ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

1. Актуальність теми

В даний час протяжність підтримуваних гірничих виробок сягає 199,5 км/млн. т вугілля, що видобувається. При цьому протяжність виробок, закріплених арочним піддатливим кріпленням і знаходяться в незадовільному стані, досягає 17,5 %. Це пов'язано, перш за все, з недостатньо високою несучою здатністю рамного кріплення і невідповідністю існуючих параметрів гірничо–геологічним умовам.

2. Мета і задачі дослідження.

Цілком зрозуміло, що для підвищення стійкості виробок і тривалості їх безремонтного підтримки необхідно усунути існуючі недоліки кріплення. Кардинально змінити ситуацію можна шляхом застосування анкерування. Тому актуальною науковою задачею є проведення досліджень, спрямованих на вивчення характеру поведінки гірського масиву, закріплених комбінованої рамно–анкерним кріпленням, для подальшого встановлення раціональних параметрів його підтримки, які забезпечують зменшення зсувів вміщуючих порід.

3. Огляд досліджень, плановані результати.

На сьогоднішній день існує багато науково–технічної літератури, в якій розкривається механізм взаємодії різних видів кріплення з породами, що оточують вироблення. В якості основних джерел можна виділити дослідження В.В. Виноградова А.П. Шірокова, В.Т. Глушко, А.А. Борісова, Н.І. Мельникова, Л.М. Єрофеєва, А.Н. Зорина, І.А. Ковалевской, Б.К. Чукуна, А.В. Ремезова, І.А. Юрченко, А.Н. Шашенко, А. Югона, А. Коста та ін.[1-22]

У загальному випадку дані роботи дозволяють виділити п'ять теорій анкерного кріплення: підвішування безпосередньої покрівлі до основної, формування вантажонесучої конструкції, стиснення підтримують порід, спільної роботи кріплення й породи, енергетична теорія. Але проаналізувавши їх можна виділити три основні напрями взаємодії комбінованої рамно–анкерного кріплення і масиву:

  1. Перший напрям характеризує анкерне кріплення, посилює раму, як додаткову конструкцію. При цьому в розрахунках очікуваних зміщень порід, що оточують гірську виробку, використовується зменшує коефіцієнт, який залежить від щільності установки анкерів.
  2. Другий напрямок характеризує взаємодію рамної і, підсилює її, анкерного кріплення, як єдину вантажонесучої конструкцію. У цьому випадку параметри вибираються з урахуванням очікуваних зміщень контуру незакріпленої вироблення, а також гірничо–геологічних і гірничотехнічних умов.
  3. Третій напрям характеризує взаємодію рамно–анкерного кріплення як єдиної пов'язаної конструкції. При цьому основні параметри такої конструкції розраховуються теоретично з використанням методу сил.

Збільшення несучої здатності рамно–анкерного кріплення можливо завдяки правильному розрахунку її параметрів. Розглянемо деякі погляди про методи вибору параметрів.

Розрахунок параметрів анкерного кріплення, заснований на гіпотезі руйнування тріщинуватих порід у покрівлі гірського вироблення, описує у своїх роботах Борисов А.А. [1]. Свої дослідження він проводив за допомогою фізичного моделювання на блокової середовищі. Згідно Борисову–А.А. обвалення приймає вид трапеції. Висота вивала залежить т таких факторів, як кут залягання пласта, міцність порід і проліт виробітку. Для досягнення стійкості вироблення склепінчастою форми він пропонує приймати відстань між штангового кріпленням за наступною формулою

формула 1.JPG

де a – відстань між сусідніми штангами, м
R – міцність закріплення анкера в шпурі, Н
n – коефіцієнт запасу
g – об'ємна вага порід, кг/м3
l –- довжина анкерного кріплення, м.

У своїх роботах Горбачов Г.Ф., Штумпф Г.Г. і Стригін Б.І. [2] розглядають три напрямки взаємодії анкерного кріплення з оточуючими породами і для кожної пропонують методи розрахунку параметрів кріплення:

  1. Подвешіваніе порід за межами зводу обвалення. У цьому випадку довжина активної частини анкерної штанги дорівнює

    2. формула 2.JPG

    де l   довжина активної частини анкерного кріплення, м
    b   висота зводу вивала порід у покрівлі підготовчої виробки по проф. Протодьяконова, м
    l1   величина заглиблення замка анкера в стійку породу вище межі можливого вивала, м
  2. Підвішування слабких порід безпосередньої покрівлі до більш міцним породам. У цьому випадку довжина анкера приймається більше потужності нестійкою пачки породних шарів на величину заглиблення анкера в стійкі породи.
  3. Скріплення шаруватих порід і формування породної балки. У цьому випадку потужність закріпленої товщі порід дорівнює

формула 3.JPG

де l0   потужність закріпленої товщі
k   коефіцієнт запасу
p   навантаження на закріплену породну балку, Н
L   ширина виробки, м
f   коефіцієнт зменшення моменту опору складовою балки в порівнянні з цільної
s   розрахунковий межа міцності на стиск, Па
sx   величина горизонтальних напружень в порушеному масиві, Па

Методика вибору довжини анкера аналогічна попереднім авторам розглядається в роботах Широкова А.П., Лідера В.В. і Післякова Б.Г. [3]. Згідно з їх дослідженням:

  1. Довжина анкерного кріплення приймається великим суми висоти можливого вивала і величини заглиблення замку.
  2. Крок установки анкера приймається в залежності від міцності його закріплення.

Згідно Коскову І.Г. [4] і Мельникову Н.І. [5]. Довжина анкерного кріплення залежить, головним чином, від висоти зони можливих обвалів в покрівлі підготовчої виробки, а щільність установки анкера визначається від міцності закріплення. Тобто методи розрахунку параметрів кріплення ґрунтуються на тих же залежностях, що і у попередніх авторів.

Спосіб хімічного закріплення розглядається як найбільш перспективний для створення опорно-анкерного кріплення, що розвивається в ІГТМ НАНУ [6]. Дослідження цього інституту дозволили істотно розширити уявлення про геомеханіки спільної роботи порід покрівлі та сталеполімерного кріплення з високою несучою здатністю, яка досягається за рахунок закріплення анкера по всій довжині з застосуванням сучасних полімерних смол. Вказується, що математичне моделювання напруженого стану армованої анкерами покрівлі проводилося для довжини анкерів 2250 мм, що дорівнює половині ширини виробки, і попередньому натягу 50 кН. Результати моделювання показали, що довжина анкера повинна бути максимально можливою. При цьому неприпустимо застосовувати установку анкерів з неповним закріпленням по довжині стрижня. В іншому випадку на ділянці кріплення, встановленої без закріплення (тобто на цій ділянці між стрижнем анкера і стінками шпуру є повітряний зазор), втрачається ефект повного омонолічування порід покрівлі. При цьому в при контурнім масиві збільшується різниця максимальних нормальних напружень, зростає навантаження на шайби, встановлені на голівці анкера, а стійкість всієї системи може бути навіть гірше, ніж стійкість незакріпленої покрівлі, за рахунок руйнуючої дії інкапсульованою частини стержня.

Конкретні методики для вибору параметрів анкерного кріплення наводяться в сучасних публікаціях російських вчених. Розглянемо одну з методик, яка отримала широке поширення для підтримки виробок в шахтах східної частини Росії [3]. Автори вважають за доцільне використовувати сводообразную форму підготовчої виробки. При такій формі стійкість покрівлі максимальна завдяки тому, що збільшується область стискаючих напруг. При установці анкерного кріплення області розтягуючих напружень можуть зникати повністю, що досить сприятливо позначається на стійкості порід покрівлі, оскільки, як відомо, гірські породи мають межу міцності на розтяг в 5–10 разів менше, ніж на стиск. При зазначеній формі у покрівлі створюється зміцнена область, в межах якої породи працюють на стиск, а анкери – на розтяг. В принципі такий підхід з геомеханіченой точки зору дуже близький до підходу ІГТМ НАНУ, про який говорилося вище.

Виходячи з цього, довжину анкерів пропонується приймати рівній товщині зони зміцнення, яка залежить від міцності порід на стиснення і глибини розробки. Автор [3] не призводить формул або рекомендацій щодо вибору та обгрунтування щільності установки анкерів. Однак, зі змісту статті ясно, що параметри анкерного кріплення в значній мірі залежать від міцності закріплення анкера в шпурі, дослідженню якої приділена велика частина статті.

Удосконалення питань взаємодії рамного і анкерного кріплення полягає у вивченні їх впливу на масив вміщуючих порід у часі. Одним з перспективних шляхів для вирішення даного завдання є встановлення розподілу навантажень, які сприймаються окремими складовими елементами системи кріпильна рама – оболонка з укріплених порід. Це, в свою чергу, дозволить більш повно розрахувати параметри комбінованих кріплень.

У зв'язку з цим, метою цієї роботи є встановлення закономірностей між посиленням рамної кріпи анкерами і процесом формування в гірському масиві зони зруйнованих порід (ЗРП).

4. Виклад матеріалу.

Дослідження впливу посилення рамної кріпи анкерами на процес формування навколо виробки зони зруйнованих порід проводилося за допомогою 12 моделей з еквівалентних матеріалів. Було використано 2 види сумішей: гіпсо–піщані і парафіно–піщані. Схема розташування вироблення і реперів в моделях і загальна характеристика моделей представлені відповідно на рис. 1.

Рис. 1. Схема розташування вироблення і реперів в моделях з еквівалентних матеріалів.

Рис 1. Схема розташування вироблення і реперів в моделях з еквівалентних матеріалів.

Дослідження проводилися в наступному порядку. Спочатку, визначалися кінцеві зміщення і розмір ЗРП в масиві, відповідному гірничо-геологічним умовам і закріпленому рамної піддатливою кріпленням. Потім в аналогічних умовах моделювалася вироблення, в якій після реалізації заданої частини від кінцевої величини зміщень контуру, між рамами встановлювалася підсилює анкерне кріплення і модель відпрацьовувалася до кінця. На рис. 2 можна побачити зсув реперів і стан виробки в моделі № 3 на різних етапах відпрацювання, отриманих методом фотофіксації.

Рис. 2. Стан вироблення в моделі № 3 на момент: (а) – проведення виробки; (б) – початку установки підсилює анкерного кріплення; (в) – закінчення установки підсилює анкерного кріплення; (г) – закінчення відпрацювання моделі

Рис. 2. Стан вироблення в моделі № 3 на момент: (а) – проведення виробки; (б) – початку установки підсилює анкерного кріплення; (в) – закінчення установки підсилює анкерного кріплення; (г) – закінчення відпрацювання моделі

Схема анкерування

Рис. 3. Схема анкерування (анімація, 4 кадра, тривалість 3 с, 5 повторень, розмір 51,2 КБ)

В результаті обробки результатів були побудовані графіки залежності відносних зсувів глибинних реперів у покрівлі виробки і коефіцієнта розпушення порід від відстані до її контура, які представлені на рис. 3.

Рис. 4. Графіки залежності відносних зсувів глибинних реперів у покрівлі виробки (при) (а) і коефіцієнта розпушення порід між реперами (б) від відстані до її контуру при різній величині критичних зсувів, реалізувалися до установки анкерів

Рис. 4. Графіки залежності відносних зсувів глибинних реперів у покрівлі виробки (при) (а) і коефіцієнта розпушення порід між реперами (б) від відстані до її контуру при різній величині критичних зсувів, реалізувалися до установки анкерів

Аналізую графіки можна констатувати, що при посиленні рамної кріпи анкерами:

  1. При установці рамної і анкерного кріплення в один час, а також після реалізації 25, 50 і 75 % кінцевих зсувів дозволяє зменшити кінцевий розмір Знд в першому випадку на 30 %, в інших відбувається часткове або повне руйнування області порід, посиленою анкерами.
  2. Максимальне значення коефіцієнта розпушення порід зміщується вглиб на 0.2 розміру Знд
  3. Зовнішня межа ЗРП при реалізаціі 25, 50 і 75 % кінцевих зсувів знаходиться на видаленні 0.5 – 0.63 від розміру ЗНД.

Висновки та напрямки подальших досліджень.

В результаті проведених досліджень з'явилася можливість оцінити ступінь впливу рамної кріпи, посиленою жорсткими анкерами на процес утворення навколо вироблення ЗРП, яка буде застосовуватися для визначення раціональних параметрів комбінованих кріплень.

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення грудня 2012.

Перелік посилань

  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