CC BY
23
© A.B. Рогачков, 2012
УДК 622.28.044.5 622.831.2 A.B. Рогачков
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЗАДЕЛКИ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ КАНАТНОГО АНКЕРА
Приведены результаты аналитических и лабораторных исследований влияния величины заделки на несущую способность канатного анкера. Сделаны выводы о прогрессивных направлениях совершенствования технологических параметров крепления подготовительных выработок, с использованием канатных анкеров в сложных горно-геологических условиях шахт Кузнецкого бассейна.
Ключевые слова: несущая способность крепи, канатный анкер, глубина заделки.
Эффективное использование канатного анкера в современных условиях обеспечения устойчивости подготовительны« выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления (ПГД) по различным причинам не всегда возможно. В то же время потеря устойчивости небольшого участка выработки, по трассе ее проведения, останавливает работу практически всей шахты. Этот фактор еще более значим при отработки сближенных угольных пластов по схемам: «шахта-лава», «шахта-пласт».
Отработка сближенных пластов, склонных к самовозгоранию приводит к дополнительным затратам, связанных с потерей устойчивости участковых горных выработок. Вредное влияние оставленных межлавных целиков на надра-батывающих пластах при существующих системах разработки неизбежно. Опыт поддержания участковых горных выработок, расположенных в зонах ПГД, на шахтах Кузбасса, в ряде случаев, показал, что затраты, связанные с простоями лав в результате потери работоспособности крепи выработки составляли десятки миллионов рублей в сутки.
Различные способы обеспечения технологически удовлетворительного состояния участковых выработок, расположенный в зонах ПГД, были использованы на шахтах Кузбасса, однако по различным причинам они не нашли широкого применения.
К числу прогрессивных способов обеспечения устойчивости выработок, расположенных в зонах ПГД можно отнести способы с использованием канатного анкера, позволяющего удерживать — прикреплять неустойчивый массив пород к неразрушенному — устойчивому за пределами зоны распространения неупругих деформаций. Анализ опыта использования канатного анкера в сложных условиях шахт Кузбасса, позволяет сделать вывод: безусловно, канатный анкер, обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами крепей, однако его параметры, в ряде случаев, не квалифицированно обоснованы: в частности, не достоверна его фактическая несущая способность, не известно на какую длину закреплять анкер для обеспечения его работоспособности?
Следует отметить, что область рационального применения канатных анкеров имеет ограничения, это означает, что использование канатных анкеров не гарантирует эффекта в любых горно-геологических условиях.
Одной из главных причин, определяющих несущую способность канатного анкера является величина закрепления его в массиве. Как известно, существует два наиболее рапространненных способа закрепления канатных анкеров в массиве: ампульный и нагнетательный. Практический опыт, полученный на шахтах Кузбасса выявил самый технологичный способ закрепления канатного анкера-ампуль-ный. Его главные преимущества: экономия цементного состава, минимальные затраты времени на установку и быстрый ввод крепи в рабочее состояние.
Установка канатного анкера ампульным способом всегда сопровождается дополнительным расчетом количества скрепляющих ампул согласно [4], которые при правильных расчетах могут обеспечить качество установки крепи, увеличить надежность работы анкера в целом.
При увеличении глубины заделки несущая способность анкера может быть увеличена до предела максимально допустимого растяжению тела анкера на разрыв.
Наблюдения в условиях шахты «Салек», испытания несущей способности тросовой анкерной крепи позволили нам выявить ряд недостатков, как в технологии крепления, так и в самой конструкции тросового анкера. Анализ этих исследований показал, что расчетная несущая способность не соответствует фактической. В ряде случаев, тросовые анкера при испытаниях на вытягивание из шпура не выдерживали нагрузок 3 т, с проектируемой несущей способности 21 т.
Несущая способность зависит от длины участка закрепления [2], физико-механических свойств пород и от состава связующего химических ампул.
Как уже известно [2], существует несколько случаев, при которых канатный анкер не работоспособен, т.е. его несущая способность не достигает требуемой при приложенных нагрузках.
Разрушение тела канатного анкера может быть в случае, когда приложенные нагрузки превышают предел прочности на растяжение анкера при условии обеспечения качества установки и соответствия прочностных свойств заделки с породами.
В том случае, когда закрепляющий материал заделки канатного анкера и вмещающие породы имеют более низкие прочностные свойства по сравнению с телом канатного анкера, то разрушение может происходить по двум схемам: 1 — разрушение заделки относительно стенок шпура; 2 — раз-Рис. 1. Схемы разрушения ка- рушение окружающих пород на участке его натных анкеров: заделки.
1 — разрушение канатного анкера; 2 Рассмотрим вариант возможного сниже-— разрушение закрепляющего мате- ния или потери работоспособности канат-риала [2]
ного анкера по причине недостаточной заделки за пределами зоны неупругих деформаций.
Для расчета длины участка закрепления канатного анкера ампульным способом нам необходимо знать в первую очередь прочностные свойства элементов системы
Прочность закрепления канатного анкера в массиве по данным исследований согласно схеме (рис. 2.) может быть рассчитана[5]:
P3 = (P - N )exp|4k^(| + d)] + N - P + - d ^
В качестве примера рассчитаем прочность закрепления канатного анкера в массиве при следующих условиях: диаметр шпура D = 43 мм, диаметр стержня анкера 20 мм, наружный диаметр втулки Do = 40 мм, высота втулки Н0 = 150 мм, модуль упругости Е = 0, 833 кгс/ мм2, коэффициент Пуассона ц = 0,483, сила предварительного натяжения анкера P0 = 3500 кгс, k„ = 0, 08.
Степень сжатия участка закрепления может быть рассчитана по формуле:
х _ Нсж _ D0 - d2 ;
сж Н0 D2 - d2
402 - 202 402 202 _0,83 432 - 202
Сила, изменяющая форму закрепленного участка определяется:
г (л \
п Е, 1 .
-J2--Лс
V сж J
N0 D2-d )
314 , , f 1 л
N0 0,833 (402 - 202) 0 12
1 0,83
• — I
V 0,832 у
_ 162 кгс
Радиальные напряжения могут быть рассчитаны:
r° 1 -р п(1 -p)(D2 -d2)
4 • 0,483(3500 -162) , 2
G _------> _ 3,94 Кгс / мм2
3,14(1 -0,483)(432 -202) Прочность закрепления равняется:
РЗ _ (3500 -162)exp
4 • 0,08 • 0,483 • 43(0,83 • 150 - 43 + 20)
(1 - 0,483)(432 - 202) +0,15 • 3,14 • 43 (43-20) 3,94 _ 6690 кгс
+162 - 3500 +
Расчет влияния возможных нагрузок на канатный анкер может быть определен исходя из следующих соображений. Анкер под нагрузкой удерживается за счет сил трения, возникающих между стенками анкера и стенками шпура. Нормальное давление на стержень анкера создается за счет усилий, возникающих при смещении контура шпура вследствие естественного деформирования породного массива, прочность закрепления анкера в скважине определяется из уравнения равновесия: Рз = У гр*Ц* в,
где Утр — коэффициент трения металла о породу; ц — нагрузка на анкер от пород, МПа; в — площадь соприкосновения анкера со стенками шпура, м2.
Нагрузка на анкер от пород ц рассчитывается согласно работам Заславского Ю.3.[3] ц = К *у *Н *Яо2 / 10 *Я
где И0 — условный предел прочности; И0 = 300 кгс / см2; К — предел прочности породы, кгс / см
Площадь соприкосновения анкера со стенками шпура в определяется:
в = 2 п *г %
где г — радиус анкера, см; Ь — длина анкера, см;
Из расчетной площади можно определить длину закрепления 12 анкера в массиве
¡2 = в / й - 2г, см
Рис. 2. Схема к расчету прочности закрепления анкера в устойчивых породах
I заделки анкера,
Рис. 3. Влияние глубины заделки на несущую способность анкера
Опираясь на расчетную базу, в современных условиях шахт Кузбасса величина заглубления типового канатного анкера АК 01 длиной 5 м за пределами зоны неупругих деформаций составит 1,46 м.
Как уже было отмечено, типовые канатные анкеры АК-01 закрепленные двумя и более ампулами в ряде случаев полностью теряли несущую способность при их извлечении из шпура менее чем 20 мм.
Тем не менее, по данным исследований одним из главных факторов определяющих несущую способность крепи является длина закрепления троса в массиве горных пород. Авторы выделяют понятие «критическая длина заделки». [2] Из приведенных лабораторных опытов следует, что максимальная нагрузка 192 кН была достигнута при заделки типового каната диаметром 16 мм водоцементным раствором длиной 762 мм. Выволы
1. Проблему обеспечения технологически удовлетворительного состояния участковых подготовительных выработок, расположенных в сложных горногеологических условиях можно решить путем использования канатных анкеров длиной более глубины распространения зоны неупругих деформаций.
2. Величина заглубления 12 типового канатного анкера АК 01 ампульного способа закрепления, при прочих равных условиях элементов системы канатного анкера без учета возможных утечек химического состава ампул может быть рассчитана по формуле:
12 = Б / Э - Г;
где 5 — площадь соприкосновения анкера со стенками шпура; О — диаметр шпура, г — радиус канатного анкера.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анкерное крепление на шахтах Кузбасса и дальнейшее его развитие: учебное пособие / А.В.Ремезов, В.Г.Харитонов, В.П. Мазикин, и др. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. — 471 с.
2. Задавин Г.Д., Коршунов Г.И., Шик В.М. Крепление подготовительных выработок канатными анкерами. — СПб: Международная академия наук экологии безопасности человека и природы (МАНЭБ). 2007. — 200 с.
3. Заславский Ю.З. Исследования проявлений горного давления в капитальных выработках глубоких шахт Донецкого бассейна. - М.: Недра, 1966, 180 с.
4. . Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. ВНИМИ. Ленинград. 2000.
5. Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М., «Недра», 1976, 208 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Рогачков А.В. — аспирант, е-шаП anton_flikl@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
