ДонНТУ   Портал магістрів

Чучко Віталій Геннадійович

Гірничий факультет

Кафедра Розробки родовищ корисних копалин

Спеціальність Розробка родовищ корисних копалин

Обґрунтування параметрів комбінованого рамно-анкерного кріплення для підтримки гірничих виробок: дослідження впливу схем і параметрів кріплення виробок комбінованим рамно-анкерним кріпленням на їх стійкість

Науковий керівник: д.т.н., проф. Новіков Олександр Олегович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження.
• 3. Огляд досліджень, плановані результати.
• 4. Виклад матеріалу.
• 5. Висновки та напрямки подальших досліджень.
• Перелік посилань

1. Актуальність теми

На сьогоднішній день кількість гірничих виробок з металевим арочним кріпленням становить близько 90 %. На шахтах Україна стан їх такий, що 17,5 % з них потребує ремонту, у зв'язку з деформаціями. Результатами виробленого аналізу встановлено, що основним джерелом незадовільного стану виробок є мала несуча здатність рамного кріплення, а також диспропорціональність технічних характеристик кріплення з гірничо-геологічними умовами, де вона встановлена.

2. Мета і задачі дослідження.

В усьому різноманітті існуючих напрямків, які дозволяють поліпшити стан кріплення гірничих виробок, найбільш прогресивним є посилення, у тому числі за рахунок застосування анкерування. В результаті цього, проводяться наукові експерименти в цій сфері, які становлять велику, наукову цінність. Їх метою є з'ясування специфічності деформованого масиву у виробках, закріплених комбінованим кріпленням, для встановлення задовільного робочого стану.

3. Огляд досліджень, плановані результати.

Кількість розробок, в яких опрацьовуються питання, пов'язані з характером взаємодії різних конструкцій кріплення з масивом, досить велике. Серед них можна виділити наступних авторів А.П. Широкова, В.Т. Глушко, А.А. Борисова, Н.І. Мельникова, Л.М. Єрофеєва, А.Н. Зоріна, І.А. Ковалевской, Б.К. Чукуна, А.В. Ремезова, І.А. Юрченко, А.Н. Шашенко, В. В. Виноградова, А. Югона, А. Коста та ін. [5-9]

В результаті численних експериментальних і теоретичних досліджень, а також практикою ведення гірничих робіт були виявлені істотні недоліки рамно-арочного кріплення [3-7]: невідповідність податливості(300–500 мм) і несучої здатності кріплення (150–200 кН) умовам підтримки виробок з високим гірським тиском і нестійкими боковими породами; кріплення не витримує тиск бічних порід, так як по відношенню до бічних навантажень має низький опір; кріплення витримує великі навантаження і максимальну податливість тільки в умовах, коли напрям останньої збігається з напрямком зсувів порід; кріплення не в змозі стримувати процеси розшарування і обвалення порід навколо виробки; кріплення забезпечує тільки лише захисну функцію зводу вироблення, не зміцнюючи його; кріплення виробок вельми трудомістко, металоємності і високо витратною; кріплення самостійно н забезпечує задовільного підтримки виробок і виникає необхідність застосування додаткових охоронних споруд.

Збільшення податливості кріплення в складних гірничо-геологічних умовах не зняло перелічених недоліків, так як рами з СВП володіють низькою несучою здатністю. У результаті руйнування породного масиву збільшується навантаження на арочне кріплення. При невисокій несучої здатності кріплення та достатньої податливості, руйнування порід не тільки не припиняється, а й посилюється.

Стійкість штреків, підтримуваних рамно–арочної кріпленням, при стовпової системі розробки і в умовах підвищеного гірського тиску на великих глибинах, визначається формуванням по довжині виробки 5-ти основних зон напружено–деформованого стану породного масиву, розташованих: поза зоною впливу очисних робіт; в 60–70 м попереду лави; в інтервалі 0–40 м позаду лави; в інтервалі 40–200 м позаду лави; понад 200 м позаду лави.

У роботі Л. Ф. Булата та В. В. Виноградова [4] підкреслюється, що повсюдно застосовується традиційна технологія підтримує і підпірного кріплення виробок рамно–арочної кріпленням давно вичерпала свої можливості. Цей висновок ґрунтується на дослідженнях 60–90 рр., які показали, що ніяке економічно доцільне жорстке рамне кріплення у виробках, проведених в слабких і середньої міцності гірських породах на великих глибинах, не може протидіяти гірничого тиску, тому боротися з утворенням зони руйнування шляхом збільшення несучої здатності кріплення недоцільно.

Стало очевидним, що для підвищення стійкості виробок у складних гірничо-геологічних умовах, коли підпірні типи кріплення не справляються з поставленим завданням необхідно максимально використовувати несучу здатність самого породного масиву. Тому в наступні роки робляться спроби застосування комбінації рамної і анкерного кріплення. Ці кріплення істотно відрізняються один від одного за принципом роботи і характером впливу на породний масив. Рамно–арочне кріплення безпосередньо не змінює деформаційні властивості гірських порід, а виконує функції підтримуючої кріплення і при цьому обмежує деформації порід і перешкоджає їх вирішенню. Лікерне кріплення здатне збільшувати властивості масиву і підвищувати його несучу здатність [12]. Зміцнена товща порід перешкоджає розвитку деформацій масиву навколо виробки.Своєчасне анкерування протистоїть розшарування порід покрівлі, процес руйнування заанкерованной товщі під дією підвищеного первинного гірського тиску, що значно поліпшує умови роботи рамної кріплення.

С.Н. Стовпника [13] провів дослідження на шахтах Західного Донбасу з використання анкерного кріплення в якості посилення рамних конструкцій. Він прийшов до висновку, що можна вдосконалити підхід до проектування виробок, вибираючи параметри рамної кріпи і забезпечуючи несучу здатність конструкції, відповідну гірничого тиску в сталий період зрушення. Під час активних зрушень необхідно передбачити можливість анкерного посилення при контурної частини масиву для збільшення несучої здатності системи кріплення–масив до рівня навантажень, що діють при підвищеному гірському тиску. При цьому підкреслено, що анкерне посилення досить ефективно, якщо загальна несуча здатність анкерів, встановлених на кожній рамі, відповідає величині прояви гірничого тиску в період інтенсивних зрушень і забезпечує зниження фактичної навантаження на раму. Такий підхід економічно себе виправдовує, однак виникають проблеми, пов'язані з якістю закріплення анкерів в умовах нестійких порід, зокрема, порушення зчеплення в системі анкер–смола–порода.

Процеси, що відбуваються в системі анкер–смола–порода, на даний момент недостатньо вивчені, незважаючи на те, що саме вони визначають характер роботи анкерного кріплення. Надійне закріплення стержня анкера в шпурі забезпечує можливість системи анкер-смола-порода протистояти руйнівним діям податливо, не втрачаючи своєї несучої здатності одномоментно, що є важливим фактором для підвищення стійкості виробки в цілому.

На підставі проведеного аналізу робіт, в яких розглядалися питання про дослідження взаємодії комбінованої кріпи і масиву, в результаті чого були розроблені методики розрахунку їх параметрів, а також виділені 3 види їх взаємодії:

1. Перший вид робіт враховує наявність анкерного кріплення, що підсилює раму, з коефіцієнтом зменшення зсувів, який вводиться в формули для розрахунку очікуваних зміщень контуру виробки і залежать від щільності установки анкерів [2];
2. Другий вид робіт розглядає єдину вантажонесучу конструкцію, що складається з рами і підсилює раму кріплення, як єдину вантажонесучу конструкцію, конструктивні параметри якої приймаються в залежності від очікуваних зміщень контуру незакріпленої вироблення, гірничо–геологічних і гірничотехнічних факторів, що характеризують умови її закладення [3];
3. Третій вид робіт розглядає рамну і посилює кріплення як єдину зв'язну конструкцію, параметри якої розраховуються теоретично з використанням методу сил [1].

Однак, всі відомі роботи, розглянуті для аналізу, мають низку недоліків. Це пов'язано з тим, що вони не мають виразної межі між існуючими конструкціями комбінованих кріплень, основу яких складають анкерні системи, відсутні відомості про механізм взаємодії комбінованої кріплення і вміщує масиву у часі. Також поширення навантажень, що сприймаються окремими складовими елементами системи кріпильна рама – оболонка з укріплених порід, в існуючих методиках розрахунку параметрів комбінованих кріплень не визначено, що не дає можливості ретельно розрахувати їх параметри.

У зв'язку з цим, метою цієї роботи є вивчення впливу посилення рамної кріпи анкерами на процес формування навколо виробки зони зруйнованих порід (ЗРП).

4. Виклад матеріалу.

Проведені дослідження на структурних моделях, показують вплив посилення рамної кріпи анкерами на стійкість виробки в залежності від розміру ЗРП, що встановилися на період установки анкерів. У структурних моделях, основу яких складають дерев'яні блоки різних розмірів (масштаб моделі 1:50), моделювалися різні розміри ЗРП, що сформувалися в околиці вироблення до моменту установки анкерів (розмір ЗРП – від 1 до 6 м), глибина анкерування (довжина анкера від 1 до 6 м). Імітувалися також різні схеми установки анкерів (радіальна, хрестоподібна і двостадійна).

Стан моделей на момент закінчення випробувань показані на рис. 2. Всього було випробувано 48 моделей

В залежності від трансформації відносних зсувів контуру виробки при відпрацюванні моделі, оцінювалася результативність посилення анкерами рамної кріплення. Залежність зміщень контуру виробки від відносного розміру ЗРП, який сформувався на момент установки анкерів представлена у вигляді графіків на рис. 3.

Зроблений аналіз досліджень доводить зниження ефективності посилення рамної кріпи анкерами з урахуванням того, що до моменту зведення анкерів, навколо вироблення утворилася ЗРП з розміром, порівнянним з глибиною анкерування.

Висновки та напрямки подальших досліджень.

Завдяки експериментам, проведеним в лабораторних умовах, можливо виявити рівень впливу посилення рамної кріпи жорсткими анкерами в процесі формування зони зруйнованих порід навколо виробки і дати кількісну, і якісну оцінку даним взаємодій. Специфічності розвитку деформаційних процесів у вміщає вироблення масиві, встановлені раніше, будуть застосовані для аргументації теоретичної задачі та обгрунтування розрахункової схеми з визначення раціональних параметрів комбінованих кріплень.

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

Перелік посилань

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.