CC BY
177
УДК 622.281.74/.76:622.289
H.H. Касьян, д-р техн. наук, зав. каф., rpm@mine.dgtu.donetsk.ua (Украина, Донецк, ДонНТУ),
Ю.А. Петренко, д-р техн. наук, проф., rpm@mine.dgtu.donetsk.ua (Украина, Донецк, ДонНТУ),
А.О. Новиков, канд. техн. наук, доц., alexfelinov@yandex.ru (Украина, Донецк, ДонНТУ)
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНЫХ ПОРОДОАРМИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Изложена методика расчета параметров анкерных породоармирующих систем для крепления горных выработок
Ключевые слова: методика, расчет, параметры, анкерные системы, крепление выработок.
В условиях ежегодного повышения мировых цен на нефть и газ, запасы которых ограничены, уголь является главным энергоносителем в Украине, гарантом ее экономической независимости. От стабильности работы угольной промышленности во многом зависит работа базовых отраслей экономики - электроэнергетики и металлургии. Эффективность деятельности угольных шахт в первую очередь определяется себестоимостью угля, в которой до 45 % составляют затраты на поддержание горных выработок. Одним из перспективных направлений снижения этих затрат является внедрение новых технологий с использованием анкерного крепления. Это позволяет в 5.. 10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона, леса; в
3.. .5 раз повысить производительность работ при креплении выработок; в
2...3 раза повысить темпы проходки; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание выработок в рабочем состоянии в период их эксплуатации.
Для широкого внедрения анкерной крепи на шахтах Украины, по приказу министра угольной промышленности в 1997 году была создана программа «Анкер». Головной организацией по реализации программы назначен ИГТМ НАН Украины, на базе, которого создан «Центр анкерного крепления». Специалисты центра, на базе британского стандарта BS 7861 "Strata reinforcement support system components used in coal mines", отражающего параметры австралийской системы "Design by Measurement", разработали общие технические требования для системы обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. ГП "ДонУГИ" создал конструкторскую документация на изготовление отечественных компонентов материально-технических средств системы, промышленное производство которых осуществляется на ЗАО "Карбо и Крепь", ООО "Донбасскрепь", ЗАО "Донецко-Кураховский ма-
шиностроительный завод" и в АО "Буран". Несмотря на это, объем крепления выработок на шахтах Украины с использованием анкерных крепей в настоящее время составляет менее 1,0 %. Основными причинами, препятствующими широкому внедрению анкерной крепи на шахтах, являются недостаточное понимание ее роли в процессе поддержания выработки, а также отсутствие научно обоснованных норм их проектирования.
Большой вклад в развитие представлений о взаимодействии анкерной крепи с вмещающим массивом, в разработку конструкций и технологий возведения крепи внесли ученые и специалисты ВНИМИ, КУЗНИИ, ВНИИОМШС, ИГТМ, ДонУГИ и зарубежных научно-исследовательских центров в Австралии, Великобритании, Германии и США. Существующие в настоящее время представления о механизме взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом базируются в основном на теоре-тических исследованиях отечественных и зарубежных ученых, выполненных 30-50 лет назад. Это работы А.П.Широкова, В.Т.Глушко, А.А.Борисова, Н.И.Мельникова, Л.М. Ерофеева, А.Н.Зорина, Б.К.Чукуна, A.B. Ремезова, И.А.Юрченко, А.Н.Шашенко, В.В.Виноградова, А.Югона, А.Коста и др. В них, анкера рассматриваются как самостоятельные, независимые несущие элементы, расчет которых ведется на заданную нагрузку. Влияние анкеров на свойства массива горных пород ориентировочно оценивают, вводя коэффициент упрочнения. Все это не только не позволяет установить роль крепи в процессе поддержания выработки и с ее учетом разработать научно обоснованный метод расчета параметров кре-пления, но и в полной мере раскрыть природу и суть укрепляющего эф -фекта от его применения. До настоящего времени четко не установлена область применения крепи, как самостоятельной конструкции, а также в сочетании с усиливающими конструкциями крепи.
Выполненный анализ опыта поддержания горных выработок анкерной крепью показывает, что роль анкеров лишь отчасти сводится к удержанию пород от обрушения, а в основном они изменяют величину параметров, характеризующих структурно-механические свойства массива, что препятствует его разрушению, т.е. формированию вокруг выработки зоны разрушенных пород. В таком случае применяемое в настоящее время радиальное расположение анкеров является самым нерациональным и не позволяет в полной мере использовать несущую способность породного массива, т.к. область влияния анкеров на массив минимальная. Решить эту проблему возможно за счет создания анкерных породоармирующих систем (АПАС) с пространственным расположением анкеров, позволяющих при минимальном их количестве максимально влиять на напряженно-деформированное состояние породного массива.
Задачей данных исследований было разработать принципиально новую методику расчета параметров конструкций крепи на основе исполь-
зования анкерных породоармирующих систем для крепления горных выработок.
В основу разработанной методики расчета параметров АПАС положена новая концепция механизма взаимодействия анкерного крепления с вмещающим выработку массивом, согласно которой анкеры, в зависимости от схемы и параметров их установки, влияют на структурно механические характеристики пород, препятствуют их разрушению и формируют вокруг выработки грузонесущую армопородную оболочку [1, 2]. Оболочка воспринимает нагрузку со стороны пород, которые разрушаются за ее пределами, допуская значительные деформации (до 20 % от глубины анке-рования), и при этом сохраняет высокую остаточную прочность (до 80 % от начальной прочности) и несущую способность [3, 4].
Определение параметров АПАС осуществляют на основании горногеологических и горно-технологических условий проведения выработки, с учетом требований действующих нормативных документов, в соответствии с алгоритмом расчета (рис.1). Порядок расчета следующий.
1. Рассчитывают средневзвешенную прочность пород, вмещающих выработку согласно [5,6].
2. Рассчитывают ожидаемые смещения пород в не закрепленной выработке согласно [5, 6].
3. На основании горно-геологических и горно-технологических условий проведения выработки предварительно выполняют выбор схемы АПАС (рис.2).
4. На основании горно-геологических условий проведения выработки предварительно выполняют выбор глубины анкерования, которая должна быть не менее половины ширины выработки.
5. Рассчитывают предельные смещения контура выработки при использовании избранной схемы АПАС с учетом предварительно принятой глубины анкерования:
ипр = -0,00047- <5СЖ • £а + 0,0001- Н • £а, АПАС-1;
Ппр = -0,0013-асж, • £ а + 0,000052- Н • £ а, АПАС-2; ипр = -0,0021- осж • £а + 0,000072- Н • £а, АПАС-3; ипр = -0,0035- осж • £а + 0,000032 Н • ^, АПАС-4; ипр = -0,0011- <зсж • £а + 0,00011- Н • £а, АПАС-5, где асж - прочность на сжатие анкеруемой породы в образце, МПа; £ а -глубина анкерования, м; Н - глубина заложения выработки, м.
6. С использованием монограммы [6, рис.5], на основании определенных смещений со стороны кровли в незакрепленной выработке ик И
и пр принимают нормативную нагрузку на АПАС рн, ив соответствии с
[6] определяют ожидаемую нагрузку на АПАС Р.
7. Предварительно задавшись количеством анкеров для закрепления выработки паш, определяют загрузку на анкер qа таким образом, чтобы да < 150 кПа:
qa = рпапк , С1)
где панк - ориентировочное количество анкеров на 1 п.м. выработки; Р -
ожидаемая загрузка на АПАС, кПа.
8. Выполняют расчет ожидаемых смещений контура выработки при применении АПАС (Vф) при расчетном нагружении (qа) на анкер [4] по
формулам:
- Для АПАС-1
иФ = -0,053 • Ь + 0,0052 • qa - 0,009 • іa, м;
- Для АПАС-2
иФ = -0,044 • Ь + 0,0043 • qa- -0,0075 • £ a. , м;
- Для АПАС-3
иФ = -0,033 • Ь + 0,0029 • qa- -0,0055 • £ a. , м;
- Для АПАС-4
иФ = -0,029 • Ь + 0,0028 ■ qa - 0,005 • £a, м;
- Для АПАС-5
иФ = -0,027 • Ь + 0,0026 • qa- -0,0045 • £ a , м,
где Ь - ширина выработки по кровле, м.
9. Выполняют сравнение ожидаемых смещений контура выработки при применении АПАС и ожидаемых смещений пород в кровле раскрепленной выработки Цк, корректируют или окончательно принимают количество анкеров.
10. Определяют возможность поддержания выработки только с использованием АПАС. В случае, если Цф < Цр, то окончательно определяют параметры анкерной системы.
Схема установки анкеров в боку выработки, их количество и длина определяются с учетом принятых параметров крепления кровли выработки и технологии ведения горных работ.
11. В случае невозможности поддержания выработки только с использованием АПАС (Цф^Цпр), рассчитывают остаточные смещения, которые должна выдержать усиливающая крепь в составе комбинированной крепи (АПАС + рамная крепь (РК), или АПАС + РК + крепь усиления):
иост = ик - иф. (2)
Рис. 1. Алгоритмрасчета параметров анкерного крепления
В этом случае возможна замена схемы АПАС на более простую и бо -лее технологичную.
12. Рассчитывают относительную деформацию АПАС в направлении смещений контура выработки (иф/£ а ).
В случае, когда иф/£а > 0,2, АПАС исчерпала свою несущую способность.
В случае, когда иф/£а < 0,2, определяют остаточную прочность АПАС Оост по формуле
Для АПАС-1
^ ост = 0,225 ^ сж • [1 + 0,3 • (и - ■1)].
Для АПАС-2
^ ост ~ = 0,290 • ^ сж [1+ 0,26 • (и - и],
Для АПАС-3
^ост ~ = 0,300 • ^ сж [1+ 0,27 • (и -1)],
Для АПАС-4
^ост = 0,315 • ^ сж [1+ 0,28 • (и -1)],
Для АПАС-5
® ост = 0,325 ® сж • [1 + 0,3-(и - -1)],
где п - плотность анкерования, анк./м2.
13. Рассчитывают остаточную несущую способность АПАС дф по
формуле
= а
г - Л
ост 0,162 - 0,041 • -
V ^ а У
кПа (3)
14. С использованием номограммы [6, рис.5], на основании определенных ик и иф принимают нормативную загрузку на комбинированную
крепь в составе: ПАС+РК+усиливающая крепь - (рк1), ив соответствии с [6] определяют ожидаемую загрузку на АПАС+РК+усиливающая крепь (Р1).
Рассчитывают и проверяют окончательную загрузку на рамную и усиливающую крепь при реализации иост :
Л = Р(иост )_ Чф = Ррам + Руст . (4)
15. Выполняют расчет параметров рамной крепи и параметров дополнительных мероприятий по обеспечению устойчивости выработки на разных стадиях ее поддержания (несущую способность и параметры крепи усиления, или анкеров глубокого заложения).
16. На основании выполненных расчетов и типовых паспортов, которые приведены в приложениях этого документа, складывается паспорт поддержания выработки, который утверждается в установленном [7, 8] порядке.
Описанная выше методика расчета положена в основу разработанного на кафедре «Разработка месторождений полезных ископаемых» ГВУЗ «ДонНТУ» проекта нормативного документа «Методика определения параметров анкерных породоармирующих систем для обеспечения устойчивости горных выработок», который определяет параметры и область применения анкерных породоармирующих систем, как самостоятельной конструкции крепления, так и в составе комбинированного крепления для поддержания вскрывающих, подготавливающих и выемочных выработок в различных горно-геологических и горно-технических условиях шахт Украины.
Рис. 2. Схемы пространственного анкерования кровли выработок
Внедрение анкерных породо-армирующих систем, параметры которых рассчитаны по данной методике, в подготовительных выработках шахты «Добропольская», на участках протяженностью более 10 км, позволили получить экономический эффект более 4,0 млн грн.
Список литературы
1. Исследование влияния схем анкерования горных пород на структурно-механические свойства вмещающего массива / А.О. Новиков [и др.] // Геотехнологии и управление производством XXI века: монография в 2 т. Т. 1. ДонНТУ-ДУНПГО, 2006. С. 4-10.
2. Новиков А.О., Сахно И.Г. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку закрепленную анкерной крепью // Изв. Донецкого горного института. Донецк, 2007. №1. С. 120-129.
3. Новиков А.О., Касьян Н.Н., Петренко Ю.А. Исследование механизма взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом для обоснования методики расчета ее параметров // Изв. ТулГУ. Сер. Естественные науки. 2009. Вып. 4. С. 104-109.
4. Новиков А. О. Теоретические основы оценки напряженно-деформированного состояния армированного анкерами массива горных пород вокруг выработки // Науковий вісник Національного гірничого університету // Національний гірничий університет Дніпропетровськ, НГУ, 2009. №9. С.31-39.
5. СОУ 10.1.00185790.011: 2006 Подготовительные выработки на пологих пластах. Выбор крепления, способов и средств охраны.
6. КД 12.01.01.201-98 Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Методические указания.
7. СОУ 10.1-00185790-002-2005 Правила технічної експлуатації вугільних шахт
8. ДНАОП 1.1.30-1.01 Правила безпеки у вугільних шахтах.
N. Kasyan, Yu. Petrenko, A. Novikov
Parameters design method for anchor rock-forming systems using for mining support
The parameters design method for anchor rock-forming systems using for mining support is proposed.
Key words: method, calculation, parameters, bolting systems, lining.
Получено 22.09.10
