ДонНТУ   Портал магистров

Чучко Виталий Геннадьевич

Горный факультет

Кафедра разработки полезных месторождений

Специальность «Разработка полезных месторождений»

Обоснование параметров комбинированного рамно-анкерного крепления для поддержания горных выработок: исследование влияния схем и параметров крепления выработок комбинированной рамно-анкерной крепью на их 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

На сегодняшний день число горных выработок, креплением которых является металлическая арочная податливая крепь, составляет около 90 %. На шахтах Украины состояние их таково, что 17,5 % из них требует ремонта, в связи с деформациями. Результатами произведенного анализа установлено, что основным источником неугодного состояния выработок является малая несущая способность рамной крепи, а также диспропорциональность технических характеристик крепи с горно–геологическими условиями, где она установлена.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Во всем многообразии существующих направлений, которые позволяют улучшить состояние крепи горных выработок, наиболее прогрессивным представляется усиление, в том числе за счет применения анкерования. В результате этого, проводимые научные эксперименты в этой сфере, представляют большую, научную ценность. Их целью является выяснение специфичности деформированного массива в выработках, закрепленных комбинированной крепью, для установления удовлетворительного рабочего состояния.

3. Обзор исследований и разработок

Количество разработок, в которых прорабатываются вопросы, связанные с характером взаимодействия различных конструкций крепи с массивом, достаточно велико. Среди них можно выделить следующих авторов 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, В.В. Виноградова, А. Югона, А. Коста и др. [5-9]

В результате многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, а также практикой ведения горных работ были выявлены существенные недостатки рамно–арочных крепей [3-7]: несоответствие податливости (300-500 мм) и несущей способности крепи (150-200 кН) условиям поддержания выработок с высоким горным давлением и неустойчивыми боковыми породами;крепь ие выдерживает давление боковых пород, так как по отношению к боковым нагрузкам имеет низкое сопротивление; крепь выдерживает большие нагрузки и максимальную податливость только в условиях, когда направление последней совпадает с направлением смещений пород; крепь не в состоянии сдерживать процессы расслоения и обрушения пород вокруг выработки; крепь обеспечивает только лишь защитную функцию свода выработки, не упрочняя его; крепление выработок весьма трудоемко, металлоемко и высокозатратно; крепь самостоятельно н обеспечивает удовлетворительного поддержания выработок и возникает необходимость применения дополнительных охранных сооружений.

Увеличение податливости крепи в сложных горно–геологических условиях не сняло вышеперечисленных недостатков, так как рамы из СВП обладают низкой несущей способностью. В результате разрушения породного массива увеличивается нагрузка на арочную крепь. При невысокой несущей способности крепи и достаточной податливости, разрушение пород не только не приостанавливается, но и усиливается.

Устойчивость штреков, поддерживаемых рамно-арочной крепью, при столбовой системе разработки и в условиях повышенного горного давления на больших глубинах, определяется формированием по длине выработки 5–ти основных зон напряженно–деформированного состояния породного массива, расположенных: вне зоны влияния очистных работ; в 60-70 м впереди лавы; в интервале 0-40 м позади лавы; в интервале 40-200 м позади лавы; свыше 200 м позади лавы.

В работе Л.Ф. Булата и В.В. Виноградова [4] подчеркивается, что повсеместно применяемая традиционная технология поддерживающего и подпорного крепления выработок рамно–арочной крепью давно исчерпала свои возможности. Этот вывод основан на исследованиях 60-90 гг., которые показали, что никакая экономически целесообразная жесткая рамная крепь в выработках, проведенных в слабых и средней прочности горных породах на больших глубинах, не может противодействовать горному давлению, поэтому бороться с образованием зоны разрушения путем увеличения несущей способности крепи нецелесообразно.

Стало очевидным, что для повышения устойчивости выработок в сложных горно-геологических условиях, когда подпорные типы крепи не справляются с поставленной задачей необходимо максимально использовать несущую способность самого породного массива. Поэтому в последующие годы делаются попытки применения комбинации рамной и анкерной крепи. Эти крепи существенно отличаются друг от друга по принципу работы и характеру воздействия на породный массив. Рамно–арочная крепь непосредственно не изменяет деформационные свойства горных пород, а выполняет функции поддерживающей крепи и при этом ограничивает деформации пород и препятствует их разрешению. Ликерная же крепь способна увеличивать прочностные свойства массива и повышать его несущую способность [12]. Упрочненная толща пород препятствует развитию деформаций массива вокруг выработки. Своевременное анкерование противостоит расслоению пород кровли, процесс разрушения заанкерованной толщи под действием повышенного первичного горного давления, что значительно улучшает условия работы рамной крепи.

С.Н. Стовпник [13] провел исследования на шахтах Западного Донбасса по использованию анкерной крепи в качестве усиления рамных конструкций. Он пришел к выводу, что можно усовершенствовать подход к проектирование выработок, выбирая параметры рамной крепи и обеспечивая несущую способность конструкции, соответствующую горному давлению в установившийся период сдвижения. Во время активных сдвижений необходимо предусмотреть возможность анкерного усиления приконтурной части массива для увеличения несущей способности системы крепь–массив до уровня нагрузок, действующих при повышенном горном давлении. При этом подчеркнуто, что анкерное усиление достаточно эффективно, если общая несущая способность анкеров, установленных на каждой раме, соответствует величине проявления горного давления в период интенсивных сдвижений и обеспечивает снижение фактической нагрузки на раму. Такой подход экономически себя оправдывает, однако возникают проблемы, связанные с качеством закрепления анкеров в условиях неустойчивых пород, в частности, нарушение сцепления в системе стержень анкер-смола-порода.

Процессы, происходящие в системе анкер-смола-порода, на данный момент недостаточно изучены, несмотря на то, что именно они определяют характер работы анкерной крепи. Надежное закрепление стержня анкера в шпуре обеспечивает возможность системы анкер–смола–порода противостоять разрушающим воздействиям податливо, не теряя своей несущей способности одномоментно, что является важным фактором для повышения устойчивости выработки в целом.

На основании проведенного анализа работ, в которых рассматривались вопросы об исследовании взаимодействия комбинированной крепи и массива, в результате чего были разработаны методики расчета их параметров, а также выделены 3 вида их взаимодействия:

1. первый вид работ учитывает наличие анкерной крепи, усиливающей раму, с коэффициентом уменьшения смещений, который вводится в формулы для расчета ожидаемых смещений контура выработки и зависят от плотности установки анкеров [2];
2. второй вид работ рассматривает единую грузонесущую конструкцию, состоящую из рамы и усиливающей раму крепи, как единую грузонесущую конструкцию, конструктивные параметры которой принимаются в зависимости от ожидаемых смещений контура незакрепленной выработки, горно-геологических и горнотехнических факторов, характеризующих условия ее заложения [3];
3. третий вид работ рассматривает рамную и усиливающую крепь как единую связную конструкцию, параметры которой рассчитываются теоретически с использованием метода сил [1].

Однако, все известные работы, рассмотренные для анализа, имеют череду недостатков. Это связано с тем, что они не имеют отчетливой границы между существующими конструкциями комбинированных крепей, основу которых составляют анкерные системы, отсутствуют сведения о механизм взаимодействиякомбинированной крепи и вмещающего массива во времени. Также распространение нагрузок, воспринимаемых отдельными составными элементами системы крепежная рама – оболочка из укрепленных пород, в существующих методиках расчета параметров комбинированных крепей не определено, что не дает возможности тщательно рассчитать их параметры.

В этой связи, целью настоящей работы является изучение влияния усиления рамной крепи анкерами на процесс формирования вокруг выработки зоны разрушенных пород (ЗРП).

4. Изложение материала

Проводимые исследования на структурных моделях, показывают влияние усиления рамной крепи анкерами на устойчивость выработки в зависимости от размера ЗРП, установившиеся к периоду установки анкеров. В структурных моделях, основу которых составляют деревянные блоки различных размеров (масштаб модели 1:50), моделировались различные размеры ЗРП, сформировавшиеся в окрестности выработки к моменту установки анкеров (размер ЗРП – от 1 до 6 м), глубина анкерования (длина анкера от 1 до 6 м). Имитировались также различные схемы установки анкеров (радиальная, крестообразная и двухстадийная).

Состояние моделей на момент окончания испытаний показаны на рис. 2. Всего было испытано 48 моделей

В зависимости от трансформации относительных смещений контура выработки при отработке модели, оценивалась результативность усиления анкерами рамной крепи. Зависимость смещений контура выработки от относительного размера ЗРП, сформировавшегося на момент установки анкеров представлена в виде графиков на рис. 2.

Произведенный анализ исследований доказывает снижение эффективности усиления рамной крепи анкерами с учетом того, что к моменту возведения анкеров, вокруг выработки образовалась ЗРП с размером, сопоставимым с глубиной анкерования.

Выводы и направления дальнейших исследований

Благодаря экспериментам, проведенным в лабораторных условиях, возможно выявить уровень влияния усиления рамной крепи жесткими анкерами в процессе формирования зоны разрушенных пород вокруг выработки и дать количественную, и качественную оценку данным взаимодействиям. Специфичности развития деформационных процессов во вмещающем выработку массиве, установленные ранее, будут применены для аргументации теоретической задачи и обоснования расчетной схемы по определению рациональных параметров комбинированных крепей.

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

Список источников

1. 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. Чарев. – Екатеринбург, 2004. – 18 с.
2. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. ВНИМИ, 1986 – 222 с.
3. СОУ 10.1.05411357.010:2008. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования. – 89 с.
4. Булат А.Ф. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт [Текст]/ А.Ф.  Булат, В.В. Виноградов. – Днепропетровск: Вільпо, 2002. – 371 с.
5. Широков А.П., Горбунов В.Ф. Повышение устойчивости горных пород./ А.П. Широков, В.Ф. Горбунов. – Новосибирск: Наука, 1983. – 167 с.
6. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. – М. : Недра, 1986. – 447 с.
7. Кошелев К.В. Повышение устойчивости капитальных горных выработок на больших глубинах [Текс] / К.В. Кошилев, В.Ф. Трумбачев. – М.: Недра, 1972. – 127 с.
8. 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.
9. Мельников Н.И. Анкерная крепь [Текст] / Н.И. Мельников. – М.: Недра, 1980. – 252 с. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. – Изд. 4-е, дополненное. Л., 1986. – 222 с.
10. Инструкция по применению и проектированию анкерно-металлической крепи конструкции КузНИИ шахтостроя (АМК) [Текс]. – Кемерово, 1982. – 66 с .
11. Круковский А.П. Обоснование параметров и условий применения анкерной крепи на угольных шахтах [Текст]: дис. канд. техн. наук / А. П. Круковский. – Днепропетпровск, 2005. – 175 с.
12. Стовпник С.Н. Анкерное усиление рамных крепей на шахтах западного Донбасса [Текст] / С.Н. Стовпник // Уголь Украины. – 2007. № 7 – 25 с.
13. 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.
14. Литвинский Г.Г. Кинетика хрупкого разрушения породного массива в окрестности горной выработки. / Г.Г. Литвинский. – ФЕПРПИ, 1974. – № 5. – С. 15 – 22
15. Евсеев В.С., Утрихин А.Н., Мурашев В.И. Определение предельной глубины применения анкерной крепи в подготовительных выработках // Уголь. – 1984 . – № 6. – С. 18–20.
16. Заславский Ю.З. Расчеты параметров крепи глубоких шахт [Текст] /Ю.З. Заславский, А.Н. Зорин, И.Л. Черняк. – К.: Техника, 1972. – 156 с.