Назад в библиотеку

Напряженное состояние массива пород вокруг вертикального ствола, закрепленного анкерной крепью замкового типа Барковский, Андрей Владимирович

Барковский, Андрей Владимирович. Напряженное состояние массива пород вокруг вертикального ствола, закрепленного анкерной крепью замкового типа : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.20 / Барковский Андрей Владимирович; [Место защиты: Тул. гос. ун-т].- Тула, 2010.- 148 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/1628

Введение к работе

Актуальность работы. Анкерная крепь в настоящее время широко применяется при строительстве подземных сооружений и является одним из наиболее эффективных способов поддержания горных выработок. Эффективность применения анкерной крепи в подземном строительстве объясняется тем, что она непосредственно устанавливается у забоя и обеспечивает безопасность работ.

При использовании анкеров в строительстве в 1,5 – 2,0 раза возрастают темпы проведения горных выработок, в 6 – 10 раз – производительность труда, в 5 – 10 раз снижаются затраты материальных и трудовых ресурсов на крепление выработок, так как уменьшается доля тяжелого ручного труда в процессе возведения крепи.

Параметры анкерной крепи (длина анкеров и расстояния между ними) определяются либо по эмпирическим формулам, либо в соответствии с рекомендациями, устанавливающими параметры анкеров для различных отраслей шахтного и подземного строительства.

В Тульском государственном университете разработаны методы расчета анкерной крепи, то есть методы расчета напряжений в анкерных стержнях, что позволяет оценить и обеспечить их прочность при различных воздействиях на массив горных пород с выработкой, закрепленной анкерной крепью, а также методы расчета напряженно-деформированного состояния массива пород для горизонтальных и вертикальных выработок, закрепленных анкерами контактного типа в гравитационном поле начальных напряжений.

Вместе с тем до настоящего времени недостаточно изучено влияние анкеров на напряженное состояние самого массива в окрестности горной выработки, закрепленной анкерной крепью замкового типа.

Таким образом, разработка методов расчета компонентов напряженно-деформированного состояния пород в окрестности горной выработки (вертикального шахтного ствола), закрепленной анкерной крепью, основанных на современных разработках механики подземных сооружений о совместной работе анкерной крепи с массивом пород, является актуальной научной задачей.

Работа выполнена при поддержке гранта Совета программы государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-1013.2003.5; в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт №02.740.11.0319).

Цель диссертационной работы заключается в решении задачи механики подземных сооружений о напряженном состоянии массива горных пород вокруг вертикальной горной выработки, закрепленной анкерной крепью замкового типа, что позволит выработать концепцию устойчивости пород, армированных анкерами.

Идея работы заключается в математическом моделировании взаимодействия анкерной крепи с окружающим выработку массивом пород на основе аналитического решения задачи теории упругости о напряженном состоянии весомой линейно деформируемой среды вокруг круглого отверстия под действием системы сосредоточенных сил, моделирующих реакции анкеров в точках их закрепления (замках).

Методы исследований. Работа является теоретической и включает в себя решение плоской контактной задачи теории упругости с использованием метода Колосова–Мусхелишвили и теории аналитических функций комплексного переменного, а также разработку компьютерного программного обеспечения.

Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

1. Разработана математическая модель взаимодействия системы анкеров замкового типа с массивом пород, окружающим вертикальную выработку, пройденную в гравитационном поле начальных напряжений на основе полученного аналитического решения задачи теории упругости о напряженном состоянии упругой среды, ослабленной круговым отверстием при воздействии пар радиально направленных сосредоточенных сил.

2. На базе аналитического решения указанной выше задачи теории упругости разработаны метод и алгоритм расчета компонентов напряжений в массиве пород вокруг вертикальной выработки, закрепленной анкерами замкового типа, в поле начальных напряжений, вызванном собственным весом пород.

3. Установлены зависимости распределения нормальных радиальных и нормальных тангенциальных напряжений в массиве пород вокруг вертикальной выработки, закреплённой анкерами, от длины, диаметра и начального натяжения анкерных стержней, плотности их установки в выработку, деформационных и прочностных характеристик материала анкера и массива пород.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается точным удовлетворением граничных условий аналитических решений задач теории упругости, которые положены в основу разработанного метода расчета напряженного состояния массива пород вокруг вертикальной выработки круглого поперечного сечения, закрепленной анкерной крепью замкового типа.

Научное значение работы заключается в разработке метода расчета компонентов напряжений в массиве пород вокруг вертикальной выработки круглого поперечного сечения, армированном системой анкерных стержней замкового типа.

Практическое значение работы заключается в разработке пакета прикладных компьютерных программ на языке «Фортран» для IBM–совместимых компьютеров, реализующих расчет полей напряжений в массиве пород, окружающих ствол. Программный комплекс позволяет произвести многовариантные расчеты, которые могут быть использованы при оценке устойчивости пород и выборе параметров анкерной крепи.

Реализация результатов работы. Основные теоретические положения и научные выводы опубликованы в 12 изданных работах, используются в учебном процессе в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» в дисциплинах «Механика подземных сооружений», «Геомеханика», «Конструкции и расчет крепи», а также получили реализацию при выполнении хоздоговорных и госбюджетных работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2003, 2004, 2006, 2007, 2009 гг.), на Всероссийских конференциях студентов и молодых ученых (г. Тула, 2002, 2004 гг.), на Международной конференции посвященной 50-летию кафедры «Строительство подземных сооружений» (г. Тула, 2004 г.), на 2-й Международной конференции посвященной проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 научных статьях, пять из которых – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований. Работа представлена на 148 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков и 4 таблицы.

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Н.Н. Фотиевой, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» за научные консультации при выполнении работы.