Главная страница ДонНТУ
Страница магистров ДонНТУ
Поисковая система ДонНТУ Донецкий Национальный Технический Университет
Факультет геотехнологий и управления производством
Кафедра горной
геомеханики
КРЫШНЁВ АРТЁМ СТАНИСЛАВОВИЧ
Тема магистерской диссертации :
"Исследование влияния анкерования на устойчивость
пластовых подготовительных выработок в условиях АП "Шахта им. А.Ф. Засядько"
Руководитель
: проф. к.т.н. Гавриш Николай Николаевич
| Поиск в Интернет | Автобиография |
| Электронная библиотека | Ссылки | Индивидуальное задание |
Мотивация работы. Повышение безопасности и эффективности добычи угля на шахтах Донбасса требует совершенствования методов борьбы с горным давлением, прогнозирования геомеханических условий при отработке пологих угольных пластов на глубинах более 1000 м. Одним из наиболее перспективных методов повышения устойчивости горных выработок является анкерование. Как показал опыт и многочисленные эксперементы - анкерные системы во многих случаях позволяют перераспределить горное давление и повысить устойчивость выработок, что весьма актуально при постоянном увеличении глубины ведения горных работ.
Анализ технологической и геолого-маркшейдерской документации действующих шахт показывает, что в ней в недостаточной мере уделяется внимание мониторингу смещений горных пород в выработках и не всегда при применении анкерных систем производится анализ эффективности их использования.
В ранее выполненных исследованиях влияние анкеров на условия отработки пластов изучено недостаточно. В публикациях отражены лишь отдельные попытки связать параметры изменения горно-геологических условий залегания угольных пластов с эффективностью применения анкерного крепления. Вышеизложенное обуславливает необходимость создания новых малозатратных методов анализа поведения охранных мероприятий в подземных выработках, с учетом залеганий угольных пластов, предопределяющих геомеханические условия их отработки.
Целью работы является обоснование метода оценки эффективности применения анкеров и анализ их влияния на геомеханические условий отработки пологих угольных пластов.
Задачи исследований. Поставленная цель предопределила необходимость решения следующих задач: 1. Обосновать метод оценки эффективности применения анкерных систем. 2. Обосновать критерий оценки сложности рельефа залегания пласта и геомеханических факторов, позволяющий прогнозировать условия отработки пласта в пределах его части или в целом шахтного поля. 3. Установить особенности влияния параметров анкерных систем на геомеханические условия их отработки.
Научная новизна полученных результатов. Экспериментально в натурных условиях подтверждена существенная взаимосвязь кривизны наличия анкерного крепления в горных выработках и проявлений горного давления при ведении горных работ (уменьшение смещении пород контура выработок по сравнению с прогнозными без учета применения анкеров), графически продемонстрирован характер распределения смещений при формировании зоны не упругих деформаций вокруг выработки.
Практическое значение работы состоит в разработке метода по визуализации эффективности применения анкерных систем и прогнозе геомеханических условий отработки пологих угольных пластов.
Исследование влияния анкерования на устойчивость пластовых подготовительных выработок в условиях АП "Шахта им. А.Ф. Засядько"
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты работы были доложены и обсуждены на заседаниях технических советов шахт им. А.Ф.Засядько, им. В.М.Бажанова ГП «Макеевуголь».
Публикации. Основные научные и прикладные результаты работы в данном направлении опубликованы в статьях в специализированных журналах, которые утверждены ВАК Украины.
Опыт эксплуатации глубоких шахт показывает, что одной из проблем, требующей безотлагательного решения, является проблема обеспечения устойчивости горных выработок. Анализ состояния выработок глубоких шахт говорит о том, что более 20% их от общей протяженности находится в неудовлетворительном состоянии. Ремонтом выработок занимается более 10% подземных рабочих. При перекреплении одного километра выработок расходуется более 70 тонн металла. Не последнюю роль в поддержании выработок играет крепь. Широкое распространение на шахтах Донбасса получила рамная крепь, изготовленная из спецпрофиля СВП. Практика ее эксплуатации выявила ряд серьезных недостатков, которые приводят к значительным деформациям выработок: выполаживание верхняков, изгиб в пространство выработок ножек, выход из строя замков и незначительная реализация податливости крепи.
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 технологи ее установки не может обеспечить существенное повышение устойчивости выработок. Для решения этой проблемы проведен анализ геомеханических процессов, протекающих в системе горная крепь – массив.
Крепь горная—горно-техническое сооружение (конструкция), возводимое в подземных выработках для обеспечения их устойчивости, технологической сохранности, для управления горным давлением. По рабочей характеристике различают жесткие и податливые крепи; по характеру взаимодействия с окружающими породами — поддерживающие подпорные, ограждающие, изолирующие, упрочняющие крени, а также комбинированные, обладающие свойствами нескольких перечисленных типов крепи [ 1]. Выбор типа и параметров крепи производится в зависимости от назначения выработки, горно-геологических и горнотехнических условий ее заложения. При этом определяющими факторами являются устойчивость породного обнажения и характер развития деформационных процессов приконтурного массива, вызванных проведением выработки. Кардинальное решение проблемы крепления выработок в сложных условиях, возможно за счет создания нового типа крепей с несущей способностью вплоть до величин, существенно влияющих на развитие геомеханических процессов вблизи выработки; формирования системы "крепь — массив" с контролируемыми и управляемыми параметрами для максимального сохранения несущей способности приконтурных пород. Фундаментальные исследования последних лет показывают, что альтернативой поддерживающему и подпорному креплению выработок может быть технология, базирующаяся на анкерной крепи, которая представляет собой специально изготовленную и возведенную систему штанг, закрепленных в шпурах, расположенных по определенной схеме в приконтурной зоне выработки. Анкера соединены между собой в ряды прижатыми к поверхности выработки подхватами с определенным расстоянием между ними. Анкерная крепь отличается от других типов тем, что повышение ее несущей способности достигается за счет увеличения плотности установки анкеров и не вызывает загромождения рабочего пространства выработки. Механизм работы анкерной крепи заключается в следующем. Благодаря установке в приконтурных породах у забоя выработки с предварительным натяжением высокопрочных анкерных штанг, закрепленных и заклиненных высокопрочным клеевым составом, создастся система армированных опор, которые представляют собой конструктивное соединение блоков породы. Опоры при достаточной длине штанг неподвижны и могут смещаться в выработку только в рамках упругих деформаций штанги. Породные блоки вокруг штанги сжаты, лишены возможности разупрочнения и разрыхления, а поэтому приобретают по сравнению с незакрепленным массивом более высокую несущую способность.
С отходом забоя вблизи выработки происходит перераспределение напряжений — от состояния, характерного для нетронутого массива, до характерного для массива с протяженной незакрепленной выработкой, в результате породы приконтурной зоны подвергаются воздействию дополнительных напряжений. Опоры, имея большую жесткость, воспринимают на себя основную часть этого воздействия. Незакрепленный массив, воспринимая меньшую часть воздействия, деформируется внутрь выработки и переходит в равновесное состояние. Однако, в зависимости от расстояния между опорами и в связи с пониженной нагрузкой на незакрепленные породы их равновесие может достигаться в пределах упругих деформаций. Кроме того, взаимодействие опор и незакрепленных пород формирует поле напряжений сжатия с достаточно большими значениями минимальной компоненты, что также препятствует возникновению процессов разупрочнения и разрыхления в приконтурном массиве.
Таким образом, суть новой технологии сводится к созданию с помощью анкеров в приконтурном массиве системы высокопрочных опор, на которых блокируются смещения пород в выработку. При этом задача самостоятельной анкерной крепи заключается в том, чтобы повысить устойчивость приконтурных пород [1].
Анкерная крепь давно нашла применение для решения проблем охраны выработок. Так, впервые анкера с относительно низкой несущей способностью использовались для подшивки слабого приконтурного слоя к прочному в глубине массива и для сшивания ими нескольких слабых слоев пород. Создание анкеров с большей несущей способностью дало возможность с их помощью упрочнять и повышать устойчивость слабых пород. В Великобритании и Германии в последние годы разработаны сталеполимерные и тросовые анкера с грузонесущей способностью от 250 до 1000 кН, которые отличаются высокой работоспособностью в большом диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. Такие анкера и являются инструментом для реализации новой технологии опорного крепления.
Важную роль в формировании конструкции с высокой сущей способностью играет выбор направления армирования пород. Проведенными исследованиями на образцах доказано, что анкер в наибольшей мере ограничивает смещения массива, если он установлен перпендикулярно к плоскости возможного трещинообразования. Это происходит в том случае, если анкер расположен в направлении минимальной компоненты напряжений.
Система породных блоков в таком поле напряжений сжата и ее несущая способность максимальна. Анкер практически не влияет на смещение пород, если он установлен параллельно плоскости возможного трещинообразования происходит тогда, когда анкер размещен в направлении промежуточной компоненты напряжений, величина которой близка к наибольшей. Система породных блоков в таком поле напряжений растягивается и ее несущая способность минимальна.
Выбрать или рассчитать необходимую ориентацию анкера можно только в случае одиночной выработки. При наличии влияния смежных выработок и очистных работ поле напряжений существенно преобразуется и выбор ориентации анкер прогнозирование их влияния существенно усложняются. Современная анкерная крепь — мощное средство управления горным давлением, позволившее на принципиально новой основе подойти к разрешению проблемы безремонтного поддержания выработок в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях. Однако, особенности взаимодействия анкерной крепи с приконтурными породами, наличие множества скрытых работ, качество выполнен которых определяет надежность и безопасность выработки вызывают необходимость тщательного и постоянного контроля допустимой нагрузки анкеров, а также смещений породного массива в пределах и за пределами армированной толщи.
Целью исследования влияния анкеров на устойчивость выработок является: оценка вариантов дальнейшего развития работ по применению анкерной крепи в выработках; отработка технологии установки отдельных анкеров; постепенное улучшение состояния пород в призабойной части.
Оценка вариантов дальнейшего развития работ по внедрению анкерной крепи выполняется путем геотехнического обследования упрочненных пород и тестовых испытаний анкеров, в ходе которых уточняются условия их применения, расчетные параметры паспорта анкерной крепи, прочностные свойства пород, вмещающих выработку. В результате оценивается целесообразность применения анкерного крепления как основного или как дополнительного усиливающего, а при необходимости производится корректировка паспорта анкерной крепи и проекта выработки. В частности, может определяться количество анкеров для установки непосредственно в забое в целях снижения концентрации горных работ в призабойной зоне за счет завершения возведения анкерной крепи позади проходческого оборудования. Достаточное количество забойных анкеров определяется из условия удержания развития разрушения и деформации пород приконтурной зоны в докритических пределах. Если выявляется нецелесообразность анкерной крепи в данной выработке, работы необходимо прекратить.
Технология включает в себя: изготовление и апробация приспособлений для бурения шпуров и установки анкеров с требуемым качеством и минимальными затратами времени; адаптация стандартного оборудования к специфике шахты и участка; отработка технологии установки анкера пооперационно и персонально по составу бригады с корректировкой графиков организации работ; освоение производственным персоналом приемов установки анкеров качественно и с минимальными затратами времени.
В начальный период отработки технологии установка анкеров может производиться позади проходческого оборудования. Плотность на подготовительном участке не регламентируется, но по мере выполнения требований подготовительного этапа должна приближаться к проектной. Технология должна быть отлажена до такой степени, чтобы продолжительность выполнения основных операций для одного анкера была не более 5—8 мин. Протяженность подготовительного участка определяется по положительным результатам выполнения требований подготовительного этапа и увеличивается, если технология установки отдельных анкеров не отлажена и если состояние пород в призабойной части остается неудовлетворительным. При этом усиление рамной крепи анкерами должно производиться вплоть до полного прекращения посадки кровли на рамы, что и является признаком улучшения состояния выработки.
Сооружение необходимо выполнять в три этапа: подготовительный —проведение выработки с комбинированной рамно-анкерной крепью: переходной — возведение анкерной крепи с рамной в качестве защитной; основной — проходка выработки с анкерной крепью как главного вида крепления.
На подготовительном участке должна возводиться подпорная (рамная) крепь с усилением анкерами. Работы выполняются в случае подтверждения целесообразности в проводимой выработке анкерного крепления как основного. Протяженность переходного участка должна быть не менее 20 м. Здесь возводится анкерная крепь с рамной в качестве защитной, которая устанавливается с зазором 10—15 см от контура выработки без затяжки и забутовки. Целью этих работ являются уточнение параметров паспорта анкерной крепи и отработка технологии возведения анкерной крепи в соответствии с проектом.
Для уточнения параметров должно выполняться геотехническое обследование состояния армированных пород, по результатам которого оценивается целесообразность анкерного крепления как основного, а также может делаться вывод о в целесообразности применения анкеров в данной выработке. Когда выявляется развитие разрыхления и деформаций приконтурных пород за критические пределы, производится корректировка паспорта анкерной крепи и проекта. Если установка анкеров является нецелесообразность применения анкерной крепи в данной выработке, работы прекращаются.
Продолжительность цикла операций по установке одного ряда анкеров должна соответствовать проекту, а продолжительность закрепления обнаженной поверхности выработки должна отвечать требованиям КД 12.01-01.501. В противном случае протяженность переходного участка увеличивается для дальнейшего совершенствования технологии, в частности, за счет роста количества буровых станков. Типовая продолжительность установки одного ряда анкеров должна составлять 40—60 мин. Основной этап предполагает сооружение выработки с анкерной крепью как основного вида согласно проекту путем последовательного выполнения подготовительных, основных и заключительных операций.
После выполнения работ по выемке и погрузке горной массы, отвода от забоя проходческой техники, ее отключения и блокировки должны выполняться следующие операции: осмотр обнаженной поверхности выработки; оборка кусков породы, которые могут отделяться в кровле и боках выработки: определение (визуально или путем простукивания) скрытых отслоений породы и их снятие специальным сборник открепление двух навешенных в предыдущем цикле шарнирно-закрепленных рядов сеток-затяжек и перевод их в свисающее положение; навешивание одного ряда сетки-затяжки для боков выработки на свисающий верхний ряд сетки-затяжки для кровли; установка стоек временной крепи на почву в плоскости возводимого ряда анкеров; распор стоек между почвой и кровлей выработки, чем обеспечивается временный подхват кровли; навешивание следующего ряда сеток на свисающие сетки-затяжки, закрепление с помощью крючков; подноска и установка бурового оборудования, инструментов и анкеров. Основные операции возведения анкерной крепи.
Для выработок, проводимых в углепородном массиве с неустойчивой или склонной к обрушению кровлей, операции выполняются в призабойной зоне (впереди проходческого оборудования) в таком порядке: устанавливается сталеполимерный анкер в центральной части кровли выработки. При этом бурится шпур, помещаются ампулы с закрепителем и анкерная штанга, производится начальное натяжение анкера; в соответствии с Проектом в кровле устанавливаются остальные анкера текущего ряда. Для обеспечения равномерного поджатия подхвата к кровле их располагают последовательно: от центра к одному из боков, а затем к другому (при бурении одним станком), одновременно от центра к бокам при бурении двумя станками; в боках устанавливаются сталеполимерные анкера во вмещающие породы и распорные анкера в угольный пласт.
Для выработок, проводимых в углепородном массиве с устойчивой не склонной к обрушению кровлей, операции допускается выполнять так: в забойной части в кровле выработки устанавливается минимально необходимое количество сталеполимерных анкеров, а остальные располагаются в кровле и в боках в соответствии с Проектом позади проходческого оборудования.
Бурение шпуров. Для бурения следует применять оборудование, отвечающее требованиям КД 12.01.01.501. Это переносное буровое оборудование производства фирмы "Schmidt, Kranz & Со GmbH" (Германия), поставляемое ЗАО "Карбоспецполимеркрепь".
Технология бурения шпуров должна обеспечивать: минимальное отставание от забоя выработки анкеров, что необходимо для создания условий по ограничению разрыхления и деформаций пород приконтурной зоны до критических пределов; параметры шпура в соответствии с проектом; высокое качество шпура по его прямолинейности, состоянию стенок и степени загрязненности штыбом. Даже небольшое искривление затрудняет или исключает установку анкеров. Загрязненность шпура штыбом резко снижает несущую способность анкера.
Шпуры для штанг рекомендуется бурить с промывкой. Продувка сжатым воздухом допускается лишь по размокающим породам. Избыточное количество воды для промывки при бурении в глинистых породах приводит к налипанию размокшей породы и (или) к "омылению" стенок шпура. Разметка шпуров производится шаблонами расположения (в ряду в кровле, в ряду в боках, между рядами). Ориентация исполнительного органа бурового оборудования осуществляется с помощью шаблонов ориентации (в ряду в кровле, в ряду в боках), при этом с особой тщательностью необходимо размечать угловые шпуры (крайние в ряду), основное предназначение которых — охрана выработки от внезапного обрушения кровли, а также от обрушения бровки сопряжения в зоне очистных работ. В качестве шаблонов расположения анкеров кровли может быть использован металлический подхват с отверстиями, которые пробиты предварительно.
Бурение шпуров переносными буровыми колонками должно осуществляться оператором и его помощником. Процесс выполняется в соответствии с инструкцией. Забуривание должно производиться с минимальной подачей и при минимальном числе оборотов до тех пор, пока коронка не войдет в породу на глубину, исключающую ее соскальзывание (1—3 см). Во время забуривания расход промывочной жидкости может быть минимальным, исключающим забивание отверстий. После забуривания расход на промывку увеличивается до номинального значения. Для оперативного управления расходом промывочной жидкости запорный вентиль должен быть доступен. Бурение может производиться несколькими станками одновременно, в том числе станками разного типа, если это предусмотрено проектом, причем в нем должно быть отмечено разделение рабочей зоны и очередность бурения шпуров в ряду для каждого станка. Запрещается установка сталeполимерных анкеров и ампул с закрепителем в шпуре, не соответствующих Паспорту, а также загрязненных штыбом. Ампулы с закрепителем вместе со стопором вводятся в шпур через насадку (в виде отрезка тонкостенной трубы диаметром 32 мм) с помощью деревянной забойки. Первой в донную часть шпура помещается ампула с быстротвердеющим закрепителем (красная маркировка); затем — необходимое количество ампул с медленнотвердеющим составом (зеленая маркировка).
Порядок установки анкерных штанг: на резьбовую часть помещается опорная шайба и контурный индикатор безопасности выработки (при необходимости), навинчивается гайка; штанга вводится в шпур и через четырехгранный адаптер соединяется с буровой колонкой; с ее помощью штанге сообщается вращательно-поступательное движение, происходит разрушение ампул и перемешивание закрепителя; штанга удерживается в неподвижном состоянии до достижения начальной несущей способности закрепителя, определяемой в соответствии с КД 12.01.01.501 или с инструкцией изготовителя ампул. Порядок выполнения работ по определению начального натяжения анкера: на буровой колонке устанавливается шестигранный (гаечный) адаптер соединения; колонка подводится к штанге и гайке сообщается вращательное движение, что обеспечивает начальное натяжение анкера. Максимальное начальное натяжение должно быть 50 ± 5 кН. В горных породах с повышенной трешиноватостью для их омоноличивания в уплотненном состоянии начальное натяжение выполняется до полного затвердевания медленнотвердеющего закрепителя.
Заключительные операции возведения анкерной крепи должны включать: отводку от забоя выработки навешенных двух рядов сеток-затяжек и закрепление их к перекрытию кровли; уборку механизмов и инструментов; перемещение станка и комплекта бурового оборудования ил рабочей зоны к месту хранения; навеску на анкера (при необходимости) проходческого и другого технологического оборудования. Геомеханика, мониторинг и технология анкерования являются фундаментом опорного крепления горных выработок. Только ясное понимание сущности, взаимосвязи и взаимодействия этих составляющих, жесткое соблюдение нормативно-закрепленных требований при их практической реализации могут обеспечить высокий уровень качества, надежности и безопасности при широкомасштабном освоении новой для горнодобывающей промышленности Украины высокой технологии. В связи с этим о 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; сжатия 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 [2] 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 зона 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 ли прочностных свойств материалов, из которого они изготовлены.
Сторонники теории сжатия поддерживающих пород Ж.Талобор и А.Югон предполагают [3], 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 [4], 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.
Для более эффективной добычи угля на шахтах Украины с 1997 г. начала реализовываться программа «Анкер». В этой программе одним из приарететных направлений является снижение затрат на добычу угля.
На АП «шахта им. А.Ф. Засядько» наряду с другими передовыми технологиями охраны выработок широко применяется анкерование.
Но последнее время остро стал вопрос об эффективности данного способа. Для мониторинга смещений в 17 западном конвейерном штреке пласта m3 были установлены замерочные станции (рисунок 1), и на протяжении некоторого промежутка времени сотрудниками шахты велись наблюдения.
Рисунок 1 Размещение замерных станций на штреке
Замерочные станции представляют собой совокупность глубинных реперов установленных на некотором участке штрека. Глубина установки реперов на протяжении выработки различна (от 5,5м до 8,1м), по этому, для сравнения данных полученных с разных станций анализировались результаты замера для глубины установки реперов 2,4м в кровлю выработки.
К сожалению, в выработках с аналогичными горно-геологическими условиями, в которых не были установлены анкера, наблюдения за смещениями кровли не велись. Но на кафедре геомеханики были рассчитаны прогнозные смещения кровли для данной выработки.
Согласно [16] коеффициент уменьшения смещений, Канк при плотности установки анкеров 1,92анк/м2 должен составлять 0,5 ед., его фактическое значение колеблится от 0,32 до 0,56 ед. и в среднем составляет 0,43±0,198 ед.
Таким образом, анализ показал, что применение анкеров позволило уменьшить смещения кровли и оказало положительный эффект на состояние выработки, методика оценки эффективности анкерования предложенная в [16] подтверждается экспериментально. Кроме того, из таблицы 1 видно, что эффект анкерования носит не равномерный характер по длине выработки. Это может быть вызвано не однородностью горно-геологических условий на участке замера и наличием пликативных нарушенностей в крыле шахтного поля.
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 [5] 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.
Рисунок 2 Характер распределения смещений в кровле выработки
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.
1. Горная энциклопедия.—М.: Советская энциклопедия, 1984
2. Широков А.П.,Горбунов В.Ф.Повышение устойчивости горных пород. - Новосибирск: Наука, 1983.-167с.
3. Югон А., Кост А. Штанговое крепление горных пород.- М.: Госгортехиздат. 1962.- 238 с.
4. Толпакорев А.Т. К расчету параметров анкерной крепи // Уголь.- 1962.- № 1.- с.18-22.
5. Заславский Ю.З., Зорин А.Н., Черняк И.Л. Расчеты параметров крепи выработок глубоких шахт. - К. : Техника, 1972. - 156с.
6. Виндов В. В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок.—К.: Наукова думка, 1989.
7. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. М.: Недра.1989.- 256с.
8. 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.
9. Розенберг Ф.Я., Елагин Л.И. О совершенствовании крепей для подготовительных выработок// Шахтное строительство. - 1980.- С.19-23.
10. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. - М.: Недра. 1981.- 381с.
11. Байкенжин М.А. Разработка способа поддержания пластовых подготовительных выработок глубоких горизонтов шахт податливой рамно - анкерной крепью: Дисс. канд. Техн. Наук.- Караганда.- 1987.- 156 с.
12. Черняк И.Л., Бурчаков Ю. И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт // М.: Недра, 1984. - 304 с.
13. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. - В кн. : Горное давление . - М. : Госгортехиздат, 1961, - С.59 - 164.
14. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. - М. : Углетехиздат, 1954. - 384с.
15. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. - М. : Недра, 1989. - 270с.
16. Инструкция по выбору рамной металлической крепи горных выработок. – Л.: Минуглепром СССР, ВНИМИ, 1986. – 50 с..