Изложены результаты лабораторных испытаний на обобщенное растяжение породно-анкерных конструкций, армированных по различным схемам.

Проблема и ее связь с научными и практическими заданиями. В условиях ежегодного повышения мировых цен на нефть и газ, запасы которых ограничены, уголь является главным энергоносителем в Украине, гарантом ее экономической независимости. От стабильности работы угольной промышленности во многом зависит работа базовых отраслей экономики – электроэнергетики и металлургии. Эффективность деятельности угольных шахт в первую очередь определяется себестоимостью угля, в которой до 45 % составляют затраты на поддержание горных выработок. Одним из перспективных направлений снижения этих затрат является внедрение новых технологий крепления выработок с использованием анкерных систем (АС). Это позволяет в 5-10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона, леса; в 3-5 раз повысить производительность работ при креплении выработок; в 2-3 раза повысить темпы проходки; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание выработок в рабочем состоянии в период их эксплуатации.

Анализ исследований и публикаций. В настоящее время объем применения АС для крепления выработок на шахтах Украины не превышает 1,0 %. Основной причиной такого положения является недостаточная изученность влияния, создаваемых породно анкерных конструкций, на геомеханические процессы, происходящие во вмещающем выработку породном массиве, что в свою очередь приводит к не пониманию роли АС в процессе поддержания выработки, не позволяет достоверно ограничить область их применения, разработать научно обоснованные нормы проектирования. В этой связи, изучение закономерностей деформирования породных массивов, армированных с использованием анкерных систем для обеспечения устойчивости горных выработок является актуальной задачей, решение которой позволит повысить эффективность и безопасность горных работ.

Задачей данных исследований было изучение запредельного напряженно деформированного состояния породно-анкерных конструкций при разгрузке, в условиях обобщенного растяжения.

Изложение материала и результатов. Исследования проводились на установке неравномерно трехосного сжатия пород в ИФГП НАН Украины. Из цементно-песчаных смесей изготавливались кубические образцы с размером ребра 55 мм, которые моделировали участок породного массива объемом в 1 м3 с прочностью 30-5 МПа. Образцы армировались по различным пространственным схемам.

Первоначально в образцах создавалось гидростатическое поле напряжений, имитирующее глубину заложения 800, 1200 и 1600 м. Затем, в направлении действия напряжений производилась полная разгрузка с поддержанием величин напряжений на первоначальном уровне.

Рис. 1. Схемы армирования образцов

Результаты исследований представлены на рис. 2-11. Все графики имеют три характерных участка: участок равномерного всестороннего сжатия до напряжений, имитирующих заданную глубину, участок разгрузки до некоторого значения, при котором происходит разрушение и участок до полной разгрузки от напряжений (запредельное деформирование). Предельное состояние породно-анкерных конструкций (точка перегиба графиков наступает при разгрузке на 59-89 % от первоначальной (для не армированной породы – 37 %). При этом, значения нормальных напряжений в 3,5 раза, а максимальных касательных напряжений – в 3,6 раза выше, чем для не армированной породы. Предельные относительные деформации для конструкций, армированных по схемам 3-6, до 2,1 раза выше, чем для не армированной породы (для конструкций, ар мированных по схемам 1 и 2, они на 26 % ниже). Значения модулей объемной деформации, сдвига и упругости для породно-анкерных конструкций в предельном состоянии снижаются до 1,7 раза. Дилатансия конструкций на 940 % меньше, чем для не армированных пород. Отношение величины энергии формоизменения к энергии изменения объема для конструкций в предельном состоянии увеличивается в 18,7 раза, по сравнению с породой, что говорит о большей энергоемкости их разрушения и объясняется эффективной совместной работой породы и анкеров по противодействию ему. Значения коэффициентов поперечной деформации для конструкций в предельном состоянии изменяются до 0,48 (0,46 для породы), что свидетельствует о хрупком характере разрушения.

Если для породы коэффициент поперечной деформации не меняется до момента полной разгрузки, то для конструкций его величина составляет от 0,99 до 1,6 (квазипластическое деформирование). Об этом говорят также графики зависимости отношения энергии формоизменения к полной энергии деформирования (Af/Aп) от напряжений при разгрузке. Для не армированной породы характерно хрупкое деформирование, связанное с постепенным накоплением трещин отрыва. При этом, в породе образуются трещины сложного сдвига, что увеличивает степень ее дилатансии. Для конструкций уже на начальной стадии разгрузки характерен ускоренный рост доли пластических деформаций. Этот процесс протекает до полной их разгрузки, при этом относительные остаточные деформации в направлении разгрузки до 1,7 раза больше, чем для породы. Армирование позволило на 70 % снизить относительное изменение объема конструкций на запредельном участке деформирования по сравнению с породой. Установлено, что запредельное деформирование конструкций, армированных по схемам 1,2,5 и 6 и породы, происходит в области растяжения со сдвигом, а конструкций, армированных по схемам 3 и 4 – в области растяжения. По мере разгрузки происходит снижение прочности пород и конструкций. Несмотря на примерно одинаковый градиент снижения напряжений при уменьшении напряжений для породы и конструкций за счет больших значений предельных напряжений остаточные прочности конструкций от 3,1 до 4,5 раз больше, чем для породы. Так, остаточная прочность для лучшей конструкции, армированной по схеме 5 составляет 0,81 от первоначальной. Остаточные значения нормальных и касательных напряжений для конструкций соответственно в 4,5 и 4,6 раза выше, чем для породы.

Аналогичным образом происходит снижение значений модуля сдвига для породы и конструкций Это характеризует процесс ослабления и уплотнения внутренней структуры материала конструкции, сопровождаемый снижением ее сопротивления действию касательных напряжений и нарастанием доли пластических деформаций. Для конструкции, армированной по схеме 5 происходит увеличение модуля сдвига в 1,4 раза по сравнению с предельным значением. Для всех конструкций остаточные значения модуля сдвига до 13,9 раза больше, чем для породы, что говорит о высокой эффективности сопротивления конструкций действию сдвиговых нагрузок за счет наклоненных к плоскости разгрузки анкеров.

При этом, в материале конструкций распространяются трещины отрыва, что сопровождается минимальным его разрыхлением, при этом остаточная прочность снижается медленно, а модуль спада принимает минимальные значения. Эти данные хорошо согласуются с результатами исследований [1], выполненных в ИФГП НАН Украины. Установлено, что при разгрузке конструкций, в запредельной области, наблюдается переход от хрупкого к более вязкому (квазипластическому) характеру деформирования, характеризуемого ускоренным снижением модуля спада по сравнению с не армированной породой , возрастающими запредельными деформациями сохранением высокой остаточной прочности что характерно для пластичных пород. Как видно из графиков, значение модуля спада для конструкций до 4,0 раз меньше, а относительные деформации в направлении разгрузки до 65 % больше, чем для не армированной породы, что указывает на квазипластический характер их деформирования в запредельной области

При разгрузке породы на запредельном участке деформирования, происходит образование трещин сложного сдвига, что значительно увеличивает степень дилатансии материала при постоянном значении коэффициента поперечных деформаций. Плоскости разрушения, при этом параллельны плоскости разгрузки.

Задачей данных исследований было изучение запредельного напряженно деформированного состояния породно-анкерных конструкций при разгрузке, в условиях обобщенного растяжения.

Для конструкций при разгрузке в запредельной области, характерно распространение трещин отрыва, при этом происходит минимальное разрыхление (дилатансия) материала, увеличиваются значение коэффициента поперечных деформаций и относительные деформации в направлении разгрузки, остаточная прочность снижается медленно, а модуль спада принимает минимальные значения.

Деформационное состояние пород и конструкций, армированных по схеме 1, при разгрузке изменяется вне значительных пределах (растяжение со сдвигом). Это связано с развитием в них трещин сложного сдвига, причем радиально расположенные по схеме 1 анкера, минимально сопротивляются этому процессу. Для других конструкций характерен более широкий диапазон изменения деформационного состояния (от сжатия со сдвигом до растяжения со сдвигом), что обусловлено эффективным вовлечением в совместную работу по противодействию деформирования наклонно расположенных анкеров и породы. Армирование по схемам 4 и 5 позволяет в наибольшей степени использовать несущую способность конструкции за счет более позднего изменения благоприятного режима ее работы (от деформационного состояния «сжатие со сдвигом» до «растяжения со сдвигом») при разгрузке.

Изменение вида деформационного состояния конструкций при разгрузке в области запредельного деформирования и значения модуля спада показано на рис. 11. Установлено, что эффект квазипластичности (быстрое снижение величины модуля спада при разгрузке конструкции по сравнению с породой) в большей степени проявляется в менее прочных породах (30 МПа) и уменьшается по мере увеличения прочности. Увеличение моделируемой глубины заложения породно-анкерных конструкций приводит к уменьшению их остаточной прочности. Так, при увеличении глубины заложения конструкции, армированной по схеме 5, с 800 м до 1600 м, ее остаточная прочность при прочих равных условиях снизилась с 0,85 до 0,77 от первоначальной. Связано это с тем, что анкеры, имеющие на два порядка более высокие упругие свойства, чем порода, на этапе до предельного деформирования конструкции представляют собой концентраторы напряжений, которые в пределах своих областей влияния на массив, усиливают разрушение (степень разрыхления) пород. При увеличении моделируемой глубины заложения конструкций, влияние этого фактора усиливается, что приводит к снижению остаточной прочности конструкции.

Установлено, что конструкции достигают предельного состояния при разгрузке от радиальных напряжений на величину от 59 до 91 % от первоначальной (для не армированной породы при разгрузке на 25-47 %). Относительное изменение объема для конструкций из пород с прочностью до 30 МПа в предельном состоянии до 1,7 раза меньше, а из пород прочностью 40 МПа и более – до 2,4 раза выше, чем для не армированной породы. Отношение величин энергии формоизменения и энергии изменения объема для конструкций в предельном состоянии в 30 раз больше, чем для не армированной породы, что свидетельствует о большей энергоемкости их разрушения и объясняется эффективной совместной работой породы и анкеров по противодействию ему.

Установлено, что анкерование меняет механизм разрушения пород. При разгрузке, под углами до 30 град.(теоретическое значение угла 45°) к плоскости разгрузки образуются плоскости разрушения, по которым оно происходит в результате отрыва со сдвигом или отрыва.

При дальнейшей разгрузке конструкций (запредельный участок), происходит их быстрый переход в область квазипластического деформирования с коэффициентом поперечной деформации от 0,7 до 2,2, снижение значений модуля деформации и модуля сдвига до 2,2 раза по сравнению с предельными значениями (за исключением конструкций, армированных по схемам 5, 6 и 7), причем их остаточные (при полной разгрузке) значения до 22,2 раза выше, чем для не армированной породы. Для конструкций, армированных по схемам 5,6,4,2 на участке запредельного деформирования, происходит увеличение модуля сдвига до 6,8 раза по сравнению с предельным значением, что говорит о повышении сопротивления конструкции действию сдвиговых нагрузок за счет наклоненных к плоскости разгрузки анкеров. Остаточные значения нормальных и касательных напряжений для конструкций до 4,7 раза выше, а остаточная прочность до 5 раз выше, чем у породы и составляет от 0,31 до 0,85 от начальной. Относительные остаточные деформации породно-анкерных конструкций в направлении разгрузки достигают 0,23 (до 2,5 раз больше, чем для не армированной породы).

Аналогичные результаты были получены при испытаниях реальных образцов глинистого сланца, отобранных из непосредственной кровли пласта 1в m5 шахты «Добропольская», которые показали их удовлетворительную сходимость с результатами исследований, проведенных на моделях (расхождение не превышает 20%).

Выводы и направления дальнейших исследований. Таким образом, в результате испытаний было установлено, что размещение в породах пространственной совокупности армирующих элементов позволяет изменять величину параметров, характеризующих структурно-механические и деформационные свойства массива, создавая препятствия разрушению, дает возможность управлять процессами деформирования и разрушения пород. Сформулирована новая научная концепция применения анкерных систем (АС), основанная на максимальном использовании несущей способности породного массива при минимальном количестве анкеров.

Список источников

1. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений./ Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. – Киев: Наукова думка, 1989. – 168 c.