Автореферат

"Обоснование технической возможности закрепления анкера в шпуре за счет естественного деформирования породного массива"

Выполнил: Лебедев Евгений Юрьевич

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. Анализ конструкций и способов закрепления анкерной крепи.
2. Аналитические предпосылки технической возможности закрепления анкера за счет естественного деформирования стенок шпура.
2.1. Расчет ожидаемых смещений контура в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий.
2.1.1. Постановка задачи.
2.1.2. Расчет смещений.
3. Расчет величины зоны разрушений вокруг шпура.
4. Определение несущей способности анкеров.
4.1. Постановка задачи.
4.2.Расчет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Донецком бассейне идет интенсивное освоение добычи угля на все более глубоких горизонтах. Переход к разработке угольных пластов на больших глубинах поставил перед горной наукой ряд принципиально новых задач по охране капитальных и подготовительных выработок, находящихся в крайне тяжелых условиях эксплуатации. В результате интенсивного проявления горного давления на больших глубинах крепь деформируется, искажается профиль откаточных путей, ухудшается вентиляция и происходят другие явления, которые снижают производительность труда, увеличивают затраты на ремонт выработок и нарушают ритмичную работу шахт.
Подсчитано, что на крепление 1 м выработки расходуется до 1,5 м лесных материалов или 300-400 кг металла специального профиля. Эти крепи, несмотря на высокую материалоемкость, не удовлетворяют в некоторых случаях горно-геологическим условиям, в которых они применяются, и не отвечают современным требованиям дальнейшего повышения эффективности производства. Поэтому в настоящее время для обеспечения безремонтного содержания выработок ведется создание и внедрение новых конструкций крепей, имеющих большую несущую способность и меньшую металлоемкость. К числу таких крепей относится анкерная крепь.
Анкерная крепь состоит из системы стержней (металлических, деревянных, железобетонных, полимерных и других), закрепляемых различным способом в скважинах. Воспринимая растягивающие и сдвигающие усилия, анкера способствуют увеличению несущей способности горных пород и обеспечивают поддержание неустойчивой части массива.
Анкеры закрепляются или на участке, или по всей длине скважины с помощью специальных замков, цементно-песчаных растворов и смол. Подсчитано, что стоимость смолы, для закрепления анкера, составляет примерно 40% от стоимости самого анкера. Поэтому перед нами стоит задача поиска таких решений этой проблемы, которые помогли бы снизить затраты, на закрепление анкера с помощью смол, но в то же время анкерная крепь не должна потерять своих рациональных параметров.
Для крепления подземных выработок анкеры используются как отдельный вид крепи, так и в комбинации с крепью поддерживающего типа, а также в сочетании в набрызгбетоном. Для снижения или полного предотвращения раскрытия природных трещин и уменьшения проявления горного давления в анкерах создается предварительное натяжение.
Данная работа ставит перед собой цель найти и обосновать технические возможности закрепления анкера в шпуре за счет естественного деформирования породного массива, что позволит существенно снизить затраты на закрепление анкера в шпуре.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ
В горнорудной промышленности наибольшее распространение в настоящее время получили свыше 10 разновидностей анкеров (рис. 1.1), конструкции которых разработаны с учетом горнотехнических условий различных бассейнов страны, и несколько разновидностей подхватов (рис. 1.2).

Наиболее экономическим видом анкерной крепи является деревянная, которая применяется в настоящее время главным образом для крепления боков горизонтальных выработок на пологих пластах и ходовых печей на крутых пластах, проводимых по скважинам диаметром 0,4-0,5 м. Металлические анкеры ШК-1п, АК-8у и АК-ВБ применяются для крепления горизонтальных и наклонных выработок: вентиляционных и конвейерных штреков, рассечек для монтажа щитов, камер для монтажа механизированных комплексов, бремсбергов, уклонов и ходков при них, разрезных печей, скатов, бункеров при щитовой системе разработки и др. В тяжелых горно-геологических условиях используется также комбинированная крепь: анкерная в сочетании с рамной и набрызгбетонной крепями.
Задача выдачи параметров анкерной крепи формулируется следующим образом: для различных условий ее применения необходимо определить рациональные значения управляемых параметров анкерной крепи (выражая их через неуправляемые), обеспечивающих безопасные условия труда и эффективность ее применения. Под управляемыми понимаются конкретные конструктивные или горнотехнические параметры, которые могут быть изменены в заданных пределах. В их число входят углы установки, предварительное натяжение стержней анкеров, шаг установки анкеров вдоль выработки, число анкеров в ряду по ширине выработки, длина анкера, сечение и жесткость подхвата и др. В число неуправляемых параметров входят: параметры, характеризующие физико-механические свойства вмещающих выработку пород, мощность непосредственной кровли, глубина разработки и др.
Известно свыше 300 разновидностей анкерной крепи, отличающихся способом закрепления, материалом и конструктивным исполнением. Выбор типа анкерной крепи зависит от ряда геологических, горнотехнических и технико-экономических факторов. К этим факторам относятся: строение и физико-механические характеристики горных пород, степень нарушенности и водоносность месторождений, глубина разработки, расстояние между пластами, конфигурация, размеры, назначение и срок службы выработки, условия ее эксплуатации, расход, стоимость, дефицитность и прочностные свойства материалов анкерной крепи, технологичность изготовления и возведения крепи.
Все многообразие конструкций можно систематизировать следующим образом. В качестве материала для изготовления крепи применяют дерево, бамбук, металл, железобетон, полимеры, резину. По виду различают однозамковые, двухзамковые, многозамковые и беззамковые анкера. Для закрепления анкеров в скважине применяют следующие способы: механический, химический, взрывной; кроме того, для этой же цели используют цементный раствор. Замки анкеров бывают клиновые, клинощелевые, распорные и винтовые. По числу стержней различают одностержневые, двухстержневые и многостержневые анкеры. Они могут быть жесткие и гибкие (канатные, проволочные) с периодическим, круглым и гофрированным профилем. Опорные элементы (шайбы) могут быть сферические, плоские и фигурные. Для предварительного натяжения анкеров используют резьбовую пару в замковой или хвостовой части и клиновое соединение в месте установки опорных элементов. Крепь различают жесткую и податливую, для ее возведения применяют механизированный и ручной способы. При установлении области применения различных типов анкеров к учету принимались следующие факторы: прочность закрепления, эксплуатационная характеристика крепи, стоимость анкера, технологичность его изготовления, простота устойчивости, возможность повторного использования и расход материала.

2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОЗМОЖНОСТИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРА ЗА СЧЕТ ЕСТЕСТВЕННОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТЕНОК ШПУРА
2.1 Расчет ожидаемых смещений контура шпура в зависимости от горногеологических и горнотехнических условий
2.1,1 Постановка задачи Для решения поставленной задачи воспользуемся зависимостью смещений (Uк) от времени (I), предложенной Заславским Ю.З. [4].

где
Uк - смещение стенок шпура, м;
а - диаметр шпура, м;
t — время, сут.;
к - коэффициент концентрации напряжений;
у - - объемный вес породы, т/м3 ;
Н - глубина заложения, м;
R - предел прочности породы на одноосное сжатие, кгс/см2 .

2.1.2 Расчет смещений
Расчет будем производить для следующих типов пород: глинистые сланцы, песчаные сланцы, песчаники, известняки, алевролиты и аргиллиты. В данных расчета будут использоваться средние значения геомеханических параметров, таких как:
а1 = 0,042м;
а2= 0,030м;
t=5; 10; 15; 20; 25; 30 сут.;
к=1,5;
Н= 1000м.
Параметры у и R берутся из таблиц [3] в зависимости от типа таблиц.

1.Глинистые сланцы.
у=2,82 т/м3;
R=400 кгс/см2.
Результаты расчетов, произведенных по формуле (2.1), представлены в таблице 2.1
Таблица 2.1 — Результаты расчета смещений для глинистых сланцев

Зависимость величины смещений стенок шпура (Uк) от времени (t) для глинистых сланцев представлена на рисунке 2.1.
2.Песчанистые сланцы.
у=2,80т/м3;
R=650 кгс/см2.
Результаты расчетов, произведенных по формуле (2.1), представлены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 — Результаты расчета смещений для песчанистых сланцев

Зависимости величины смещений стенок шпура (Uк) от времени (t) для песчанистых сланцев представлена на рис. 2.2.
3. Песчаники
у=2,53 т/м3;
R=1100кгс/см2.
Результаты расчетов, произведенных по формуле (2.1), представлены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 — Результаты расчета смещений для песчаников

Зависимости величины смещений стенок шпура (Uк) от времени (t.) для песчаников представлена на рис. 2.3.
4. Известняки y=2,54 т/м3;
R=1050кгс/см2.
Результаты расчетов, произведенных по формуле (2.1), представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 — Результаты расчета смещений для известняков

Зависимости величины смещений стенок шпура (Uк) от времени (t) для известняков представлена на рис. 2.4.
5. Алевролиты
у=2,3т/м3 ;
R=230 кгс/см2.
Результаты расчетов, произведенных по формуле (2.1), представлены в таблице 2.5.
Таблица 2.5 — Результаты расчета смещений для алевролитов

Зависимости величины смещений стенок шпура (Uк) от времени (t) для алевролитов представлена на рис. 2.5.
6, Аргиллиты
у=2,2 т/м3;
R=290 кгс/см2.
Результаты расчетов, произведенных по формуле (2.1), представлены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 — Результаты расчета смещений для аргиллитов

Зависимости величины смещений стенок шпура (Uк) от времени (t) для аргиллитов представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.1 Графики зависимости смещений от времени для глинистых сланцев

Рис. 2.2 - графики зависимости смещения от времени для песчанистых сланцев

Рис 2.3 Графики зависимости смещений от времени для песчаников

Рис.2.4 Графики зависимости смещений от времени для известняков

Рис 2.5 Графики зависимости смещений от времени для алевролитов

Рис.2.6 Графики зависимости смещений от времени для аргиллитов

3 РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЯ ВОКРУГ ШПУРА
Имея набор фактических данных зависимости т и tр по способу, предложенному в работе [8], определяются параметры функции поврежденности (А, n), которые должны удовлетворять уравнению(2.3) После подстановки определенных выше параметров в формулу она приобретает вид:

Задаваясь текущим радиусом зоны разрушения г, по формуле (3.2) определим время, необходимое для образования этой зоны.
Реализация вычислений по формуле (3.2) была осуществлена на ЭВМ. При этом было рассмотрено два варианта. В первом варианте было принято, что коэффициент концентрации напряжений вокруг шпура равен К=1,5 и коэффициент структурного ослабления массива осл =0,5. А во втором варианте приняли К=1,5 и К осл =1,0.
По данным вычислений была построен зависимость величины зоны разрушения вокруг шпура г от времени I, представленная на рис. 3.1.
Теперь, зная радиус зоны разрушения г и время t, можно вычислить величину нового радиуса Г0 в зависимости от времени t; по формуле. Зная радиус r0, можно найти величину смещений U по формуле:
U=(r-ro)2, (3,3)
Результаты вычислений нового радиуса r0 и величины смещений U в зависимости от времени I приведены по вариантам соответственно в таблицах 3.1 и 3.2.
Таблица 3.1 — Результаты вычислений r0 и U.Вариант 1.

Зависимость величины смещения U от времени t представлена на рис.3.2.
Таблица 3.2 — Результаты вычислений r0 и U. Вариант 2.

Зависимость величины смещения U от времени t представлена на рис. 3.2.
Следующим этапом расчетов является нахождение времени, необходимого для зажатия тела анкера разрушенной породой.
Для этого, зная диаметры шпура и анкера, вычисляется необходимое смешение контура шпура U по формуле:
U=dш-dа,(3.4)
где
dш - диаметр шпура, мм;
dа- диаметр анкера, мм.
После этого по номограмме смещений (рисунок 3.2), зная величину смещений U, находится время t. Начиная с этого момента, анкер удерживается в шпуре за счет нормального давления со стороны породы и сил трения.
В качестве примера рассмотрим два случая. В первом диаметр анкера примем 27 мм, а во втором - 25 мм. Таким образом, необходимое смещение будет равно:
U1= 30,0-27,0 = 3,0 мм;
U2= 30,0 -25,0 = 5,0 мм,
С помощью номограммы (рис. 3.2) находим время t:
- в первом случае: 2,0 и 3,6 сут.;
- во втором случае: 3,4 и 6,8 сут.
Таким образом, можно определить необходимое время закрепления для любого диаметра анкера.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АНКЕРОВ

4,1. Постановка задачи
Анкер под нагрузкой удерживается за счет сил трения, возникающих между стержнем анкера и стенками шпура. Нормальное давление на стержень анкера создается за счет усилий, возникающих при смещении контура шпура в следствии естественного деформирования породного массива, прочность закрепления анкера в скважине определяется из уравнения равновесия (4.1):
Рз=fтр*q*S, (4.1)
где fтр- коэффициент трения металла о породу;
q - нагрузка на анкер от пород, МПа.
Рассчитывается согласно Заславскому Ю.З . [4]:

где
R0 - условный предел прочности, R0 =300 кгс/см2;
К - предел прочности породы, кгс/см ;
S - площадь соприкосновения анкера со стенками шпура, м2.
Определяется исходя из формулы (4,3):
S = 2п*r*l, (4.3)
где r -радиус анкера, см;
l - длина анкера, см.
4.2. Расчет
В качестве примера приведем расчет несущей способности анкера для глинистых сланцев. При этом мы будем изменять диаметр анкера (3,0 и 4,2) и его длину (2,0 и 3,0м).
Расчет производится при условии Uк=0.
1.1. Глинистые сланцы
r=1,5 см; 0,015 м;
l =2,0 м;
у=2,82т/м3;
H=1000 м;
R=400 кгс/см2;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении работы получены результаты, которые указывают на то, что реально существует техническая возможность закрепления анкеру в шпуре за счет естественного деформирования породного массива.
Проведен анализ конструкции и способов закрепления анкерной крепи.
Сделаны расчеты смещений стенок шпура по теориям Заславского Ю.З. и хрупкого разрушения горных пород. При сравнении результатов видно, что смещение стенок шпура, которые рассчитаны по разными теориями отличаются незначительно.
Сделаны расчеты прочности закрепления анкера для разных типов пород.

Список литературы
1. Широков АЛ.., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М: "Недра", 1976, 208 с.
2. Турчанинов И.А., Иофик М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра, 1989.-488 с.
3. Насонов Л.Н. Механика горных пород и крепление горных выработок. М.: Недра, 1969, 330с.
4. Заславский Ю.З. Исследование проявлений горного давления в капитальных выработках глубоких шахт Донецкого бассейна. М.: Недра, 1966, 180 с.
5. Литвинский Г.Г. Кинетика хрупкого разрушения породного массива в окрестности горной выработки ФТПДПИ. 1974, №5, С. 15-22.
6. Норель Б.К. Построению схемы решения задач по определению напряженно-деформированного состояния пород массива вокруг горной выработки с учетом понижения прочности пород во времени. - В кн.: Научные сообщения, вып. 92, М., ИГД им. А.А.СКОЧИНСКОГО, 1972, С.71-78.
7. Черняк И.Л. Механизм деформации пород вокруг капитальных и подготовительных выработок глубоких шахт. - В кн.: Проблемы реологии горных пород, Киев, Наукова думка, 1970, С. 20-30.
8. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М., Наука, 1974.-311 с,
9. Литвинский Г.Г. параметры хрупкого разрушения горных пород и условия возникновения горных ударов.-В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев, Техника, 1974, вып.35, С.31-37.
10. Черепанов Г.П. О развитии трещин в сжатых телах. - ПММ, т.ЗО, М., Наука, 1966, С.82- 85.
11. Черняк И.Л., Бурчаков А.С., Шехурдин В.И. Реологические свойства горных пород. - М., МИРГЭМ. 1966.-98 с.
12. Фисенко Г.Л. О взаимодействии крепи и пород в капитальных горных выработках. - Л., Труды ВНИМИ, сб. 82, 1971, С.265-273.
13. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. М., Недра, 1981, 381 с.
14. Борисов А.А., Матанцев В.И., Овчаренко Б.П., Воскобоев Ф.Н. Управление горным давлением. Под ред. Л.А. Боркова. Учебное пособие для техникумов, М, недра, 1983, 168с.
15. Глушко В.Т. Проявления горного давления в глубоких шахтах. Киев, Наукова думка, 1971,196с.

Факультет Геотехнологий и Управления Производством

Автореферат

"Обоснование технической возможности закрепления анкера в шпуре за счет естественного деформирования породного массива"