ДонНТУ   Портал магистров

Чучко Станислав Геннадьевич

Горный факультет

Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых

Специальность «Разработка месторождений полезных ископаемых»

Обоснование параметров комбинированного рамно-анкерного крепления для поддержания горных выработок: исследование влияния времени установки анкерного крепления относительно забоя по проведению выработки на ее устойчивость

Научный руководитель: д.т.н., проф. Новиков Александр Олегович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований, планируемые результаты
• 4. Изложение материала
• Выводы и направления дальнейших исследований
• Список источников литературы

1. Актуальность темы

В настоящее время протяженность поддерживаемых горных выработок достигает 199,5 км/млн. т добываемого угля. При этом протяженность выработок, закрепленных арочной податливой крепью и находящихся в неудовлетворительность состоянии, достигает 17,5 %. Это связано, прежде всего, с недостаточно высокой несущей способностью рамной крепи и несоответствием существующих параметров горно-геологическим условиям.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Вполне очевидно, что для повышения устойчивости выработок и длительности их безремонтного поддержания необходимо устранить существующие недостатки крепления. Кардинально изменить ситуацию можно путем применения анкерования. Поэтому актуальной научной задачей является проведение исследований, направленных на изучения характера поведения горного массива, закрепленных комбинированной рамно-анкерной крепью, для дальнейшего установления рациональных параметров его поддержания, которые обеспечивают уменьшение смещений вмещающих пород.

3. Обзор исследований и разработок

На сегодняшний день существует много научно-технической литературы, в которой раскрывается механизм взаимодействия различных видов крепления с породами, окружающими выработку. В качестве основных источников можно выделить исследования В.В. Виноградова А.П. Широкова, В.Т. Глушко, А.А. Борисова, Н.И. Мельникова, Л.М. Ерофеева, А.Н. Зорина, И.А. Ковалевской, Б.К. Чукуна, А.В. Ремезова, И.А. Юрченко, А.Н. Шашенко, А. Югона, А. Коста и др.[1-22]

В общем случае данные работы позволяют выделить пять теорий анкерного крепления: подвешивание непосредственной кровли к основной, формирование грузонесущей конструкции, сжатие поддерживающих пород, совместной работы крепи и породы, энергетическая теория. Но проанализировав их можно выделить три основных направления взаимодействия комбинированной рамно–анкерной крепи и массива:

1. первое направление характеризует анкерную крепь, усиливающую раму, как дополнительную конструкцию. При этом в расчетах ожидаемых смещений пород, окружающих горную выработку, используется уменьшающий коэффициент, который зависит от плотности установки анкеров.
2. второе направление характеризует взаимодействие рамной и, усиливающей ее, анкерной крепи, как единую грузонесущую конструкцию. В этом случае параметры выбираются с учетом ожидаемых смещений контура незакрепленной выработки, а также горно–геологических и горнотехнических условий.
3. третье направление характеризует взаимодействие рамно-анкерной крепи как единой связанной конструкции.

При этом основные параметры такой конструкции рассчитываются теоретически с использованием метода сил

Увеличение несущей способности рамно–анкерной крепи возможно благодаря правильному расчету ее параметров. Рассмотрим некоторые взгляды о методах выбора параметров.

Расчет параметров анкерной крепи, основанный на гипотезе разрушения трещиноватых пород в кровле горной выработки, описывает в своих работах Борисов А.А. [1]. Свои исследования он проводил с помощью физического моделирования на блочной среде. Согласно Борисову А.А. обрушение принимает вид трапеции. Высота вывала зависит от таких факторов, как угол залегания пласта, прочность пород и пролет выработки. Для достижения устойчивости выработки сводчатой формы он предлагает принимать расстояние между штанговой крепью по следующей формуле

где a – расстояние меду соседними штангами, м
R – прочность закрепления анкера в шпуре, Н
n – коэффициент запаса
g – объемный вес пород, кг/м3
l – длина анкерной крепи, м

В своих работах Горбачев Г.Ф., Штумпф Г.Г. и Стрыгин Б.И. [2] рассматривают три направления взаимодействия анкерной крепи с окружающими породами и для каждой предлагают методы расчета параметров крепи:

1. Подвешивание пород за пределами свода обрушения. В этом случае длина активной части анкерной штанги равна

l – длина активной части анкерной крепи, м
b – высота свода вывала пород в кровле подготовительной выработки по проф. Протодьяконову, м
l1 – величина заглубления замка анкера в устойчивую породу выше границы возможного вывала, м
2. Подвешивание слабых пород непосредственной кровли к более прочным породам. В этом случае длина анкера принимается больше мощности неустойчивой пачки породных слоев на величину заглубления анкера в устойчивые породы
3. Скрепление слоистых пород и формирование породной балки. В этом случае мощность закрепленной толщи пород равна

где l0 – мощность закрепленной толщи
k – коэффициент запаса
p – нагрузка на закрепленную породную балку, Н
L – ширина выработки, м
f – кэффициент уменьшения момента сопротивления составной балки по сравнению с цельной
s – расчетный предел прочности на сжатие, Па
sx – величина горизонтальных напряжений в нарушенном массиве, Па

Методика выбора длины анкера аналогичная предыдущим авторам рассматривается в работах Широкова А.П., Лидера В.В. и Пислякова Б.Г. [3] . Согласно их исследованиям:

1. длина анкерной крепи принимается большим суммы высоты возможного вывала и величины заглубления замка.
2. шаг установки анкера принимается в зависимости от прочности его закрепления

Согласно Коскову И.Г.[4] и Мельникову Н.И. [5].длина анкерной крепи зависит, главным образом, от высоты зоны возможных обрушений в кровле подготовительной выработки, а плотность установки анкера определяется от прочности закрепления. То есть методы расчета параметров крепи основываются на тех же зависимостях, что и у предыдущих авторов.

Способ химического закрепления рассматривается как наиболее перспективный для создания опорно-анкерного крепления, развиваемого в ИГТМ НАНУ [6]. Исследования этого института позволили существенно расширить представления о геомеханике совместной работы пород кровли и сталеполимерной крепи с высокой несущей способностью, которая достигается за счет закрепления анкера по всей длине с применением современных полимерных смол. Указывается, что математическое моделирование напряженного состояния армированной анкерами кровли проводилось для длины анкеров 2250 мм, что равно половине ширины выработки, и предварительном натяжении 50 кН. Результаты моделирования показали, что длина анкера должна быть максимально возможной. При этом недопустимо применять установку анкеров с неполным закреплением по длине стержня. В противном случае на участке крепи, установленной без закрепления (то есть на этом участке между стрежнем анкера и стенками шпура имеется воздушный зазор), теряется эффект полного омоноличивания пород кровли. При этом в приконтурном массиве увеличивается разность максимальных нормальных напряжений, возрастает нагрузка на шайбы, установленные на головке анкера, а устойчивость всей системы может быть даже хуже, чем устойчивость незакрепленной кровли, за счет разрушающего действия инкапсулированной части стержня.

Конкретные методики для выбора параметров анкерной крепи приводятся в современных публикациях российских ученых. Рассмотрим одну из методик, которая получила широкое распространение для поддержания выработок в шахтах восточной части России [3]. Авторы считают целесообразным использовать сводообразную форму подготовительной выработки. При такой форме устойчивость кровли максимальна благодаря тому, что увеличивается область сжимающих напряжений. При установке анкерной крепи области растягивающих напряжений могут исчезать полностью, что весьма благоприятно сказывается на устойчивости пород кровли, поскольку, как известно, горные породы имеют предел прочности на растяжение в 5–10 раз меньше, чем на сжатие. При указанной форме в кровле создается упрочненная область, в пределах которой породы работают на сжатие, а анкеры – на растяжение. В принципе такой подход с геомеханической точки зрения очень близок к подходу ИГТМ НАНУ, о котором говорилось выше.

Исходя из этого, длину анкеров предлагается принимать равной толщине зоны упрочнения, которая зависит от прочности пород на сжатие и глубины разработки. Автор [3] не приводит формул или рекомендаций относительно выбора и обоснования плотности установки анкеров. Однако, из содержания статьи ясно, что параметры анкерной крепи в значительной степени зависят от прочности закрепления анкера в шпуре, исследованию которой уделена большая часть статьи.

Совершенствование вопросов взаимодействия рамной и анкерной крепи заключается в изучении их влияния на массив вмещающих пород во времени. Одним из перспективных путей для решения данной задачи является установление распределения нагрузок, которые воспринимаются отдельными составными элементами системы крепежная рама – оболочка из укрепленных пород. Это, в свою очередь, позволит более полно рассчитать параметры комбинированных крепей.

В этой связи, целью настоящей работы является установление закономерностей между усилением рамной крепи анкерами и процессом формирования в горном массиве зоны разрушенных пород (ЗРП).

4. Изложение материала

Исследование влияния усиления рамной крепи анкерами на процесс формирования вокруг выработки зоны разрушенных пород производилось с помощью 12 моделей из эквивалентных материалов. Было использовано 2 вида смесей: гипсо–песчаные и парафино–песчаные. Схема расположения выработки и реперов в моделях и общая характеристика моделей представлены соответственно на рис. 1.

Исследования производились в следующем порядке. Первоначально, определялись конечные смещения и размер ЗРП в массиве, соответствующем горно–геологическим условиям и закрепленном рамной податливой крепью. Затем в аналогичных условиях моделировалась выработка, в которой после реализации заданной части от конечной величины смещений контура, между рамами устанавливалась усиливающая анкерная крепь и модель отрабатывалась до конца. На рис. 2 можно увидеть смещение реперов и состояние выработки в модели № 3 на разных этапах отработки, полученных методом фотофиксации.

В результате обработки результатов были построены графики зависимости относительных смещений глубинных реперов в кровле выработки и коэффициента разрыхления пород от расстояния до ее контура, которые представлены на рис 4.

Анализирую графики можно констатировать, что при усилении рамной крепи анкерами:

1. без отставания от забоя по проведению выработки, а также после реализации 25, 50 и 75 % конечных смещений, контурные смещения снижаются соответственно на 32, 26, 14 и 8 %.
2. при установке рамной и анкерной крепи в одно время, а также после реализации 25, 50 и 75 % конечных смещений позволяет уменьшить конечный размер ЗНД в первом случае на 30%, в остальных происходит частичное или полное разрушение области пород, усиленной анкерами.
3. максимальное значение коэффициента разрыхления пород смещается вглубь на 0.2 размера ЗНД.
4. внешняя граница ЗРП при реализации 25, 50 и 75 % конечных смещений находится на удалении 0.5 – 0.63 от размера ЗНД.

Выводы и направления дальнейших исследований

В результате проведенных исследований появилась возможность оценить степень влияния рамной крепи, усиленной жесткими анкерами на процесс образования вокруг выработки ЗРП, которая будет применяться для определения рациональных параметров комбинированных крепей.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение декабрь 2012 г.

Список источников

1. Борисов А.А. Новые методы расчета штанговой крепи / А.А. Борисов. – М.: Госгортехиздат, 1962. – 125 с.
2. Горбачев Т.Ф., Штумпф Г.Г., Стыгин Б.И. Применение анкерной крепи в подготовительных выработках – Т.Ф. Горбачев, Г.Г. Штумпф, Б.И. Стрыгин. – Новосибирск: Наука, 1972. – 246 с.
3. Широков А.П., Лидер В.А., Писляов Б.Г. Расчет анкерной крепи ля различных условий применения/А.П. Широков, В.А. Лидер, Б.Г. Писляков. – М.: Недра, 1976. – 208 с
4. Косков И.Г. Опыт применения анкерной крепи на шахтах Челяюбинского бассейна/ И.Г. Косков. М.: ЦНИЭИуголь, 1976. – 29 с.
5. Мельников Н.И. Анкерная крепь/Н.И. Мельников. – М.: Недра, 1980. – 252 с.
6. Булат А.Ф., В.В. Виноградов Опорно-анкерное крепление гонных выработок угольных шахт/А.Ф. Булат, В.В. Виноградов. – Днепропетровск: «Вильпо», 2002. v 371 с.
7. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. ВНИМИ, 1986 – 222 с.
8. СОУ 10.1.05411357.010:2008. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования. – 89 с.
9. Черев Д.А. Выбор параметров рамно-анкерной крепи на основе исследования закономерностей изменения внутренних усилий: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 225.0022 – Геотехнология (открытая, подземная и строительная)/Д.А. Черев: Екатеринбург, 2004. – 18 с.
10. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи/А.П. Широков – М.: Недра. 1981. – 381 с.
11. Широков А.П., Горбунов В.Ф. Повышение устойчивости горных пород/А.П. Широков, В.Ф. Горбунов – Новосибирск: Наука, 1983. – 167 с.
12. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. – М.: Недра, 1986. – 447 с. Югон А., Кост А. Штанговое крепление горных пород/А. Югон, А. Кост – М.: Госгортехиздат. 1962. – 238 с.
13. Ткачев В.А. Установление рациональных параметров и области применения анкерной крепи в сочетании с рамными крепями в выемочных штреках: Дисс. канд.техн.наук/В.А. Ткачев - М., 1976. – 155 с.
14. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. – Изд. 4-е, дополненное. Л., 1986. – 222 с.
15. Якоби О. Практика управления горным давлением./О. Якоби – М.: Недра, 1987. – 566 с.
16. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород./К.В. Руппенейт - М. : Углетехиздат, 1954. – 384 с.
17. Литвинский Г.Г. Кинетика хрупкого разрушения породного массива в окрестности горной выработки./Г.Г. Литвинский – ФЕПРПИ, 1974. – № 5. – С. 15–22.
18. Евсеев В.С., Утрихин А.Н., Мурашев В.И. Определение предельной глубины применения анкерной крепи в подготовительных выработках //В.С. Евсеев, А.Н. Утрихин, В.И. Мурашев – Уголь. – 1984. – № 6. – С. 18-20.
19. Махно Е.Я. К вопросу о расчете штанговой крепи /Е.Я. Махно – Уголь. – 1959. – № 5. – С. 41-42.
20. Клюев А.П. Обоснование параметров крепления подготовительных выработок податливой анкерно - рамной крепью в зоне влияния очистных работ: Дисс. кан.тех.наук/А.П. Клюев. – Донецк. – 1989. – 213 с.
21. Югон А., Кост А. Штанговое крепление горных пород/А. Югон, А. Кост – М.: Госгортехиздат. 1962. – 238 с.
22. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений/Ю.З. Заславский, В.М. Мостков – Недра, 1979. – 325 с.