CC BY
87
УДК 622.283.74 М.Д. Войтов, И.И. Харитонов, В.В. Емельянов
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И НАГРУЗОЧНЫХ СВОЙСТВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ
Для поддержания подземных выработок на шахтах в угольной и горнорудной промышленности в настоящее время широко применяется анкерное крепление. Оно достаточно эффективно замедляет процессы расслоения пород кровли, препятствует возникновению вывалов пород, обнажаемых в процессе проходки выработок. Несущая способность анкера определяется прочностными возможностями его конструктивных элементов, а также силами, удерживающими стержень анкера в скважине.
Лабораторные и шахтные испытания анкеров АК01, АКМ20.01-05, АКМ20.01 производства группы предприятий ООО «АМК» и ООО «РАНК2» проводились в испытательном центре ЗАО «СИПР с ОП» (Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством). Центр имеет аккредитацию на независимую и техническую компетентность в системе выполнения расчетов, поверочных и испытательных работ.
В лабораториях центра были проведены ис-
из стального семипрядевого проволочного кана-та15 К7 диаметром 15,2 мм ГОСТ 13840-68 с местными узлами уширения, образованными вплетениями между жилами каната дополнительной проволоки, опорной муфты которая с наружной поверхности имеет винтовой профиль и гайки для взаимодействия с опорным элементом.
Испытания анкеров проводились на гидравлической разрывной машине МРГ-600. При увеличении нагрузки на анкера свыше 170 кН отрывались проволочные шнеки предназначенные для вкручивания в состав с минеральной композицией, происходило постепенное раскручивание проволок каната, после чего следовал поочередный их обрыв. Во всех опытах при обрыве каждой новой проволоки сопротивление анкера нагрузке снижалось. Максимальное удлинение анкеров составило 65 -80 мм. Кривые «нагрузка - деформация конструкции анкера» для этих анкеров приведены на рис. 1 и 2.
По результатам лабораторных испытаний можно сделать выводы что максимальная несущая
Удлиннение анкера, мм
Рис.1. Результаты лабораторных испытаний анкера АК01, опыт №1
пытания двух канатных анкеров АК01 длиной 3 м на величину разрывных усилий, а также исследовали прочностные характеристики минеральной композиции ампул АМК. Канатный анкер АК01, состоит из грузонесущего стержня, выполненного
способность анкеров АК01 составляет 220 кН, и напрямую зависит от свойств стального каната из которого изготовлен анкер, узел соединения муфты с канатом может выдерживать нагрузку свыше 220 кН.
Удлиннение анкера, мм
Рис. 2. Результаты лабораторных испытаний анкера АК01, опыт №2
го
и
о
X
Т
о
о.
Время, сут.
Рис.3. Результаты испытаний на одноосное сжатие образцов, изготовленных из смеси АМК
Для испытаний скрепляющего состава из ампул АМК были изготовлены образцы размером 50^50x50 мм в количестве 6 штук. После чего их раздавливали на прессе ПСУ-50 в условиях одноосного сжатия. Первая пара образцов была испы-
тана спустя сутки, вторая - спустя 7 суток, третья -спустя месяц после заливки в формы смеси АМК. Результаты испытаний образцов в виде графика зависимости их кубиковой прочности на одноосное сжатие от времени приведены на рис. 3.
В шахтных условиях испытания проводились в сбойке околоствольного двора горизонта -440 м.рудника ОАО «Белоруськалий». Выработка имела арочную форму с шириной и высотой 3 м. Породы кровли сложены в основном слоями каменной соли с прослойками сильвинита и глины. Средняя прочность пород кровли на одноосное сжатие, полученная путем отбора керна составила 29 МПа. Для испытаний были использованы 4 анкера типа АК01 (опыты № 1-4), 3 анкера типа АКМ20.01 (опыты № 5-7) и 3 анкера типа АКМ20.01-05 (опыты № 8-10).
Арматурный анкер АКМ20.01 состоит из гру-зонесущего стержня, выполненного из двух отрезков арматуры, шайбы опорной и гайки. Хвостовик анкера изготавливается из арматурной стали винтового профиля № 20, а остальная его часть - из арматурной стали гладкого или периодического профиля № 20. Головной конец анкера снабжен винтовой втулкой. Гайка с одной стороны имеет выштамповку под ключ 32 мм, со второй стороны - выпуклую шарообразную сферу. Параметрический ряд выпускаемого анкера 1,5 - 3 м с шагом 0,1 м. Анкер закрепляется в скважине минеральной композицией, заключенной в ампулы АМК. Расчетная несущая способность анкера - 110 кН. Длина анкеров предоставленных к испытанию -1,5 м.
Комбинированный анкер АКМ20.01-05 состоит из цельного грузонесущего стержня, соединенного сваркой с опорным винтом длиной 340 мм, опорной шайбы и гайки. Для перемешивания закрепляющего состава ампул на забойной части стержня анкера навита и закреплена сваркой спираль из проволоки диаметром 3 мм. Опорный винт анкера и гайка - такие же, как у арматурного анкера АКМ20.01. Расчетная несущая способность анкера - 110 кН. Длина анкеров предоставленных к испытанию - 1,5 м.
В опыте № 1 анкер АК01 устанавливали на 2 ампулы АМК-400, в опытах № 2, 3 и 4 - на 3 ампулы. Все остальные анкера в опытах № 5 - 10 устанавливались на 2 ампулы. При этом анкера АК01 устанавливались на глубину 3 м, остальные анкера - на глубину 1,2 м, диаметр шпуров составлял 30 мм. В опытах № 1-6 и 8-10 для замачивания ампул использовалась пресная питьевая вода, в опыте № 7 в воду было добавлено 0,5 кг мелкоразмолотого галита.
Испытание анкеров на вытягивание осуществлялось на 2-й, 9 и 44 день после их установки. Натяжение конструкции создавалось за счет приложения осевой нагрузки гидродомкратом с полым штоком ДП30Г210, позволяющим развивать усилие вытягивания анкера до 300 кН.
Рис.4. Результаты шахтных испытаний анкера АК01
Смещения штока домкрата, мм
Рис.5. Результаты шахтных испытаний комбинированного анкера АКМ20.01
Смещения штока домкрата, мм
Рис. 6. Результаты шахтных испытаний анкера АКМ20.01-05
Осуществление замеров выхода штока домкрата из поршневой полости осуществлялось с помощью рулетки. Величина нагрузки на анкер определялась по манометру насоса с шагом 5 кН. Испытания осуществлялись до разрыва анкера или до его полного вытягивания из шпура.
На рис. 4 приведены результаты шахтных ис-
пытаний анкеров АК01. Из рисунка видно, что в первых трех опытах анкера были извлечены из шпуров. В первом и втором опытах, проведенных через 1 сутки после установки анкеров максимальная нагрузка составила соответственно 75 и 125 кН. Разница объясняется тем, что в первом опыте для закрепления анкера использовали 2 ам-
пулы, во втором - три ампулы AMK. В третьем и четвертом опытах, проводившимся через 9 и 44 суток после установки анкера, усилие извлечения анкера возросло соответственно до значения 170 и 210 кН.
На рис. 5 и 6 приведены результаты шахтных испытаний анкеров AKM20.01 (опыты 5 - 7) и AKM20.01-05 (опыты S - 10). В опыте № 5, проводившемся на вторые сутки после установки анкеров удалось извлечь из шпура комбинированный анкер AKM20.01 без его разрушения с максимальным усилием 121 кН. В опыте № 6 и № 7, проводившихся на 9 и 44 сутки, наблюдался разрыв анкеров, причем в первом случае он произошел по сварке, во втором - выше сварного шва на 10 см. В опытах S, 9 и 10 испытаниям подвергались анкера AKM20.01-05, причем в опыте № S испытания проводились спустя 9 суток, а в опытах 9 и 10 - спустя 44 суток после их установки. Kaк видно из рисунка 6, в опытах S -10 происходит
□ Aвтоpы статьи:
Войтов M^am Данилович, канд. техн. наук, проф. каф.строительства подземных сооружений и шахт, ГУ ^зГТУ, e-mail: [email protected].
обрыв анкеров.
Исходя из результатов шахтных испытаний можно сделать вывод что наиболее слабым элементом крепи является узел закрепления анкера в шпуре. При достижении максимальных значений диапазона времени разрывное усилие для различных анкеров составляет: АК01-210 кН; АКМ20.01-130 кН;
АКМ20.01-05-175 - 185 кН. Податливость анкеров до момента разрыва составляет: АК01-95 мм; АКМ20.01-100 - 135 мм; АКМ20.01-05-55 - 100 мм. С течением времени податливость анкеров стремится к минимальной в указанном диапазоне.
Таким образом, проведенные лабораторные и шахтные испытания показали, что для поддержания горных выработок на большой глубине в горных породах с крепостью 3-4 единицы по шкале М. М. Протодьяконова с достаточной эффективностью могут применяться как сталеполимерные так и канатные анкера в сочетании с ампулами из минеральной композиции.
Харитонов Игорь Иванович, зам. генерального директора ООО «AMK ШСУ», т. (3S4-2) 54-10-1S, e-mail: [email protected]
Емельянов Виктор Владимирович, студент ГУ КузГТУ горный мастер ООО «АМК ШСУ», e-mail: [email protected]
