поведения СМ при нагружении создан стенд (рис. 1) в виде искусственной прозрачной щели с раскрытием 6 мм, образованной двумя листами толстого стекла, которые зафиксированы поперечными скрепами 1. В щелевом пространстве по краям стекол неподвижно закреплены продольные направляющие 2, между которыми вставлена вкладка 3 из упругой листовой резины с нанесенной клеточной разметкой для контроля смещений и анализа действующих нагрузок. Между вкладкой 3 и крайней на-
правляющей 2 вложена подвижная плоская тяга 4, соединенная с корпусом стенда винтовой парой (на рисунке не показана), вращение которой создает усилие для ее продольного сдвига. Непосредственно щелевое рабочее пространство стенда для исследуемого СМ 5 образуется между вкладкой 3 и боковой поверхностью тяги 4. Г енератором продольного смещения для СМ 5 является торцевая стенка Г-образного выступа на конце тяги 4, выдвижение которой уменьшает объем щелевого пространства. Схема работы данного стенда аналогична работе АК, если рассматривать половину диаметрального осевого разреза конструкции в виде тонкого (2-3 диаметра частиц) слоя СМ в скважине.
В процессе опытов механическому одноосному сжатию подвергалась свободная (хаотичная) засыпка СМ с различной формой поверхности. Применение сыпучих зернистых материалов с низким коэффициентом трения и гладких материалов (стекло) для стенок трещины, практически исключающих силы сцепления с поверхностью, позволило увеличить величину смещений и более наглядно визуально проследить процесс структурирования. При этом использование частиц с более вытянутой формой позволяет оценить направления действующих нагрузок и их пространственное ориентирование.
Рис. 2. Этап нагружения СМ в щелевом пространстве с упругой стенкой
После хаотичной засыпки СМ в искусственную щель постепенное смещение торцевой стенки при равномерном нагружении генерирует волны структурных перекомпоновок определенного ме-зомасштабного уровня. Неустойчивые структуры в виде «мостообразований» легко разрушаются, смещаясь по схеме «сдвиг плюс поворот» со стремлением пространственного ориентирования максимального линейного размера каждой частицы перпендикулярно направлению действующего нагружения. В определенный момент нагружения на некотором расстоянии от торцевой стенки наблюдается формирование равновесной уплотненной структуры в виде пробки, удерживающей дальнейшее распространение волн перекомпоновки по длине щели. Наиболее наглядный этап нагружения на стенде с упругой стенкой представлен на рис. 2, где явно просматриваются упорядоченные структуры СМ.
В процессе нагружения СМ, в соответствии с классической теорией пограничного слоя Прандт-ля, движение устойчивых структур по длине щели, в зоне контакта с ее стенками, сопровождается активным развитием сил трения и сцепления. Соответственно происходит и диссипация энергии, возникают большие градиенты напряжений по нормали к потоку, формируя стационарный пристенный слой, на определенном удалении от которого происходит течение уплотненного ядра. В зонах локализации сдвиговых деформаций происходит сдвижение групп частиц по определенным кривым, форма которых вполне согласуется с известными основами теории механики сыпучих сред. Периодический характер формирования зон уплотнения, а соответственно и выход «отраженных» линий скольжения СМ к боковой поверхности сопровождается вдавливанием определенного объема частиц, формируя волновую линию деформации упругой вкладки.
Рассмотрим обобщенную модель работы базовой конструкции АК (рис. 3).
При этом СМ, обеспечивающий закрепление анкера в шпуре, рассматривается как сплошная среда, заполняющая пространство с определенной плотностью и обладающая определенными свойствами. Работу АК можно рассматривать как процесс перемещения конструкции анкера сквозь сплошную среду СМ с радиальным ограничением бокового давления. В то же время, несмотря на представленное допущение, проявляется реальная дискретная структура заполнителя, определяющая в частности явления структурирования составляющих частиц и изменения объема при нагружении (дилатансию).
В строительной механике, рассматривающей работу грунтов, к которым относится и рассматриваемый СМ (песок), наибольшее рас-
пространение получило условие прочности Мора
- Кулона теории предельного равновесия сыпучей среды, из которого следует, что разрушение по некоторой площадке с нормалью п происходит при условии
Рцт = \Тп\ - Оп - с, (1)
где Рцт - предельное усилие нагружения, МПа; тп
- касательное напряжение, МПа и оп - нормальное напряжение (МПа), действующие на площадке с нормалью п; с - сцепление, МПа.
Но поскольку при разрушении имеет место предельное состояние, Рцп, одновременно обращается в ноль. Таким образом, предполагается возможность смещения именно по той площадке, для которой выполняется условие (1), т.е. следует, что площадки сдвигов, по которым происходит разрушение, наклонены относительно действующих главных напряжений под углом
фсдв п/4 фвн.тУ2,
где фсдв - угол сдвига; фвн.тр - угол внутреннего трения СМ.
Для обоснования и объяснения физикомеханических процессов, происходящих в закрепляемой части АКМЗ при ее нагружении, возможно представить послойное распределение нагрузок и деформаций по длине столба СМ. В связи с тем, что в нагруженном СМ при сдвиге происходят взаимное смещение частиц и их перекомпоновка (прогрессируют с нарастанием деформации), в зоне сдвига (при последующем нарастании нагрузки преобразуется в зону среза) наблюдается изменение плотности упаковки и влажности среды. Естественно, что если бы рассматривались только две частицы, контактирующие между собой, то для их взаимного сдвижения необходимо было бы преодолеть силы истинного трения и сцепления, первая из которых характеризуется коэффициентом трения материала по материалу, причем обе не зависели бы от пористости СМ. Но при рассмотрении сыпучей среды важным фактором, влияющим на работу АК, является плотность начальной упаковки частиц, увеличение которой повышает жесткость и надежность закрепления анкера. Выявлено, что максимально высокая плотность упаковки частиц может обеспечиваться их высокой кинетической энергией при движении в потоке насыщенного влагой воздуха.
Из механики сыпучих сред известно, что высокая плотность упаковки (коэффициент плотности до 0,7) и влажность песка около 6 % увеличивают угол его внутреннего трения до 30° за счет увеличения площади контакта частиц и явления прилипания (при указанной влажности максимальна). Сила сцепления у влажного песка колеблется от 0,05 до 0,2 кг/см2. Варьирование указанных факторов напрямую влияет на повышение сопротивления сдвигу и величину бокового распора в СМ, что является особо значимым для надежности закрепления анкера.
При нагружении АК после закрепления ее в шпуре происходит уплотнение структуры СМ, развиваются силы трения и бокового распора, наблюдается образование поверхностей сдвига вдоль пристенной зоны за счет перераспределения и сдвижения частиц под углом сдвига фсдв. Используемая головка анкерной крепи с диаметром цилиндрической части Бг, создает сдвиг частиц под углом, равным углу заклинивания а ее конической части.
Силы сцепления и трения СМ со стенками скважины достаточно велики и удерживают граничный слой частиц в исходном до нагружения положении. При дальнейшем увеличении нагрузки на анкер часть граней частиц заполнителя разрушается, особенно контактирующая с образовавшимся пристенным слоем. По поверхностям сдвигов образуются п микрослоев малой толщины, передающих вертикальные нагрузки Рв на
стенки скважины, распределяя их по длине. При этом каждый из слоев накладывается на другой с взаимным влиянием. Причем на каждый последующий (i +1) слой действует нагрузка Рп(1 + 1) = Рв - Рп(1 - 1).
Таким образом, действующие на анкер нагрузки полностью компенсируются силами трения и сцепления СМ, постепенно затухают и далее не передаются. Линии сдвига вырождаются, меняя угол наклона к продольной оси анкера от величины фсдв = а до фсдв = 90°.
При установлении равновесия нагруженной системы «анкерная крепь - сыпучий материал -шпур» закрепляемую часть АК можно разделить на три зоны, тем самым принимая условие граничных зон перехода, отличающихся по характеру и интенсивности протекающих процессов.
Зона I. Характеризуется проскальзыванием цилиндрической части головки анкерной крепи по тонкому слою в кольцевом зазоре интенсивно сжатого и измельченного СМ. При этом, радиальные нагрузки, передаваемые СМ на стенки шпура, определяются из выражения
Рг1 = {/Ре, где Рг1 - радиальное напряжение на стенке шпура в I зоне, кг; /1 = 0,1 - коэффициент трения СМ по стали; { = 0,3 - коэффициент бокового распора; Рв - осевая нагрузка на АК, кг.
Длина головки анкера ЬТ выбирается с учетом прочности резьбы на срез в случае резьбового соединения и длиной цилиндрической части не менее одного диаметра шпура (Ош).
Зона II. Зона пластических деформаций, заклинивание СМ. Действующие нагрузки превышают предел прочности СМ на сжатие, образуется зона активно уплотненного ядра.
При предварительной и рабочей нагрузке песок под головкой анкера на интервале 3-5 диаметров скважины измельчается, наблюдаются значительные сдвиговые деформации.
Учитывая вышесказанное, рациональным по условию прочности СМ и механизму работы крепи является соотношение
а фвн.тр фсдв-
При соблюдении данного условия АК реализует нагружение среды СМ силами, направленными по нормали к поверхности возможного сдвига. При этом частицы не испытывают срезающие нагрузки.
Известное решение задачи Парандтля на плоскости, использующей условия прочности Мора - Кулона теории предельного равновесия сыпучей среды, позволяет определить величину Ьс -границу зоны пластических деформаций СМ под головкой анкера
в \П/4-Рвн.тр/2ЬРвн.тр
Ь =—ш-----------*--------------*-•,
с 2 sin\n/4 -т /2)
V > вн.тр /
где Рш - диаметр шпура, мм.
После нагружения АК до рабочей нагрузки, под ее головкой СМ приобретает свойства песчаника. Происходит частичная адгезия к стенкам шпура.
Максимальное радиальное нагружение во II зоне можно определить из соотношения
(п/4 -Фен.тр /2) ,
Р = Р
1 гП 1 аП
где РгП и Рцц - радиальное и осевое (вертикальное) напряжение на стенке шпура во II зоне (кг).
Зона III. Зона упругих деформаций, распространяющаяся на расстояние до 15Бш, далее которой радиальное давление на стенки шпура практически отсутствует.
Определение конечной границы зоны и минимальной (с запасом около 15 % при применении кварцевого песка) глубины заполнения скважины возможно с использованием известной эмпирической зависимости ИГД СО РАН [2]
F
1п
(Я%)2 - (Я/1)2 (
0,1Р0 +
ур
V
где ¥ - площадь кольцевого сечения, образованного грузонесущим стержнем и стенками шпура, см2; Я - периметр сечения скважины, см; Яі - периметр сечения грузонесущего стержня, см; / -коэффициент трения между сыпучим материалом и стенкой скважины; /1 - коэффициент трения между сыпучим материалом и грузонесущим стержнем; у - объемный вес сыпучего материала, г/см3; Ро - проектная несущая способность АК; ^
- коэффициент бокового распора.
Среднее установленное значение минимальной из условия равнопрочности длины втулки из кварцевого песка для АК равно около 70 см.
1. Разработанная конструкция АК позволяет сразу после монтажа довести максимальное нагружение до прочности грузонесущего стержня анкера (условие равнопрочности и устойчивости).
2. Установлено, что основное формирование устойчивых взаимовлияющих слоев распора, образующихся по поверхностям сдвига СМ и полностью нейтрализующих действующие нагрузки силами трения и сцепления, происходит в зонах пластических деформаций I и II. При этом уменьшение толщины слоев и рост их количества напрямую связаны с уменьшением податливости АК, зависят от геометрической формы головки анкера и величины действующих нагрузок. Зоны I и II в СМ формируются при периодическом уплотнении частиц в сочетании с областями пониженной плотности, разграниченными линиями скольжения, что проявляется в волновом характере распределения радиальных напряжений.
3. Установлено, что максимальное радиальное давление образуется в уплотненном ядре на уровне конической части и под головкой анкера на расстоянии по длине анкера до 1,5 Бш и составляет до 0,27 Рв. На расстоянии от 5 до 15 Бш происходит вырождение сдвиговых деформаций и затухание дилатансионных процессов, что надо учитывать при выборе места расположения фильтрующей части и глубины заложения анкера.
4. Представленный материал в дополнение к общепризнанным методикам позволяет просто и рационально проводить расчет и выбор параметров АК на стадии проектирования. В то же время, несмотря на применение различных обоснованных методик по расчету и выбору параметров конструкций АК, безопасность работ может быть обеспечена только при систематическом контроле текущего состояния крепи и приконтурного массива горных выработок.
X
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Майоров, А.Е. Консолидирующее крепление горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен; науч. ред. В.А. Хямяляйнен; Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 264 с.
2. А.с. 1046531, МКИ Е 21 Б 21/00. Способ сооружения анкерной крепи / С.Б. Стажевский, Е.И. Шемякин, Н.Д. Юрьев, В.А. Коваленко, П.Т. Гайдин, В.Н. Власов (РФ); - № 3407760/22-03; заявл. 11.03. 1982; опубл. 07.10. 1983, Бюл. № 37. - 5 с. : ил.
3. Майоров, А.Е. Обоснование параметров анкерной крепи, закрепляемой сыпучим минеральным заполнителем: Дис. ... канд. техн. наук: 05.15.02; Ин-т угля и углехимии СО РАН, - Кемерово, 1998. - 179 с.
4. Ремезов, А.В. Анкерное крепление на шахтах Кузбасса и дальнейшее его развитие: учебное пособие / А.В. Ремезов, В.Г. Харитонов, В.П. Мазикин [и др.]. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. - 471 с.
5. Майоров, А.Е. Исследование процессов деформирования и фильтрационных свойств твердых частиц суспензии и сыпучего материала при упрочнении горных пород цементацией и предварительно напряженными анкерами // ФТПРПИ. - 2010. - № 2. - С. 82-90.
□ Автор статьи:
Майоров Александр Евгеньевич
- канд.техн.наук, зав. лабораторией проблем энергосбережения КемНЦ СО РАН E-mail: majorov-ae@mail.ru Тел. 905-906-3141
