CC BY
59
© Р.Н Терещук, А.В. Наумович, 2009
УДК 622.281.76
Р.Н. Терещук, А.В. Наумович
МОДЕЛИРОВАНИЕ АНКЕРА, КАК УПРОЧНЯЮЩЕГО СТРУКТУРНОГО ЭЛЕМЕНТА ПОРОДНОГО МАССИВА
Семинар № 3
Ж^нтенсификация очистных работ, увеличение площади сечения выработок, постоянный рост глубины разработки привели к существенному ухудшению условий строительства и эксплуатации горных выработок. Большим резервом повышения эффективности работы шахт является совершенствование способов крепления и поддержания подготовительных выработок, создание и широкое внедрение надежных и экономичных видов крепи.
Направление на увеличение несущей способности традиционных видов крепи для обеспечения эксплуатационного состояния выработок себя не оправдало. Перспективное направление в улучшении состояния выработок, как показывает опыт последних лет, связано с укреплением породного массива в окрестности выработки и использование его несущей способности как элемента крепи. Такой принцип работы имеет анкерная крепь. В этой связи, исследование закономерностей взаимодействия системы “анкер'-породный массив” и разработка методики для обоснования параметров анкерной крепи являются актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике известно более 600 различных конструкций анкеров.
В зависимости от структурного строения пород кровли и формы попе-
речного сечения выработки различают пять основных условий применения анкерной крепи:
1. Слабоустойчивые слоистые породы непосредственной или ложной кровли подвешиваются анкерами к основной кровле.
2. Различные породные слои, скрепляясь анкерами, образуют составную балку, предохраняющую кровлю от обрушения (“сшивка” пород).
3. Около каждого анкера куски трещиноватой породы прижимаются друг к другу, образуя прочный блок. По периметру выработки составляется кольцо из таких блоков.
4. В трещиноватой однородной горной породе большой мощности анкерная крепь предохраняет выработку от вывалов отдельных кусков.
5. При проведении выработок по сильно трещиноватому мелкослоистому массиву анкерная крепь предохраняет выработку от коржения и высыпания горных пород.
К настоящему времени в отечественной и зарубежной технической литературе опубликовано большое число работ [1, 2 и др.], посвященных определению основных параметров анкерной крепи. Однако все эти исследования не привели к созданию общепризнанной теории анкерной крепи и разработке адекватного расчета ее основных параметров.
Во многих случаях авторы методов расчета анкерной крепи при выборе расчетной схемы прибегают к различным допущениям, что неизбежно ведет к схематизации сложного явления взаимодействия анкерной крепи с массивом горных пород. Большинство существующих расчетных методов анкерной крепи исходит из предположений, объясняющих работу анкерной крепи подвешиванием слабых пород к более прочным породам или из предположения о формировании над выработкой “породного свода”. Отдельная группа методов рассматривает работу анкеров в упруго-пластической среде (Топалкаро-ев А.Т., Руппенейт К.В., Широков А.П., Сажин В.С.).
Последняя группа наиболее правильно объясняет процесс взаимодействия крепи с массивом горных пород. Согласно этим гипотезам, вокруг выработки образуется область неупругих деформаций, развитие которой происходит в условиях совместной работы породы и крепи. Анкерная крепь рассматривается как средство повышения категории устойчивости приконтурных пород. Она оказывается эффективным средством управления состоянием при-контурной зоны не только при заложении выработок в устойчивых породах, но и в породах более низких категорий устойчивости, в которых размер зоны разрушения превышает длину анкера.
Целью работы является разработка математической модели анкера в геоме-ханической системе «анкер-породный массив».
Материалы и результаты исследований. Процедура решения, граничные условия и критерий разрушения пород для поставленной задачи описаны в работе [3]. Процедура решения реализована методом конечных элементов в виде последовательности итераций. Модели-
ровалась выработка (без крепи и с анкерной крепью) арочной формы, пройденной в неоднородном породном массиве. Линейные размеры выработки: ширина - 5 м, высота - 3,5 м, помещена в центр массива с размерами 100x100 м.
Породный массив имел следующие физико-механические параметры: мо-
дуль упругости Е, коэффициент Пуассона ц, предел прочности на сжатие Яс, предел прочности на растяжение Яр, объемный вес у. Материал стержня анкера задавался модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона у.
Наличие анкера в породной среде моделировалось таким образом. Сначала решалась упругопластическая задача для выработки арочной формы без крепи. Для этого случая вокруг выработки устанавливались радиальные перемещения иа в узлах элементов. Далее радиальные перемещения на расстоянии, которое равняется длине анкера, принималось постоянным (в узлах элементов породного массива, совпадающими с узлами элементов анкера, устанавливался запрет на перемещение больше чем иа как по вертикали, так и по горизонтали) по всей его длине до контура выработки, то есть до точки установки анкера, поскольку граница возможных деформаций анкера не должна превышать 2 %.
В ходе расчетов принималось, что выработка расположена на глубине 800 м, соответствующей горному давлению (принятому гидростатическим), примерно, 208 кгс/см . Результаты расчетов представлены на рис. 1-3. На рис. 1 зоны разрушения, прилегающие к выработке, показаны более темным цветом. На рис. 2 показаны максимальные результирующие перемещения для выработок без крепи и закрепленной анкерной крепью. На рис. 3 показано распределение относительных деформаций вокруг выработки незакрепленной и при установке анкеров.
Рис. 1. Прилегающая к выработке зона разрыхления (а) без крепи и (б) при установке 7 анкеров длиной 2,5 м
б)
II Г
_ В. 59980
4.33980
9990
1 вр_РЇЄ8 11 .781919
*
1® .307® - 8 .83490 -7.3624® _ 5 .8699® 4 .4175® 2.9450®
3
ІЙВІВІ нініііііі. нвані
Рис. 2. Картина распределения полных перемещений (а) для задачи без подкрепляющих элементов и (б) для задачи с анкерной крепью
С целью проверки результатов численного моделирования были выполнены шахтные исследования в наклонной выработке, закрепленной сталеполимерными анкерами, которая проводилась по пласту 13, в условиях шахты «Алмазная».
Выводы
Результаты аналитических и натурных исследований показали удовлетворительную (до 85 %) сходимость, что
доказывает корректность и адекватность разработанных математических моделей как анкера, так и заанкерованного породного массива. В дальнейших исследованиях будет проверена возможность использования математической модели анкера, как упрочняющего структурного элемента породного массива, в различных горно-геологических условиях для обоснования параметров анкерной крепи.
1. Булат А.Ф., Виноградов В.В. Опорноанкерное крепление горных выработок угольных шахт. - Днепропетровск.: Ин-т геотехнической механики НАН Украины, 2002. - 372 с.
2. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. - М.: Недра, 1981. - 381 с.
3. Терещук Р.Н. Обоснование параметров анкерной крепи капитальных наклонных выработок в условиях шахт ГХК “Доброполье-уголь”: Дисс....канд. техн. наук: 05.15.04. -Днепропетровск, 2002. - 162 с. ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Терещук Р.Н., Наумович А.В. - Национальный горный университет, г. Днепропетровск.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник
