CC BY
35
© С.Н. Александров, Н.Н. Касьян, А.О. Новиков, И.Г. Сахно, 2008
УДК 622.281
С.Н. Александров, Н.Н. Касьян,
А.О. Новиков, И.Г. Сахно
НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАБОТЕ АНКЕРНЫХ СИСТЕМ ПРИ КРЕПЛЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ СЛОИСТОГО МАССИВА
Семинар № 15
На протяжении последних лет происходит интенсивное внедрение анкерных систем на угольных шахтах Украины. Анкерная крепь, как самостоятельный вид крепления, так и в сочетании с рамными крепями занимает надежные позиции в горнодобывающих отраслях стран дальнего и ближнего зарубежья. Это вызвано высокой технологичностью, безопасностью и экономичностью этого вида крепи. В настоящее время технология анкерного крепления вызывает повышенный интерес также благодаря тому, что применение современных механизированных комплексов позволяет отрабатывать высо-конагруженные лавы, месячное подви-гание которых составляет 150-200 и более метров, что требует своевременной подготовки выемочных столбов. Обеспечить необходимые темпы проведения выработок можно за счет применения анкерных систем.
Несмотря на долгую историю своего развития и очевидные преимущества, анкерная крепь до сих пор не нашла широкого применения на шахтах Донбасса. Это объясняется сложными горно-геологическими условиями, недостаточным опытом ведения работ в таких условиях, и как следст-
вие этому несовершенством нормативно-технологической базы по расчету анкерных систем.
В настоящее время расчет параметров анкерного крепления для шахт Украины производится на основе концепции опорно-анкерного крепления выработок. Суть ее состоит в том, что в приконтурном массиве при помощи анкеров с высокой несущей способностью штанг (250-1000 кН), создается система высокопрочных опор, блокирующих смещение пород в выработку [1], таким образом, осуществляется так называемое “опорное крепление”. При этом основная задача анкерной крепи - недопущение за-упругих деформаций вмещающего горные выработки массива. Изложенный выше подход заложен в основу отраслевой инструкции по расчету анкерной крепи [2].
Разработка и внедрение концепции опорно-анкерного крепления несомненно является большим шагом вперед, однако следует отметить, что указанная концепция не лишена недостатков. Основными из которых, на наш взгляд, являются:
- небольшая область применения, которая ограничивается породами второй категории устойчивости;
- сохранение приконтурных пород в пределах упругих деформаций требует высокой плотности анкерования, что иногда приводит к перерасходу анкеров. Это значительно снижает эффективность применения анкерной крепи.
- как показывает практика сохранить вмещающий массив в пределах упругих деформаций весь срок службы выработки удается нечасто. Тем не менее анкерная крепь в заупругой стадии деформирования пород может эффективно применяться.
В ДонНТУ на протяжении последних пяти лет развивается новая концепция крепления выработок анкерной крепью. Согласно которой анкер рассматривается не как силовой, а как армирующий горные породы элемент. С этих позиций создаваемая в окрестности выработки породноанкерная конструкция представляется как крепь выработки. Основной задачей анкерной крепи, в этом случае, является создание грузонесущей конструкции, позволяющей при максимальных смещениях сохранить высокую несущую способность. При этом допускаются заупругие деформации приконтурных пород при условии сохранения устойчивости выработки.
В настоящее время, вопрос рационального расположения анкеров, при реализации схемы сшивки слоистого породного массива, является недостаточно исследованным. Традиционная схема анкерования предполагает расположение анкеров перпендикулярно напластованию пород при выработке с прямой кровлей, и радиальное расположение анкеров при арочной или круглой форме выработки. При такой схеме установки анкеров сопротивление процессу расслоения оказывается силами сцепления между телом анкера и вмещающим массивом через связующий состав. Следует также отме-
тить, что при такой схеме анкерования направление деформации массива совпадает с направлением установки анкера, что не позволяет включить анкер как армирующий элемент в работу по предотвращению смещений.
Для определения рациональной схемы установки анкеров в слоистом массиве были проведены исследования методом физического моделирования [3, 4].
Имитировался участок непосредственной кровли длиной 2,4 м, залегающий над выработкой с плоской кровлей шириной 4,65 м. При этом моделируемый участок массива имел слоистую структуру. Был выбран масштаб моделирования 1:30. При моделировании были соблюдены геометрическое, силовое подобие и подобие механических характеристик. Породы кровли представленные песчаным сланцем моделировались при помощи песчано-цементного раствора.
При моделировании анкеры были ориентированы в следующих направлениях:
1. Радиальное расположение анкеров (рис. 1, а). В этом случае направление установки анкеров совпадало с направлением действия максимальных напряжений. Как известно на пластах пологого падения максимальные напряжения направлены перпендикулярно плоскостям напластования.
2. Перекрестное расположение анкеров (рис. 1, б). Анкеры ориентировали с наклоном в плоскости параллельной продольному сечению выработки под углом 45 градусов к направлению действия максимальных напряжений. При этом в соседних рядах анкеры располагали навстречу друг другу.
3. Наклонное расположение анкеров (рис. 1, в). Анкеры ориентирова-
Рис. 1. Направления ориентирования анкеров при моделировании: 1 - кровля выработки; 2 - анкер
ли с наклоном в плоскости параллельной поперечному сечению выработки под углом 45 градусов к направлению действия максимальных напряжений.
4. Расположение анкеров по смещенным диагоналям куба (рис. 1, Для этого поверхность породного обнажения по длине выработки или ее участка условно разбивается на четные и нечетные полосы. В пределах каждой полосы размечаются квадраты. Квадраты в четных полосах смещены вдоль оси выработки относительно квадратов нечетных полос на половину стороны своего основания. Анкеры устанавливают в вершинах квадратов, при этом направление анкеров совпадает с большими диагоналями кубов, боковыми гранями которых являются указанные квадраты.
Анкеры устанавливают с наклоном к забою выработки. При этом в четных и нечетных рядах анкеры направлены в противоположные стороны относительно поперечного сечения выработки.
Было проведено испытание девяти серий моделей. Каждая серия состояла из четырех различных групп образцов.
Испытания заанкерованных образцов проводили на механическом прессе согласно ГОСТ 8462-85 по схеме нагружения, представленной на рис. 2.
Подготовленный образец (1) укладывали на специально изготовленную постель (2) с расстоянием между опорами 155 мм. Постель располагали между плитами (3) механического пресса. Нагрузка прилагалась ступен-
чато посредине образца через стальную полосу (4) шириной 30 мм с доведением образца до полного разрушения и потери несущей способности. Происходящие смещения фиксировались при помощи индикатора часового типа (5).
После обработки результатов моделирования было замечено, что при нагружении образцов можно выделить три этапа. Первый - деформирование в пределах упругости, при этом дефектов в структуре материала не наблюдается. Второй - деформации до момента начала разрушения. Третий - деформирование образца с нарушениями сплошности (трещинами).
При этом степень влияния схем установки анкеров на различных этапах была разной. Так на первом этапе такое влияние было весьма незначительным, практически все образцы деформировались одинаково. На втором этапе начинала оказывать влияние схема установки анкеров. Незакрепленные образцы разрушались первыми сразу после нарушения сплошности. Образцы с радиальными и перекрестными анкерами продолжали воспринимать нагрузку также до момента нарушения сплошности по-
сле чего полностью теряли свою несущую способность и разрушались. Образцы с пространственным расположением анкеров не теряли своей несущей способности после нарушения сплошности и переходили к деформациям третьего типа. Эти образцы сохраняли свою несущую способность даже при видимом раскрытии трещин, в отдельных случаях до момента достижения относительных деформаций 20-25 %. Анкера в этом случае были установлены так, что перекрывали весь укрепляемый объем. Таким образом, при разрушении материала образца анкер связывал между собой образующиеся блоки и препятствовал их дальнейшему взаимному перемещению и разрушению. Это способствовало перераспределению сил в анкерно-породной конструкции и созданию бокового подпора.
На основании этого можно сделать вывод, что установка анкерных штанг приводит к образованию единой породно-анкерной конструкции, которая по разному деформируется, в зависимости от схемы установки анкеров.
Характерный график „нагрузка-деформация” приведен на рис. 3. По оси абсцисс на графике отложены
смешения и, мм, по оси ординат -прикладываемая нагрузка ^ Н. Ось абсцисс ограничена 10 % относительных смешений.
Влияние плотности анкерования на нагрузочно-деформационную характеристику слоистого образца было исследовано на моделях с плотностью установки анкеров 0,35 анк/м2, 0,7 анк/м2, 1,075 анк/м2, 1,6 анк/м2, 2,15 анк/м .
Оказалось, что увеличение плотности анкерования не приводит к пропорциональному росту несушей способности образцов. Максимальная несушая способность обеспечивается при плотности анкерования 1,6 анк/м2. Дальнейший рост плотности анкерования приводит к снижению несушей способности образцов, проявляется так называемый эффект пе-реармирования, известный при расчете железобетонных конструкций [5].
Также был исследован вопрос влияния мошности слоев составляю-ших породно-анкерную конструкцию на нагрузочно-деформационную характеристику последней при постоянной мошности и прочности всех слоев. При прочности пород 60 МПа уменьшение мошности слоев — в 1,3
раза с 0,52 (— = 0,11) до 0,39 м В
Рис. 3. Деформационная характеристика образцов при разных схемах установки анкеров (прочность 82 МПа, плотность анкерования 1,6 анк/м2): 1 - монолитный образец; 2- слоистый без анкеров; 3 - слоистый с радиально расположенными анкерами; 4 - слоистый с перекрестным расположением анкеров в плоскости; 5 - слоистый с пространственным расположением анкеров с ориентацией их по смешенным диагоналям куба
к
(В = 0,083 ) приводит к снижению
несущей способности слоистого неукрепленного образца в 1,57 раза, образцов с радиальным расположением анкеров в 1,5-2 раза, образцов с расположением анкеров по смещенным диагоналям куба в 1-2 раза. Для образцов с расположением анкеров по смещенным диагоналям куба указанное уменьшение мощности слоев привело к снижению относительных деформаций, так при плотности анкерования 1,6 анк/м2 последние снизились на 60 %.
Проведенные исследования позволили предложить методику расчета анкерных систем, отличающуюся тем, что создаваемая породно-анкерная конструкция рассматривается как крепь выработки. По этой методике были рассчитаны параметры анкерной крепи для конвейерного штрека
северной коренной лавы пл. к 8 горизонта 450 м и 5 южного конвейерного штрека уклона пл. т51в гор. 450 м ОП „Шахта „Добропольская” [6]. В указанных выработках были оборудованы замерные станции и проводились наблюдения за смещением при-контурных пород [6].
Наблюдения за смешениями контурных реперов, показывают, что вне зоны влияния очистных работ величина смешений пород кровли выработки на участке с анкерной крепью почти в 2 раза меньше чем на участке с рамной податливой крепью, при этом время затухания деформаций также меньше. В зоне влияния очистных работ смешения кровли на участке с рамной податливой крепью меньше чем на участке с анкерной крепью. Особенностью смешений кровли в выработке, закрепленной анкерной крепью, является то, что на участке сопряжения с лавой они происходят скачкообразно, одновременно на 6-12 метрах (рис. 4), что объяс-
Рис. 4. Графики изменения смешений пород кровли (и) 5-го южного конвейерного штрека пл. т51в гор. 450 м ш. Добропольская от расстояния до лавы Ь, на участке с анкерной (1) и рамной податливой (2) крепью в зоне влияния очистных работ
няется обрушением зависающей в выработанном пространстве консоли создаваемой при помоши анкеров породно-анкерной конструкции.
Несмотря на то, что смешения пород кровли вблизи очистного забоя на экспериментальном участке несколько больше, чем на контрольном, выработка сохраняла свое эксплуатационное состояние весь период службы. Состояние выработки вне зоны влияния очистных работ и в зоне влияния лавы приведено на рисунках 5 и 6. Экономический эффект от применения предлагаемых рекомендаций составил 400-475 грн на 1 м выработки.
Проведенные лабораторные и шахтные исследования позволяют сделать заключение о том, что использование анкерных систем как ар-мируюших элементов создаваемой армопородной конструкции позволяет значительно расширить область применения анкерной крепи и обеспечить устойчивое состояние выработок при деформировании окружаюших пород за пределом упругости.
Рис. 5. Обший вид штрека вне зоны влияния очистньх работ
Рис. 6. Обший вид штрека в зоне влияния очистных работ (2 м за лавой)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булат А.Ф., Виноградов В. В. Опорноанкерное крепление горных выработок угольных шахт / Ин-т геотехнической механики НАН Украины. - Днепропетровск, 2002. - 372 с.
2. КД 12.01.01.501-98. Система забезпечення надійного та безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги / Минуглепром Украины 1998.
3. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Влияние схем расположения анкеров в слоистом массиве на его деформационные характеристики // Вісті Донецького гірничого інституту. - 2005. - №2. - С. 84-86.
4. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Лабораторные испытания влияния схем установки
анкеров в массиве слоистой структуры на его нагрузочно-деформационные характеристики // Вісник Криворізького технічного університету. - 2006, № 4(14), С. 3437.
5. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат. -1984. - 728с.
6. Результаты внедрения анкерных систем для поддержания горных выработок на шахте «Добропольская» / В.А. Плетнев, Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, И.Г. Сахно // Геотехнологии и управление производством XXI века. Том 1. Монография. - Донецк: ДонНТУ, 2006. - С. 39-44. ЕШЗ
— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------
Александров С.Н., Касьян Н.Н., Новиков А.О., Сахно И.Г. - ДонНТУ, Украина.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.В. Мельник.
