Главная страница ДонНТУ     |    Cтраница магистров ДонНТУ    |    Поисковая система ДонНТУ    |
Украинский
![]() | Английский
![]() |
  
![]() |
Пириг Тарас Михайлович
Магистр Факультета Геотехнологий и Управления Производством ( ФГТУ ) Донецкого Национального Технического Университета |
|
Уголь Украины, декабрь, 2006
Стендовые испытания шахтных анкеров на динамическую прочностьА. ПЫТЛИК, доктор-инженер (Главный институт горного дела, Польша) В каменноугольных шахтах, опасных по сотрясениям горного массива, применяется в основном арочная податливая крепь, изготовленная из крупносортных профилей У32, У34 и У36. Кроме того, уменьшается до 1 м расстояние между рамами, используются специальные хомуты в узлах, упрочнение крепления с помощью стальных подводов и стоек трения. Однако эти меры не повышают несущую способность крепи при динамических нагрузках, но снижают пропускную способность выработок из-за увеличения количества стальных элементов, упрочняющих крепь, особенно па сопряжении лава-штрек. Одно из альтернативных решений, способствующих сокращению затрат на возведение крепления, а также повышению безопасности труда и увеличению пропускной способности штреков, является применение поддерживающе-анкерной крепи. Для этой цели используют главным образом "вклеиваемые" анкеры, которые улучшают совместную работу и несущую способность системы "крепь - горный массив". Самостоятельная анкерная крепь в штреках не применяется [1]. В Главном институте горного дела проводятся испытания, суть которых заключается в определении характеристики анкеров при динамических нагрузках, [1] установлении количественных критериев оценки анкеров и приспособлении их конструкции к указанным условиям. Рис. 1. Схема стенда для испытания анкера с подкладкой: 1 - гайка на верхней части штанги; 2 - датчик силы; 3 - штанга анкера; 4 - нижняя плита; 5 - подкладка анкера. ![]() На этапе 1 испытывают на динамическую прочность штангу (длина не менее 1,6 м) и подкладки. Испытание заключается и приложении динамической силы, вызванной ударом падающей массы, с одновременным измерением нагрузки и суммарного удлинения штанги Д/1, сплющивания подкладки А/2 и продолжительности процесса. Штангу с подкладкой крепят на стенде (рис. 1), предварительно нагружая массой m1, В затем ударной массой m2 с высоты H = Еk(m1+ m2)/PnV, (1)где Еk - кинетическая энергия удара, Дж. Для вычислений применяются следующие значения кинетической энергии: 25 кДж - для анкера, устойчивого к сотрясению; 235 кДж - для укрепленного анкера и 50 кДж - для запирающего анкера. Динамическая прочность соответствует требованиям стандарта Рn - С-15091 -1998. Массы m1 (в пределах 4000-5000 кг) и m2 (1500-2500 кг) следует подобрать так, чтобы скорость нагрузки анкера была около 3 м/с. Погрешность измерения силы и удлинения не должна превышать 5%. Каждую штангу с подкладкой нагружают однократно. Результат пробы считается положительным, если штанга с подкладкой выдержала без разрушения заданную динамическую нагрузку. Рис. 2. Схема стенда для испытания анкера, укрепленного в исследовательском валке: 1 - валок; 2 - датчик силы; 3 - верхняя плита; 4 и 5 - штанга и подкладка анкера. ![]() На этане 2 испытывается штанга (анкер вместе с укрепляющими элементами и подкладкой и/или добавочным абсорбером энергии, гайкой и т.д.), укрепленная в валке (рис. 2). Исследовательский валок заполняют бетоном класса В25 (аналогичен составу горного массива). По длине валка выполняют отверстие диаметром, который соответствует данному типу анкера, согласно требованиям стандарта РК О-1509 1999. Испытания следует проводить аналогично этапу 1 измеряя динамическую силу нагрузки, суммарное удлинение анкера А/1, сплющивание подкладки и адсорбера энергии Л/2, выдвижение штанги в отверстия А/3, а также продолжительность этого удара при окружающей температуре 10 С. Полное значение суммарной энергии Ес, при котором анкер не подвергается разрушению, а его суммарное выдвижение из отверстия и удлинение не являются большими чем 0,5 м, определяется динамической прочностью анкера: Ес=Еk +Еn, (2)где Еn - потенциальная энергия. Динамическую несущую способность анкера, понимаемую как его среднее сопротивление на суммарном пути удлинения штанги, сплющивания подкладки и адсорбера, а также выдвижения из отверстия, вычисляем по формуле Nд= Еc/(dl1+ dl2 dl3), (3)Математическая модель нагрузки анкера на стенде представлена на рис. 3. Считается, что исследуемая система обладает одной степенью свободы. ![]() Рис. 3. Математическая модель нагрузки анкера на исследовательском стенде. Масса траверсы m2 статически нагружает анкер, закрепленный в валке, находящемся на неподвижной плите рамы стенда. Анкер представлен в форме упругой связи жесткостью k с коэффициентом вязкого сопротивления с. Анкер нагружается возмущающей силой Р(t). ![]() Рис. 4. Модель нагрузки анкера на стенде - непериодическое вынуждение. Отклонение массы от статического равновесия описывает обобщенная координата (используя уравнения Лагранжа, получаем известное уравнение движения) m2*ddq/dtt+c*dq/dt+kq=P(t), (4)Динамическая нагрузка анкера разделена на две фазы. В первой фазе свободно падающая ударная масса m1 на траверсу массой m2, статически нагружающей анкер силой вызывает колебания системы масс и анкера. Колебания вынужденные, непериодические, в форме импульса, действующего в малом промежутке времени, затухающего характера. Сила неизвестна, однако известно, что ее импульс, выраженный формулой П = РМ, превращается во внезапный прирост импульса массы. Во второй фазе после пластического соударения на анкер действует постоянная нагрузка, вызванная внезапно приложенной силой Р(t). Суперпозиция нагрузок в первой и второй фазах, отвечающая пластическому соударению (без отражения масс), состоящему из начального импульса П и устойчивого остатка Р, представлена на рис. 4. Динамическое сопротивление исследуемой системы анкера, укрепленного в валке, можно определить приближенно: Fд=Po+ Пw1*ln(-a1w1t)*sin(w1t)/cos(b1)+P[t-ln(-a2w2t)*cos(w2t-b2)/cos(b2)]. (5)где Рo - статическая сила, предварительно нагружающая анкер, вызнанная траверсной массой m1, Н; П - импульс силы, Н*с; w1 и w2 - круговые частоты собственных колебаний системы соответственно в первой и во второй фазах нагрузки, Гц; b1 и b2 - круговые частоты свободных колебаний демпферной системы в первой и второй фазах нагрузки, Гц; а1 и а2 - безразмерные параметры, называемые числом демпфирования в первой и второй фазах нагрузки; Р - фазовые параметры демпфирования в первой и второй фазах нагрузки; t - время, с. Выводы. Результаты испытаний показали, что ударные нагрузки вызывают экстремальные напряжения в анкерах. Это часто приводит к их поломкам при нагрузках, меньших, чем разрушающие. Разработанная в Главном институте горного дела в Катовицах методика и математическая модель стендовых испытаний прочности к удару шахтных анкеров позволят лучше понимать явления, которые происходят в конструкциях при динамических нагрузках. Литература: 1. Wojno L.Doswiadezenia z zakresu stosowania obudowy kotwiowej w kopalniach Republiki Poludniowej Afryki// Szkola Eksploatacji Podziemnej 94, Sympozja I Konferencje. Krakow. 1994. - T.1. - №10. 2. Mechanika budowli - ujecie komputerowe/ Pod kier. G.Rakowskiego.- Warszawa: Arkady. 1992. - T.2.. |