CC BY
37
Оригинальная статья
УДК 622.647.1:622.281.74 © Г.В. Райко, А.В. Самок, А.С. Позолотин, М.В. Лысенко, 2020
Определение оптимальной длины анкеров для закрепления конвейеров к почве выработок
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-7-34-37
\ —■ .
N
РАЙКО Г.В.
Заместитель директора по проектным работам ООО НИЦ-ИПГП «РАНК», 630090, г. Новосибирск, Россия, e-mail: tehotdelrank2@mail.ru
САМОК А.В.
Директор по проектным работам ООО «РАНК2»,
650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: SamokAV@rank42.ru
ПОЗОЛОТИН А.С.
Канд. техн. наук,
директор ООО НИЦ-ИПГП «РАНК», 630090, г. Новосибирск, Россия, e-mail: pozalex@mail.ru
ЛЫСЕНКО М.В.
Заместитель директора по научной работе и инновациям ООО НИЦ-ИПГП «РАНК», 630090, г. Новосибирск, Россия, e-mail: Limak2@yandex.ru
В статье рассмотрен метод беcфундаментного крепления ленточных конвейеров непосредственно к почве выработки. Закрепление станций и секций конвейеров осуществляется с применением комбинированных и канатных анкеров, закрепляемых по всей длине шпура минеральной композицией. Расчет параметров анкеров основан на определении высоты обратного свода. Проанализировано несколько способов расчета давления, действующего со стороны почвы выработки. Наиболее де-
II
тальной и проработанной является методика расчета параметров анкеров и давления в почве выработки, основанная на теории свода давлений.
Ключевые слова:ленточный конвейер, анкерное крепление, минеральная композиция, обратный свод, давление в почве выработки, теория свода, вспучивание пород, комбинированный анкер, канатный анкер, длина анкера. Для цитирования: Определение оптимальной длины анкеров для закрепления конвейеров к почве выработок / Г.В. Райко, А.В. Самок, А.С. Позолотин, М.В. Лысенко А.Т. // Уголь. 2020. № 7. С. 34-37. 001: 10.18796/0041 -5790-2020-7-34-37.
ВВЕДЕНИЕ
В горной промышленности с каждым годом неизменно возрастает применение конвейерного транспорта. В настоящее время на угольных шахтах Кузбасса ежегодно вводится в эксплуатацию более 100 ленточных конвейеров. Традиционно для монтажа приводных, концевых и натяжных станций ленточных конвейеров использовались различные технологии, такие как крепление конвейеров закладными анкерными болтами к бетонным горизонтальным или наклонным фундаментам и крепление анкерами с закачиванием в породы почвы полимерных смол. С 2007 г. в угольных шахтах Кузбасса начали применять бесфундаментное крепление ленточных конвейеров непосредственно к почве выработки анкерной крепью с минеральной композицией, которая представляет собой сухую смесь, твердеющую в естественных условиях. Уникальная рецептура минеральной композиции позволяет закреплять анкеры в условиях высокой обводненности и различной крепости пород почвы. За это время данная технология монтажа успешно себя зарекомендовала и в настоящее время широко используется наряду с альтернативными. Для подтверждения работоспособности минеральной композиции в сочетании с анкерной крепью были успешно проведены лабораторные испытания [1, 2].
КРЕПЛЕНИЕ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО К ПОЧВЕ ВЫРАБОТКИ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ
Опираясь на значительный опыт бесфундаментного монтажа станций ленточных конвейеров с применением комбинированных и канатных анкеров, специалисты ООО НИЦ-ИПГП «РАНК» предложили аналогичное решение по анкерному закреплению скребковых конвейеров, лебедок и другого стационарного оборудования к почве выработок, пройденных по углю или породе. При этом анкерная крепь являлась как основной, так и дублирующей [3].
Крепление ленточных конвейеров бесфундаментным способом осуществляется непосредственно к почве выработки с применением комбинированных или канатных анкеров, закрепляемых на всю длину шпура минеральной композицией. Необходимо отметить, что в действующей нормативной документации по расчету анкерной крепи ФНиП «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах» [4] не представлена методика расчета параметров анкеров для крепления стационарного оборудования к почве выработок.
Параметры анкерной крепи для закрепления конвейеров рассчитываются с учетом ширины выработок, прочности вмещающих пород, глубины от поверхности, мощности угольного пласта, тягового усилия конвейера и других горнотехнических факторов. При составлении документации по креплению конвейеров к почве выработок особое внимание следует уделять выбору длины анкеров. Если длина анкеров будет недостаточной, при повышенных нагрузках конвейера это может привести к вырыванию анкеров и опрокидыванию станций конвейера. В основе расчета длин анкеров, предназначенных для крепления ленточных конвейеров непосредственно к почве выработки, лежит определение высоты обратного свода давления. В 1933 г. П.М. Цимбаревич предложил приближенный способ количественной оценки развивающегося давления при пластической деформации почвы, которая возникает под влиянием веса вышележащих пород, действующего на породы почвы [5]. Задача рассматривалась применительно к породной среде, которая обладает внутренним трением и лишена сцепления. Недостатком данной теории является отсутствие явной зависимости между величиной давления и глубиной заложения выработки.
В.Д. Слесарев рассматривал давление со стороны почвы выработки как боковой распор второго порядка. Исходя из теории напряженного состояния, возникающего в сыпучей несвязанной среде, в почве выработки действуют силы бокового распора, вызывающие, в свою очередь, боковой распор второго порядка, который создает давление со стороны почвы. Недостатком этой теории является настолько прямая зависимость между величиной давления и глубиной заложения выработки, что ни одна крепь не в состоянии выдержать такую нагрузку.
Причина недостатков этих методов кроется, прежде всего, в чрезмерной идеализации породной среды и применяемом математическом аппарате [6].
Кроме этого, авторами статьи был проанализирован зарубежный опыт расчета параметров анкерной крепи для угольных шахт и рудников [7, 8, 9, 10, 11]. В итоге было определено, что методика расчета параметров анкеров и опорного давления в почве выработки, основанная на теории свода давлений, учитывает основные горно-геологические факторы и поэтому дает наиболее оптимальные результаты расчета. Рассмотрим алгоритм расчета по данной методике [12].
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
С ПОЗИЦИИ ТЕОРИИ СВОДА
Для наиболее нагруженного узла ленточного конвейера ширина предельно напряженной зоны определяется из выражения:
а =
2(уН-а0) + ,]4(уН-а0)2+Зкх у-Н-В
Ък
где у - плотность пород кровл и; H - глуби на расположения приводной станции ленточного конвейера от поверхности; ст = стпл ■кс - остаточная прочность пласта в боку выработки; стпл - прочность пласта на сжатие; кс = k(t)-k6 - обобщенный коэффициент снижения прочности пласта на его обнажении; k(t) - коэффициент снижения прочности пласта от
( 1 Y
длительности действия нагрузки, £(i) = a + p- - , где:
U + 'J
a, р, m - эмпирические коэффициенты. t- время длительности действия нагрузки, мес.; к6 - коэффициент структурного ослабления пласта; кх=— - коэффициент пропор-
К
циональности роста напряжений в краевой зоне угольного пласта; h = 0,5-h - половина высоты выработки, м; B - ширина выработки в проходке, м.
Максимальная компонента напряжений опорного давления определяется из выражения: ст = ст + k a.
max 0 x
При 5%-ном превышении уровня yH протяженность зоны опорного давления равна:
L0=a
1,05
где к = —— - коэффициент концентрации напряжений. у-Н
Глубина отжима пород по гипотезе П.М. Цимбаревича:
c = htg
90°-р
где h - высота выработки в боку, м; р - угол внутреннего трения пород, град. При ст < ст расстояние от границы призмы сползания
1 пл max 1 i^i
до точки, где напряжения равны первоначальной прочности пласта:
а, = а
f \
о У
При ст > ст расстояние от границы призмы сползания
пл max
до точки, где напряжения равны первоначальной прочности пласта:
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СВОДА ДАВЛЕНИЯ В ПОЧВЕ ВЫРАБОТКИ И ДЛИНЫ АНКЕРОВ
Максимальная высота свода давлений в почве (см. рисунок):
Ушах
L JK_ \k-y-H 2' k(t)
R
где I = В + 2а1 - пролет свода давления в почве на участке приводной секции, м; X - коэффициент бокового давления;
к - коэффициент концентрации напряжений опорного давления; Кс - средневзвешенная прочность пород почвы, МПа.
Длина анкеров для крепления ленточного конвейера к почве выработки рассчитывается по своду давлений при условии полного заполнения шпура закрепляющим составом и должна быть такой, чтобы закрепляющая часть анкера находилась за линией свода давления на величину не менее 0,5 м с целью закрепления анкера в устойчивых породах почвы выработки.
Длина анкера определяется из выражения:
I = к (у + I + к ),
а з 47 тах хв сту
где кз - коэффициент запаса на изменчивость прочностных свойств пород почвы; 1хв - длина хвостовика анкера, м; кст - высота подрамника секции ленточного конвейера, м. Надежность закрепления конвейера обеспечивается закреплением анкеров в устойчивых породах почвы за пределами свода давления.
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСФУНДАМЕНТНОГО
АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ
Рассмотрим опыт применения бесфундаментного анкерного крепления ленточных конвейеров специалистами ООО НИЦ-ИПГП «РАНК». Крепление выносной консоли, приводной станции, натяжной лебедки, концевой станции ленточного конвейера 1Л-120 было выполнено анкерной крепью к непосредственной почве вентиляционного штрека № 13-58/2 пласта «Байкаимский» на шахте им. 7 Ноября АО «СУЭК-Кузбасс».
Непосредственная почва представляла собой трещиноватый мелкозернистый алевролит мощностью 2-4 м, с прочностью пород на сжатие стсж = 30-40 МПа, средней устойчивости, к пучению не склонен. Основная почва - песчаник мелкозернистый мощностью от 4 до 10 м, стсж = 50-70 МПа, устойчивый. Крепление станций и секций ленточного конвейера 1Л-120 к почве выполнено с помощью канатных анкеров АК01. В качестве закрепляющего материала использованы ампулы АМК и смесь минеральной композиции. В соответствии с выполненными расчетами, для анкерного закрепления узлов ленточного конвейера 1Л-120 принята длина канатных анкеров АК01 1а = 5 м, количество канатных анкеров на приводную станцию - 72 шт., по 24 шт. на один приводной блок 1Л-120 (из них 12 шт. - на раму приводных барабанов, 8 шт. - на подрамник редуктора, 4 шт.- на подрамник электродвигателя), всего для крепления ленточного конвейера 1Л-120 использовано 100 канатных анкеров АК01.
Крепление разгрузочных, приводных, концевых и натяжных станций двухленточных конвейеров выполнено непосредственно к почве конвейерного штрека № 603 пласта «Безымянный» в условиях АО «Разрез «Инской». Конвейерный штрек № 603 пройден по пласту «Безымянный» с частичной присечкой пород кровли и почвы. «Ложная» почва сложена аргиллитом с линзами угля мощностью 0,35 м, крепостью f = 1 по М.М. Протодьяконову, стсж = 10 МПа. Непосредственная почва пласта - средней устойчивости, представлена мелким алевролитом мощностью 2-3 м, ст = 30 МПа.
сж
Согласно выполненным расчетам, для закрепления в почве штрека приводной станции и разгрузочной секции кон-
Деформированное состояние приконтурного массива в зоне опорного давления: 1 - зона отжима пласта в боку выработ ки; 2 - зона пониженной прочности пласта в боку выработки; 3 - пласт породы (угля) с первоначальной прочностью; 4 - зона пониженной прочности пласта в почве выработки (свод давления в почве выработки)
Fig. Deformed state of the near-mass array in the zone of reference pressure: 1 - zone of the extraction of the formation in the side of the mine; 2 - zone of reduced formation strength in the side of the development; 3 - layer of rock (coal) with initial strength; 4 - zone of reduced formation strength in the working soil set of pressure in the working soil)
вейера 2ЛЛТ-1000 применены канатные анкеры АК01 длиной 3,5 м с полным заполнением шпура закрепляющим составом из минеральной композиции. Натяжная, концевая секции, а также приводные блоки закреплены комбинированными анкерами АКМ20.01 длиной 3 м, имеющими антикоррозийное покрытие и закрепленными минеральной композицией по всей длине скважины. Всего для закрепления разгрузочных, приводных, концевых и натяжных станций ленточного конвейера непосредственно к почве конвейерного штрека № 603 пласта «Безымянный» в условиях АО «Разрез «Инской» использовано 62 канатных анкера АК01 длиной 3,5 м и 46 комбинированных анкеров АКМ20.01 длиной 3 м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Всего нашими специалистами выполнено более 150 проектов по креплению конвейеров и другого стационарного оборудования к почве выработок в различных горногеологических условиях по всей России. При этом параметры анкерной крепи для закрепления конвейеров были рассчитаны с применением методики, основанной на теории свода давлений. С уверенностью можно сказать, что данная методика доказала свою работоспособность и применима для расчетов анкерной крепи при закреплении конвейеров к почве выработок в различных горно-геологических условиях.
Технология монтажа ленточных конвейеров и другого стационарного шахтного оборудования при помощи анкеров, закрепляемых минеральной композицией, позволяет:
- не менее чем в два раза снизить трудоемкость работ и сроки монтажа оборудования;
- в 2-3 раза снизить затраты на материалы и заработную плату рабочих;
- за счет закрепления анкеров в устойчивых породах основной почвы и по всей длине шпура повысить надежность монтажа в сравнении с существующими технологиями.
Список литературы
1. Райко Г.В., Гречишкин П.В. Анкерное крепление: бесфундаментный монтаж ленточных конвейеров // Уголь. 2011. № 4. С. 35-36. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/042011. pdf (дата обращения: 15.06.2020).
2. Райко Г.В., Гречишкин П.В. Бесфундаментный монтаж станций конвейеров в подземных горных выработках с применением анкерной крепи // Маркшейдерия и недропользование. 2012. № 4. С. 26-27.
3. Анкерное закрепление скребковых конвейеров к почве выработок / Г.В. Райко, А.В. Самок, П.В. Гречишкин, А.С. Позолотин // Уголь. 2013. № 2. С. 20-21. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/022013.pdf (дата обращения: 15.06.2020).
4. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 40. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2018. 198 с.
5. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. М.: Углете-хиздат, 1948. 184 с.
6. Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. М.: Недра, 1978. 304 с.
7. Pivnyak G., Bondarenko V., Kovalevska I. Mining of Mineral Deposits. London: Taylor & Francis Group, 2013. 384 p.
8. Abzalov M. Applied Mining Geology. Australia, 2016. 443 p.
9. Zong-Xian Zhang. Rock Fracture and Blasting. Theory and Applications. Norway, Longyearbyen, Svalbard, 2015. 487 p.
10. John A. Hudson. Rock Engineering Risk. London: Taylor & Francis Group, 2015. 596 p.
11. Geomechanics of Mine Workings Support Systems / V. Bondarenko, I. Kovalevska, H. Symanovych et al. London: Taylor & Francis Group, 2018. 231 p.
12. Ануфриев В.Е., Лупий М.Г. Опыт применения канатных анкеров в качестве крепи усиления демонтажных камер и выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством и методика расчета их параметров. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2008. 220 с.
UNDERGROUND MINING
Original Paper
UDC 622.647.1:622.281.74 © G.V. Raiko, A.V. Samok, A.S. Pozolotin, M.V. Lysenko, 2020
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 7, pp. 34-37
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-7-34-37
Title
determining the optimal length of anchors for securing conveyors to the mine workings
Authors
Raiko G.V.', Samok A.V.2, Pozolotin A.S.', Lysenko M.V.'
1 NITS-IPGP "RANK" LLC [Scientific Research Center - Institute of Design of Mining Enterprises "RANK", Novosibirsk, 630090, Russian Federation
2 "RANK 2" LLC, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Authors' Information
Raiko G.V., Deputy Director of Projects, e-mail: tehotdelrank2@mail.ru Samok A.V., Director of Projects, e-mail: SamokAV@rank42.ru Pozolotin A.S., PhD (Engineering), Director, e-mail: pozalex@mail.ru Lysenko M.V., Deputy Director for Research and Innovations, e-mail: limak2@yandex.ru
Abstract
The paper discusses the method of foundationless fastening of conveyor belts directly to the working soil. The fastening of stations and conveyor sections is carried out using combined and rope anchors, fixed along the entire length of the borehole with a mineral composition. The calculation of the parameters of the anchors is based on determining the height of the return arch. Several methods for calculating the pressure acting from the side of the excavation soil are analyzed. The most detailed and well-developed is the methodology for calculating the parameters of the anchors and the pressure in the working soil, based on the theory of pressure sets.
Keywords
Conveyor belt, Anchor fastening, Mineral composition, Return arch, Working soil pressure, Arch theory, Rock expansion, Combined anchor, Cable anchor, Anchor length.
References
1. Raiko G.V. & Grechishkin P.V. Ankernoe kreplenie: besfundamentniy montazh lentochnyh konveyerov [Anchor fastening: the foundationless installation of the belt conveyers/ Ugol' - Russian Coal Journal, 2011, No. 4, pp. 35-36. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/042011 .pdf (accessed 15.06.2020). (In Russ.).
2. Raiko G.V. & Grechishkin P.V. Besfundamentnyi montazh stanciy konveyerov v podzemnyh gornyh vyrabotkah s primeneniem ankernoy krepi [Fundamen-tary installation of conveyor stations in underground mining operations with the use of anchor support]. Markshejderiya i nedropolzovanie - Markshei-deriya and subsoil use, 2012, No. 4, pp. 26-27. (In Russ.).
3. Raiko G.V., Samok A.V., Chugulev A.O., Grechishkin P.V. & Pozolotin A.S. Ankernoe zakreplenie skrebkovyh konveyerov k pochve vyrabotok [Scraper conveyor bolting to the longwall]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2013, No. 2, pp. 20-21. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/022013.pdf (accessed 15.06.2020). (In Russ.).
4. Federalnye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti "Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh" [Federal rules and regulations in the field of industrial safety "Coal Mine Safety Regulations"]. Series 05. Issue 40. Moscow, NTTs PB JSC Publ., 2018, 198 p. (In Russ.).
5. Tsimbarevich P.M. Mekhanikagornyh porod [Mechanics of rocks]. Moscow, Ugletehizdat Publ., 1948, 184 p. (In Russ.).
6. Shirokov A.P. & Pislyakov B.G. Raschet i vybor krepi sopryazheniy gornyh vyrabotok [Calculation and selection of support of connections of mine workings]. Moscow, Nedra Publ., 1978, 304 p. (In Russ.).
7. Pivnyak G., Bondarenko V. & Kovalevska I. Mining of Mineral Deposits. London, Taylor & Francis Group, 2013, 384 p.
8. Abzalov M. Applied Mining Geology. Australia, 2016, 443 p.
9. Zong-Xian Zhang. Rock Fracture and Blasting. Theory and Applications. Norway, Longyearbyen, Svalbard, 2015, 487 p.
10. John A. Hudson. Rock Engineering Risk. London, Taylor & Francis Group, 2015, 596 p.
11. Bondarenko V., Kovalevska I., Symanovych H. et al. Geomechanics of Mine Workings Support Systems. London, Taylor & Francis Group, 2018, 231 p.
12. Anufriev V.Ye. & Lupiy M.G. Opyt primeneniya kanatnykh ankerov v kachestve krepi usileniya demontazhnykh kamer i vyrabotok, podderzhivayemykh na granitse s vyrabotannym prostranstvom i metodika raschota ikh parametrov [The experience of using rope anchors as a lining for reinforcing dismantling chambers and workings supported at the border with a worked-out space and a method for calculating their parameters]. Kemerovo, Institut uglya i uglekhimii SO RAN Publ., 2008, 220 p. (In Russ.).
For citation
Raiko G.V., Samok A.V., Pozolotin A.S. & Lysenko M.V. Determining the optimal length of anchors for securing conveyors to the mine workings. Ugol'- Russian Coal Journal, 2020, No. 7, pp. 34-37. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902020-7-34-37.
Paper info
Received January 18,2020 Reviewed February 26,2020 Accepted March 23,2020
