НОВИКОВ А.О. канд. техн. наук, доцент (Донецкий национальный технический университет)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УГЛА ЗАЛЕГАНИЯ ПОРОД И ГЛУБИНЫ АНКЕРОВАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК С АНКЕРНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ
Разработка рудных месторождений.-Научно-технический сборник.,2008.№92, Кривой Рог,Криворожский технический универ-ситет
УДК 622.281.74
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УГЛА ЗАЛЕГАНИЯ ПОРОД И ГЛУБИНЫ АНКЕРОВАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК С АНКЕРНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ
В статье изложены результаты исследований на моделях из эквивалентных материалах влияния угла залегания пород и глубины анкерования на устойчивость выработок с анкерным креплением.
Проблема и ее связь с научными и практическими заданиями:
Одним из условий эффективной и безопасной работы при поддержании выработок на шахтах Украины является обеспечение их устойчивости при минимальном расходе крепящих материалов. Металлические арочные податливые крепи, имеющие наибольший объем применения, выполненные из тяжелых спецпрофилей , в усложняющихся горно-геологических и горно-технических условиях отработки угольных месторождений, как показывает опыт, не обеспечивают необходимой устойчивости и безремонтного поддержания выработок. Их возведение является практически не механизированным, трудоемким процессом. Высокая материалоемкость крепей снижает технико-экономические показатели и сдерживает темпы проведения выработок. На угольных шахтах за рубежом происходит неуклонное увеличение объемов применения анкерного крепления, доля которого сегодня составляет: Австралия – 87%, КНР -83 %, США -52 %. Опыт показывает, что оно позволяет в 5–10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона, леса; в 3–5 раз повысить производительность работ при креплении выработок; в 2–3 раза повысить темпы проходки; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии во время эксплуатации.
Несмотря на определенные успехи в расширении области применения анкерного крепления на шахтах Украины в последние 10 лет, объемы крепления выработок этим видом крепи в настоящее время составляют не более 50 км.
Одной из основных причин, препятствующих широкому внедрению анкерной крепи на шахтах является не достаточное понимание ее роли в процессе поддержания выработки, а также отсутствие нормативной базы, позволяющей с учетом конкретной геомеханической ситуации и опыта использования, обосновано принимать параметры крепления. В этой связи, исследования закономерностей деформирования породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением для обоснования его рациональных параметров, являются актуальной задачей. Они проводятся в рамках тематического плана научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Украины по госбюджетной теме Д8-08 «Разработка проекта нормативного документа по использованию анкерного крепления для обеспечения устойчивости горных выработок глубоких шахт» (№ госрегистрации 0107U012803) в Государственном Высшем Учебном Заведении «Донецкий Национальный технический университет».
Анализ исследований и публикаций:
В научно-технической литературе представлено большое количество работ, посвященных обоснованию параметров анкерного крепления. Это работы А.П.Широкова, Б.К.Чукуна, А.А.Борисова, И.А.Юрченко, А.Н.Шашенко, В.В.Виноградова, А.Югона, А.Коста и др.
Все существующие способы и методы определения параметров анкерного крепления не позволяют однозначно определить область ее использования, рассчитать рациональные параметры крепи, обеспечивающие устойчивость выработок в течении срока службы при минимальных затратах, сдерживают ее широкое промышленное внедрение на шахтах Украины.
В настоящее время, расчет параметров анкерной крепи производится в соответствии с требованиями нормативных документов [1,2], в основу которых положены представления об анкерной крепи как о несущей конструкции, работающей по схемам «Подшивка» и «Сшивка». Расчет параметров анкерной крепи, как правило, основывается на необходимости соотнести ее «несущую способность» с величиной «нагрузки на крепь», которая формируется в результате разрушения вмещающего выработку массива и реализующихся в ее полость смещений пород. При этом не учитывается влияние угла залегания пород и глубины анкерования.
Такие представления о механизме взаимодействия анкерной крепи и массива приводят к ограничению области ее применения, как самостоятельной конструкции, второй категорией устойчивости выработок (смещения контура не превышают 200 мм) и завышению значений плотности установки анкеров, делая применение анкерной крепи экономически не целесообразным.
Поскольку проведение шахтных экспериментов по изучению особенностей деформирования породного массива в выработках с анкерным креплением весьма трудоемко и затруднительно. Проведение таких исследований связано с необходимостью учета влияния на искомые величины множества факторов. Поэтому, для ограничения их количества, авторы выбрали лабораторные методы исследований.
Задачами исследования являлось:
1. Оценить влияние угла залегания пород при схеме анкерования «сшивка» на устойчивость выработок с анкерным креплением.
2. Установить характер влияния глубины анкерования на особенности деформирования пород в кровле выработки.
Для решения поставленных задач использовался метод моделирования с помощью эквивалентных материалов [3].
Моделировались вмещающие выработку породы с прочностью на одноосное сжатие 40МПа и глубина заложения выработки 800м.. Для моделирования горных пород в качестве эквивалентного материала был принят кварцевый песок с гипсовым связующим.
Для сокращения количества экспериментов использовалась методика его рационального планирования [4 ].Моделирование проводилось в масштабе 1:100.
Смещения вмещающих выработку пород в модели определялись с помощью метода фотофиксации. Фиксированные точки в модели представляли собой игольчатые репера (1), изготовленные из проволоки. Смещения реперов, заложенных вокруг выработки, определялись относительно базовых реперов (2), закрепленных на раме модели. Схема расположения выработки и реперов в моделях приведена на рис. 1.
В кровлю выработки, после ее проведения устанавливались, с помощью клея ПВА, анкера. Они изготавливались из круглого дерева диаметром 1 мм и длиной la в геометрическом масштабе моделирования.
Порядок отработки моделей следующий. Перед оборудованием выработки в модели имитировалась (конечная) глубина ее заложения (800 м). Производилось фотографирование моделей в исходном состоянии (базовое фото). Модель выдерживалась при постоянном давлении дополнительного пригруза в 0,2 МПа до конца ее отработки. Потом оборудовалась выработка, производилось анкерование с последующим фотографированием.
Для определения влияния анкерования выработки и угла залегания пород на особенности деформирования массива вокруг нее, строились графики перемещений реперов Uk и диаграммы изменения коэффициента разрыхления материала модели между реперами вокруг выработки. Графики перемещений реперов Uk в кровле строились на момент окончания отработки модели.
Графики смещений глубинных реперов в кровле выработок в зависимости от глубины анкерования и диаграммы изменений коэффициента разрыхления материала модели №1, №2, №3 между глубинными реперами в кровле выработки представлены на рисунках 2,3,4 и 5.
Из представленных графиков и диаграмм можно сделать следующие выводы.
1. С увеличением глубины анкерования кровли (при постоянном угле залегания пород) снижается степень нарушенности приконтурного участка массива (между контурным и первым репером в кровлю).
2. При глубине анкерования 2 метра и более заанкерованный участок массива в кровле выработки, перемещается одним блоком без существенного расслоения, при этом максимальное значение коэффициента разрыхления составляет не более 1,018, что свидетельствует об отсутствии процессов разрушения в его пределах.
3. Разрушение пород в пределах заанкерованного участка в кровле установлено только при длине анкера 1 метр.
4. Разрушение пород в пределах формирующейся в кровли выработки зоны не упругих деформации наиболее интенсивно происходит за пределами заанкерованной зоны, причем степень нарушенности пород в ней уменьшается по мере увеличения глубины анкерования.
5. При увеличении глубины анкерования с 1 до 3 метров, максимальные смещения на контуре выработки в кровле, снижаются в 1,6 раза.
Графики смещений глубинных реперов в кровле выработок в зависимости от угла залегания пород и диаграммы изменения коэффициента разрыхления материала модели №1, №4, №5, №6 представлены на рисунках 6, 7, 8, 9 и 10.
Из представленных выше графиков и диаграмм можно сделать следующие выводы.
1. Наибольший размер зоны неупругих деформаций, формирующийся в кровли выработки с анкерным креплением, зафиксирован в модели №1 с углом залегания 0о градусов, он составил 5 метров при смещениях на контуре со стороны кровли 185 мм.
2. По мере увеличения угла залегания пород размер зоны неупругих деформаций, формирующийся в кровле, вокруг выработки с анкерным креплением, снижается с 5 до 3 метров. Уменьшается так же величина смещений пород на контуре со стороны кровли выработки с 185 мм до 117 мм.
3. Независимо от угла залегания, породы кровли в пределах заанкерованной части массива, перемещаются в сторону выработки без существенных расслоений (коэффициент разрыхления не более 1,015) одним блоком не разрушаясь.
4. Интенсивные разрушения пород происходят за пределами заанкерованой части массива в кровле, на глубине более 2-х метров.
5. Степень нарушенности пород за пределами заанкерованной области в кровле по мере удаления от нее в глубь массива убывает при увеличении угла залегания пород (так например, для участка между 2 и 3 репером при ?= 0о от 1,109, до 1,086 при ?=30о).
6. В пределах участка ЗНД в кровлю от 3 до 4 репера коэффициент разрыхления пород при увеличении угла залегания от 0о до 30о снижается от 1,05 до 1.
Состояние выработки в модели №3 к моменту начала и по окончании отработки модели показано на рисунке 2.15.
Проведенные лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов влияния угла залегания пород и глубины анкерования на устойчивость выработок с анкерным креплением позволили установить следующее.
1. При увеличении глубины анкерования с 1 до 3 метров (при постоянной плотности анкерования 1 анкер/м2) смещение контура выработки в кровле уменьшается в 1,6 раза, что хорошо согласуется с результатами исследований [5].
2. Увеличение угла залегания пород от 0 до 30 градусов (при постоянной плотности анкерования 1 анкер/м2 и длине анкеров lа=2 м) приводит к уменьшению смещений на контуре выработки со стороны кровли в 1,5 раза
3. Увеличение глубины анкерования приводит к снижению коэффициента разрыхления пород кровли на участке между контурным и первым репером в 1,1 раза. При этом область основных разрушений пород удаляется от контура выработки в кровле на глубину анкерования и деформации затухают по мере удаления от выработки. Заанкерованая толща пород смещается в сторону выработки единым блоком с относительными деформациями в его пределах до 1,8 %, что означает отсутствие в нем разрушающих деформаций.
4. При глубине анкерования 1 м установлено разрушение пород на участке между контурным и первым репером в кровле (относительные деформации составляют 5,5%), что свидетельствует о недостаточности длины анкера в 1 метр при анкеровании пород выработки пройденной в породах с прочностью 40 МПа в натуре при глубине заложения 800 метров.
5. При увеличении угла залегания пород от 0 до 30 градусов и постоянной длине анкерования 2 м, плотности анкерования 1 анкер/м2 происходит уменьшение размера зоны неупругих деформаций, формирующиеся в кровле выработки в 1,3 раза.
С целью проверки результатов исследований в настоящее время проводятся шахтные инструментальные наблюдения в выработках шахты «Добропольская».
Библиографический список
1. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. – Изд. 4-е, дополненное. Л., 1986. – 222 с.
2. СОУ-П 10.1.05411357.010. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования, 2007. – 62 с.
3. Кузнецов Г.И., Будько М.Н., Филипова А.А., Шклярский М.Ф. Изучение проявлений горного давления на моделях. Углетехиздат, 1959.-151с.
4. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов.- М.: Наука, 1970.-76 с.
5. Шашенко А.Н., Янко В.И., Терещук Р.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния однородного породного массива в окресности выработки, закрепленной анкерной крепью // Науковий вісник НГА України.- 2002.-№3.-с.14-18.
УДК 622.281.74
НОВИКОВ А.О.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УГЛА ЗАЛЕГАНИЯ ПОРОД И ГЛУБИНЫ АНКЕРОВАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК С АНКЕРНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ
В статье изложены результаты исследований на моделях из эквивалентных материалах влияния угла залегания пород и глубины анкерования на устойчивость выработок с анкерным креплением.
УДК 622.281.74
НОВІКОВ О.О.
ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КУТА ЗАЛЯГАННЯ ПОРІД ТА ГЛИБИНИ АНКЕРУВАННЯ НА СТІЙКІСТЬ ВИРОБОК З АНКЕРНИМ КРІПЛЕННЯМ
У статті викладанні результати лабораторних досліджень на моделях з еквівалентних матеріалів впливу кута залягання порід та глибини анкерування на стійкість виробок з анкерним кріпленням.
УДК 622.281.74
NOVIKOV A.O.
LABORATORY RESEARCHES OF INFLUENCE OF CORNER BURIAL OF ROCK AND DEPTHS OF ANCHORING ON STABILITY OF MINING with ROOF BOLTING
In article results of laboratory researches of influence of corner burial of rock and depths of anchoring on stability of mining with roof bolting are stated