Выбор параметров рамно-анкерной крепи на основе исследования закономерностей изменения внутренних усилий

Актуальность работы.

Повышение эффективности крепления и поддержания горных выработок, пройденных в слабых вмещающих породах, является одной из важнейших задач при строительстве шахт и подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Одним из возможных способов повышения несущей способности металлической крепи является применение рамно-анкерных крепей с механической связью между рамой и анкерами. Существующие конструкции крепей и методики их конструирования не в полной мере учитывают потенциальные возможности, заложенные в рамно-анкерных крепях. Отсутствует обоснование рациональных мест расположения анкеров, величины несущей способности анкерных узлов с учетом взаимодействия рамы крепи и анкеров. Все это говорит о том, что задача выбора рациональных параметров рамно-анкерной крепи с учетом закономерностей изменения внутренних усилий является актуальной.

Целью работы является обоснование параметров рамно–анкерной крепи, обеспечивающих ее максимальную несущую способность.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей перераспределения внутренних усилий в рамных крепях, усиленных анкерами, для выбора рациональных параметров рамно-анкерных крепей.

Объектом исследования являются рамно–анкерные крепи горизонтальных и наклонных выработок.

Предметом исследования является расчет параметров рамно–анкерных крепей.

Задачи исследования.

1. Обоснование математической модели расчета рамно–анкерных крепей арочных конфигураций.
2. Установление основных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния рамы крепи в зависимости от вида прилагаемой нагрузки, количества анкерных связей, мест их расположения и величины реакции в соединительном узле.
3. Разработка методики расчета параметров рамно–анкерной крепи, обеспечивающих ее максимальную несущую способность в заданных горно-геологических условиях.

Методы исследования.

В работе использован комплексный метод, состоящий из обобщения литературных источников и их анализа, математического моделирования, аналитического исследования напряженно–деформированного состояния рамной крепи, усиленной анкерами, выполненного с применением методов строительной механики.

Научные положения, представляемые к защите.

1. При расчете рамно–анкерных крепей арочной конфигурации для обеспечения максимального повышения несущей способности рамы крепи рекомендуется последовательный порядок приложения анкерных связей в точках возникающих экстремумов моментов, изгибающих крепь внутрь выработки, гарантирующий оптимальную схему расположения связей.
2. Для рамно–анкерных крепей установлен предел количества анкерных связей, зависящий от геометрических размеров крепи и вида внешней нагрузки, при превышении которого не происходит значимого повышения несущей способности крепи.
3. Оптимальная величина несущей способности анкерной связи рамно–анкерной крепи, обеспечивающая максимальную несущую способность крепи, в породах III категории устойчивости по СНиП меньше максимально возможной расчетной реакции, определяемой для анкерного узла как для жесткой связи.

Научная новизна работы:

1. Доказано, что при заданном количестве анкеров существует единственная оптимальная схема их расположения, которая обеспечивает максимальную несущую способность комбинированной крепи.
2. Обосновано предельное количество анкерных связей, превышение которого не дает значимого повышения несущей способности рамно-анкерной крепи.
3. Определена оптимальная величина несущей способности анкерного узла, зависящая от геометрических размеров крепи, вида внешней нагрузки и количества связей.
4. Разработана методика расчета рамно–анкерных крепей арочных конфигураций, учитывающая вид внешней нагрузки, количество анкерных соединительных узлов, места их расположения и несущую способность. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением фундаментальных законов строительной механики, сходимостью аналитических результатов с результатами ранее проведенных опытно-промышленных исследований кафедры шахтного строительства Уральского государственного горного университета (УГГУ).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения величины внутренних усилий, возникающих в рамно-анкерных крепях в зависимости от количества, места расположения и несущей способности анкерных узлов.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчета параметров рамно-анкерных крепей.

Личный вклад автора заключается в установлении закономерностей перераспределения изгибающих моментов при усилении рамной крепи анкерами, разработке методики расчета рамно–анкерных крепей, установлении рационального количества анкерных связей, необходимых для усиления крепи, разработке программного обеспечения для расчета рамно-анкерных крепей.

Реализация работы. Разработанная программа расчета RAK-REP и методика определения рациональных параметров рамно-анкерной крепи внедрены в ОАО «Уралгипроруда» для проектирования крепей горизонтальных выработок, проходимых в слабых неустойчивых породах, а также используется на кафедре шахтного строительства УГГУ при выполнении студентами курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (Мельниковские чтения) (Екатеринбург, 1998 г.); IV Республиканской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в горном деле» (Екатеринбург, 1999 г.); Международной конференции «Геомеханика в горном деле – 2000» (Екатеринбург, 2000 г.); V Республиканской научно-технической конференции «Информационные технологии в горном деле» (Екатеринбург, 2000 г.); Региональной конференции «Проблемы и перспективы подземного строительства на Урале в XXI веке» (Екатеринбург, 2001 г.); Международной научной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (Тула, 2003 г.); Молодежной научно-практической конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2003 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 9 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Она содержит 161 страницу машинописного текста, 61 рисунок и 26 таблиц.