В.П.САЖНЕВ (ДонГТУ) Обоснование пространственного орентирования анкеров при креплении горной выработки

УДК 622.281.74

ОБОСНОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ АНКЕРОВ ПРИ КРЕПЛЕНИИ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Инж. В.П.САЖНЕВ (ДонГТУ)

Разработан новый способ крепления выработки анкерной крепью, основанный на обеспечении пространственной жесткости подкрепляемой толщи пород.

Известно, что процесс смещения пород в полость горной выработки при ее эксплуатации носит неравномерный характер. Исследованиями установлено, что под воздействием горного давления наблюдается поочередное сдвижение разрушенных блоков пород в полость выработки с периодическим возникновением эффекта их саморасклинивания [1, 2]. В месте зарождения данного эффекта наблюдается максимальный рост смещений горных пород, что соответствует процессу образования породных складок.

До недавнего времени процесс саморасклинивания пород рассматривался только в плоскости сечения горной выработки. Как показали последующие исследования, он имеет пространственный характер. Так, на шахте “Западно-Донбасская” ПО “Павлоградуголь” в магистральном западном и восточном откаточных штреках была проведена серия замеров вертикальной и горизонтальной конвергенции. Выработки пройдены более 20-ти лет назад и находятся в одинаковых геологических условиях и поддерживаются в одинаковой горно-технической ситуации на участке наблюдений по всей длине. Однако, наблюдается значительная разница в конвергенции буквально на соседних замерных секциях, расстояние между которыми составляет порядка нескольких метров. Этот факт может объяснятся только пространственным распределением механизма саморасклинивания пород, заставляющего породные блоки и слои сдвигаться неравномерно в полость выработки.

Натурными исследованиями зафиксирован значительный рост вертикальной конвергенции, где осевые сдвижения пород в кровле и почве выработки были направлены в противоположные стороны по отношению к оси выработки, то есть, были расходящимися (рисунок 1, а). То же самое происходит при расходящихся сдвижениях отдельно в кровле или отдельно в почве (рисунок 1, б). Напротив, в местах однонаправленного (встречного) сдвижения породных слоев (блоков) вдоль оси выработки, — отмечается значительное уменьшение конвергенции (рисунок 1, в, г). Это происходит из-за формирования пространственно ориентированных сегментов сжатия ранее разрушенных пород, охватывающих сечение подготовительной выработки в результате их саморасклинивания. Такие места наиболее четко прослеживаются по проявлению интенсивного складкообразования, где можно визуально проследить историю зарождения и развития процесса саморасклинивания пород. Та же самая закономерность пространственного проявления эффекта саморасклинивания пород была замечена автором и в боках выработок.

Впервые было обращено внимание на развитие складкообразавания вдоль оси выработки при обследовании магистрального штрека на хате “Западно-Донбасская” [3]. Так на пикете № 161 восточного магистрального откаточного штрека обнаружена в кровле породная складка, развивающаяся в горизонтальной плоскости. При этом морфология складки и наблюдения шахтных геологов однозначно свидетельствуют о ее современном происхождении. Причем породные складки развиваются в обоих направлениях, то есть натурными наблюдениями зафиксированы практически все случаи кинетики смещения пород, отраженные на рисунке 1. Это подтверждает закономерность описанных предположений по поводу значительной разности в конвергенции на контуре выработки при одинаковых геологических условиях.

Из приведенных выше закономерностей возникает необходимость обеспечения пространственной жесткости подкрепляемой толщи пород вмещающих горную выработку. Для решения данной проблемы наиболее эффективным следует признать применение анкерной крепи с пространственным ее расположением.

В практике горного дела известны способы установки анкерной крепи с наклоном анкеров под различными углами [5, 6, 7]. Известные способы имеют следующие недостатки:

-способы установки не согласуют ориентацию анкеров с направлением смещения пород

-углы наклона ориентируют относительно породного обнажения или относительно горизонтали. Это уменьшает работоспособность анкера. Его или срезает, или недостаточно используется несущая способность из-за того, что не полностью используется положительный эффект трения породы об анкер.

Для устранения указанных недостатков и обеспечения максимальной пространственной жесткости подкрепляемой толщи пород, вмещающих горную выработку, был разработан способ установки анкера [4]. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ установки анкеров путем бурения шпуров под углом по отношению к направлению смещения пород. При этом обеспечивается технический результат — согласование ориентации анкеров с направлением смещения пород, что полностью использует положительный эффект трения породы об анкер и повышает устойчивость выработки в целом. Имеется в виду, что часть силы, под воздействием которой происходят смещения горных пород, расходуется на изгиб материала, из которого изготовлен анкер и на преодоление дополнительных сил трения, которые возникают от реактивных сил из-за несоосности направления смещения породы и ориентации оси анкера. При малых углах наклона анкеров величина закрепляемого ими пространства относительно контура выработки уменьшается незначительно, а площадь сшиваемых ими пород существенно увеличивается. Целесообразно также наклон шпура осуществлять в плоскости, не совпадающей с плоскостью сечения выработки и отклоняющейся от неё на угол b , равный 5–90⁰.

a обоснованы результатами натурных исследований. Сравнение усилий вытаскивания анкеров из шпуров при соосном и несоосном их расположении относительно направления сдвижения пород показало, что при расположении анкера под углом a до 5⁰ к плоскости смещения пород, величина усилия его вытаскивания из шпура незначительно отличается от исходного. Кроме того, нижний предел предложенного в изобретении угла a обоснован тем, что в натурных условиях обеспечение наклона шпура с точностью до 5⁰ сопряжено с большими трудностями из-за ряда технологических и геофизических факторов. Верхний предел обоснован тем, что по результатам натурных и лабораторных исследований угол наклона шпура a принимающий значения более 40⁰ по отношению к направлению смещения пород, приводит к значительной потере несущей способности анкера (вплоть до его среза) в 90% случаев.

⁰ , позволит значительно ускорить достижение технического результата. Имеется в виду тот факт, что наклоном анкеров в предложенной плоскости достигается эффект более полного перекрытия площади закрепляемого пространства. Однако при отклонении анкера от плоскости поперечного сечения на угол b менее 5⁰ эффекта значительного перекрытия площади закрепляемого пространства не достигается.

b анкерами. Также представлено трехмерное изображение участка выработки с закрепленным по описанному способу пространством, где отображен угол a наклона анкера к плоскости 3 смещения пород.

a к полученной плоскости смещения пород и устанавливали в них анкерную крепь. При этом наклон шпура осуществлялся в плоскости, не совпадающей с плоскостью сечения выработки и отклоняющейся от неё на угол b , равный 5–90⁰. После реализации визуально определяемых смещений вмещающих выработку пород были произведены замеры значений силы стаскивания породы с анкерной крепи (D F, кН) и замеры величины вытаскивания анкерной крепи из шпура (D l, мм). Анализ полученных данных был произведен как сравнительный по отношению к соосному с направлением смещения пород расположению анкеров и их параллельной взаимной ориентацией. Результаты эксперимента показали (таблица 1), что при углах наклона шпура a менее 5⁰, дополнительная работа на преодоление сопротивления вытаскиванию анкера из шпура (D FD l, кН/мм) на порядок меньше, чем при предложенном в изобретении диапазоне углов наклона. При углах наклона более 40⁰ дополнительной работы на преодоление сопротивления вытаскиванию анкера из шпура не зафиксировано. В результате среза анкеров, конечная работа на их вытаскивание из шпура меньше той же работы при соосном с направлением смещения пород расположении анкерной крепи, поэтому в таблице она принимает отрицательное значение.

Таким образом, разработан способ крепления выработки анкерной крепью, основанный на использовании и усилении пространственного эффекта саморасклинивания вмещающих пород при их движении в полость выработки. Данный способ увеличивает эффективность использования крепи на 30–40% и повышает устойчивость выработки.

Библиографический список

1. Копылов А.И., Назимко В.В. Механизмы деформирования надрабатываемых выработок, Уголь Украины 5, 10, 1994.

2. Сажнев В.П., А.А. Лаптеев, С.Н. Александров, Назимко В.В. Численное моделирование увеличения несущей способности вмещающих выработку пород за счет эффекта их саморасклинивания, Известия Донецкого горного института 4, 15, 1996.

3. Сажнев В.П. Обеспечение устойчивости выработки управлением эффектом саморасклинивания пород вдоль ее оси // III-я научно практическая конференция выпускников горного факультета “Совершенствование технологии добычи угля в глубоких шахтах”. — Донецк, ДонГТУ, 1997. — С.2.

4. Заявка на а.с. № 98010325. Украина. Способ установки анкера / Назимко В.В., Александров С.Н., Сажнев В.П. (Украина). — 6с. ил.; Заявлено 21.01.98г.

5. Ахиллес П., Фирхаус Р., Люттиг Ф. Опыт проходки выработок прямоугольного сечения с анкерной крепью на выемочном участке 259 по пласту L (H1) на шахте “Августа Виктория” // Глюкауф. — 1988. — № 2. — С. 24–36.

6. А.с. СССР, МКИ E 21 D 21/00. Многозвенная анкерная крепь / № 1112126; опубл. 07.09.84г, Бюл. № 33. — 4 с.

7. А.с. СССР, МКИ E 21 D 21/00. Беззамковый анкер / № 1601384; опубл. 23.10.90г, Бюл. № 39. — 6 с.

Назад в библиотеку