CC BY
25
•V I
| В.Ю. Масаев // V.Yu. Masaev
канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО КузГТУ, 650000, г.Кемерово, ул. Весенняя 28
candidate of techical sciences, associate professor FGBOU VO KuzGTU, 650000, Kemerovo, st. Vesenya 28
■ Ю.А. Масаев // Yu.A. Masaev
I канд. техн. наук, профессор ФГБОУ ВО КузГТУ, 650000, г.Кемерово, ул. Весенняя 28
candidate of techical sciences, professor FGBOU VO KuzGTU, 650000, Kemerovo, st. Vesenya 28
| В.А. Карасев// V.A. Karasev
канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО КузГТУ, заместитель директора Горного института, 650000, г.Кемерово, ул. Весенняя 28
candidate of techical sciences, associate professor FGBOU VO KuzGTU, Mining Institute deputy director, , 650000, г.Кемерово, ул. Весенняя 28
УДК 622.268; 622.281.2
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КРЕПЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЗКАХ
SUPPORTS UNDER VARIOUS ACTING LOADS PERFORMANCE INVESTIGATION BY THE METHOD OF EQUIVALENT MATERIALS
При разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом очень важной проблемой является обеспечение безаварийной работы горнодобывающих предприятий и предотвращение обрушений обнажаемых породных массивов. Для этого применяются различные виды крепей в зависимости от срока службы горных выработок, глубины их расположения, формы и размера поперечного сечения, способов отбойки горных пород и других факторов. Породные массивы находятся в различных состояниях, предугадать которые очень сложно и оценить их действия не всегда возможно, поэтому необходимо проводить исследования по восприятию нагрузок на применяемые виды крепей. В статье рассмотрены результаты исследований по моделированию методом эквивалентных материалов различных видов крепей, воспринимающих различные по величине нагрузки.
In the development of mineral deposits by the underground method, the problem of ensuring the accident-free operation of mining enterprises is very important, and one of the problems is the prevention of the exposed rock massif collapse. Rock masses are in different states, which are very difficult to predict and it is not always possible to assess their actions, therefore it is necessary to conduct research on the perception of loads on the types of supports used. For this, various types of supports are used depending on the service life of mine workings, the depth of their location, the shape and size of the cross-section, the methods of cutting rocks and other factors. Rock masses are in different states, which are very difficult to predict and it is not always possible to assess their actions, therefore it is necessary to conduct research on the perception of loads on the types of supports used. The article discusses the results of studies on modeling by the method of equivalent materials of various types of supports, which perceive different loads.
Ключевые слова: МОДЕЛИРОВАНИЕ; ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ; ГОРНЫЕ ПОРОДЫ; РАМНЫЕ КРЕПИ; НАГРУЗКИ НА КРЕПЬ.
Key words: MODELING; EQUIVALENT MATERIALS; ROCKS; FRAME SUPPORTS; LOAD ON THE
SUPPORT.
Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом связана с проведением большого объёма подготовительных горных выработок в
различных горно-геологических условиях. Сооружаемые горные выработки имеют различные размеры и форму, и окружающие породы по-разному воздействуют на возводимые крепи
30
и породные обнажения. В сложных горно-геологических условиях применяемые типы крепей зачастую не обеспечивают надёжного поддержания горных выработок и требуют дополнительных затрат на ремонт и поддержание.
Неиспользованным резервом и прогрессивным направлением повышения эффективности горнопроходческих и эксплуатационных работ является более полный учет состава, структуры, физических свойств вмещающих пород и закономерностей их сдвижения и обрушения при геомеханическом обосновании способа проведения и охраны горных выработок, типа, несущей способности и плотности крепи, допускаемой площади обнажения и отставания постоянной крепи от забоя горной выработки. Проблема крепления и поддержания горных выработок является одной из самых важных в комплексе вопросов строительства и эксплуатации угольных предприятий. И первостепенное значение имеет установление степени влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов, закономерностей взаимодействия элементов применяемых горных крепей и породного массива на максимальные значения силовых и кинематических параметров для обеспечения устойчивости крепи, снижения металлоёмкости, расширения условий и области рационального применения.
Для комплексного учета основных горногеологических и технологических факторов при оценке устойчивости породных обнажений и использовании их для обоснования и расчета применяемых крепей необходимо было проведение широкого круга исследований и начало таких исследований нами было заложено моделированием методом эквивалентных материалов.
Моделирование методом эквивалентных материалов основано на замене естественных горных пород натуры такими искусственными материалами в модели, показатели физико-механических свойств которых находятся в определённых соотношениях с аналогичными показателями тех же свойств пород натуры.
Эти соотношения определяются на основании общих положений теории механического подобия и обеспечивают достижение близкой аналогии в протекании геомеханических процессов, происходящих в натуре и в модели под действием гравитационных сил.
При проведении лабораторных экспериментов решались следующие задачи:
- выяснение работоспособности комбинированной анкер-металлической крепи АМК в породах различной категории устойчивости и её
взаимодействие с окружающим массивом пород;
- сопоставление устойчивости выработок, закреплённых различными типами крепей в прочих равных условиях.
Для проведения экспериментов производился подбор следующих материалов и приборов:
- эквивалентного материала, характеризующего массив горных пород в натурных условиях;
- моделей крепи;
- средств измерения нагрузок на крепь, напряжений в массиве и смещений контура выработки в модели.
Результаты лабораторных исследований показали, что наиболее подходящим эквивалентным материалом для имитации горных пород, находящихся в упругопластическом состоянии, является огнеупорная глина влажностью 23-24 %, позволяющая имитировать горные породы в натуре при линейном масштабе моделирования ¿м/Ьн=15/300=1/20 со следующими механическими характеристиками:
Я =30Мпа; С=1,2Мпа; а>=21; у=25кН/м3.
сж ' '
Исследования работы крепей горных выработок и распределения напряжений в массиве модели без крепи осуществлялись на испытательном стенде, позволяющем создавать в массиве плоско-деформированное состояние с любым соотношением вертикальных и горизонтальных напряжений. Стенд состоит из квадратной металлической рамы, на каждой стороне которой закреплено по 6 гидродомкратов. Размеры рабочего поля между площадками домкратов - 1,0 х 1,0 м, толщина модели 0,3 м.
Модель анкера представляла собой стержень диаметром 0,001 м с рабочей длиной 0,125 м, с замком закрепления в виде пластинки с отверстием и опорной плитой с размерами 0,01 х 0,01 м. На одном конце стержня имеется плита фиксации замка закрепления, а на другом - резьба для завинчивания гайки. Такая конструкция позволяла имитировать в натурных условиях анкеры с замковым закреплением длиной 2,5 м. Силовые воздействия на анкеры рассчитывались по критерию силового подобия. Максимальная нагрузка на анкер в модели составляла 1000 г, что соответствует 12 т в натуре.
Модель рамной крепи представляла собой кольцо из органического стекла толщиной 0,01 м, шириной 0,01 м, диаметром 0,3 м. Такая конструкция позволяет моделировать в натуре кольцевую рамную крепь из СВП-22 в выработках сечением в свету £ =14 м2.
св
Напряжения в массиве и нагрузки на рамы
и анкеры регистрировались с помощью микродатчиков ДН и ДНА конструкции Кузниишахто-строя.
Проводились исследования пяти видов моделей: модели незакрепленной выработки; модели выработки, закрепленной анкерной крепью; модели выработки, закрепленной рамной крепью; модели выработки, закрепленной рамной крепью в сочетании с анкерной: модели выработки, закрепленной комбинированной анкер-металлической крепью.
При этом каждая модель испытывалась шестикратно с надёжностью 65 %. В каждом виде модели исследовались следующие параметры:
- напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработки и устойчивость породного контура;
- смещение контура выработки;
- нагрузка на крепь;
- нагрузка на 1 м2 закрепленной поверхности выработки.
Горное давление в натуре создавалось пригрузкой гидродомкратов. Исследования выполнялись на шести ступенях давления - 0,112; 0,168; 0,224; 0,280; 0,336; 0,392 МПа, что соответствует давлению в натуре - 2,24; 3,36; 4,48; 5,60; 6,72; 7,84 МПа. Напряжения в массиве, смещения массива и нагрузка на крепь измерялись на каждой ступени давления после его стабилизации в течение 1 часа. Моделировалась выработка круглой формы диаметром 6,0 м и площадью поперечного сечения £в=14 м2.
Результаты исследований указанных моделей выработок, закрепленных различными видами крепей, приведены ниже.
Исследование моделей незакрепленной выработки.
При давлении 2,24 МПа появились признаки разрушения контура выработки - отдельные трещины, развивающиеся с течением времени. С развитием трещин наблюдалось заметное смещение контура выработки, стабилизирующееся в течение 30 - 40 мин. При постоянном давлении величина смещения выработки не превышает 0,24 м (величины давлений, смещений и нагрузок даны в пересчете на натурные условия).
При увеличении давления до 3,36 МПа наблюдалось интенсивное развитие трещин и смещений, появление заколов. Выработка теряет устойчивость.
При давлении 4,48 МПа тангенциальное напряжение на контуре упало до нуля. Это свидетельствует о потере устойчивости выработки
и полном её разрушении. Модель выработки до и после испытаний показана на рисунке 1.
Исследование модели выработки, закрепленной анкерной крепью.
При давлении 2,24 МПа породный контур выработки оставался устойчивым. Нагрузка на 1 м2 закрепленной поверхности составляла 0,062 МПа. Все анкеры находились в нормальном состоянии, средняя нагрузка на анкер достигла 45 кН. Смещения породного контура на данной ступени давления составляли 0,05 м.
При давлении 3,36 МПа появились признаки разрушения контура выработки, около 15% анкеров вышли из строя. Но в целом анкеры находились в нормальном состоянии, нагрузка на 1 м2 закреплённой поверхности составляла 0,103 МПа, средняя нагрузка на анкер 75 кН, выработка оставалась устойчивой. Смещения контура составили 0,1 м.
По мере увеличения давления на модель наблюдался интенсивный рост нагрузок на анкеры. При давлении 4,48 МПа все анкеры выходят из строя. Средняя нагрузка на анкер составляла 120 кН, на 1 м2 поверхности - 0,166 МПа, смещения контура - 0,3 м. После этого наблюдался бурный процесс разрушения контура, и выработка теряла устойчивость.
Максимальные напряжения в массиве на контуре выработки в кровле - 0,34 МПа, в бортах - 0,20 МПа. Модель выработки с анкерной крепью до и после испытаний показана на рисунке 2.
Исследование моделей выработки, закрепленной анкерной крепью.
При давлении на модель 2,26; 3,36 МПа породный контур выработки находился в устойчивом состоянии. Деформаций контура и крепи не наблюдалось. При давлении 3,36 МПа нагрузка на 1 м2 закрепленной поверхности составила 0,056 МПа, на раму - 203 кН, смещения контура
- 0,08 м.
При давлении 4,48 МПа на контуре выработки появились первые признаки разрушения
- трещины, раскрывающиеся с течением времени. Смещения на данной ступени нагружения составляли 0,22 м, средняя нагрузка на 1 м2 закрепленной поверхности - 0,072 МПа, на раму
- 260 кН.
На следующей ступени давления - 5,6 МПа, смещения достигли - 0,33 м. Контур выработки неустойчив. Появились заколы и раскрытые трещины. Отмечены случаи деформации рам. Нагрузка на крепь составляла 292 кН, на 1 м2 закрепленной поверхности - 0,081 МПа.
Модель разрушилась при давлении 6,72
Рисунок 1. Модель незакрепленной выработки: а - до испытаний; б - после испытаний Figure 1. Model of an unsupported working: a - before testing; b - after tests
Рисунок 2. Модель выработки, закрепленной анкерной крепью: а - до испытаний; б -Figure 2. Model of an opening supported with anchor support: a - before testing; b ■
после испытаний after tests
МПа. Рамы вдавлены в массив и деформированы. Смещения контура составили 0,42 м. Максимальные напряжения в массиве на контуре выработки: в кровле - 0,37 МПа, в бортах - 0,18 МПа. Модель выработки с рамной крепью до и после испытаний показана на рисунке 3.
Для моделирования выработки с рамно-анкерной крепью между кольцами крепи, установленными с шагом 0,06 м (в натуре - 1,2 м), устанавливался ряд анкеров. Количество анкеров в поперечном сечении - 10 шт.
При давлении 2,24; 3,36 и 4,48 МПа на крепь и контур выработки сохраняли устойчивость. При давлении 4,48 МПа смещение контура достигло 0,2 м, средняя нагрузка на 1 м2 закрепленной поверхности 0,071 МПа, на раму - 173 кН, на анкер - 33,8 кН.
При увеличении давления до 5,6 МПа на-
блюдался интенсивный рост нагрузок на анкера. На данной ступени давления 15% анкеров вышли из строя. Рамы находились в нормальном состоянии. Средняя нагрузка на 1 м2 закрепленной поверхности - 0,080 МПа, на раму - 196 кН, на анкер - 37,5 кН.
Крепь потеряла устойчивость при давлении 6,84 МПа. При этом 50% анкеров вышли из строя. Контур выработки и рамы деформированы. Средняя нагрузка на раму составила 275 кН, на 1 м2 закрепленной поверхности - 0,104 МПа.
Максимальные напряжения на контуре выработки составляли в кровле - 0,39 МПа, в бортах - 0,17 МПа. Модель выработки с рамно-анкерной крепью до и после испытаний показана на рисунке 4.
Исследование моделей выработки, закрепленной комбинированной анкер-металли-
ческой крепью Для моделирования выработки с крепью АМК между кольцами крепи, установленными с шагом 0,06 м (в натуре - 1,2 м), устанавливался ряд анкеров, и на них вдоль выработки навешивались межрамные стяжки, изготовленные из листа жести (¿=0,001 м). Количество анкеров в поперечном сечении - 10 шт.
При давлении 2,24; 3,36; 4,48 МПа крепь и контур выработки оставались устойчивыми. При давлении 4,48 МПа смещения контура выработки составляли 0,19 м, нагрузка на раму - 160 кН, на анкер - 35,3 кН, на 1 м2 закрепленной поверхности - 0,071 МПа.
Признаки разрушения контура появились при давлении 5,6 МПа. Разрушилось 15% анкеров, однако рамы крепи находились в нормальном состоянии. Средняя нагрузка на анкер составляла - 39,5 кН, на раму - 179 кН, смещение контура - 0,27 м.
При давлении 6,72 МПа разрушилось 30%
анкеров. На контуре выработки наблюдалось интенсивное развитие трещин и смещений (до 0,37 м). Средняя нагрузка на раму составляла 200 кН, на анкер - 41,5 кН, на 1 м2 поверхности - 0,085 МПа.
Разрушение крепи наступило при давлении 7,84 МПа. Вышла из строя половина анкеров, рамы крепи деформировались. Смещение контура выработки составили 0,39 м, нагрузка на 1 м2 поверхности - 0,101 МПа, на раму - 250 кН.
Максимальные напряжения в массиве на контуре выработки составляли в кровле - 0,4 МПа, в бортах - 0,17 МПа. Модель выработки с крепью АМК до и после испытаний показана на рисунке 5.
Экспериментальное измерение напряжений в массиве и нагрузок на крепь сопряжено с целым рядом сложностей как методического, так и чисто технического характера, поэтому некоторые ошибки опыта неизбежны. Однако изме-
Рисунок 3. Модель выработки, закрепленной рамной крепью: а - до испытаний; б - после испытаний Figure 3. Model of an opening supported with anchor support: a - before testing; b - after tests
Рисунок 4. Модель выработки, закрепленной рамно-анкерной крепью: а - до испытаний; б - после испытаний Figure 4. Model of an opening supported with frame-anchor support: a - before testing; b - after tests
Рисунок 5. Модель выработки, закрепленной крепью АМК: а - до испытаний; б - после испытаний Figure 5. Model of an opening, supported with AMK support: a - before testing; b - after tests
нение распределения напряжений и нагрузок на крепь до и после проведения выработки позволяет всё же вполне четко выяснить общие закономерности этих измерений, а также определить точку экстремума.
Проведение экспериментов на моделях позволило определить протекание геомеханических процессов, происходящих под действием гравитационных сил при различных нагрузках, смещение контура и состояние различных видов крепи. Это позволяет провести комплекс сравнительных исследований в натурных условиях и получить аналитическую взаимосвязь механиче-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ского подобия процессов, происходящих в горных породах с различными физико-механическими свойствами, закрепляемыми различными видами крепей при проходке горных выработок.
1.
3.
5.
Гоголин В.А. Деформационные и прочностные характеристики хрупких горных пород при сжатии / Вестник Кузбасского государственного технического университета. Научно-технический журнал № 3, 2016. - С.3-8. Линьков А.М. учет запредельных деформаций в плоской задаче о круглой выработке. ФТПРПИ, №5, 1977. -С.16-22.
Тронда Т.В. Изменение физико-механических характеристик слабого водонасыщенного суглинка при устройстве вертикальных армодренирующих элементов / проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. Труды V Международной конференции: - Екатеринбург, 2016. - С. 127-131. Абрамов Н.Н. Комплексный эксплуатационный геомониторинг состояния подземных сооружений с облегченной крепью. / Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. Труды V Международной конференции: - Екатеринбург, 2016. - С. 150-153.
Кострыкин А.П. Обзор применяемых методов контроля эффективности анкерного крепленияметодов контроля эффективности анкерного крепления / А.П. Кострыкин, К.В. Шайдулин, Е.М. Ушаков, П.Е. Мерзляков // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности, № 2, 2010. - С. 2007-2011. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Картозия, Б.В. Матвеев, ГВ. Михеев, А.Б. Фадеев. - М.: Недра, 1979.
REFERENCES
1. Gogolin, V.A. (2016). Deformatsionnyye i prochnostnyye kharakteristiki khrupkikh gornykh porod pri szhatii [Deformation and strength characteristics of brittle rocks under compression]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekh-nicheskogo universiteta - Herald of Kuzbass State Technical University, 3, 3-8 [in Russian].
2. Linkov, A.M. (1977). Uchet zapredel'nykh deformatsiy v ploskoy zadache o krugloy vyrabotke [Accounting for extreme deformations in the plane problem of a circular working]. FTPRPI, 5, 16-22 [in Russian]
3. Tronda, T.V. (2016). Izmeneniye fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik slabogo vodonasyshchennogo suglinka pri us-troystve vertikal'nykh armodreniruyushchikh elementov [Changes in the physical and mechanical characteristics of weak water-saturated loam when installing vertical reinforcing elements]. Proceedings from: Design, construction and operation of complexes of underground structures. V Mezhdunarodnaia konferentsia - 5th International Conference, pp. 127-131. Yekaterinburg [in Russian].
4. Abramov, N.N. (2016). Kompleksnyy ekspluatatsionnyy geomonitoring sostoyaniya podzemnykh sooruzheniy s oblegchennoy krep'yu [integrated operational geomonitoring of underground structures with lightweight support state].
Proceedings from: Design, construction and operation of complexes of underground structures. V Mezhdunarodnaia konferentsia - 5th International Conference, pp. 150-153. Yekaterinburg [in Russian].
5. Kostrykin, A.P., Shaidulin, K.V., Ushakov, Ye.M, & Merzliakov, P.Ye. (2010). Obzor primenyayemykh metodov kon-trolya effektivnosti ankernogo krepleniya [Review of the anchor support in use effectiveness monitoring methods]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 2, 2007-2011 [in Russian].
6. Kartozia, Yu.M., Matveev, B.V., Mikheev, G.V., & Fadeev, A.B. (1979). Prochnost' i deformiruyemost' gornykh porod [Strength and deformability of rocks]. Moscow: Nedra [in Russian].
ООО " ГОРНЫЙ - ЦОТ"
серийно производит приборы контроля параметров безопасности атмосферы для промпредприятий и экологического мониторинга, которые успешно эксплуатируются на предприятиях РФ и зарубежом. Сегодня благодаря их успешному применению компания стала надежным звеном в решении проблем промышленной и экологической безопасности как в России, так и за ее пределами.
ВЫПУСКАЕМЫЕ ПРИБОРЫ
Прибор контроля запыленности воздуха ПКА-01
Прибор контроля пылевзрывобезопасности горных выработок ПКП
Портативные газоанализаторы GaSense (1-,2-,3-,4-газовые)
Измеритель запыленности стационарный ИЗСТ-01
Система контроля запыленности, интенсивности пылеотложений и дисперсного анализа СКИП-01 с использованием нейросети
Стационарный анализатор контроля параметров атмосферы Gasos заперемычного пространства
а так же оказывает услуги следующих направлений:
разработка систем измерения климатических параметров рудничной атмосферы (температуры; влажности; скорости и направления ветра; давления);
разработка программного обеспечения для встраиваемых систем;
разработка приборов по индивидуальным заказам, в т.ч. по схеме no-name;
организация проведения ремонта вышеуказанных серийно выпускаемых приборов и их испытаний с целью поверки.
Горный-ЦОТ является резидентом Кузбасского Технопарка.
Трубицына Дарья Анатольевна [email protected] +7-903-943-9759
►
►
►
►
