CC BY
47
© А.А. Ромашкевич, В.Е.Зайцев, 2010
УДК 622.016 : 622.281.74
А.А. Ромашкевич, В.Е.Зайцев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Рассмотрены варианты крепления кровли штанговыми и канатными анкерными креплениями
Ключевые слова: анкерное крепление, штанговое и канатное крепления, напряженное состояние массива
Семинар № 3
Основной причиной разрушения пород под действием касательных напряжений являются высокие горизонтальные напряжения. Поэтому переориентировка выработок принятой системы разработки или расположение ортов и подготовительных выработок являются наиболее распространенным способом в тех случаях, когда измерениями установлено наличие больших горизонтальных напряжений. Однако переориентировка направления отработки или действующих выработок всегда является дорогостоящим мероприятием, а расположение ортов под углом к подготовительным выработкам может привести к снижению прочности угля в угловых частях целиков.
Проблемы управления горным давлением во многих угольных шахтах США, Австралии и других стран связаны с высокими горизонтальными тектоническими напряжениями и изменчивостью геологического строения кровли и почвы. Горная практика и исследования показали, что на устойчивость штреков влияют напряжения, вызываемые горными работами, и горизонтальные тектонические напряжения. Ранее в проектах большинства шахт указанных стран,
а в России - по настоящее время, проблемы управления горным давлением решались в основном, с учетом напряжений, вызванных горными работами, поскольку только очень немногие исследования указывали на необходимость адаптации ориентировки штреков к условиям высоких горизонтальных напряжений, геологическим особенностям и физико-механическим свойствам пород [1].
Опыт применение на отечественных и зарубежных шахтах сталеполимерной анкерной крепи показал, что они скрепляют слои пород непосредственной кровли, но не предотвращает их отслоение от вышележащих пород. Под действием изгибающих моментов и поперечных сил в укрепленной анкерами кровле развиваются нормальные и касательные напряжения, которые в предельном состоянии приводят к образованию трещин отрыва и сдвига, вследствие чего может происходить обыгрывание и срезание штанг. Особенно это проявляется на пересечениях выработок. Дополнительные трудности приносят разрушения краевых частей целиков, при охране выработки целиками, что приводит к дополнительному увеличению прогиба
Рис. 1. Взаимодействие внутренних и внешних сил в непосредственной кровле: а) схема действия сил; Ь) эпюра изгибающих моментов от равномерно распределенной нагрузки q; с) эпюра изгибающих моментов от сосредоточенной силы R; ф эпюра поперечных сил от равномерно распределенной нагрузки q; е) эпюра поперечных сил от сосредоточенной силы R
и отслоению. Для предотвращения этих явлений необходима установка крепи усиления, которая создавала бы изгибающие моменты противоположных знаков. В качестве такой крепи рационально применение канатных анкеров, которые должны закрепляться в устойчивых слоях за пределами свода возможного обрушения.
Результаты шахтных исследований в России и за рубежом, дают основание при анализе условий деформирования пород кровли, закрепленных штанговыми и канатными анкерами применить метод теории плоского изгиба однопролетных балок, защемленных на опорах [2, 3]. Такими опорами являются около-штрековые целики, а местом защемления - точки максимума опорного давления.
Схема действия сил показана на рис. 1. Балка АВ (укрепленная штанговыми анкерами непосредственная кровля) подвергается воздействию:
- равномерно распределенной нагрузки от собственного веса д,
- противоположно направленной сосредоточенной силы R, приложенной в
точке С и определяемой напряжениями 1
в канатном анкере ,
- продольной силы Т, определяемой горизонтальными напряжениями, действующими в массиве.
1 Для упрощения на схеме показано влияние одного каната.
Рассмотрим вначале вариант, соответствующий случаю, когда непосредственная кровля в полном соответствии с действующей инструкцией [4] укреплена штанговой анкерной крепью. В точках защемления максимальные величины изгибающих моментов и поперечных сил от равномерно распределенной нагрузки q составляют:
м = д 12
О =
^ 2 ’
а максимальные растягивающие и касательные напряжения:
(1)
(2)
(3)
Условия прочности при изгибе укрепленной анкерами непосредственной кровли:
СТшах Аар ^ (4)
Тшах ^ С'+ °ЛР' , (5)
2
Рис. 2. Разрушение непосредственной кровли трещинами отрыва и сдвига
где шН'К' - мощность непосредственной кровли; а - эффективный пролет; С и р -сцепление и угол внутреннего трения на поверхностях, параллельных напластованию; ап - нормальные напряжения, перпендикулярные поверхностям напластования (опорное давление на целиках).
В середине пролета растягивающие напряжении составляют половину от величины, определяемой формулой 3, а касательные равны 0.
При нарушении условия прочности 4 в местах защемления и в середине пролета возникают трещины отрыва г (рис. 2). Так как эти трещины развиваются перпендикулярно к напластованию, то штанговая крепь не может затормозить этот процесс, который в конце концов может привести к обрушению непосредственной кровли.
При нарушении условия прочности 5 в местах защемления возникают трещины сдвига, параллельные напластованию я (рис. 2). Такого рода деформации были зарегистрированы, например, на шахте "Шушталепскя" в Кузбассе. Послойные подвижки могут обнаруживаться визуально при осмотре скважин (рис. 3).
Штанговая крепь препятствует этому
процессу, но в некоторых случаях при взаимном смещении слоев могут происходить срезы анкеров.
Длинные канатные анкеры, закрепленные в устойчивых слоях основной кровли (рис. 4), создают изгибающие моменты и поперечные силы противоположного знака:
Ык =- ^. (6)
QR =-Я (7)
Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил QR показаны на рис. 1 (с и е). Степень нейтрализации напряжений, вызываемых равномерно распределенной нагрузкой q, зависит от плотности установки канатных анкеров и степени их предварительного натяжения. В некоторых случаях этому же могут способствовать угловые штанговые анкеры, заглубляемые за пределы зоны защемления непосредственной кровли.
Горизонтальная сила Т с плечом, равным прогибу балки, создает дополнительный изгибающий момент.
Рис. 3. Вид на внутреннюю поверхность шпура при взаимном смещении слоев: а - направление осмотра, Ь - взаимное смещение слоев с - направление максимальных горизонтальных напряжений [5, 6]
Рис. 4. Крепление кровли в _
1 1 Устойчивые
случае образования в краевых структуры
частях пласта зон неупругих деформаций угля [8]
(8)
Максимальный изгибающий момент на опорах от совместного влияния вертикальных (q и R) и горизонтальной сил Т, может быть определен по формуле M _ М + М„ + МТ
max q R T •
До определенного положения относительно проходческого забоя, горизонтальная сила Т и соответствующие нормальные
сжимающие горизонтальные
напряжения ан > 0 нейтрализуют нормальные растягивающие anax < 0 в скрепленной штанговыми анкерами непосредственной кровле, способствуя повЫпцвнишЕре уяалвчииоотаабоя и увеличения прогиба балки, изгибающие моменты от силы Т, начинают вызывать нормальные растягивающие напряжения ан < 0. Вследствие суммирования нормальных растягивающих напряжений, инициированных силами q и Т, происходит увеличение интенсивности образования трещин отрыва и, в конечном счете, обрушение кровли.
Другими словами, горизонтальные тектонические напряжения способствуют разрушению кровли.
Уравнение прогиба балки вдоль оси ох под действием равномерно распределенной нагрузки q:
X -1
(9)
где, Е - модуль деформации пород непосредственной кровли.
Из формулы 9 следует, что прогиб непосредственной кровли и ее отслоение от вышезалегающих слоев, должны
происходить во всех случаях при 0 < ^
< 1, если она не будет подвешена к устойчивым породам основной кровли или в выработке не будет установлена крепь усиления. Экспериментально явления расслоения укрепленной штанговыми анкерами непосредственной кровли и ее отслоения от основной были установлены на шахте «Инлэнд Стил» №2 в угольном бассейне Иллинойс (США) [7].
Поведение целика при различных условиях нагружения определяется величиной зон пластических деформаций Ла1 и Ла2, обозначенных на рис. 4. Величина этих зон определяется шириной полосы в краевой части, на которой приложенная нагрузка превышает прочность ненарушенного угля.
Ширина зон пластических деформаций может рассчитываться или определяться приблизительно по графику на рис. 5. График построен для значения угла внутреннего трения р=35о, которое можно считать средней величиной для основных угольных месторождений [9].
Эффективная ширина выработки: ае = апр + Да1 + Да2, (10)
где апр - проектная ширина выработки. Наиболее надежным способом определения ширины зон пластических деформаций является бурение разведочных скважин.
2
Рис. 5. График для определения ширины зоны пластических деформаций в краевых частях целиков при наличии в кровле пород: А
- легко и средне обрушающихся, В -трудно обрушающихся и весьма трудно обрушающихся. Графики построены для значения угла внутреннего трения ф = 35о [8]
После того, как будут определены объем и вес пород, которые должны поддерживаться канатными анкерами, можно определить число и расположение анкеров, необходимое для поддержания штрека. Принимая несущую способность стандартного каната 258 кН и изменяя количество анкеров в поперечном сечении выработки, можно выбрать наилучший вариант проекта.
На рис. 6 показан график, рассчитанный для 2, 3 и 4 канатов, устанавливаемых в каждом шпуре в выработке с эффективной шириной ае = 7.6 м и при удельном весе пород 0.024 МН/м3. По оси абсцисс указаны расстояния между канатными анкерами по ширине выработки, а по оси ординат - суммарная мощность слоев, которые мо-
гут быть поддержаны этими анкерами. Например, если расстояние между анкерами составляет 2.1 м, то они могут поддерживать расслоившиеся породы на высоту соответственно 1.4, 2.0 и 2.7 м.
Для определения уточнения параметров анкерного крепления, наиболее соответствующих конкретным условиям, необходимо проведение систематического изучения напряженного состояния и геологического строения массива.
-------СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Hanna K., D. Conover, K. Haramy, and R. Kneisley. Structural
Рис. 6 График для определения плотности установки канатных анкеров при эффективной ширине выработки ае = 7.6 ми объемном весе пород у = 0.024МН/м3 [8]
Stability of Coal Mine Entry Intersections—Case Studies. Ch. 74 in Rock Mechanics: Key to Energy Production, ed. by H. L. Hartman. Soc. Min. Eng. AIME, 1986, pp. 512-519;
2. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Гос. из-во тех. - теор. лит., М.-Л., 1951. 856 с;
3. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. М., Мир, 1976, 669 с;
4. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. -СПб., 2000. - 70 с. (М-во топлива и энергетики РФ). Гос. науч. - исслед. ин-т горн. геомех. и маркшейд. дела - Межотраслевой науч. Центр ВНИМИ);
5. Mucho T.P., Mark C. "Determining Horizontal Stress Direction Using the Stress Mapping Technique". 13 th Conference on Ground Control in Mining. US, Pittsburg, 1992, pp 277-289;
6. Parker, J. Practical Rock Mechanics for the Miner. Pan 5: How to Design Better Mine Openings. Eng. Min. J, Dec. 1973, pp. 76-80.
7. Hanna K., Haramy K. and Conover D. "Effect of high horizontal stress on coal mine entry intersection stability".U. S. Department of the Interior, Bureau of Mines, Denver Research Center, Denver, CO. 5 th Conference in Ground Control in Mining. Morgantown, WV, June 11-13, 1986;
8. John P. McDonnel, Stephen C. Tadolini, Paul E. DiGrado "Field Evaluation of Cable Bolts for Coal Mine Roof Support". U. S. Department of the Interior, Bureau of Mines. Report of Investigations 9533. 1995;
9. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород / М., Недра, 1979, 269 с. nsrj=1
і- Коротко об авторах
Ромашкевич А.А. - аспирант, Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова.
Зайцев В.Е. - студент, Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. Г.В. ПЛЕХАНОВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ЮТЯЕВ Евгений Петрович Обоснование параметров околоштре-ковых целиков в технологических схемах интенсивной отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» 25.ОО.22 к.т.н.
