Стендовые испытания шахтных анкеров на динамическую прочность

А. 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..