CC BY
0УДК 622.28.044:622.261.2
А. О. Новиков
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК УСТАНОВКОЙ В НИХ АНКЕРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ
В работе описаны результаты комплексных исследований, выполненных для обоснования технологии и параметров запатентованного способа установки анкеров в горных выработках. Сущность способа заключается в бурении шпура и установке в него анкера с помощью динамической нагрузки, при этом диаметр анкера должен быть большим, чем диаметр направляющего шпура.
Ключевые слова: анкерная крепь, способ установки, определение параметров
Введение. Эффективность разработки угольных месторождений неразрывно связана с проблемой обеспечения устойчивости горных выработок. В последние десятилетия их эксплуатационное состояние на шахтах Донбасса значительно ухудшилось, что связано с усложнением горно-геологических условий отработки пластов и ростом интенсивности проявлений горного давления. Неудовлетворительное состояние горных выработок и необходимость их ремонта сдерживают очистные и горноподготовительные работы, снижают технико-экономические показатели (ТЭП) работы шахт. Так, уже сейчас до половины себестоимости добываемого угля составляют затраты на поддержание выработок.
Одним из перспективных направлений улучшения ТЭП горнодобывающих предприятий является применение мало затратных, ресурсосберегающих технологий крепления и поддержания выработок на основе использования анкерных крепей. Объемы применения этих крепей на шахтах Австралии, Китая, США уже
сейчас составляют не менее 80 %, а в Донбассе - до 5 %, причем используются исключительно сталеполимерные анкера. Существенным недостатком этой конструкции являются значительные затраты на ампулы с полимерной смолой (до 55 % от стоимости материалов), с помощью которых анкера закрепляются в породах.
В настоящее время в мировой практике строительства и поддержания горных выработок применяется большое количество безраспорных конструкций анкеров, которые не получили широкого применения на шахтах Донбасса. Основными причинами этого являются необходимость изготовления анкеров из высокопрочных упругих сталей, а также потребность в дорогом, дополнительном оборудовании для их установки и высокие требования к культуре производства работ.
Для преодоления этого технического противоречия было предложено устанавливать анкера в предварительно пробуренные направляющие шпуры динамической нагрузкой, причем диаметр анкеров больше их диаметра. Это позволит существенно снизить затраты, в том числе при извлечении крепи после завершения эксплуатации, обеспечить устойчивость выработок и безопасность ведения горных работ.
В этой связи проведение исследований, направленных на теоретическое обоснование нового, без клеевого способа установки анкеров, подтверждение возможности его реализации, установление технических параметров, эффективности и области применения является актуальной научно-технической задачей.
Состояние вопроса. Большой вклад в развитие представлений о взаимодействии анкерной крепи с вмещающим массивом, в разработку конструкций анкеров и технологий их установки внесли ученые и специалисты отечественных и зарубежных научно-исследовательских центров в РФ, Австралии, Великобритании, Германии, США, КНР, Канаде и ЮАР [1-6].
В их работах рассмотрены различные конструкции анкеров (в том числе, некоторые без клеевые), технологии возведения крепи и методики расчета параметров. Вместе с тем, следует отметить, что существующие методики расчета параметров [7] при использовании без клеевой технологии их установки анкеров не позволяют в полной мере учесть изменение напряженно-
деформированного состояния (НДС) элементов в системе «породный массив - анкер». А это в свою очередь не позволяет оценить область применения данных конструкций крепи.
Цель и задачи исследований
Цель работы - оценить устойчивость системы «породный массив - анкер» при установке анкера в направляющий шпур динамической нагрузкой для обоснования области применения способа и его параметров, обеспечивающих устойчивость горных выработок глубоких шахт.
Для достижения поставленной цели, с использованием комплексного метода исследований, первоначально были разработаны математические модели, позволяющие оценить, как устойчивость анкера в начальный момент времени при установке, так и последующую устойчивость системы «породный массив горной выработки - анкер» с учетом сопротивления перемещению анкера по шпуру в продольном направлении, трения по его боковой поверхности и волновых процессов. Затем, для оценки нагрузок при установке и извлечении анкеров в ходе реализации предложенного способа проводились лабораторные исследования. После этого, в ходе шахтных исследований, определялись параметры способа, разрабатывалась технология его реализации и методика расчета параметров.
Результаты исследований.
Теоретические исследования [8], [9] выполнялись в следующей последовательности. Первоначально была разработана математическая модель, описывающая устойчивость анкера с различными размерами на начальном этапе установки на изгиб. После того - модель, описывающую изменение НДС в системе «анкер - породный массив» при установке анкера. Она позволяет определить необходимые для установки анкера в направляющий шпур нагрузки, возникающие при этом напряжения и деформации в анкере и породах, при этом учитывались сопротивления движению анкера в продольном направлении, трение по его боковой поверхности и волновые процессы.
При выполнении этих исследований использовались критерии устойчивости и прочности для напряжений, которые для
упрощения восприятия запишем в виде функциональных зависимостей от параметров:
°э = Ъ(Р,Е,0,1,р) <СГпц, о2(Р , р0, а, Еп, Е, V, уп, И, й, 1,10,т, тг, у,Н, тах, (1)
где оэ ,о"пц - эквивалентные напряжения и предел прочности материала анкера на изгиб, МПа;
Р - внешняя нагрузка, Н;
р0, а - скорости анкера в момент удара, звука в материале анкера, соответственно, м/с;
Е, Еп - модули упругости материала анкера и породного массива соответственно;
V, vп - коэффициенты Пуассона материала анкера и породного массива соответственно;
D, 1, d - диаметр, длина анкера, диаметр шпура соответственно, м;
ц - коэффициент длины, зависящий от способа крепления концов анкера;
10- длина окружности анкера, м;
т, т1 - массы анкера и ударного устройства соответственно, кг;
у - удельный вес материала анкера, Н/м3;
f - коэффициент трения между анкера по породе;
Н - расстояние между ударным устройством и анкером, м;
t - время, с.
Для определения критической силы и эквивалентных напряжений использовали теорию Эйлера.
Вторая часть задачи решалась с привлечением положений теории упругого удара. Расчетная схема решаемой задачи представлена на рисунке 1.
1 - направляющий шпур; 2 - массив пород; 3 - анкер; I, 50, $, £2- сечения анкера; q - распределенная по боковой поверхности шпура сила сопротивления за счёт трения
Рис. 1 - Расчётная схема динамической установки анкера в горный массив с учётом сил трения по боковой его
поверхности
Уравнение, описывающее движение анкера по направляющему шпуру можно записать в виде:
* = (2)
, т
где к = —.
тг
Тогда, время установки анкера можно записать как
Т = - — - 1п(Ц. (3)
а \У0;
При этом, путь Ь, который пройдет анкер (глубина установки) при М — Т запишется как:
1 = ™ .[т"^^.^1)]. (4>
Требуемую для движения анкера статическую нагрузку Рст запишем в виде
рст >^ст = q. f.n'И-I, (5)
где Ыст- сила трения, кН.
Значения максимальных радиальных аг, тангенциальных а t и эквивалентных аэ напряжений, в породе представим как следующие выражения:
аг = -q, ot — q- 77^=1; оэ = 2q. (6)
Требуемые для установки анкера динамическую нагрузку и коэффициент динамичности определим из выражений:
Рд = ад F = РсТ (l + (l + f)^ (7)
= 1 + ©f или кд (8)
где 5 - коэффициент натяга.
При контакте ударного устройства и анкера (Н=0), кд — 2.
Расчеты выполнялись при различных значениях влияющих факторов: отношение диаметров анкера и шпура da/dm; отношение модулей упругости и пород и материала анкера Еп/Еа и отношение длины анкера к его диаметру la/da. Пределы изменения параметров составляли: 1,1 < (&а/&ш) <1,3; 0,054 < (Еп/Еа) < 0,178; 15 < (la/da) < 120.
Поверхности, описывающие изменение эквивалентных напряжений, динамической нагрузки и максимальных динамических напряжений, в анкере и породах при установке представлены на рисунке 2.
Анализ полученных результатов показывает, что устойчивость сплошного металлического анкера, изготовленного из стали с маркой 4 и выше, с большим диаметром, чем у направляющего шпура, на начальном участке закрепления его в породном массиве под действием нагрузки с коэффициентом динамичности, равным двум, обеспечивается при длине анкера до 2,5 м и диаметре более 22 мм.
Для подтверждения технической возможности реализации предлагаемого способа, а также экспериментального установления его параметров были выполнены лабораторные исследования
[10], [11]. Так же определялись нагрузки для установки и извлечения анкеров.
Уаг1(&0) - отношение диаметров анкера da и шпура dш; Уаг2(Еп/Еа) -отношение модулей упругости породы Еп и материала анкера Еа; Уаг5(Рдин)- динамическое усилие закрепления анкера в породе (в натуре), кН; Уаг7(Сх) - максимальные динамические напряжения, возникающие в анкере и породах, МПа; Уаг8( аэ) - эквивалентные напряжения, МПа
Рис. 2 - Изменение эквивалентных напряжений (а), динамичекой нагрузки (б) и максимальных динамических напряжений, возникающие в анкере и породах (в) (йа/и
Еп/Еа) при 1а/йа=120
Использовался метод физического моделирования, предполагающий соблюдение геометрического и механического подобий модели и натуры. Так как при выполнении экспериментов имело место перекрестное влияние исследуемых факторов, проводился полно-факторный эксперимент.
в
Исследования проводились в три этапа. Первоначально исследовалось закрепление анкеров в моделях из реальных пород с помощью статической нагрузки на заданную глубину. Для этого использовался гидравлический пресс. Результаты обрабатывались путём построения графических зависимостей изменения статической нагрузки от искомых факторов (рис. 3-4) с последующим установлением уравнений регрессий:
Р» =f (к0; §*) = 10453,7 • к0 + 1366,4 • - 4015,6 • -
^ Еа' Еа
-443,2-к0- 7 --578,7 - 6635,2, кН. (8)
Еа а'
Я2 = 0,88.
Далее, аналогичные исследования проводились при установке анкеров с помощью динамической нагрузки. Определялись глубина установки анкеров и необходимое для этого время. Результаты обрабатывались путём построения графиков зависимостей изменения времени установки от влияющих факторов. Для моделей из глинистого сланца результаты представлены на рисунке 5.
I I > 300
I I < 260 I I < 210 I I < 160 I I < 110 I I < 60 I I < 10
Уаг1(^0) - отношение диаметров анкера йа и шпура йш, Уаг2(£п/Еа) -отношение модулей упругости породы Еп и материала анкера Еа, Уаг5(Ретн) - статическое усилие закрепления анкера в породе для натуры, кН
Рис. 3 - Изменение статической нагрузки (Рст) (в натуре) от
отношений &а/& ш и Еп/Еа
350 олП
250
200
a п 5 150
100 I I > 300
60 -г г I I < 270
I I < 220
•е- I I < 170
1 1 < 120
1 1 < 70
1 1 < 20
Уаг1(&0) - отношение диаметров анкера йа и шпура йШ; Уаг3(/а/йа) -отношение длины анкера 1а к диаметру анкера йа; Уаг5(Ретн) - статическое усилие закрепления анкера в породе для натуры, кН
Рис. 4 - Изменение статической нагрузки (Рст) (в натуре) от
отношений йа/йш и 1а/йа
Ш > 120 ■ < 112
□ <92 О <72
□ <52 ■ <32 ГИ < 12
Уаг1(^0) - отношение диаметров анкера йа и шпура йШ; Уаг2(/а/йа) -отношение длины анкера 1а к диаметру анкера йа; УагЗ(Туст) - время установки анкера в шпур, с
Рис. 5 - Изменение времени установки анкера (Туст) от отношений йа/йш и 1а/йа для глинистого сланца
На заключительном этапе моделирования определялась нагрузка, необходимая для преодоления сил трения, при извлечении ранее установленных в породу анкеров. Зависимость изменения нагрузки, необходимой для преодоления сил трения, от влияющих факторов для песчаного сланца представлена на рисунке 6.
<8
Уаг1(ко) - отношение диаметров анкера йа и шпура йш, VaY2(la/da) -отношение длины анкера 1а к диаметру анкера йа, Уаг3(АУ) - время установки анкера в шпур, с
Рис. 6 - Изменение силы, необходимой для преодоления силы
трения (М) от отношений ко и 1а/йа для песчаного сланца
Лабораторные исследования подтвердили адекватность описанных выше математических моделей и позволили установить зависимости для определения величины статических нагрузок, времени установки анкеров и нагрузок, необходимых для преодоления сил трения при извлечении анкеров от искомых факторов.
Шахтные исследования способа установки анкеров позволили в реальных условиях определить время, необходимое для установки анкеров, а также нагрузку для преодоления сил трения при их извлечении [12]. Закрепление анкеров длиной 0,5; 1,0 и 1,5 м диаметром 33; 34,5 и 36 мм осуществлялось динамической нагрузкой в шпуры диаметром 30 мм.
По результатам испытаний построены графики изменения времени установки анкеров и нагрузок, необходимых для пре-
одоления сил трения при извлечении анкеров, от искомых факторов (рис. 7-8). Были также получены регрессионные зависимости:
т = 984,5 + 6231 • — - 113,7 • (fc0)2 - 4369,4 • к0 • — -
2
—686,8 • ) - 1020, c R2 = 0,9.
(9)
= 4737,5 - 7803,6 • к0 - 9287,3 • ^ + 3193,4 • (fc0)2 +
+ 9157,2 • к0 • — - 2977,3 • (—f , H
Еа
R2 = 0,88.
ja
(10)
■ > 250
■ <210 [ I < 160
□ < 110 Ш <60
■ < ю
Уаг1(к0) - отношение диаметров анкера йа и шпура йШ; Уаг2(Еп/Еа) -отношение модулей упругости породы Еп и материала анкера Еа; Уаг4(Туст) -время установки анкера, с
Рис. 7 - Изменение времени установки анкера (Туст, с) от
отношений ка и Еп /Еа
Экспериментально было установлено, что сплошной металлический анкер, устанавливаемый отбойным молотком в направляющий шпур, пробуренный в породах с прочностью на одноосное сжатие от 20 до 50 МПа и модулем упругости до 3,56 105 МПа, на глубину до 1,5 м, при коэффициенте натяга 1,11,2 обеспечивает устойчивость системы «анкер - породный массив». Было также установлено, что несущая способность анкера
при его диаметре более 22 мм, энергии удара 45 Дж, частоте ударов 1300 уд./мин и глубине анкерования не менее 0,5 м, установленного в породу с прочностью на сжатие не менее 20 МПа (Еп=105 МПа) при коэффициенте натяга более 1,1 составляет не менее 50 кН, а время на установку - не более 200 с.
Уаг1(к0) - отношение диаметров анкера йа и шпура йш; Уаг2(Еп/Еа) отношение модулей упругости породы Еп и материала анкера Еа; Уаг4(А0 сила, необходимая для преодоления силы трения, кН
Рис. 8 - Изменение силы, необходимой для преодоления силы трения (Ав) от отношений к0 и Еп/Еа
Разработка технологии реализации способа и методики определения его параметров.
Выполненный комплекс исследований с учетом требований ПБ, ПТЭ и действующих нормативных документов [13-16] позволил разработать технологию реализации способа установки анкера и методику определения параметров анкеров, устанавливаемых с помощью динамической нагрузки в направляющий шпур с диаметром меньшим, чем у анкера [17]. Способ рекомендуется для применения при креплении выработок рамно-анкерными крепями для закрепления боков и почвы выработок, проводимых в породах I и II категории устойчивости с прочностью на одноосное сжатие от 20 до 50 МПа при водопритоках до 3 м3/ч.
Ожидаемый экономический эффекта от внедрения предлагаемого способа установки в сравнении с установкой сталеполи-мерных анкеров по прямым нормируемым затратам составляет 205,28 руб. для анкера длиной 1,5 м.
Выводы.
1. Повышение эффективности и снижение материалоемкости крепления выработок сталеполимерными анкерами, которые являются наиболее распространенной конструкцией в условиях шахт Донецкого угольного бассейна возможно путем разработки нового способа установки анкера динамической нагрузкой в направляющий шпур с меньшим, чем у него диаметром.
2. По результатам лабораторных экспериментов установлены зависимости, описывающие изменения величины статических нагрузок в модели и натуре необходимых для установки анкера, времени установки анкера от коэффициента натяга (к0), отношения модулей упругости породы и материала анкера и отношения длины анкера к его диаметру.
3. Значения нагрузок для преодоления сил трения (М, кН) при извлечении анкеров составляют не более 70 % от величин нагрузок для установки анкеров в направляющий шпур.
4. Экспериментально установлены зависимости для определения времени установки анкера в направляющий шпур и нагрузок необходимых на преодоление сил трения при извлечении анкера из массива для различных пород с учетом коэффициента натяга (к0), отношения модулей упругости породы и материала анкера и отношения длины анкера к его диаметру.
5. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований по определению параметров способа не превышает 30 %.
6. Разработана технология реализации предложенного способа установки анкеров, обеспечивающая устойчивость как самого анкера в начальной стадии его установки, так и системы «анкер - породный массив».
7. Разработана методика определения параметров способа, которая согласована с Госгортехнадзором ДНР и утверждена ГУП ДНР «ДУЭК».
8. Основные результаты работы внедрены в «Рекомендациях по поддержанию подготовительных выработок шахт ГП «ДУЭК», проводимых в соответствии с программой развития горных работ на 2021 год.
9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенного способа установки анкеров составляет для анкера диаметром 22 мм и длиной 1,5 м - 205 руб. 28 коп. по сравнению с технологией установки стали полимерных анкеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ремезов, А. В. Анкерное крепление на шахтах Кузбасса и дальнейшее его развитие: учебное пособие / А. В. Ремезов, В. Г. Харитонов и др. - Кемерово: Кузбассуглеиздат, 2006. -471 с.
2. Мельников, Н. И. Анкерная крепь / Н. И. Мельников -М.: Недра, 1980. - 252 с.
3. Анкерное крепление горных выработок за рубежом: Анализ опыта создания, становления и современного состояния / П. В. Егоров, А. В. Ремезов, С. Е. Решетов [и др]; Под общ. ред. П. В. Егорова; Акад. горн. наук Кемеровское отделение. - Кемерово: Кузбассиздат, 2001. - 211с.
4. Panek, L.A. Design for bolting stratified roof. Trans Soc Min Eng / LA. Panek - 1964, June: 113-9.
5. Mark, C. Analysis of Roof Bolt Systems / C. Mark / Proceedings, 20th International Conference on Ground Control in Mining : Morgantown, WV, West Virginia University, 2001. - pp. 218-225.
6. Jun Lu Luo. A new rock bolt design criterion and knowledge-based expert system for stratified roof. Blacksburg / Luo Jun Lu. -Virginia, 1999. - 177 pp.
7. Офрихтер, Я. В. Использование волновой теории удара для определения несущей способности свай / Я. В. Офрихтер, А. Б. Пономарев // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. - 2019. -Т. 10, № 3. - С. 35-43.
8. Новиков, А. О. Математическая модель внедрения анкера в породный массив под нагрузкой / А. О. Новиков, П. С. Дрипан
// Научный вестник НИИГД «Респиратор». - 2018. - № 3 (55). -С. 91-101.
9. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород подземных объектов угольных шахт: монография / С. В. Борщевский [и др.]; под ред. С. В. Борщевского, И. Ф. Марийчука. - Донецк, 2017. - 273 с.
10.Новиков, А. О. Физическое моделирование закрепления анкера в породном массиве под действием статической нагрузки [Электронный ресурс] // А. О. Новиков, П. С. Дрипан // Проблемы горного давления: сборник научных трудов; Донецкий национальный технический университет. - Донецк: ДонНТУ, 2019. -№ 1 (36-37). - С. 10-21.
11. Новиков, А. О. Бесклеевой способ закрепления анкера под действием статической нагрузки // А. О. Новиков, П. С. Дрипан, И. Г. Старикова // Научный вестник НИИГД «Респиратор»: науч.-техн. журн. - Донецк, 2021. - Вып. 1 (58). - С. 59-67.
12.Новиков, А. О. Результаты шахтных исследований способа установки анкера в направляющий шпур под действием динамической нагрузки [Текст] / А. О. Новиков, И. Н. Шесто-палов, П. С. Дрипан // Сборник научных трудов ГОУВО ЛНР «Донбасский государственный технический институт» -Алчевск, 2021. - № 24 (67) - С. 18-24.
13. Правила безопасности в угольных шахтах [Электронный ресурс]: утв. приказом № 36/208 от 18.04.2016 / М-во угля и энергетики ДНР, Гос. Ком. горн. и техн. надзора ДНР // Мини-стерствоугля и энергетики ДНР : офиц. сайт. - Донецк, 20152019. - Режим доступа: http://mintek-dnr.ru/zue/pravila_ bezopasnosti_ na_ugolnykh_shakhtakh.pdf.
14.СОУ 10.1-00185790-002-2005 Правила технической эксплуатации угольных шахт, Киев, Минуглепром Украины (2006).
15.СОУ 10.1.05411357.010:2014. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования, Министерство энергетики и угля Украины, Киев (2014).
16.Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР, ВНИМИ, Ленинград (1986).
17. Новиков, А. О. Методика расчета параметров анкеров, устанавливаемых под действием динамической нагрузки / А. О. Новиков, И. Н. Шестопалов, Э. В. Борисенко, П. С. Дрипан // Физика и техника высоких давлений. - 2022. - Том 32, № 2. -С. 123-127.
Новиков Александр Олегович, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, ФГБНУ «ИФГП», Россия, ДНР, Донецк, aleksandr_novikov_60@mail.ru.
ENSURING STABILITY OF WORKINGS BY INSTALLATION OF ANCHORS IN THEM WITH DYNAMIC LOAD
The paper describes the results of comprehensive studies carried out to substantiate the technology and parameters of the patented method of installing anchors in mine workings. The essence of the method consists in drilling a hole and installing an anchor into it using a dynamic load, while the diameter of the anchor must be greater than the diameter of the pilot hole.
Keywords: anchor bolting, installation method, definition of parameters.
Novikov Alexander Olegovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Senior Researcher, Federal State Budgetary Institution «IFGP», Russia, DPR, Donetsk, aleksandr_novikov_60@mail.ru.
