CC BY
54
бвв Z
—/’S* Л. /// •7
- V / У' V /У \ Xх А / *4 \ v. Сг
Zi Zo
Ш. •/ Ч ' —'\ч- "А ^
/ 'V // л
0 — \ а
Ж 7Г 2Ґ 1 2 М 1 -її -У/ М 2 *
Рис. 2. Характерные эпюры распределения компоненты авв по поверхностям двухслойной крепи ^(вМь £(0)=£; ^1(в) = ^1(1-0,4Б1пв); ¿2(в)=^2(0,6+0,4з1пв); ^1(в)=^1(0,5+0,5Б1пв); ¿2(в)=£(1- 0,5втв)
чением замка свода) на наружной и внутренней поверхностях слоев несколько смещены друг относительно друга.
Так же как и для однослойной крепи эпюры компоненты Gee существенным образом зависят от функции распределения толщины слоев по контуру крепи.
Уменьшение толщины слоя приводит к росту компоненты Gee в этой области и наоборот. В то же время совместность деформирования слоев в определенной степени сглаживает влияние неравномерности их толщины, перераспределяя нагрузку с одного слоя на другой и из области с меньшей толщиной в область с большей толщиной слоя. Максимумы Gee , по наибольшему из которых производится прочностной расчет крепи, также зависят от изменения толщины слоев по контуру крепи, в связи с чем для повышения надежности расчетов необходимо учитывать эти изменения.
-------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Расчеты параметров тампонажа закрепного пространства горных выработок: Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Бугаев И.В., Симанович Г.А. - Днепропетровск: ГНПП «Системные технологии», 1998г. - 180 с.
2. Феретер Э, Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа. - М.: Финансы и статистика, 1983. -302 с.
3. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. - М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------
Бондаренко В.И., Ковалевская И.А. - Национальная
горная академия Украины.
© Р.Н. Терешук, А.В. Солоаянкин, 2003
УАК 622.281.74
Р.Н. Терешук, А.В. Солоаянкин
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ АЛЯ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Развитие угледобывающей отрасли требует постоянного внимания к ряду проблем, в том числе касающихся подземного комплекса работ. Повсеместное применение рамных податливых крепей из СВП (объемы этого вида крепи на шахтах Донбасса составляют 91,5%) не по-
зволяет обеспечить безремонтного поддержания выработок, а традиционное управление их состоянием за счет изменения плотности установки рам, повышения податливости, применения тяжелых профилей лишь привело к росту материальных и трудовых затрат. При этом несущая спо-
собность горных пород, величина которой существенна даже за пределом прочности, почти не используется. Поэтому решение проблемы обеспечения надежности протяженных выработок и разработки ресурсосберегающих способов, основанных на более полном использовании несущей способности массива, является актуальной проблемой, имеющей важное практическое значение.
Одним из перспективных средств крепления, позволяющим эффективно управлять несущей способностью пород, является анкерная крепь.
Анкерное крепление в широких масштабах используется на
угледобывающих предприятиях многих стран мира и объемы его применения ежегодно увеличиваются. Достоинством анкерной крепи являются повышение безопасности ведения горных работ, существенное снижение расхода крепежных материалов, уменьшение сечения выработок, значительное упрощение процесса крепления. Одними из главных достоинств анкерного крепления следует считать активное влияние на состояние приконтурного массива пород вокруг выработки, повышение его устойчивости, а также возможность полной механизации и автоматизации процесса крепления.
Ограниченное применение анкерной крепи на угольных шахтах Украины (всего лишь около 1%) объясняется недоверием работников шахт к этому виду крепи из-за непредсказуемости режима ее работы, отсутствием опыта эксплуатации и контроля за состоянием крепи, недостаточной информацией о новейших достижениях в области конструкций анкеров и технологии их установки и рядом других причин.
На основании изученного опыта зарубежных шахт и экспериментальных работ по внедрению анкерной крепи на шахтах Украины представляется возможным увеличение объемов ее применения. Однако, необходим ряд теоретических и экспериментальных работ по исследованию горногеологических условий, изучению закономерностей изменения НДС вокруг горных выработок, влиянию трещиноватости пород на прочностные и деформационные свойства массива вблизи выработки и других задач, связанных с поэтапным внедрением анкерной крепи.
Механизм работы анкерной крепи состоит в предупреждении развития деформаций пород при-контурной зоны выработки путем увеличения сил сцепления на меж-слоевых контактах пород и блокированием (ограничением) сдвиговых деформаций массива. Анкерная крепь должна быть рассчитана так, чтобы она могла воспринять вес отслоившейся породы в пределах неупругой области или в пределах зоны повышенной трещино-
ватости; либо с условием, при котором существует возможность предотвратить разупрочнение и разрыхление приконтурных пород, или нарушенные породы прикон-турной зоны будут сохранять максимально возможную остаточную несущую способность. Обоснование параметров анкерной крепи сводится к определению величины нагрузки на крепь, несущей способности крепи, величины начального натяжения, длины и плотности установки анкеров.
В настоящее время известно много гипотез о схеме работы за-анкерованного массива вокруг выработки, которые можно разделить на несколько основных групп.
К первой группе относятся гипотезы, согласно которым неустойчивые породы кровли подвешиваются при помощи анкеров к устойчивым вышележащим породам. В этой схеме подразумевается, что анкерная крепь оказывает только силовое противодействие обрушающимся породам. Такова основа предложений П. Бакки, Б. Чукана, А. Широкова, И. Юрченко, Р. Корсунского, В. Подгорского и др. Расчетные схемы, основанные на гипотезах этой группы применимы и хорошо работают в условиях «малых» глубин при затухающем характере деформирования пород вокруг выработки, когда зона разрушения представляет собой свод естественного равновесия небольших размеров и подобные случаи. Высота зоны неустойчивых, склонных к обрушению пород, а следовательно, и длина анкеров определяются различным образом, в зависимости от высоты свода естественного равновесия, размеров возможных отслоений и вывалов, мощности неустойчивого при-контурного слоя, радиуса зоны необратимых деформаций. Расстояние между анкерами, как правило, определяется из условия равенства несущей способности замка анкера (прочности штанги) весу горных пород неустойчивой прикон-турной зоны, приходящейся на один анкер.
Согласно гипотезам второй группы, взаимодействие анкерной крепи с породами кровли приводит к образованию составной балки, трехшарнирной арки, свода и других грузонесущих конструкций.
Такова основа предложений Г. Сена, Э. Томаса, Х. Мидендорфа, О. Якоби, А. Борисова, Б. Чукана, А. Югона, А. Коста и др. При этом параметры анкерного крепления определяются в зависимости от вида сформированной грузонесу-щей конструкции.
В условиях больших глубин достоверность расчетных параметров на основе этих гипотез снижается. Кроме того, в рамках таких схем не представляется возможным определить параметры анкерной крепи как средства для управления состоянием горных пород приконтурной зоны.
К третьей группе относятся гипотезы, согласно которым анкерная крепь рассматривается как средство повышения категории устойчивости приконтурных пород. Согласно работе [1] анкерная крепь оказывается эффективным средством управления состоянием приконтурной зоны не только при заложении выработок в породах I и II категорий устойчивости, но и, в породах более низких категорий устойчивости, в которых размер зоны разрушения превышает длину анкера.
Известно, что в сложных условиях, определяемых понятием «больших глубин» в приконтурной области выработки образуется обширная зона неупругих деформаций (ЗНД). Многочисленные исследования за смещением глубинных реперов подтверждают образование зоны разрушенных пород вокруг выработок по всему периметру их сечений. Глубина распространения этой зоны от контура выработки колеблется в пределах от 1 до 12 м, а максимальные размеры ЗНД по данным наблюдений колеблются от 10 до 13 м и соответствуют условиям, относимым по показателю устойчивости породных обнажений Ку= уН/асж к неустойчивым и весьма неустойчивым (Ку > 0,3). Условная граница ЗНД связана с максимумом действующих напряжений, разделяющих зону массива в ненарушенном состоянии (рис., область О) от области, где они претерпевают неупругие деформации и дальнейшее разрушение.
Приконтурный массив до границы ЗНД имеет различную степень на-рушенности и условно может быть
разделен на зону С - неупругих деформаций, В - зона разрушения, А - зона разрыхления. В отличии от расчетных схем первой группы, границы указанных зон условны, прочность пород изменяется функционально от минимальной (осжост) на контуре выработки до максимальной на границе ЗНД, что затрудняет однозначное определение параметров анкерной крепи.
Сложность исследований в натурных условиях состояния при-контурного массива и детального изучения процессов, происходящих в нем при нарушении равновесия, вынуждает использовать для решения этих задач методы моделирования как математического, так и лабораторного. Наиболее освоенным и распространенным из них является метод исследования на моделях из эквивалентных материалов [2].
С целью изучения характера деформирования приконтурного массива пород и определения параметров анкерного крепления была проведена серия лабораторных испытаний на специальном плоском стенде кафедры строительных геотехнологий и конструкций Национальной горной академии Украины.
Для обеспечения представительности данных, их достоверности и максимального приближения к контурным условиям необходимым и достаточным признаком экспериментов являлось соблюдение следующих факторов:
• воспроизводимость горно-технических условий, прочностных характеристик вмещающих пород, формы выработок;
• критерии геометрического, силового и физического подобия (масштаб моделирования 1:50);
• граничные условия у краев модели с исключением их влияния на изучаемые объекты -выработки (соблюдение принципа Сен-Венана);
• физико-механические
характеристики материалов по воспроизводимому массиву пород (принята песчано-парафино-
графитовая смесь);
• крепь выработки, ее силовые и кинематические характеристики (в качестве анкеров использовались куски проволоки
длиной до 50 мм, диаметром 0,5 мм, опорная плита 4х4 мм, соответствующим размерам в натуре
2,5 м, 25 мм, 200х200 мм);
С соблюдением указанных условий были промоделированы условия работы анкерной крепи в выработке арочной формы сечения, расположенной в однородных породах, представленных углевмещающими породами типа аргиллита и алевролита.
Режим отработки моделей был следующим. Камеру плоской модели закатывали разогретым эквивалентным материалом. После его остывания, переднюю стенку, представляющую прозрачное оргстекло, снимали, наносили мерную сетку и производили «проходку» выработки. В выработке устанавливали анкерную крепь. Затем камеру закрывали оргстеклом и с помощью рычажных домкратов загружали моделируемый массив. Нагрузку, являющуюся показателем уровня напряжений в моделируемом материале, задавали с интервалом в 1 кг. Возникающие при этом деформации мерной сетки регистрировали на каждом этапе нагружения с помощью фотоаппарата, установленного в фиксированном положении на время проведения эксперимента. Качественную картину поведения массива строили на основании изучения измерения определенных квадратов мерной сетки на фотоснимке.
Анализ результатов моделирования позволил сделать следующие выводы.
1. Достаточная плотность анке-рования находится в пределах 0,83-1,0 на 1 м2, дальнейшее увеличение количества анкеров существенно не влияет на процессы, происходящие в массиве, а лишь увеличивает расход металла и время на возведение крепи. Объяснить это можно так. Анкер, установленный в породном массиве за счет увеличения сил сцепления на контактах породных отдельностей и препятствию сдвиговым смещениям пород образует зону повышенной прочности. При небольшой плотности установки, образованные вокруг анкера зоны не перекрываются между собой и поэтому не могут существенно повысить устойчивость выработки и препятствовать смещениям ее кон-
тура. При определенной плотности анкерования эти зоны перекрываются и вокруг выработки образуется сплошная зона (арка или кольцо) из упрочненных пород (рис., зона Е). При дальнейшем увеличении плотности анкерова-ния эффективность будет все менее значительной, что и получено в результате моделирования. Исследования, проведенные в условиях глубоких шахт Донбасса, позволяют рекомендовать число анкеров на 1 м2 обнажения кровли в пределах 0,7-1,25 шт/м2 [3].
Создание сплошной упрочненной зоны с помощью системы анкеров не всегда является необходимым условием повышением устойчивости выработки. В отдельных случаях хороший эффект дает локальное укрепление приконтур-ных пород ограниченным количеством анкеров, работающих совместно с рамной крепью [4]. При этом используется эффект снижения смещений приконтурных пород за счет увеличения их прочности в зонах повышенных деформаций, а также воздействие жестко связанного с профилем рамной крепи анкера на уменьшение в последнем величины изгибающих моментов.
Степень эффективности упрочнения пород в зависимости от плотности анкерования можно также оценить по коэффициенту упрочнения пород.
Согласно работам [5, 6] коэффициент упрочнения пород при плотности анкерования 0,7-
2,5 шт/м2 изменяется в следующих пределах: для скальных пород - 1,11-1,49; для пластичных -
1,07-1,46; для углевмещающих -
1,15-1,91.
Как видно эффективность ан-керования углевмещающих пород несколько выше, чем пластичных и скальных, что также подтверждается в работе [7].
2. Рациональная длина анкера находится в пределах 44-50 мм (2,2-2,5 м), что подтверждается натурными экспериментами. Согласно результатам исследований [8, 9 и др.], массив вокруг выработки под влиянием внешних воздействий (например, очистных работ) подвергается дополнительным разрушениям. При этом наиболее чувствительными являются
в приконтурной области выра-
на работоспособность заанкеро-ванных пород показывает, что с повышением сжатия пород в два-три раза несущая способность кровли увеличивается в 1,13-1,3 раза. Фактическая величина предварительного натяжения в анкерах должна быть меньше минимальной критической нагрузки, при которой может произойти ползучесть горных пород на контакте замка анкера, на 0,7. Это позволяет сделать вывод о том, что предварительное натяжение 30-50 кН является достаточным.
4. Уменьшение длины анкера приводит к увеличению зоны отжима в боках выработки, максимальная зона наблюдается при 1а = 20 мм (1 м). Поскольку снижается прочность упрочненной системы заанкерованных пород кровли при меньшей длине анкера, опорное давление в большей степени распределяется на боковые опоры выработки, что и приводит к увеличению отжима в боках.
5. Параметры анкерования (плотность анкерования, длина анкера, натяжение) в конечном итоге определяются параметрами зоны неупругих деформаций, или зоной повышенной трещиноватости образующейся вокруг выработки.
Традиционная технология поддержания выработок рамными (арочными) крепями практически исчерпала свои технические и технологические возможности. Опыт ведущих угледобывающих стран мира показывает, что анкерные системы являются высокоэффективным и надежным средство охраны выработок. Анкерная крепь органично вписывается в современные технологии ведения горных работ и позволяет максимально реализовать технические возможности проходческой и добычной техники. Ее применение на угольных шахтах при соответствующем техническом и организационном обеспечении позволит достичь качественно нового уровня в разрешении ряда технических, социальных, экологических и экономических проблем.
Зоны различного состояния мае ботки
породы приконтурной зоны в пределах 1-1,5 м от контура выработки. В связи с этим, длина анкера, должна перекрывать зону, активных расслоений пород у контура выработки. Рекомендации по применению анкерной крепи [10 и др.] указывают на такой же радиус закрепления анкера.
Согласно работе [11] рекомендуемая длина анкеров для горно-геологических условий Западного Донбасса составляет
1,8-2,5(3,0) м.
Кроме того, как указывается в работе [12], только на расстоянии более 1 м от контура выработки свойства пород можно считать постоянными, следовательно, прочность закрепления анкера не изменится вследствие процессов выветривания при эксплуатации выработки.
Согласно работе [13] коэффициент упрочнения пород при длине анкеров 0,5-2,5 м изменяется в пределах: для скальных пород -1,25-1,60; для углевмещающих -
1,15-1,85. Как видно из указанных данных эффективность анкерова-ния углевмещающих пород при незначительной длине анкера несколько ниже, чем скальных, но при длине анкера свыше 1,5 м наблюдается обратная картина.
3. При длине анкера 20 мм (1 м) вокруг выработки образуется трещина, практически повторяю -щая контур выработки на глубине 15-25 мм (0,75-1,25 м). При длине анкера менее 40 мм (2 м) появляются трещины вокруг выработки на расстоянии, превышающем ну анкера, а также образуются плоскости скольжения, направленные от почвы выработки вглубь массива под углами 45-600, что приводит к резкому снижению сущей способности крепи.
границами,
ление трещин вокруг выработки при малой длине анкеров показывает, что их длина должна учитывать зону повышенной трещиноватости вокруг выработки, а конец анкера должен закрепляться за ее в породах с большей остаточной прочностью. Возможно также, что появление видимых трещин связано с более резким изменением прочности системы «заанкерованный массив-неупро-чненный массив за зоной действия анкера». При испытаниях, когда анкера имеют длину более 2 м и закрепляются в зоне массива большей прочности, появление трещин не отмечалось. В этом чае обеспечивается эффективная работа анкеров по снижению щений и трещиноватости массива и относительная выдержанность прочности массива от контура работки вглубь.
Возможно, поэтому неоднозначна оценка степени натяжения анкеров при их установке. Анализ данных исследований этого фактора показывает, что натяжение анкеров способствует не столько увеличению несущей способности скрепляемых ими пород, сколько сохранению имеющейся. При этом предварительное натяжение не оказывает существенного влияния на распределение напряжений в массиве пород вокруг выработки. Это подтверждено результатами экспериментов, выполненных на моделях методом фотоупругости и методом эквивалентных материалов.
Опытами, проведенными в шахтных условиях, установлено, что прочность закрепление анкеров распорного типа в породе возрастает с увеличением предвари -тельного натяжения анкера, а для клино-щелевых, железобетонных и сталеполимерных анкеров предварительное натяжение существенного влияния не оказывает.
Согласно работам [7, 14], влияние предварительного натяжения
1. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива горных пород. - К.: Наукова думка, 1989. -192 с.
2. Насонов ИД, Ресин В.И. Моделирование физических процессов в горном деле. - М.: изд. Академии горных наук, 1999. - 343 с.
3. Кошелев К.В, Игнатович Н.В, Полтавец В.И. Поддержание сопряжений горных выработок. - К.: Техника, 1991. - 176 с.
4. Солодянкин А.В. Повышение устойчивости выемочных штреков // Проблемы создания новых машин и технологий. Науч. тр. КГПУ. - Кременчуг. - 2000. - Вып. 2 (9). -С. 527-529.
5. Тимофеев О.В. Методика расчета параметров штанговой крепи при упруго-пластическом деформировании массива пород // Устойчивость и крепление горных выработок. - Л.: ЛГИ, 1976, №3. - С. 30-34.
6. Костогрыз В.И. Эффективность упрочнения пластичных пород анкерованием // Науковий вісник НГА України. - 1998. - №3. - С. 13-15.
7. Широков А.П, Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. - М.: Недра, 1976. - 208 с.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Кошелев К.В, Петренко И.А., Новиков А.О. Охрана и ремонт горных выработок. - М.: Недра, 1990. - 218 с.
9. Глушко В.Т. Проявление горного давления в глубоких шахтах, - К.: Наукова думка, 1971. - 195 с.
10. Инструкция по применению и проектированию комбинированной анкер-металлической крепи конструкции КузНИИшахтостроя (АМК) / КузНИИшахтострой. Кемерово, 1982.
11. Выгодин М.А. Обоснование параметров армопо-родных грузонесущих конструкций на базе рамноанкерных крепей и технология их сооружения в выработках шахт Западного Донбасса. Дисс....канд. техн. наук. -Днепропетровск, 1990. - 139 с.
12. Байкенжин М.А. Разработка способа поддержания пластовых подготовительных выработок глубоких горизонтов шахт податливой рамно-анкерной крепью: Автореф. дисс....канд. техн. наук. - Алма-Ата, 1987. - 18 с.
13. Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок. - М.: Недра, 1974. - 207 с.
14. Сажин В.С. Упругопластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания. - М. Наука, 1968. - 93 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Терещук Р.Н, Солодянкин А.В. - Национальная горная академия Украины.
© С.В. Мартыненко, В.Н. Коваленко, В.Ф. Панибратченко, 2003
УАК 622.131.537:550.89
С.В. Мартыненко, В.Н. Коваленко,
В.Ф. Панибратченко
НОВЫЕ СОСТАВЫ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ АЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА КОМПЛЕКСНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕАОВАНИЙ
ак известно, одним из основных компонентов любого комплексного научного исследования являются лабораторные эксперименты. В механике горных пород, изучающей, как правило, объекты весьма больших размеров, применяют моделирование, связанное с уменьшением абсолютных размеров объектов.
В силу ряда причин, особое распространение при исследовании геомеханических процессов в настоящее время получил наиболее освоенный метод моделирования на эквивалентных материалах (ЭМ), сущность которого заключается в том, что модель породного массива, содержащего выработку, создает-
ся из искусственных материалов, прочность и модуль деформации которых уменьшены в определенной пропорции по отношению к таким же натурным величинам. Эта пропорциональность устанавливается в соответствии с принятым масштабом. Напряженное состояние в моделируемом породном массиве для конкретных условий создается, в основном, за счет соответствующей пригрузки.
Специальный плоский стенд, позволяющий создавать нагрузку, распределенную по контуру выработки, смонтирован в лаборатории моделирования и конструкционных материалов Национальной горной академии Украины. Габаритные размеры стенда следующие: длина - 2900 мм; ширина - 1400 мм; высота - 2070 мм. Схема системы рычажного нагружения модели представлена следую -щими сборочными единицами: опорными платформами; основной и дополнительной рычажной системами; грузовой тягой с платформой; набором тарированных грузов от 0,5 до 20 кг (рис. 1) Плечи основного рычага имеют следующие размеры: ОО1 =
