CC BY
25
© Ю.В. Бондаренко, Г.И. Соловьев, Е.В. Кублицкий, И.К. Демин, 2002
УДК 622.831
Ю.В. Бондаренко, Г.И. Соловьев, Е.В. Кублицкий, И.К. Демин
О ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАРКАСНОЙ УСИЛИВАЮЩЕЙ КРЕПИ ВЫЕМОЧНОЙ ВЫРАБОТКИ С ВМЕЩАЮЩИМИ ПОРОДАМИ
§ § а основании эксперимен-
Ш Ж тально-аналитических
исследований сформирована физическая модель взаимодействия каркасной усиливающей крепи и вмещающих пород.
В 1998-2000 гг. в вентиляционной выемочной выработке пласта сц на шахте «Южнодон-басская №3» на глубине более 800 м впервые были проведены опытно-промышленные испытания каркасной крепи.
Она состояла из комплектов обычной трехзвенной металлической арочной крепи, соединенных между собой одной или двумя длинными жесткими балками из двутавра (рис. 1а). Балки подвешивались к верхнякам арочной крепи до входа экспериментального участка выемочной выработки в зону влияния опорного давления лавы. Для предотвращения искривления профиля верхняков между ними и балкой (балками) вставлялись криволинейные сегменты из спец-профиля.
Вентиляционный ходок 4-й восточной лавы, в котором испытывалась новая крепь, был проведен вприсечку к транспортному ходку 3-й восточной лавы с оставлением ленточного угольного целика шириной 3,0-4,0 м (рис. 1б). Непосредственная кровля пласта была представлена песчаноглинистым сланцем мощностью от 4,5 до 13,7 ми пределом прочности на одноосное сжатие 30-40 МПа. В отдельных местах по площади выемочного поля непосредственно над пластом залегала ложная кровля мощностью 0,1-0,5 м. В основной кровле
Рис. 1. Схема проведения испытаний каркасной усиливающей крепи: а - общий вид усиленной крепи; б - расположение экспериментальных участков в выработке
располагался песчаник мощностью 3,0-6,0 м с пределом прочности 50-70 МПа. В непосредственной почве пласта с11 залегал песчано-глинистый сланец мощностью 1,6-2,0 м и пределом прочности 20-40 МПа, ниже которого располагался обводненный пропласток угля с11н мощностью 0,2 м. Основная почва была представлена песчаником мощностью 2,0-3,5 м с пределом прочности 40-50 МПа.
Пласт с11, имеющий в пределах выемочного поля слабоволнистую гипсометрию с относительно выдержанным углом падения 7-90 и мощностью 1,55-1,7 м, вынимался 4-й восточной лавой по восстанию по комбинированной системе разработки. Проветривание лавы прямоточное с под-свежением исходящей струи и отводом ее на выработанное пространство через вентиляционный ходок. Общая длина выемочного поля составляла 1300 м. Средняя скорость подвигания 4-й восточной лавы составила 55-60 м в месяц.
Подготовительные выработки проводились проектным сечением 11,2 м2 и крепились трехзвенной металлической арочной крепью, комплекты которой устанавливались че-
рез 0,8 м. Конвейерный ходок, погашаемый в 6 м за лавой, охранялся одним рядом деревянных костров размером 1,6х1,6 м, которые устанавливались через 2,4 м между деревянными брусьями. Вентиляционный ходок охранялся двумя рядами буто-костров, выкладываемых всплошную и заполняемых породой от подрывки почвы в ходке в створе с лавой.
До применения каркасной крепи в выемочной выработке наблюдалось интенсивное деформирование боковых пород. Конвергенция кровли и почвы достигала 1,5-2,0 м.
Основной целью натурного эксперимента было выявление характера влияния соединения автономных комплектов крепи жесткой балкой на опускание кровли выработки. В связи с этим, впервые в практике горных исследований наблюдательные станции располагались с повышенной частотой - через 0,8 м по длине выработки.
Наблюдения проводились на контрольном и 3-х опытных участках вентиляционного ходка 4-й восточной лавы, на каждом из которых применялись 3 разных варианта каркасной крепи (рис. 1б).
На контрольном участке комплекты крепи работали автономно.
На первом экспериментальном участке длиной 40 м комплекты крепи имели жесткую связь в виде одной двутавровой балки, сваренной из двух швеллеров из спецпрофиля №14, которая подвешивалась к верхнякам рам крепи металлическими крюками диа-
метром 0,035 м. Как указывалось ранее, под верхняки устанавливались сегменты из спецпрофиля большего типоразмера, чем применявшийся в крепи выработки. По длине выработки
Рис. 2. График зависимости величины средних смещений контура кровли выработки h от расстояния до лавы £: 1, 2, 3, 4 -смещения соответственно на контрольном и трех экспериментальных участках
балки длиной 3 м соединялись между собой внахлестку при помощи болтового соединения.
Второй экспериментальный участок выработки также имел длину 40 м. В дополнение к конструкции каркасной крепи усиления первого варианта каждый комплект крепи усиливался химическим анкером длиной 2,5 м, который располагался по центру выработки у верхняка крепи и соединялся с ним и жесткой балкой отрезком металлической конвейерной цепи.
Третий экспериментальный участок также имел длину 40 м и был удален от второго на 20 м. Каркасная крепь усиления этого участка: две двутавровые балки из спецпрофиля №16, сегменты из спецпрофиля, два химических анкера (на каждом комплекте основной крепи), соединительные узлы.
Каждый из трех экспериментальных участков оборудовался контурными замерными станциями, в состав которых входили по 4 репера (кровельный, почвенный и 2 боковых). В качестве реперов использовались отрезки металлических стержней длиной 0,8 м и диаметром 30 мм, устанавливаемые с помощью цементного раствора в пробуренные короткие шпуры. На каждом участке станции устанавливались через 0,8 м в средней части участка длиной 20 м и через 1,6 м на остальной его части.
Замеры смещений на первом участке начались при расстоянии между лавой и ближайшей замерной станцией в 180 м. Смещения контура кровли фиксировались один раз в три дня. Инструментальные наблюдения были прекращены тогда, когда расстояние после прохода лавы от нее до последней замерной станции третьего экспериментального участка составило 120 м.
Обработка и анализ результатов инструментальных наблюдений показали уменьшение на 19-58% общего опускания кровли выработки за лавой на трех экспериментальных участках, на которых верхняки соединялись жесткой балкой (или балками), по сравнению с данными, полученными в той
части выработки, где такое соединение отсутствовало (рис. 2).
Представляет научный и практический интерес выявление физического механизма этого положительного эффекта, достигаемого без увеличения несущей способности крепи и без применения дополнительных усиливающих элементов, а только за счет соединения верхняков крепи металлическими балками, обладающими конечной жесткостью в вертикальной плоскости.
Действительно, анализ результатов инструментальных наблюдений, проведенных на трех участках выработки пласта с11 (пласта «Южнодонбасская №3), в одном из которых комплекты крепи работали автономно, а двух других соединялись конструкциями разной жесткости, дал убедительные свидетельства положительного влияния консолидации крепи. Соединение верхняков одной балкой (жесткость 1Е = 218-104 Н-м2), уменьшило опускание кровли выработки в период прохождения по ней зоны опорного давления на 19 %. При использовании двух балок (общая жесткость конструкции - 1Е = 436-104 Н-м2) отмечено еще большее уменьшение опусканий - до 58 %.
Особенности постановки шахтного эксперимента, которые заключались в установке наблюдательных станций с повышенной частотой на большом протяжении выработки (около 160 м) и высокая частота замеров (через 48-72 ч) позволили исследовать причины уменьшения опусканий кровли выработки при жестком соединении верхняков. В ходе дли-
тельных наблюдений установлено, что такое соединение, прежде всего, уменьшает неравномерность опускания кровли.
В результате анализа данных проведенных экспериментальных наблюдений были расширены представления о характере смещений пород контура кровли выемочной выработки и выявлены новые особенности, которые заключаются в неравномерном опускании кровли даже на малых по длине (0,8-1,2 м) смежных ее участках и увеличении этой неравномерности вдоль выработки по мере приближения очистного забоя.
Установлены количественные значения рассогласований скоростей смещений контура на соседних близко расположенных (на расстоянии не более 0,8-1,2 м друг от друга) участках выемочной выработки и зависимость этого рассогласования от расстояния между движущимся очистным забоем и местами замеров. При отсутствии жесткой связи между комплектами крепи на участках выемочной выработки, расположенных впереди движущегося очистного забоя на расстоянии 50-100 м от него, среднее квадратичное отклонение скорости смещений контура кровли изменяется от 0,00031 до 0,0011 м/сут, по мере приближения лавы оно увеличивается до
0,0069 м/сут. После прохода лавы на расстоянии 40-50 м позади очистного забоя интенсивность рассогласования уменьшается до 0,0036-0,0026 м/сут, а на расстоянии 120 м позади лавы оно снижается до 0,0003 м/сут.
Выявленная в результате анализа результатов шахтных инструменталь-
ных наблюдений зависимость степени рассогласования опусканий кровли выработки на соседних близкорасположенных участках от жесткости балки каркаса и отчетливая связь между степенью рассогласования и значениями опусканий кровли в выработке позволяет предположить, что феномен положительного технологического эффекта каркасности связан с изменением взаимодействия крепи с породами кровли. Эти изменения невозможно учесть без учета особенностей передачи усилий в дискретной среде, которой в частности идентифицируется зона неупругих деформаций вокруг выемочной выработки пласта с11 на шахте «Южнодонбасская №3».
Исследованиями взаимодействия между отдельностями в дискретной распорной среде занимались Г.К. Клейн [1], И.И. Кандауров [2], М.Н. Гольдштейн [3], Г.И. Покровский [4] и др. Г.И. Покровский впервые обратил внимание на случайный характер передачи усилий в такой среде, вследствие чего равномерно приложенная к некоторому сыпучему телу нагрузка может в определенных условиях неравномерно передаваться на его основание. Анализ результатов инструментальных наблюдений за смещениями контура кровли выемочной выработки позволил подтвердить это положение. Смещения и скорости смещений контура кровли на ее соседних близкорасположенных участках выработки, зависящие от воспринимаемых ими усилий, действительно оказались неодинаковыми. Они носят случайный характер, изменяется во времени разность этих величин, фиксируемых на соседних участках (рис. 3).
Принципиальное значение для объяснения выявленного парадоксального феномена и конкретизации его практического использования имеет формирование физической модели процесса. С этой целью для определенности распределений по длине выработки условно выделяется ее участок, равный активной длине связывающей автономные комплекты балки (или балок).
Рис. 3. Разность скоростей смещений кровли выработки Дv на двух ьх замерных станциях, расположенных на расстоянии 0,8 м друг от друга в зависимости от расстояния до лавы L: 1 - Vl-V2 , 2 -
Vз-V4 ,1 - V5-V6
Под активной длиной принимается такая максимальная длина связующей балки, при которой она еще способна передавать некоторое определенное поддерживающие усилие комплекта, расположенного на одном конце комплекта, расположенному на другом. Активная длина зависит от жесткости балки, собственной реакции крепи и значений действующих на крепь усилий.
Выявленная в натурном эксперименте неравномерная и изменяющаяся во времени относительно и абсолютно нагруженность комплектов крепи позволяет предположить, что на некотором выделенном участке длины выработки, включающем N комплектов крепи в некоторый промежуток времени А1 комплекты могут быть ранжированы по нагруженности. Один из них при этом будет загруженным в максимальной степени, один в наименьшей, а остальные располагаются между ними по мере увеличения действующих на них усилий. Пусть разность усилий, действующих на минимально и максимально загруженные комплекты в пределах активной длины балки, деленная на число комплектов всего ряда N равна АЕ. С позиций крепления наиболее благоприятным вариантом была бы равная нагруженность комплектов, скорректированная на величину АЕ.
Жесткая связь между комплектами, обеспечиваемая соединением их жесткой балкой, обуславливает перераспределение реакции сопротивления усилиям нагружения между комплектами. При этом каждый комплект-акцептор получает через жесткую связь от менее нагруженного некоторое дополнительное поддерживающее усилие, которое в общем слу-
чае равно:
т
Е1 = АЕ • kR • Ъкщ
где kR - коэффициент, учитывающий собственную реакцию комплекта крепи; kmi - коэффициент, учитывающий расстояние до комплекта-акцептора и реакцию /- го донора; т -количество комплектов-доноров, нагруженных менее интенсивно, чем рассматриваемый комплект. т = N-^1
где п - количество комплектов-акцепторов, нагруженных более интенсивно, чем рассматриваемый.
В то же время этот комплект передает некоторое дополнительное поддерживающее усилие каждому из менее нагруженных комплектов, которое суммарно равно:
F2 = АЕ • kR • 2 к„.
3=1 3
где кп. - коэффициент, учитывающий расстояние до комплекта-донора и реакцию /-го акцептора .
Очевидно, что в течение некоторого времени А1;, комплект в целом передает или воспринимает дополнительное поддерживающее усилие, равное:
Е3 = F1 - Е2
В течение выделенного временного периода один комплект при этом всегда оказывается нагруженным больше, чем остальные. Он привлекает дополнительное поддерживающее усилие всех остальных комплектов, которое может быть определено сле-
N-1
дующим образом: Е = АF • 2 кп .
1 3
Значение представляет собой по существу увеличение несущей способности этого комплекта на такую величину на выделенном промежутке времени. Какие последствия имеет это увеличение? Из физической сущности процессов взаимодействия крепи и вмещающих пород следует, что скорость опускания верхняка комплекта при этом замедляется примерно пропорционально повышению его несущей способности. Каждый из N комплектов на рассматриваемом участке длины выработки в следующие временные периоды в случайной последовательности также оказывается наиболее нагруженным. В соответствующие периоды он оказывается «со-би-рателем» дополнительных поддерживающих усилий и оказывает больше сопротивления действию налегающих пород, чем в том случае, когда комплекты не связаны жестко. Опускание каждого верхняка в какой-то момент времени в следствие кар-касности крепи замедляется. В целом по всему участку из N комплектов опускание верхняков уменьшается. Таким образом формируется тот позитивный технологический эффект жесткого соединения верхняков металлической балкой, который фиксируется инструментально и наблюдается визуально при натурных испытаниях каркасной крепи.
Представляет интерес уяснение условий соблюдения энергетического баланса в рассматриваемом процессе. Действительно, каким образом уменьшение опускания кровли выработки имеет место при не изменившемся объеме реализуемой на выделенном участке длины выработки потенциальной энергии. Можно было бы ожидать, что уменьшение опускания верхняков на «перегруженных» комплектах должно было сопровождаться адекватным увеличением опус-
кания верхняков условно «недогруженных» комплектов, которые при этом получают соответствующую дополнительную нагрузку (за счет жесткости связи всех N комплектов). Такие последствия действительно наблюдались бы, если бы комплекты крепи не имели замковой связи между элементами, обеспечивающими работу крепи некоторое время в режиме сопротивления без податливости, и процессы в рассматриваемой системе «крепь - боковые породы» были бы обратимыми. Смещение верхняка «перегруженного» комплекта не вызывает адекватного смещения верхняков «не-догружен-ных» комплектов в том случае, когда передаваемое балкой дополнительное усилие, перераспределившееся между всеми воспринимающими его комплектами, не превышает для них того критического предела, при котором происходит срабатывание замков в узлах податливости. Условия для такого технологически благоприятного протекания процесса в рассматриваемой системе создаются при некоторой достаточно большой жесткости балки, при которой дополнительные усилия от всегда имеющегося в наличии одного наиболее нагруженного комплекта распределяются на достаточно большое число комплектов (эффективная длина балки велика). Однако, даже в случае срабатывания замков податливости положительный эффект при использовании предлагаемой крепи достигается за счет того, что срабатывание замков происходит позже и при меньших величинах давления со стороны кровли.
В этом условии кроется возможность для аналитического определения необходимой и достаточной минимальной жесткости связующей балки.
Констатация условий формирования поддерживающего эффекта не снимает неопределенность в соблюдении энергетического баланса в системе. Можно предположить, что некоторая часть нереализованной энергии деформации выработки со стороны пород кровли перетекает в бока выработки с использованием механизма расклинивания отдельностей сыпучей среды, часть энергии расходуется на преодоление сил трения между отдельностями. Некоторое ее уплотнение над выработкой, очевидно, происходит с передачей усилий в сторону (в бока выработки). Таким образом, соединение комплектов крепи жесткой балкой при размещении выработки в сыпучей среде отклоняют некоторую часть энергии налегающих пород в бока выработки, обеспечивая уменьшение опускания ее кровли. О том, что предлагаемая гипотеза отражает физическую сущность процесса, свидетельствует тот факт, что при этом наблюдаются немного большие деформации боков выработки, т.е. натурные наблюдения подтверждают такое перераспределение потоков.
Выводы
1. Исследования доказывают, что в подобных горно-геологических и горнотехнических условиях можно достигать уменьшения смещений кровли выработки использованием сравнительно недорогих каркасных усиливающих крепей.
2. Полученная физическая модель позволила внести уточнения в современные представления о характере механических процессов, происходящих в разрушенных породах кровли выемочной выработки, что подтверждается проведенными натурными исследованиями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. - М.: Стройиздат, 1977. - 256 с.
2. Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. - Ленинград - Москва: Изд. литературы по строительству, 1966. - 319 с.
1. Гольдштейн МН. Механические свойства грунтов. - М. Стройиздат, 1973. - 275 с.
2. Покровский Г.И. Исследования по механике грунтов. - М. ОНТИ, 1937. - 263 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------
Бондаренко Ю.В.— профессор, доктор технических наук, ДонГТУ,
Соловьев Г.И. — доцент, ДонГТУ, Кублицкий Е.В. — инженер, ДонГТУ, Демин И.К. — доцент, ГХК «Донуголь».
