CC BY
62
60 В.Е. Ануфриев, А.С. Позолотин, А.А Ренев, В.М. Рычковский, Ю.Ю.Самолетов
на опытном участке с канатными анкерами длиной 5 метров были незначительно деформированы в окрестности опорных муфт канатных анкеров и приняли уступную форму в низ в сторону механизированной крепи.
Учитывая изменчивость
свойств массива, расстояние до несущего слоя кровли может существенно изменяться.
Вследствие этого за основу расчета надежнее за контур устойчивой части массива принимать углы цт3 полных сдвижений с учетом величины отжима краевой части угольного пласта. Для условий кровли пласта в районе демонтажной камеры лавы 5а-6-16 эти углы равны 55-59°. К расчету, с некоторым запасом, следует принимать угол » 6062°, а длину анкеров 1а = 5м.
Минимальный интервал закрепления полиэфирной смолой канатного анкера за контуром устойчивой части массива >900 мм, при закреплении минеральной композицией > 1200 мм. В этом случае обеспечивается равнопрочность закрепления.
На нижнем сопряжении по
ЗС№5
Дата
ЗС№4
ЗС№<0
Рис. 7. Поинтервальная дезинтеграция кровли на опытных участках
данным визуальных наблюдений после демонтажа секций крепи контур обрушения (в отличие от коротких 1а = 2,2-3 м сталеполимерных анкеров) обтекал опорные элементы канатных анкеров, а там где они не были установлены, контур обрушения углубился в выработку.
Отдельные опорные элементы канатных анкеров на сопряжениях обтекались непосредственной кровлей с образованием уступов величиной 5080 мм. При этом нагрузка на анкеры по данным наблюдений не превысила 200 кН.
Таким образом, разработанная технология доупрочнения приконтурного массива демонтажных камер, основанная на закреплении канатных анкеров за контуром неустойчивой части массива определяемой поверхностями наклоненными под углами полными сдвижений, обеспечивает безопасное устойчивое состояние кровли, характеризующееся существенно меньшим расслоением кровли по сравнению со стандартным креплением и нагрузкам, не превышающим несущую способность канатного анкера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петухов И.М., Линьков А.М., Сидоров В. С. Теория защитных пластов. М., «Недра», 1976, 224 с.
□ Авторы статьи:
Ануфриев Виктор Евгеньевич
- канд. техн. наук, старший научный сотрудник ИУУ СО РАН
Позолотин Андрей Сергеевич
- аспирант КузГТУ, ведущий программист ИУУ СО РАН
Ренев
Алексей Агафангелович
- докт. техн. наук, проф. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Рычковский
В.М.
- канд. техн. наук, зам. нач. Кузнецкого управления Госгортехнадзора РФ
Самолетов Юрий Юрьевич
- главный технолог ЗАО «Распадская»
УДК 622.286
П.В. Егоров, А.В. Песиков
К ВОПРОСУ ВЫБОРА БАЗОВОЙ СХЕМЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ
Существующие аналитические методы расчета конструктивных параметров целиков можно подразделить на группы, в основе которых лежат гипотеза свода, гипотеза плит и балок,
гипотеза трещиноватой среды и методы механики упругой среды.
Гипотеза упругой среды. Однородные прочные породы типа песчаников, обладающие
высокими упругими постоянными, при достаточной их мощности (сравнительно с размерами выработки) практически допустимо рассматривать как упругую среду. Основанием
такой аналогии является квазиизотропность таких пород, небольшое распространение дефектов их структуры. В качестве допущений принимается, что толщу пород в вертикальном сечении можно уподобить бесконечной упругой полуплоскости, а выработку - вырезу в ней. Задача о концентрации напряжений у вырезов в упругой среде изучалось с конца XIX века такими учеными как
Н.И.Мусхелишвили [1], Шерман Р.И. [2] и многие другие. Впервые для выявления распределений напряжений вокруг выработки применительно к горному делу этот метод был предложен А.Н.Динником [3].
Гипотеза плит. Гипотеза плит является дальнейшим развитием гипотезы балок, которая известна около ста лет. Наиболее энергично из числа отечественных ученых эту гипотезу развивал В.Д.Слесарев. Предположение о том, что кровля, сложенная слоистыми породами, работает подобно плите, высказывали В.Д.Слесарев [4], Г. Герман [5] и др. Проф. В.Д. Слесарев впервые четко сформулировал представление о кровле как о плите и дал приближенный метод замены плиты эквивалентной ей балкой. Доказал, что кровля, сложенная твердыми слоистыми породами как не трещиноватыми, так и трещиноватыми, работает подобно пачкам плит. Это так же подтверждается многочисленными шахтными исследованиями.
Гипотеза трещиноватой среды. Механизм разрушения трещиноватых пород в кровле представляется следующим образом. Проведение выработки приводит к перемещениям несплошных плит, слагающих кровлю. Плиты рассматриваются как балки, у которых раскрываются трещины вблизи опор и середины. Перемещение частей разрушенной балки происходит в виде их поворота относительно опор. Так образуются трехшарнирные арки, которые груп-
пами или последовательно разрушаются до тех пор, пока пролет не уменьшиться настолько, что последняя из них не будет обладать некоторым запасом несущей способности.
Гипотеза свода. Представление о том, что в кровле выработки в ряде случаев может образоваться свод, известно очень давно. Одна из первых гипотез была предложена профессором В. Риттером [6] в 1879 г.
Сущность гипотезы состоит в следующем. Над выработкой, проведенной в толще любых пород (за исключением плыву -нов), на любой глубине, образуется свод давления, который воспринимает на себя вес вышележащих пород, разгружая крепь выработки. Максимальная нагрузка на крепь определяется весом пород внутри свода, называемого ядром свода или сводом давления. Действие всего веса толщи пород до поверхности передается пятам разгружающего свода на массивы горных пород по бокам выработки. Гипотеза свода базируется на реальном, издавна известном явлении, воспроизводимом в экспериментах, исследования которого осуществлялись многими авторами на протяжении свыше ста лет. Гипотеза свода с позиций геомеханики подтверждается следующими соображениями [7]. Нетронутый массив находится в состоянии равновесия, которое нарушается с появлением очистного пространства. Оно должно восстанавливаться соответствующим перераспределением напряжений в массиве горных пород и нагрузок между целиками. Перераспределение напряжений сопровождается сдвигом горных пород по линиям скольжения согласно паспорту прочности горных пород. Огибающая предельных кругов Мора породы в общем виде представляет собой полусвод [8], который в натурных условиях замыкается аналогичным полусводом с другой стороны выработанного пространства. Результатом яв-
ляется образование над очистным пространством свода естественного равновесия. При этом происходит образование зоны разгрузки, которая имеет по результатам многих исследований форму свода. Основная задача заключается в определении формы кривой, ограничивающей свод давления. Путем вариационного исчисления В. Риттером была получена искомая функция, представляющая собой вид параболы:
у = ^— х(1 - х), (1) 4ар
где у - удельный вес породы,
кН/м3;
<Ур - предел прочности пород на разрыв, МПа;
I - ширина блока, м;
х - текущее расстояние от границы блока, м.
Максимальная высота свода при х=1/2 составляет:
2
к - У . (2)
пшах - 7 ^ 4 '
16 ар
Выразив ар из (2) и вставив в (1), получаем зависимость (3) высоты свода давления, имеющую вид параболы:
у--4ктах х2 + 4ктах х (3)
I2 1
В вольной интерпретации
Рис. 1. Условие формирования нагрузок на междукамер-ные целики в пределах выемочного блока
62
П.В. Егоров, А.В. Песиков
Рис. 2. Общая схема изолиний напряжений в углепородном массиве при отработке участка пласта камерной системой разработки
гипотезы свода В. Риттера нагружение целиков при камерной системе разработки будет иметь несколько иной характер. В пределах выемочного блока нагрузка на междукамерные целики распределяется неравномерно. Как показывают шахтовые эксперименты и теоретические исследования, целики, расположенные в центре выемочного блока нагружены больше, чем расположенные по краям. Это явление объясняется тем, что давление на целики создается не только весом отслоившихся пород, но и силой давления упруго расширяющихся пород внутри так называемого свода давления. Упругое расширение происходит в пределах зоны разгрузки выработанного пространства. Большинство исследований подтверждают, что зона разгрузки имеет вид эллипса, вытянутого в направлении дневной поверхности (рис. 1).
Согласно схеме нагрузка на целики определяется удельным весом отслоившихся пород в приконтурных слоях кровли РоТСЛ и реакции упруго расширяющихся пород в ядре свода РУПР, как показано на рис. 1.
Правильность вышеизложенных рассуждений подтверждается характером распределения напряжений в углепородном массиве, полученных методом конечных элементов. Как видно из рис. 2, изолинии напряжений имеют сводчатую форму, по численному значению которых и определяется нагрузка на целики. В связи с этим можно сделать вывод, что при камерных системах разработки без обрушения кровли расчетная схема для определе-
ния нагрузки на междукамер-ные целики в качестве основы будем иметь гипотезу свода, а не плит, балок или трещиноватой среды.
На основе изложенного материала есть возможность обосновать рациональный метод расчета междукамерных целиков при принятой расчетной схеме согласно гипотезе свода. При этом резонно следует предположить, что, поскольку меж-дукамерные целики имеют незначительные размеры (ширину), они будут находиться в одноосном напряженно - деформированном состоянии. Из этого следует, что основным критерием прочности и сохранения несущей способности междука-мерных целиков является чисто механическое соответствие несущей способности целиков приходящейся на них нагрузки [9]. То есть расчет междукамер-ных целиков следует вести по методу Турнера - Шевякова, по принципу допускаемых напряжений [10].
Однако на основе экспериментальных и теоретических исследований выявлено, что на целики в пределах блока, при определенном соотношении глубины разработки и размеров отработанного участка, в
формировании нагрузок на целики участвует не весь столб пород до поверхности, требуется внести корректировку. Расчет целиков следует производить исходя из того, что нагрузка, приходящаяся на них, составляет не полный вес пород до земной поверхности, как предполагал Л. Д. Шевяков, а лишь его часть, которая локализуется в некотором объеме на расстояние от пласта менее глубины
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
разработки. На основе приведенных данных можно с уверенностью утверждать, что указанный объем в вертикальном сечении имеет форму свода. Это утверждение доказывается как натурными наблюдениями характера вывало- и куполообра-зования монолитных пород непосредственной кровли, так и теоретическими исследованиями и результатами компьютерного моделирования.
Выполненные исследования проведены благодаря финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования Российской Федерации.
1. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости.- М.: Госгор-техиздат, 1960.- 378 с.
2. Шерман Д.И. К вопросу о напряженном состоянии междукамерных целиков. Упругая весомая среда, ослабленная отверстиями эллиптической формы // Изв. АН СССР, ОТН.- 1952.-№ 6-7.- с. 14-21.
3. Динник А.Н. Распределение напряжений вокруг горных выработок/ Динник А.Н., Моргалевский А.Б., Савин Г.Н. // Труды совещания по управлению горным давлением.- М.-Л.: АН СССР, 1938.- с. 176185.
4. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения.- М.: Углетех-издат Западугля, 1948.- 196 с.
5. Герман А.П. Обзор теоретических подходов в изучении горного давления.- М.: Углетехиздат Западугля, 1948.- с. 201-214.
6. Ritter W. Die Static der Tunnel- Gewolbe.-Berlin, 1879.-s.347
7. Айталиев Ш. М. Управление сводообразованием при камерно - столбовой системе разработки / Айталиев Ш. М., Такишов А. А. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2000.-№2.-с. 5-14.
8. Попов В.Н. Модель нагрузки на группу междукамерных целиков // Комплексное использование минерального сырья.-1992.- №12.- с. 10-15.
9. Песиков А.В. Анализ методов расчета междукамерных целиков // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых/ Калинин С.И., Агудалин Б.П., Песиков А.В.// Под ред. Егорова П.В.: Кузбассуглетехнология.- Кемерово, 2001.-с.56-66.
10. Шевяков Л.Д. О расчете прочных размеров и деформаций опорных целиков.// Известия АН СССР, 1941.-№7-9.-с. 27-34.
0 Авторы статьи:
Егоров Петр Васильевич
- докт. техн.наук, проф., зав. каф. разработки месторождений полезных ископаемых
Песиков Андрей Васильевич
- аспирант каф. разработки месторождений полезных ископаемых
