К вопросу создания распорных анкерных крепей для упрочнения трещиноватых обводненных и мерзлых пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.232

К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ РАСПОРНЫХ АНКЕРНЫХ КРЕПЕЙ

ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ОБВОДНЕННЫХ И МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Юрий Иванович Николаев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)217-05-26, e-mail: 58nikolaev@mail.ru

Геннадий Алексеевич Ефентьев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник, тел. (383)217-05-26

В статье представлены результаты исследования параметров распорного анкера, выполненного из прессованной древесины. Дана оценка несущей способности анкера и распорного усилия со стороны анкера на стенки шпура. Приведена технология установки анкера и область его применения.

Ключевые слова: анкер, деревянная штанга, контурное прессование, набухание, распор, сцепление, трещиноватость, крепление, мерзлые породы, обводненные породы.

ENGINEERING EXPANSION SHELL ROCK BOLTS

FOR REINFORCEMENT OF JOINTED WET AND FROZEN ROCKS

Yuri I. Nikolaev

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Junior Researcher, tel. (383)217-05-26, e-mail: 58nikolaev@mail.ru

Gennady A. Efent'ev

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, tel. (383)217-05-26

The article reports tests of an expansion shell rock bolt made of compressed wood. The load-bearing capacity of the rock bolt and the thrust force applied by the rock bolt to drillhole walls are estimated. The installation technology and application range of the rock bolt are described.

Key words: rock bolt, wooden bolt, perimeter compaction, expansion, thrust force, cohesion, jointing, reinforcement, frozen rocks, wet rocks.

Практика горного дела показывает преимущество анкерной крепи с точки зрения технологии крепления, механики пород, расхода материалов и трудоемкости работ по поддержанию горных выработок. Анкерная крепь длительное время развивалась в направлении повышения сопротивления анкера на выдергивание. Связано это со стремлением с большими усилиями нагружать породы у опорной плиты анкера для того, чтобы прочнее «пришивать» неустойчивые нарушенные породы к прочному ненарушенному массиву. Результатом стало создание анкерной системы, которая надежно поддерживает горные выработ-

ки, проводимые в крупно-блочных массивах с незначительной трещиновато-стью и при наличии прочности закрепляемых пород на одноосное сжатие не ниже определенного значения.

Однако при креплении выработок, проводимых в более сложных условиях, анкерное упрочнение часто не отвечает требованиям обеспечения их устойчивости. В этих условиях применение распорных анкеров, способных создавать высокие поперечные давления по всей боковой поверхности шпуров, а вокруг шпуров активную зону нагружения пород, может оказать существленное влияние на крепление с позиций механики горных пород. Появление в массиве упрочняемых пород усилий всестороннего сжатия позволит повысить их прочность и устойчивость.

Усилия закрепления известных в настоящее время анкеров системы «сплит-сет» компании «Интерсол-ренд» [1] и штанг «свеллекс» фирмы «Атлас Копко» [2] позволяют оценить их распор величиной до 1 МПа. Он обеспечивает сцепление штанги с породой, достаточное для удержания породы на месте, что дает некоторое повышение устойчивости породного массива. Однако его недостаточно для исключения сдвижения пород при перегрузках породного массива, а также для предотвращения обрушения пород в пространстве между анкерами.

Расчеты по определению необходимого распора.

Схема расчета представлена на рис. 1. Для его простоты массив породы, в котором проводится выработка, представляется разделенным трещинами на одинаковые блоки кубической формы. Анкеры устанавливаются по квадратной схеме с равным расстоянием между рядами анкеров и анкерами в одном ряду. После установки анкера в шпур в его окрестности распределяется давление, которое имеет следующий вид [3]:

где а г - давление на расстоянии г от оси шпура; д - горное давление; Р - распор анкера в шпуре; Я - радиус шпура; г - расстояние от оси шпура.

а г = (д + Р) (Я / г) 2 + д,

(1)

я

Рис. 1. Схема для расчета необходимого распора анкеров в шпурах

На рис. 1 приводится квадратный участок боковой поверхности выработки, который закрепляется четырьмя анкерами. В центре участка располагается одиночный блок породы. Расчет ведется на величину распора анкеров в шпурах, окружающих блок, при котором вес блока уравновешивается силами трения, которые действуют по боковым поверхностям блока. Горное давление и прочность сцепления между блоками у боковой поверхности выработки принимаются равными нулю. Влияние распора более удаленных от блока анкеров расчетом пренебрегается.

Уравнение для расчета необходимого распора имеет вид:

рЪ3 g = 4 ктр Ъ2 Р Я2/(а /42 - Ь/2)2, (2)

где р - плотность горной породы; Ъ - размер ребра кубического блока породы; g - ускорение свободного падения; ктр - коэффициент трения между блоками породы; а - расстоянием между рядами анкеров и анкерами в одном ряду.

Формула для расчета величины необходимого распора после решения уравнения (2) и введения обозначения п = Ъ/а, имеет следующее выражение:

Р = рg а3 п(42 - п)2/16 Я2ктр (3)

-5

В качестве примера расчет по формуле (3) для условий, когда р = 2000 кг/м ; п = 0,25; ктр = 0,5; а = 1м дает для анкеров «сплит-сет», устананавливаемых в шпурах диаметром 35 мм (Я=1,7510-2 м) величину необходимого распора равную 2,71 МПа, а для штанг «свеллекс» и деревянных анкеров, размещенных

Л

в шпурах диаметром 43 мм (Я=2,1510- м), необходимый распор составит 1,8 МПа.

Конструкция анкера для упрочнения трещиноватых обводненных и мерзлых пород.

Предлагаемая конструкция анкера представляет собой штангу из прессованной древесины внутренний и внешний концы которой выполнены с конусообразными скосами, а на внешнем ее конце установлена опорная плита, выполненная из древесного пластика. Для крепления горных выработок анкер вгоняется с натягом в предварительно пробуренный шпур до контакта с породой опорной плиты, которая удерживается на штанге силами трения.

Анкер изготавливается из древесины прочных пород дерева диаметром равным диаметру шпура для его установки. Степень прессования древесины анкера в долях от первоначального размера [4] выбирается в диапазоне от 0,1 до 0,4 д.ед.

Механизм действия анкера.

Механизм действия предлагаемого анкера (далее анкера) аналогичен действию анкера «сплит-сет», выполненного из металлической трубы с продольным разрезом [1]. Однако благодаря способности составляющих элементов ан-

кера к быстрому набуханию, он имеет несколько дополнительных полезных качеств: создает в анкерных шпурах распорное давление большее, чем анкер «сплит-сет» и штанга «свеллекс»; выполняет самонатяжение; выполняет на-гружение массива усилиями, нарастающими во времени; оказывают нарастающее сопротивление нагрузкам на породный массив; благодаря пластичности штанги, не теряет сцепления с породами, которые подвергаются взрывным и иным сейсмическим воздействиям; благодаря низкой теплопроводности штанги, сохраняет сцепление с мерзлыми породами; пригоден для применения в трещиноватых, обводненных и мерзлых горных породах.

Эксперименты по определению прочности закрепления анкера.

Эксперименты в лабораторных условиях проводились для определения усилий, необходимых для смещения анкера в шпуре при его проталкивании в шпур и при его вытягивании из шпура. С помощью известной зависимости [5] рассчитывались удельные усилия сцепления штанги анкера со стенками шпура:

с = Е/ж Л, (5)

где с - удельное усилие сцепления штанги анкера со стенками шпура, МПа; F -усилие, необходимое для смещения анкера в шпуре, Па; d - диаметр шпура, м; I - длина анкера в шпуре, м.

На рис. 2, 3 показаны результаты экспериментов по смещению сосновых анкеров, установленных в шпурах, выбуренных в водонасыщенном массиве. Кривые демонстрируют рост усилий сцепления анкеров во времени и при росте степени прессования древесины анкера.

Рис. 2. Зависимость максимального удельного сцепления анкера со стенками шпура от степени прессования древесины

Рис. 3. Зависимость удельного усилия сцепления анкера со стенками шпура от времени увлажнения:

1 - к =0,047; 2 - к =0,085; 3 - к = 0,112; 4 - к = 0,174; 5 - к = 0,226; 6 - к =0,326

Расчеты по определению создаваемого в шпуре распора.

Удельное усилие сцепления анкера со стенками шпура и распор связаны уравнением:

С = Р/тр, (6)

где /тр. - коэффициент трения древесины сосны о породу.

Коэффициенты трения между разными горными породами и породами древесины детально изучены [6]. Для сосны во влагонасыщенном состоянии коффициент трения о разные породы изменяется в пределах от 0,52 до 0,6. Это позволяет при использовании данных, приведенных на рис. 2, с помощью уравнений (5) и (6) рассчитать величины распора, усилие вытягивания из шпура, усилие закрепления замка, рабочее сопротивление и другие технические характеристики анкера.

Выводы

1. Закрепление анкера происходит по всей площади соприкосновения с боковыми стенками шпура и нарастает во времени по мере набухания древесины штанг. За первые два часа после установки в увлажненном шпуре прочность закрепления достигает 25% от максимальной, через 4 часа - 50%, через 24 часа прочность превышает рабочее сопротивление анкера и продолжает нарастать на протяжении последующих шести суток.

2. Первые сутки анкер является податливой крепью, а затем переходит в работу жесткой крепи.

3. Анкер в зависимости от степени прессования древесины создает по всей боковой поверхности шпура распор от 0,5 до 3,2 МПа, который превышает распорное давление на которое способны анкеры «сплит-сет» и штанги «свел-лекс».

4. Прочность закрепления анкера растет пропорционально увеличению диаметра, длины замка и степени прессования древесины штанг. Целесообразно применять анкер диаметром не менее 35 мм с высокой степенью прессования штанг, равной 0,33 и более. При увеличении диаметра анкера степень прессования древесины может быть снижена.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Скотт Д. Новая анкерная крепь / Д. Скотт // Глюкауф. - 1980. № 3. - С.6-10.

2. Гетце В. Крепь горизонтальных выработок / В. Гетце, Ю. Крае // Глюкауф. - 1981. № 18. - С.31-32.

3. Турчанинов И.А. Основы механики горных пород / И.А.Турчанинов, М.А.Иофис, Э.В.Каспарьян. - Л.: Недра, 1989.-488с.

4. Хухрянский П. Н. Прессование древесины / П. Н. Хухрянский. - М.: «Лесная промышленность», 1964.-С.28-29.

5. Юхименко А.Г. Анкерная крепь из пластифицированной древесины/А.Г.Юхименко, Б.П.Стуре // Уголь.- 1963.- №9.- С. 20-22.

6. Широков А.П. Теория и практика применения деревянной анкерной крепи / А.П.Широков, В.С.Евсеев, В.А.Лидер.-Кемерово, 1973.-197с.

© Ю. И. Николаев, Г. А. Ефентьев, 2016