Громоклицкий Иван Иванович

Факультет: Геотехнологии и управления производством

Специальность: Разработка месторождений полезных ископаемых

Тема магистерской работы:

Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением при различных углах залегания пород и глубинах анкерования.

Руководитель: доцент, к.т.н. Новиков Александр Олегович

Эксплуатация глубоких шахт показывает, что одной из проблем, требующей безотлагательного решения, является проблема обеспечения устойчивости горных выработок.Для поддержания выработок на шахтах Донбасса применяются крепи примерно 100 видов, наибольшее распространение получили металлические податливые крепи арочного типа, наименьшее - анкерные. Затраты на проведение и крепление 1 м выработки с применением арочной крепи колеблются от 3 до 6 тыс. грн.; расход металлопроката от 300 до 1000 кг. На 1 млн. т угля принятых в Украине систем разработки требуется проведение 6-12 км выработок.

В особо тяжелом состоянии находятся пластовые выработки; потери площади их поперечного сечения достигают 60-70%. Это приводит к тому, что 30% выработок ежегодно ремонтируется и перекрепляется. Доля затрат на проведение, крепление и поддержание выработок в Донбассе достигает 25% себестоимости угля, дальнейшее его увеличение недопустимо. Решить проблему повышения устойчивости выработок пытались, увеличив податливость крепи и улучшив конструкции замка, но такой подход не привел к желаемым результатам.

Опыт применения профилей большего типоразмера и увеличения плотности установки крепи показывает, что при значительном увеличении металлоемкости выработок и трудоемкости возведения крепи общий эффект получается незначительным. При существенном повышении несущей способности крепи в жестком режиме работы не происходит значительного повышения несущей способности в податливом режиме.

Таким образом, конструктивная модернизация самой крепи и технологии ее установки не может обеспечить существенное повышение устойчивости выработок.

Одним из основных направлений технического прогресса в области крепления и поддержания горных выработок является создание ресурсосберегающей технологии проведения подготовительных выработок с применением анкерного крепления в сочетании с металлической арочной крепью, а на относительно небольших глубинах с применением анкерного крепления в выработках с прямоугольным и трапицевидным сечением.

Опыт применения анкерной крепи совместно с металлической арочной крепью показывает, что анкера уменьшают смещения пород кровли и нагрузку на рамную крепь. Однако отсутствие на настоящий момент общепризнанной методики расчета параметров анкерной крепи, а также простых и эффективных конструкций податливой анкерной крепи, отвечающим требованиям повышенных смещений пород, не позволяет обосновать область ее рационального применения.

Целью работы является исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением при различных углах залегания пород и глубинах анкерования.
ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АНКЕРНОЙ КРЕПИ С ГОРНЫМИ ПОРОДАМИ

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТОК

Проведение горной выработки нарушает равновесное состояние пород и приводит к перераспределению напряжений в окружающем ее массиве, причем интенсивность напряжений на контуре выработки намного больше, чем в нарушенном массиве . Повышенные напряжения на контуре выработки приводят к образованию вокруг нее зоны неупругих деформаций. Структура зоны и характер деформирования пород в ней зависит от глубины заложения выработки, типа пород и их физико-механических и геологических свойств, размера выработки, типа и характеристики крепи, угла залегания вмещающих пород.

Многообразие горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации выработок и связанного с ними механизма взаимодействия пород и крепи, обусловило появление целого ряда различных механических моделей состояния массива пород вокруг горных выработок.

По А. Лабассу вокруг выработки образуются две зоны: зона упругих деформаций и зона разрушенных пород. Зона разрушенных пород, по мнению автора, подчиняется законам механики сыпучей среды. Породы за пределами этой зоны рассматриваются как упругая среда и к ней применимы положения теории упругости.

К.В. Руппенейтом предложена упругопластическая модель массива с выработкой, согласно которой вокруг выработки образуются три зоны: зона влияния выработки, зона упругих деформаций и зона пластических деформаций. В этой модели на основе положений теории упругости и пластичности определена зона неупругих деформаций, которая находится в предельном равновесии с остальным массивом.

Ю.М. Либерманом разработана хрупкая модель массива с выработкой. Предел упругости в этой модели одновременно является и пределом прочности, достижение которого приводит к полному разрушению вмещающего массива. Вокруг выработки образуются две зоны: зона пластических деформаций и зона разрушения. В данной модели зона пластических деформаций является одновременно и зоной разрушения.

Н.С. Булычевым разработана механическая модель, в которой разрушению предшествует некоторая пластическая деформация. Согласно данной модели, в массиве вокруг выработки выделяются три зоны: зона упругих деформаций, зона пластических деформаций, протекающих без разрушения и зона разрушения. Данная модель отличается от хрупкой модели Ю.М. Либермана тем, что разрушению пород предшествует их пластическая деформация.

Б.З. Амусиным предложена комбинированная модель, учитывающая упруго-вязкопластические деформации и разрушения пород вокруг выработки. В массиве пород вокруг выработки образуются четыре области, характеризуемые различным состоянием пород: зона вязкоупругих деформаций, зона пластических деформаций, зона постепенного разрушения пород от предельного разрушения на внутренней границе до неразрешенного состояния на внешней границе и зона разрушенных пород.

И.Л. Черняк предложил оценивать состояние массива пород, окружающих выработку в зависимости от соотношения предела прочности и напряжений в массиве. При этом возможны три типа деформаций:

1. В массиве вокруг выработки образуется зона упруго-вязких деформаций при напряжениях на контуре, меньших предела длительной прочности.

2. Второй тип деформаций пород имеет место при напряжениях на контуре, превышающих предел длительной прочности, но меньших мгновенной прочности пород.

3. Третий тип деформации пород вокруг выработки имеет место при возникновении напряжений на контуре, превышающих мгновенную прочность пород,

Зона, где породы разрушаются сразу при достижении максимума интенсивности напряжений, называется зоной условно-мгновенного разрушения пород.

Ю.З. Заславский считает, что процесс развития области неупругих деформаций зависит от механической характеристики крепи - ее несущей способности и податливости. При этом в зоне неупругих деформаций могут происходить различные деформационные процессы, приводящие к смещению контура выработки.

Г.Г. Литвинский считает, что разрушение большинства типов пород вокруг поддерживаемых выработок носит хрупкий характер. Используя положения механики хрупкого разрушения, им предложена методика определения величины зоны неупругих деформаций.

Анализ существующих представлений о геомеханических процессах, происходящих в массиве пород в окрестности поддерживаемых выработок показывает, что вокруг последних образуется зона неупругих деформаций в которой протекают различные деформационные процессы.

Натурные наблюдения по глубинным замерным станциям, проведенные Л.К Нейманом и О.И. Мельниковым показывают, что в условиях глубоких шахт доля упругих и пластических деформаций составляет 10 %. Основные смещения, по мнению автора, происходят за счет увеличения объема пород при их разрушении.

Анализ результатов шахтных инструментальных наблюдений за смещениями контура выработок по 56 замерным станциям ДонУГи и других институтов позволил Ю.З. Заславскому установить горно-геологические условия, при которых поддерживаемая выработка сохраняет устойчивость или вокруг нее начинает развиваться зона неупругих деформаций.

Комплексные исследования механизма деформирования и разрушения пород вокруг выработок глубоких шахт Донбасса проведенные И.Л. Черняком показывают, что размер зоны разрушенных пород и ее структура зависит от глубины заложения выработки, состава, прочности и структуры массива пород, а также механизма взаимодействия их с крепью. Исследования смещений массива с помощью глубинных реперных станций позволили изучить распространение зоны разрушенных пород в окрестности поддерживаемых выработок. Критерием разрушенности пород являлись значения предельных относительных деформаций, при которых начинается разрушение образцов пород. Для пород глинистого и песчаного сланца величины предельных относительных деформаций соответственно составляют 0,03 и 0,02.

Результаты инструментальных наблюдений за характером процесса разрушения пород в массиве вокруг выработок путем непрерывной записи значений смещений глубинных реперов проведенные А.Ф. Морозовым на шахте «Глубокая» и им. Засядько при поведении выработок показывают, что разрушение пород в массиве по характеру идентично с разрушением хрупких тел. При этом ширина раскрытия трещин в кровле и стенках выработок составляла 2 - 3 мм.

Проведенный анализ изменения состояния массива пород вокруг выработок позволяет сделать следующие заключения:

1. Проведение выработки нарушает равновесное состояние окружающего массива и приводит к образованию в ее окрестности зоны неупругих деформаций. Тип деформаций определяется соотношением между величиной действующих напряжений на контуре выработки и пределами длительной и условно-мгновенной прочности пород.

2. Анализ результатов шахтных наблюдений показывает, что в условиях глубоких шахт до 80% смещений контура выработок происходит за счет образования зоны разрушенных пород, размеры которой составляют 2 - 6м.

2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

Под устойчивостью выработки понимается способность ее сохранять заданные размеры и формы поперечного сечения в течении заданного срока службы.

Для достижения устойчивости выработки необходимо каким-нибудь способом крепления увеличить несущую способность пород. Наиболее эффективным способом является увеличение прочности на изгиб и растяжение, воздействующих на выработку пород. Необходимое упрочнение против действия растягивающих напряжений наиболее эффективно и просто может быть осуществлено закреплением в породах стальных и полимерных стержней - анкеров.

В отличие от рамной крепи анкерная крепь возводится предварительно напряженной, поэтому сразу после возведения крепи повышается сцепление по плоскостям напластования пород или их трещинам.

По вопросу анкерного крепления выполнено большое число исследований отечественных и зарубежных ученых, позволяющих на научной основе подойти к раскрытию физической сущности этого вида крепления.

Обширные экспериментальные и аналитические исследования, а также данные практики не привили к созданию общепризнанной работы анкерной крепи и разработке единого метода расчета ее параметров.

Однако анализ существующих методов расчета, показывает, что подавляющим большинством ученых в качестве основного фактора, определяющего плотность установки анкеров, принимается несущая способность замка анкера или его начальное натяжение.

Существующее представление об анкерном креплении горных выработок, изложенные в работах советских и зарубежных ученых, можно свести к пяти основным теориям: подвешивание непосредственной кровли к основной ; формирования грузонесущей конструкции; сжатие поддерживающих пород; совместной работы крепи и породы; энергетической теории.

Теория подвешивания непосредственной кровли к впервые была предложена в 1950 г. Ф. Бакки, ее сторонниками являются Л. Рабцевич, А.П.Широков и ряд других исследователей.

Сущность этой теории состоит в том, что слабые, разрушенные или склонные к отслоению породы непосредственной кровли горной выработки подвешиваются анкерами к более прочным породам.

Длина анкеров принимается при этом из условия закрепления их замков за пределами зоны возможного обрушения, а плотность установки анкеров должна быть такой , чтобы их суммарная несущая способность превышала вес поддерживаемых ими пород.

Основной расчетной величиной для определения параметров анкерной крепи является площадь кровли, приходящаяся на один анкер, и определяемая как функция несущей способности его замка или предварительного начального натяжения анкера.

Теория формирования грузонесущей конструкции впервые сформирована О.Якоби и получила дальнейшее развитие в работах В.Н.Семевского, Е.Я.Махно и других исследователей. Сущность этой теории состоит в том, что при анкерном креплении горные породы подвергаются искусственному упрочнению и в массиве формируется грузонесущая конструкция, аналогичная составной балке, плите, своду или арке. Скрепляемые породы подвергаются в этом случае главным образом сжатию, а анкера воспринимают растягивающие усилия.

Расчетными методами, базирующимися на этой теории, длина анкеров определяется исходя из различных соображений. Площадь кровли, приходящаяся на один анкер, в явном или неявном виде зависит от напряжения (несущей способности) анкеров или прочностных свойств материалов, из которого они изготовлены.

Сторонники теории сжатия поддерживающих пород Ж.Талобор и А.Югон предполагают, что работа анкерной крепи сводится к сжатию скрепляемой толщи пород и предотвращению возникающих в ее нижних слоях растягивающих напряжений. Если сразу же после выемки горной массы установить анкерную крепь, сжав породы усилием, равным предварительному натяжению анкеров, развитие растягивающих напряжений прекратится и разрушение пород на контур выработки не произойдет. Если же выработка в течение некоторого времени остается незакрепленной, то кровля подвергается изгибу и развивающиеся в нижних слоях растягивающие напряжения приведут к опасным деформациям и растяжениям кровли. Площадь кровли, приходящаяся на один анкер, определяется авторами этой теории в зависимости от величины начального натяжения анкеров.

Рассмотренные теории работы анкерной крепи согласуются с данными практики в тех случаях, для которых они рекомендуются.

Однако предложные в соответствии с этими теориями методы расчета основаны на упрощении рассматриваемых явлений и содержат ряд допущений, снижающих достоверность и практическую ценность полученных при расчетах результатов.

Так, взаимодействие анкерной крепи и поддерживаемых ею пород авторы указанные выше теории рассматривают как статистическую задачу, хотя общеизвестно, что после установки крепи горные породы в течение определенного времени продолжают смещаться в сторону выработки.

В качестве основного фактора, определяющего плотность установки анкеров, принимается несущая способность замков анкеров или их начальное натяжение. При это предполагается, что величина несущей способности замков и натяжение анкеров в процессе работы крепи остаются неизменными, хотя данные практики и специальных исследований показывают, что натяжение анкеров, установленных в горных выработках, претерпевают существенное изменение, которое может отличаться от первоначального.

В связи с этим в последние годы все большее внимание уделяется изучению работы анкеров в условиях их длительной эксплуатации.

Механизм взаимодействия анкерной крепи и поддерживаемых пород раскрывается теорией совместной работы крепи и породы, разработанной А.Т.Талпакоревым, который показывает, что анкерная крепь, будучи податливой, не может полностью предотвратить процесс неупругого смещения пород кровли, она может ограничить лишь скорость и при определенных условиях приостановить.

В первый момент после установки анкеров их давление на породу через подхваты определяется начальным натяжением. Затем под действием приложенных к подхватам сил горного давления реактивное сопротивление крепи возрастает и анкера в результате упругого растяжения металла и скольжения замка в скважине смещаются в сторону выработки, при этом смещается ее контур.

При смещении напряженное состояние пород снижается, а способность анкеров воспринимать нагрузку - увеличивается.

Этот процесс будет развиваться до наступления равновесия в системе крепь - порода, т.е. до тех пор, пока реактивное сопротивления анкеров не окажется равным действующим на них силам горного давления. Если анкерную крепь установить вслед за обнажением пород кровли и создать в ней необходимое напряжение, то слои пород будут удерживаться в естественной связи и предотвратится их расслоение.

Это также повышает несущую способность пород. Благодаря действию анкерной крепи снижается скольжение слоев пород.

С помощью анкерной крепи обеспечивается взаимодействие отдельных слоев пород в кровле выработки. Это означает, что отдельные слои пород в зоне понижения напряжений стягивают анкерами, тем самым исключают в этих слоях действие вертикальных растяжений и сжатия и обеспечивают несущую способность кровли.

Поэтому в тонкослоистых породах можно с помощью анкеров закрепить слои пород в кровле и тем самым предотвратить их отделение от массива, взаимное сдвижение и прогибание в горную выработку. Устойчивость кровли при это будет зависеть от предела прочности пород на изгиб и числа соединенных слоев.

Сторонники энергетической теории взаимодействия породного массива с анкерной крепью считают, что при проведении выработки освобождается потенциальная энергия, величина которой определяется начальным напряженным состоянием. В закрепленной выработке высвобождаемая энергия затрачивается не только на разрушение деформированных пород, но преодоление сопротивления крепи. Данный подход является универсальным, но его практическое применение затруднено определением исходных данных.

Горную выработку можно поддерживать анкерной крепью, и тогда когда кровля ее не плоская, сводчатая, порода частично разрушена или же предполагается различный характер залегания слоев. При сводчатой форме выработки обеспечивается дополнительное сопротивление боковым смещениям слоев пород.

При сводчатой форме выработки анкеры закрепляют в породе, в которой не произошло равновесного напряженного состояния, или где напряжения не превысили предела упругости породы.

Для противодействия растягивающим напряжениям анкеры должны устанавливаться к плоскостям зарождающихся трещин, т.е. в кровле - к плоскостям напластования, а в стенках - к плоскостям продольных трещин разрыва.

В слоях пород с различными углами залегании анкера необходимо устанавливать веерообразно, учитывая угол наклона или нарушение связности пород. Крепление выработки

Рис1. Анимированный рисунок крепления выработки (Количество кадров 8, количество повторов 9)

3 ВЫВОДЫ

1. Анализ изменения состояния массива вокруг выработок показывает, что в условиях глубоких шахт происходит формирование и развитие зоны неупругих деформаций. Ее размеры составляют 2-6 м.

2. В настоящее время нет единого мнения на механизм взаимодействия анкерной крепи и окружающего массива.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. М.: Недра.1989.- 256с.

2. Лисичкин В.Г., Зислин Ю.А., Берлявский Г.П. Анализ тенденции в применении металлических арочных крепей на угольных шахтах // Шахтное строительство. - 1984.- № 1.-С.8-9.

3. Розенберг Ф.Я., Елагин Л.И. О совершенствовании крепей для подготовительных выработок// Шахтное строительство. - 1980.- С.19-23.

4. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. - М.: Недра. 1981.- 381с.

5. Байкенжин М.А. Разработка способа поддержания пластовых подготовительных выработок глубоких горизонтов шахт податливой рамно - анкерной крепью: Дисс. канд. Техн. Наук.- Караганда.- 1987.- 156 с.

6. Клюев А.П. Опыт применения комбинированной анкерно - арочной крепи.- Донецк, ЦБНТИ Минуглепрома СССР.- 1989.- 4с.

7. Черняк И.Л., Бурчаков Ю. И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт // М.: Недра, 1984. - 304 с.

8. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. - В кн. : Горное давление . - М. : Госгортехиздат, 1961, - С.59 - 164.

9. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. - М. : Углетехиздат, 1954. - 384с.

10. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. - М. : Недра, 1989. - 270с.

11. Заславский Ю.З., Зорин А.Н., Черняк И.Л. Расчеты параметров крепи выработок глубоких шахт. - К. : Техника, 1972. - 156с.

12. Литвинский Г.Г. Кинетика хрупкого разрушения породного массива в окрестности горной выработки. - ФЕПРПИ, 1974. - №5.- С.15 - 22.

13. Нейман Л.К., Мельников О.И. К расчету смещений пород в подготовительных выработках. - В кн.: Горное давлние и горные удары. - М.: Труды ВНИМИ, 1974. - №91. - С.63-66.

14. Заславский Ю.З., Перепичка Ф.И. Крепление капитальных выработок на больших глубинах. - Донецк: Донбасс, 1971. - 120с.

15. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. - М.: Небра, 1993. - 256с.

16. Мороз А.Ф. О разрушении осадочных горных пород вблизи подготовительных выработок // Разраб. Месторождений полезных ископаемых : Респ. Межвед научн. - техн. Сб. - 1985 - Вып. 72. - С.18-32.

17. Потапкин И.Ф., Братишко А.С., Патапкин И.И. и др. Механизм разрушений горных пород вокруг подготовительной выработки, проводимой в нетронутом массиве. // Разраб. Месторождений полезных ископаемых : Респ. Межвед научн. - техн. Сб. - 1991. - Вып. 90.- С. 83 - 89.

18. Махно Е.Я. К вопросу с расчете штанговой крепи // Уголь. - 1959.- №5.- С.41-42.

19. Югон А., Кост А. Штанговое крепление горных пород.- М.: Госгортехиздат. 1962.- 238 с.

20. Толпакорев А.Т. К расчету параметров анкерной крепи // Уголь.- 1962.- № 1.- с.18-22.

21. Клюев А.П. Обоснование параметров крепления подготовительных выработок податливой анкерно - рамной крепью в зоне влияния очистных работ: Дисс. кан.тех.наук.- Донецк.- 1989.- 213 с.

22. Рогинский В.М. Проектирование и расчет железобетонной штанговой крепи.- М.: Недра, 1971.- 212с.

23. Широков А.П., Горбунов В.Ф. Повышение устойчивости горных пород. - Новосибирск: Наука , 1983.- 167 с.

24. Ткачев В.А. Установление рациональных параметров и области применения анкерной крепи в сочетании с рамными крепями в выемочных штреках: Дисс. канд.техн.наук. - М., 1976.- 155 с.

25. Якоби О. Практика управления горным давлением. - М.: Недра, 1987.- 566 с.

26. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений .- Недра, 1979.- 325 с.

27. Штефан П.К. Анкерная крепь в штреках с высокой конвергенцией.// Глюкауф. - 1994.- № 4.- С.25-29.

28. Евсеев В.С., Утрихин А.Н., Мурашев В.И. Определение предельной глубины применения анкерной крепи в подготовительных выработках // Уголь. - 1984 . - № 6. - С. 18-20.

29. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. - М. : Недра, 1986. - 447 с.