Предельное состояние горного массива, армированного пространственными анкерными системами

В последние годы, в Украине, разработан и утвержден ряд программных документов, цель которых повысить эффективность работы угольной промышленности. К 2010 году намечено увеличить добычу угля до 100 млн т. При этом, одним из приоритетных направлений снижения затрат на добычу угля в этих программах является внедрение новых технологий с использованием анкерной крепи.

Несмотря на определенные успехи в их выполнении, объемы крепления выработок анкерной крепью в настоящее время составляют не более 40 км.

По мнению авторов, основной причиной, препятствующей широкому внедрению анкерной крепи на шахтах Украины является не достаточное понимание ее роли в процессе поддержания выработки, а также отсутствие нормативной базы, позволяющей с учетом конкретной геомеханической ситуации, обосновано принять ее параметры.

В настоящее время, расчет параметров анкерной крепи производится в соответствии с требованиями нормативных документов, 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. 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.

По мнению авторов, возводимая в приконтурном массиве анкерная крепь, представляет собой композитную, породно-металлическую конструкцию, размещение в которой пространственной совокупности армирующих элементов (анкеров), позволяет изменить структуру и деформационные свойства массива, создать препятствия его разрушению, управлять формированием вокруг выработки зоны разрушенных пород.

В настоящее время, в паспортах крепления, как правило, закладывается радиальное расположение анкеров, что, по мнению авторов, является самым не рациональным, т.к. область влияния анкеров на массив в этом случае минимальная. В ДонНТУ, на протяжении последних 10 лет предложены принципиально новые, пространственные схемы анкерования массива, позволяющие при минимальном количестве анкеров максимально использовать его несущую способность. Однако, проведение шахтных экспериментов по изучению особенностей деформирования породного массива в выработках с анкерным креплением весьма трудоемко и затруднительно, поэтому авторы вынуждены использовать лабораторные методы.

Задачей данных исследований являлось установление предельных прочностей и деформаций породного массива, при различных схемах его анкерования. Исследования проводились на образцах из цементно-песчаных растворов. Изготавливались кубические образцы 55х55х55 мм, которые моделировали участок породного массива объемом 1 м³. Моделировалась горные породы прочностью 20, 30, 40 и 50 МПа, залегающие на глубине 1000 м. В моделируемом участке породного массива располагались 4 анкера из стальной проволоки диаметром 1 мм.

Схемы пространственного размещения анкеров в моделях представлены на рисунке 1. По стандартным методикам проводились испытания образцов на одноосное сжатие, одноосное растяжение и объемное сжатие. Испытания образцов производились на жестких прессах с фиксацией величины прикладываемой нагрузки и соответствующей величины деформации (рисунок 2).

Всего было испытано 216 образцов (по двадцать семь образцов в каждой серии). В каждой серии испытывались по три одинаковых образца, относящихся к схемам армирования 1–8. Результаты испытаний на одноосное сжатие и растяжение представлены в таблицах 1 и 2.

По результатам испытаний образцов на объемное сжатие были определены следующие параметры, характеризующие несущую способность породного массива армированного пространственными анкерными системами при объемном напряженном состоянии: предельное значение напряжений, предельные относительные деформации, относительные остаточные деформации. Значения этих параметров для массива с прочностью пород на одноосное сжатие 20, 30, 40 и 50 МПа и схем анкерования 1–8 представлены в таблицах 3–6.

По результатам испытаний образцов с прочностью 20 МПа (табл.3) установлено, что все предлагаемые схемы (2–8) по всем сравниваемым показателям лучше традиционной (схема 1) с радиальным расположением анкеров. Они обеспечивают повышение предельного значения разрушающих напряжений в 1,26–2,34 раза , предельных относительных деформаций на 0,14–9,83 %, относительных остаточных деформаций – на 0,57–10,11 %. Лучшими оказались схемы 7, 5, 4, 6 и 2.

Аналогичные результаты были получены при испытаниях образцов с прочностью 30 МПа (табл. 4). Предлагаемые схемы пространственного анкерования позволили повысить предельное значение разрушающих напряжений в 1,08–1,3 раза, предельных относительных деформаций на 0,35–2,25 %, относительных остаточных деформаций – на 0,19–1,76 %. Лучшими оказались схемы 2, 5, 6, 4 и 8.

В породах с прочностью 40 МПа (табл.5), предлагаемые схемы 2–8 пространственного анкерования позволили повысить предельное значение разрушающих напряжений по сравнению со схемой радиального расположения анкеров(схема 1) в 1,31–1,46 раза, предельных относительных деформаций на 0,10–4,3 %, относительных остаточных деформаций – на 0,21–4,55 %. Лучшими оказались схемы 7, 6, 5, 3 и 2.

Сравнивая результаты испытаний образцов с прочностью 50 МПа (табл.6) можно отметить, что все предлагаемые схемы по значениям всех анализируемых показателей лучше традиционной (схема 1) с радиальным расположением анкеров. Они обеспечивают повышение предельного значения разрушающих напряжений в 1,01–1,47 раза, предельных относительных деформаций на 1,60–7,74 %, относительных остаточных деформаций – на 2,22–8,93 %. Лучшими оказались схемы 5, 7, 6, 2 и 4.

Вывод: