Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров анкерной крепи протяженных горных выработок на основе учета срезающих усилий в анкерах

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров анкерной крепи протяженных горных выработок на основе учета срезающих усилий в анкерах"

004615672 На правах рукописи

Верещагин Виталий Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ ПРОТЯЖЕННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ УЧЕТА СРЕЗАЮЩИХ УСИЛИЙ В АНКЕРАХ

Специальность

25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

~2Ш 2010

Новочеркасск - 2010

004615672

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Плешко Михаил Степанович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Булычев Николай Спнридонович

кандидат технических наук, доцент Турук Юрий Владимирович

Ведущая организация - ОАО «Гипрошахт», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 14 декабря 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ(НПИ), аудитория 107, тел./факс: (863-52) 2-84-63, email: ngtu@novoch.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132).

Автореферат разослан « /2 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

^—Колесниченко Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных решений по обеспечению устойчивости горных выработок является применение анкерной крепи, которая по сравнению с другими конструкциями имеет следующие преимущества: повышение безопасности ведения проходки за счет лучшего сопротивления воздействию взрывных работ; возможность полной механизации процесса крепления; меньший расход крепежных материалов и снижение затрат на их доставку; возможность уменьшения проходческого сечения горной выработки на 18 - 25% и ее аэродинамического сопротивления.

В настоящее время на угольных шахтах Донбасса и других горнодобывающих предприятиях страны в протяжённых выработках широко применяется анкерная сталеполимерная крепь. Несмотря на соответствие параметров и конструкций крепи нормативным требованиям, наблюдается большое число случаев расслоения и обрушения кровли выработок. Это влечет за собой необходимость остановки эксплуатации выработок и проведения дорогостоящего ремонта.

Разрушение установленных в кровли выработок анкеров, в том числе выполненных без резьбы (А20В, АКС), то есть обладающих равной прочностью стержня по всей его длине, и закрепляемых в скважинах на участке протяжённостью 1,0 - 1,2 м, происходят в их устьях. При использовании в качестве опорного элемента анкерной крепи металлических полосовых подхватов частота разрушений крайних в рядах анкеров (60 %) существенно выше, чем установленных посередине пролёта выработки (15 %). Данные факты противоречат аналитическим исследованиям, согласно которым максимум напряжений в поперечном сечении анкера отмечается на расстоянии одной трети длины скважины от её устья, при этом наибольшие усилия в ряду воспринимает центральный анкер, и позволяют полагать, что разрушение анкеров происходит под действием не только растягивающих, но и срезающих усилий.

Однако известные теоретические исследования влияния анкерной крепи на напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработки выполнены без учёта срезающих усилий в анкерах. При проведении шахтных исследований комплексных измерений срезающих усилий в анкерах также не проводилось. Отсутствие фактических данных в этой области привело на практике к однобокому и неэффективному подходу в решении задач обеспечения устойчивости выработок, предусматривающему увеличение сопротивления анкерной крепи только растягивающей нагрузке. Кроме того, сдерживается распространение перспективной композиционной анкерной крепи, стержни которой обладают невысокой прочностью на срез (в нормативно-методических положениях отсутствуют требования к прочности анкеров на срез).

В этой связи дальнейшее совершенствование методов расчета анкерной крепи, конструкций и схем ее установки, с учетом возникающих в анкерах срезающих усилий, является актуальной научной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт 14.740.11.0427), а также госбюджетной темы кафедры подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов П53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».

Целью работы является обоснование параметров анкерной крепи протяженных горных выработок на основе учета срезающих усилий в анкерах, обеспечивающих повышение безопасности работ и увеличение сроков безремонтной эксплуатации выработок.

Идея работы: повышение эффективности анкерного крепления достигается применением схем ее установки, которые учитывают влияние срезающих усилий в анкерах на процесс взаимодействия анкерной крепи и пород кровель протяжённых горных выработок и формируют в породах поле сниженных нормальных тангенциальных напряжений.

Методы исследования. В работе использован, комплексный метод исследования, включающий системный анализ и научное обобщение опыта крепления анкерами горных выработок, аналитическое решение задач теории упругости и механики подземных сооружений, производственное экспериментирование, математическую статистику, компьютерное моделирование.

Защищаемые научные положения:

1. Максимальные срезающие усилия, превышающие средние в ряду на 32-48 %, возникают в крайних в ряду анкерах кровли протяженных выработок, при этом с увеличением длины заделки стрежня анкера их величина нелинейно возрастает, пик усилий смещается к контуру кровли, что обуславливает уменьшение растягивающей нагрузки на анкерную крепь.

2. Место расположения анкера в ряду, конструкция и параметры анкерной крепи кровли выработки не оказывают существенного влияния на качественный характер распределения срезающих усилий по длине анкера, а максимальное уменьшение количественных значений срезающих усилий, в большей степени в крайних в ряду анкерах, достигается при увеличении плотности анкерования.

3. Установка анкеров с закреплением по всей длине скважин по схеме «крайние в рядах - с отклонением на угол 15° от нормали к кровле в сторону массива, средние - по нормали к кровле выработки» обеспечивает наиболее

благоприятное с позиции повышения устойчивости выработки воздействие на приконтурный массив, формируя в нём поле повышенных нормальных радиальных напряжений и существенно сниженных нормальных тангенциальных напряжений.

Научная новизна:

- выявлен характер распределения по длине скважины и особенности взаимного влияния срезающих и растягивающих усилий в анкерах в зависимости от места их расположения в поперечном сечении выработки и варианта заделки стержня;

- установлены зависимости изменения срезающих усилий в анкерах от технологических факторов (конструкции анкера, его длины и диаметра, плотности анкерования кровли);

- получены аналитические выражения для определения напряженного состояния породного массива в окрестности закреплённой анкерами протяженной выработки произвольного поперечного сечения, учитывающие возникающие в анкерах срезающие усилия. На их основе обоснованы оптимальные схемы установки анкерной крепи кровли выработок, которые обеспечивают снижение нормальных тангенциальных напряжений в массиве и исключают возможность образования локальных зон концентраций напряжений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистически значимым объемом шахтных исследований, проведенных на 24 опытных участках, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований с использованием апробированных методик и фундаментальных положений механики сплошной среды, механики подземных сооружений, теории вероятности, математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов, полученных аналитическими методами и в результате шахтных экспериментов (расхождения не превышают 18%), высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (0,71 - 0,99), проектными проработками, внедрением.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования срезающих усилий в анкерах и уточнении на их основе картины напряжённого состояния массива в окрестности закрепленной анкерами протяженной горной выработки.

Практическое значение работы состоит в следующем:

- разработана методика расчёта анкерной крепи кровель выработок, проводимых в условиях небольшого горного давления, позволяющая в зависимости от прогнозируемых смещений пород в диапазоне 5-50 мм определять её оптимальные параметры (тип, несущая способность, длина анкеров, вариант закрепления в скважинах, схема расположения в поперечном сечении, плотность анкерования);

- сформулированы научно обоснованные требования к прочности анкеров на срез в зависимости от смещений заанкерованной кровли выработки с

учётом варианта закрепления стержней в скважинах и мест их расположения в рядах;

- предложены новые технико-технологические решения по повышению надёжности и технической эффективности анкерной крепи, учитывающие фактический характер распределения срезающих и растягивающих усилий по длине анкеров.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы шахтой «им. М. Чиха» при разработке паспортов крепления подготовительных штреков, Шахтинским институтом ЮРГТУ (НПИ) в учебном процессе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (МГГУ, 2008 - 2010 гг.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2008 г.); «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (Восточно-Украинский национальный университет им. Даля, 2009 г.); «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ (НПИ), 2009 г.); 56-59 научно-практические конференции Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 2007 - 2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 78 наименований и 2 приложений. Содержит 167 страниц машинописного текста, 69 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Научному обоснованию взаимодействия системы «анкерная крепь - массив», разработке методов расчета анкерных и комбинированных крепей посвящены труды И.В. Баклашова, A.A. Борисова, Н.С. Булычева, Д.М. Голицинского, Ж.С. Ержанова, Р.Ю. Завьялова, Ю.З. Заславского, Б.А. Картозия, Д.И. Колина, A.M. Козела, Г.И. Кравченко, В.А. Лидера, Н.И. Мельникова, A.A. Привалова, Б.Г. Писклякова, A.C. Саммаль, М.Н. Степаняна, О.В. Тимофеева, H.H. Фотиевой, А.П. Широкова, И. А. Юрченко и др.

На основании анализа работ этих ученых можно выделить три основных гипотезы взаимодействия анкеров с массивом пород.

Согласно наиболее ранней гипотезе штанги прикрепляют (подвешивают) находящуюся в зоне возможного обрушения породу к более прочной и устойчивой в глубине приконтурного массива породе. Данная схема достаточно проста и наглядна, но не в полной мере отражает действительный характер работы анкерной крепи.

По другой гипотезе, из зшфепленных штангами пород формируется несущая конструкция (балка, арка, свод, кольцо и др.), способная воспринимать нагрузку (схема сшивки пород). Эта схема вполне отражает действительный характер работы анкерной крепи, но не позволяет определить фактические усилия в анкерах (за исключением усилий предварительного натяжения). Сами анкеры условно выпадают из рассмотрения, целиком уходя в запас надежности. Расчет по данной гипотезе приводит к завышению стоимости и металлоемкости крепи.

Наибольший научный интерес представляет гипотеза, рассматривающая влияние анкеров на напряженно-деформированное состояние породного массива вблизи выработки. Этот метод базируется на основополагающих принципах современной механики подземных сооружений и изложен в работах Н.С. Булычева, Ж.С. Ержанова, Р.Ю. Завьялова, Д.И. Колина, Г.И. Кравченко, A.C. Саммаль, М.Н. Степаняна, H.H. Фотиевой, И.А. Юрченко и др. В рамках данной гипотезы разработаны основы проектирования анкерной крепи замкового и контактного типа, методы оценки устойчивости заанкерованных пород.

В то же время известные методы содержат ряд допущений. В частности полученные решения даются без учета срезающих усилий в анкерных стрежнях, которые наблюдаются на практике и оказывают значительное влияние на состояние рассматриваемой системы, отсутствуют аналитические решения для ряда поперечных сечений выработок.

Комплексные шахтные исследования по анализу распределения срезающих усилий в анкерах также не проводились. Отсутствие фактических данных в этой области не позволяет произвести корректировки соответствующих аналитических решений, и усовершенствовать методы расчета анкерной крепи. На основании этого, и сформулированной цели диссертационного исследования, в работе необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести шахтные исследования работы анкерной крепи горных выработок с различными конструкцией и параметрами, направленные на уточнение фактической картины распределения усилий в анкерах.

2. Выполнить аналитический анализ взаимодействия системы «анкерная крепь - массив», с учетом влияния срезающих усилий в анкерах.

3. Установить основные закономерности влияния параметров анкерной крепи на распределение напряжений в заанкерованном массиве в окрестности горной выработки.

4. Усовершенствовать методику определения параметров анкерной крепи, обосновать технико-технологические решения по повышению эффективности анкерного крепления.

С целью определения фактических показателей взаимодействия анкерной крепи и пород кровель горных выработок выполнены шахтные исследования в конвейерных штреках №№ 111, 113, 207 и 209 шахты «им. М. Чиха» в период их проходки на 24 опытных участках в соответствии с методическими указаниями головных НИИ отрасли. При проведении исследований определялись смещения кровель с помощью глубинных и контурных репе-

ров; анализировалось развитие зон расслоений в толще приконтурных пород кровли выработки с помощью глубинных реперов, а также методами технической эндоскопии; определялась фактическая несущая способность анкеров с помощью гидравлического штанговыдёргивателя; производились измерения растягивающих и срезающих усилий в анкерах портативным двадцати канальным прибором, считывающим показания с тензорезисторных датчиков, закрепленных по длине стержней.

Анализ растягивающих и срезающих усилий по длине установленного в кровлю выработки анкера с конкретной деформационно-силовой характеристикой выполнен при варьировании следующих технологических факторов: длины участка скважины от устья до заделки анкерного стержня, /„,; длины анкера, плотности установки анкеров, Па; типа анкера и опорного элемента; соотношения диаметров скважины, с/Сы> и анкерного стержня, с1л.

Обработка полученных данных показывает, что характер распределения усилий по длине анкера не зависит от места его расположения в поперечном сечении выработки. Растягивающие усилия имеют наибольшую постоянную величину на участке «устье скважины - заделка анкерного стержня», а далее, в глубь массива, убывают по экспоненциальному закону. Срезающие усилия в анкере на участке от контура кровли до заделки практически отсутствуют (при использовании в качестве опорного элемента анкерной крепи плиток). От начала заделки в направлении к забою скважины на участке длиной 0,2-0,3 м срезающие усилия в анкере возрастают по полиноминальному или линейному закону, а далее - убывают по экспоненциальному закону. Максимум срезающих усилий смещён на 0,2 - 0,3 м от начала заделки анкера в направлении к забою скважины (рис. 1). Во всех случаях максимальное срезающее усилие, превышающее среднее в ряду на 32 - 48 %, наблюдается в крайних анкерах.

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Т, кН

30

20 10

4 ♦ * 1 1 б

-.......У X ] 1 ! х.____________1................1............!..............

Ч. /+ \2 1 1 !

1 * / я ! / ; 1/9 * X * ?

1...... 1 у~л •

^Г ! 1 р^-Ч « 1 ( т * -,-,-(---

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Расстояние от устья скважины, м

1,6

Рис. 1. Распределение растягивающих F (а) и срезающих Т (б) усилий в сталеполимерном анкере:

1 - при У„3 = 0,0 м; 2 - при /нз = 0,4 м; 3 - при /ю = 0,7 м

Установлено, что величина максимальных срезающих усилий в анкере нелинейно возрастает при увеличении длины его заделки, при этом пик усилий смещается к контуру кровли, что обуславливает уменьшение растягивающей нагрузки на анкерную крепь.

Это свидетельствует о целесообразности закрепления анкеров, особенно располагаемых крайними в рядах, по всей длине скважины. Вместе с тем, этот вариант закрепления анкера в скважине приводит к возникновению наибольших срезающих усилий, что должно быть учтено при обосновании параметров крепи.

На основании обработки данных получены зависимости для определения усилий в анкерах по их длине при различных вариантах закрепления стержня. Для анкеров, крайних в ряду, эти зависимости приведены в табл. 1.

Таблица 1

Эмпирические формулы для определения усилий в анкерах в зависимости от коорди-

Наблюдаемые апкеры Ап-М г, м Эмпирические формулы Я2

0,0 0,0-1,6 0,9793

0,2-1,6 7]5(г) = 1,39-7] >5(0,2)-е~1,6601'* 0,8952

0,4 0,4-1,6 = 2,90-^1 5(0,0) ■ е"2'662+г 0,9695

0,6-1,6 = 3,55- 71,5(0,6) .е'2-1099- 0,8693

0,7 0,7-1,6 5 (г) = 2162 ■ 5 (0,0) • е-4'0504- 0,7935

1,0-1,6 Тх, 5(2) = 14,90 ■ \ 5 (1,0) • е~2'7045- 0,9010

По результатам исследований сформулировано первое научное положение.

Место расположения анкера в ряду, а также параметры анкерной крепи кровли выработки (диформационно-силовая характеристика анкера, его длина, отношение диаметров стержня и скважины, плотность анкерования пород) не оказывают существенного влияния на характер распределения усилий по длине анкера, но влияют на величину максимальных усилий.

Наибольшее влияние в общем комплексе факторов оказывает изменение плотности анкерования кровли, увеличение которой приводит к снижению срезающих усилий в анкерах по линейному закону (рис. 2).

1-, Г

■

^jt

0,30 0.85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 Плотность установки анкеров в кровлю выработки ГЦ, анк. hi?

Рис. 3. Графики зависимостей срезающих усилий в анкерах от плотности их установки в кровлю выработки (/„=2,0 м, /„.у=0,4 м): 1,5- крайние в ряду анкеры соответственно с нижней или с верхней стороны выработки; 2,4- вторые в раду анкеры, считая соответственно от нижнего или верхнего бока выработки; 3 - средний в ряду анкер

Максимальный эффект в уменьшении срезающих усилий с ростом плотности анкерования кровли отмечается в крайних анкерах. Это позволяет сделать вывод, что при высокой плотности анкерования кровли значимость сопротивления анкерной крепи срезающим усилиям, наибольший вклад в которое вносят крайние анкеры, снижается.

Очевидно, верно и обратное утверждение, - снижение плотности анкерования кровли обусловливает необходимость устанавливать крайние анкеры, способные максимально противодействовать срезающим усилиям.

На трех опытных участках штрека № 207 шахты «им. М. Чиха» исследовано влияние типа анкера и опорного элемента анкерной крепи на распределение усилий в анкерном стержне (рис. 4). В кровлю выработки устанавливались сталеполимерные анкеры ACPI в сочетании с металлическими плитка-

ми размером 150x150x8 мм и металлическими полосовыми подхватами размером 4200x150x5 мм, а также полимерные композиционные анкеры АПК с полимерными плитками в виде усечённого конуса.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Расстояние от устья скважины z, м

Рис. 4. Распределение растягивающих F (а) и срезающих Т (б) усилий в установлением крайним в ряду анкере:

1 - ACPI в сочетании с металлическим полосовым подхватом;

2 - ACPI в сочетании с металлической опорной плиткой;

3 - АПК с сочетании с полимерной опорной плиткой

Статистический анализ результатов наблюдений показал, что характер распределения растягивающих и срезающих усилий в закреплённом химическим составом анкере не зависит от его типа.

В период наибольшей нагрузки на анкерную крепь низкомодульный композиционный анкер АПК воспринимает большие растягивающие усилия, чем жёсткий стапеполимерный анкер ACPI. Этот факт даёт основание предположить, что ввиду отсутствия существенного противодействия анкеров срезающим усилиям при рассматриваемом варианте их закрепления в скважинах Ою = 0,7 м) низкомодульные анкеры менее эффективно ограничивают смещения кровли выработки и этим обусловливают дополнительную нагрузку на крепь.

Применение металлических полосовых подхватов в качестве опорного элемента анкерной крепи приводит к возникновению на контуре кровли срезающих усилий в анкере с неполной заделкой. Таким образом, использование подхватов позволяет объединить анкеры в единую систему и этим повысить техническую эффективность анкерной крепи, в частности снизить растяги-

вающие усилия в стержнях на 11 % по сравнению с использованием плоских плиток.

Полученные результаты легли в основу второго научного положения.

Для решения следующей основной задачи исследования выполнен аналитический анализ взаимодействия системы «анкерная крепь - массив».

Выражения для компонентов напряжений в массиве, армированном анкерами, вокруг выработки можно представить в следующем виде:

а^сг^+а»'+<?'*>;

= (1)

~ Тгв + Т1в + Т\в ■>

где о-,, тге - полные напряжения; сг'°', , тЩ' — начальные напряжения в массиве; а-"', , г'У - дополнительные напряжения, вызванные образованием выработки; с'11, о-'1', г'," - суммарные напряжения от действия сосредоточенных сил, вызванных анкерами.

Для определения величин а-'", а1", г'" необходимо решить задачу теории упругости о действии сосредоточенной силы в упругой плоскости, ослабленной отверстием произвольной формы. В произвольной точке z0 неограниченной плоскости, имеющей координаты под углом 0, к действительной оси приложим сосредоточенную силу Q. Когда ее направление не совпадает с нормалью к контуру выработки, в анкерах возникают срезающие усилия.

Компоненты тензора напряжений (1) в произвольной точке z массива выражаются через комплексные потенциалы известными формулами Коло-сова-Му схе лишвили :

а) .

а +<7д =4Re al1' -ег'11 +2/V11--2i

2

/

rV(<f)

где

2л{% + \)

м

да, = Х+1У; д(Т-'=Х-гУ;

X, У - проекции силы 0 на действительную и мнимую оси соответственно;

г\ '1

В результате преобразований получены выражения для определения гомоморфных функций <рп(£) и уг0(ф вида

Та ^ .

здесь

Ьо у-о Ьо 1=0 >0 Ьо

= 4<?о ¿¿Г - с0 ¿та " £с, Ёт5пт - %

;=о Ьс /=о ,н> 9о <=о ;=о Ьо

1

Г - коэффициенты разложения в ряд Тейлора функции .

<у (а)

На основе разработанного алгоритма выполнен ряд вычислительных экспериментов по определению основных закономерностей влияния параметров анкерной крепи на распределение напряжений в заанкерованном массиве в окрестности протяженной горной выработки.

Установлено, что действующий уровень нормальных радиальных напряжений в массиве вокруг выработки с анкерной крепью выше, а нормальных тангенциальных - ниже уровня напряжений, вычисленных без учета срезающих усилий, возникающих в анкерных стержнях. Кроме того, учет срезающих усилий позволяет получить и более адекватную практике картину изменения растягивающих усилий по длине анкера. Среднее отклонение экспериментальных значений и определенных по разработанной методике для аналогичных условий составляет 18%.

Максимальные значения напряжения в массиве принимают на участке первой трети скважины (от её устья), в которую установлен анкер, независимо от места его расположения в ряду. Длина анкера не меняет качественную картину распределения напряжений в массиве. Количественное влияние изменения длины анкеров на напряжённое состояние массива можно учесть с помощью дополнительного множителя экспоненциального вида к компонентам напряжений.

Существенное влияние на распределение напряжений в массиве оказывает угол наклона анкера к плоскости кровли выработки. На рис. 5 показаны графики распределения нормальных тангенциальных напряжений в массиве по длине 3-х метрового, крайнего в ряду анкера. Аналогичные графики получены для других компонент напряженного состояния заанкерованных пород в окрестности выработки при различных схемах установки анкеров.

Рис. 5. Распределение нормальных тангенциальных напряжений в породах по длине анкера при различном угле его наклона к плоскости кровли

При увеличении плотности анкерной крепи, установленной перпендикулярно к плоскости кровли, нормальные тангенциальные напряжения уменьшаются практически по всему контуру выработки за исключением центральной части пролета. В этой области происходит увеличение нормальных тангенциальных напряжений с суммарной концентрацией напряжений в середине выработки. Добиться уменьшения концентрации напряжений в данной зоне можно путем изменения угла наклона анкеров.

Целесообразно устанавливать крайние в рядах анкера с отклонением от нормали к кровли в сторону массива на угол 15°, а средние-по нормали к кровле. Применение такой схемы обусловливает наиболее благоприятное с позиции обеспечения устойчивости выработки воздействие на приконтурный массив, формируя в нём поле повышенных нормальных радиальных сжимающих напряжений и существенно сниженных нормальных тангенциальных напряжений.

Полученные результаты при учете данных шахтных исследований позволили сформулировать третье научное положение.

На основании комплекса выполненных исследований разработан ряд рекомендаций по подбору оптимальных параметров анкерной крепи. Они определяются прогнозируемыми по методике ВНИМИ смещениями кровли горной выработки, расчёт которых существенно уточняется коэффициентами влияния вида присечки пород кровли и плотности её анкерования. Удельная несущая способность анкеров определяется по разработанным номограммам (рис. 6).

Л.кПа

120

100

80

60

40 160

140

120

100

80

60

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Смещения заанкерованной кровли выработки 1)ы, мм

Рис. 6. Номограмма для определения удельной несущей способности анкерной крепи

Сформулированы научно обоснованные требования к прочности анкеров на срез в зависимости от смещений заанкерованной кровли выработки с учётом варианта закрепления стержней в скважинах и мест их расположения в рядах. Установлено, что полимерные композиционные анкеры АПК по прочностным характеристикам на срез не соответствует ожидаемым максимальным усилиям при смещениях кровли 50 мм и их установке крайними в рядах.

Предложены следующие технико-технологические решения: - техническая эффективность анкерной крепи возрастает при установке

в кровлю горной выработки анкеров с высокой деформационно-силовой характеристикой; использование низкомодульных анкеров приводит к росту смещений кровель и, как следствие, необходимости увеличения плотности анкерования.

- надёжность анкерной крепи при смещениях кровли выработки 4050 мм повышается применением комбинированных металлических анкеров переменного диаметра (хвостовая часть, составляющая одну треть длины анкера, выполняется увеличенным диаметром) с закреплением по всей длине скважины химической композицией ампульным, нагнетательным или комбинированным способом. Аналогичный результат достигается закреплением каждого анкера в приустьевом участке скважины (его протяжённость принимается равной одной трети длины скважины) химическим составом с повышенной прочностью на растяжение и срез.

- для крепления кровель протяженных выработок экономически и технологически целесообразно применение полимерных композиционных анкеров. При расчётных смещениях кровли 40 - 50 мм для повышения надёжности анкерной крепи в сочетании с полимерными композиционными используются сталеполимерные анкеры. В этом случае крайними в каждом ряду устанавливаются сталеполимерные анкеры, обладающие большей прочностью на срез, а средними - полимерные композиционные анкеры.

При участии автора разработана методиха шахтных исследований проявлений горного давления в выработках с анкерной крепью, утвержденная в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ), разработаны паспорта крепления штрека №209 шахты им. Чиха, обеспечившие устойчивое состояние выработки и экономический эффект в размере 1,2 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой в результате шахтных исследований работы анкерной крепи и аналитического анализа взаимодействия системы «анкерная крепь - массив» установлены закономерности формирования срезающих усилий в анкерах и их влияния на напряженное состояние пород в окрестности выработки, что позволило решить актуальную задачу по совершенствованию методов обоснования параметров анкерной крепи протяженных выработок, имеющую существенное значение для подземной геотехнологии.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основании шахтных исследований, выполненных на 24 опытных участках, выявлен характер распределения по длине скважины и особенности взаимного влияния друг на друга срезающих и растягивающих усилий, возникающих в анкерах при различной величине заделки стержня.

2. Доказано, что наибольшие растягивающие усилия, превышающие средние в ряду на 20 - 25 %, испытывают анкеры, установленные посередине пролёта выработки. Наибольшие срезающие усилия, превышающие средние в

ряду на 32 - 48 %, испытывают анкеры, установленные в кровлю вблизи боков выработки. Увеличение расстояния от устья скважины до заделки анкера приводит к снижению срезающей и росту растягивающей нагрузки на анкерную крепь.

3. Установлены закономерности изменения растягивающих и срезающих усилий по длине анкера от основных параметров анкерной крепи и технологических факторов: типа анкера, длины и диаметра, плотности анкеро-вания кровли.

4. Установлено, что характер распределения растягивающих и срезающих усилий в закреплённом химическим составом анкере не зависит от его типа. Применение металлических полосовых подхватов в качестве опорного элемента анкерной крепи позволяет объединить анкеры в единую систему и повысить техническую эффективность анкерной крепи, в частности снизить растягивающие усилия в стержнях на 11 %. Однако при этом анкера должны обладать повышенным сопротивлением на срез.

5. На основании аналитического исследования дано скорректированное представление напряжённого состояния породного массива в окрестности протяженной горной выработки произвольного поперечного сечения, закреплённой анкерами, учитывающее возникновение срезающих усилий в анкерах.

6. В результате вычислительных экспериментов определены закономерности влияния параметров анкерной крепи на распределение напряжений в за-анкерованном массиве в окрестности горной выработки.

7. На основании комплекса экспериментальных и аналитических исследований даны рекомендации по изменению действующей методики расчета анкерной крепи, позволяющие более точно определять смещения кровли выработки и параметры анкерной крепи.

8. Сформулированы требования к прочности анкеров на срез в зависимости от величины смещений заанкерованной кровли выработки, варианта закрепления стержней в скважинах, а также их расположения в ряду.

9. Разработаны технические и технологические рекомендации по совершенствованию анкерного крепления подготовительных выработок, проводимых в условиях небольшого горного давления, предусматривающие применение комбинированных металлических анкеров переменного диаметра, использование смешанных анкерных систем, в которых центральными в ряду устанавливаются композиционные полимерные анкеры, а крайними — сталеполимерные анкеры, обладающие большей прочностью на срез.

10.На основании комплекса выполненных следований разработаны паспорта крепления штреков шахты «им. М. Чиха», а также методика шахтных исследований проявлений горного давления в выработках с анкерной крепью, утвержденная в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мартыненко И.И., Верещагин B.C. Распределение усилий по длине анкеров, установленных в кровли горных выработок // Горный информаци-

онно-аналитический бюллетень. - 2009. - Отдельный выпуск № 9. - С. 136 -145.

2. Мартыненко И.И., Верещагин B.C. Закономерности формирования максимальных значений усилий в анкерах кровли горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2010. -№4.-С. 177- 180.

3. Верещагин B.C. Анализ распределения напряжений в породах кровли выработки по длине анкера // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2009,-№2.-С. 90-92.

4. Верещагин B.C., Насонов A.A. Анализ напряженно-деформированного состояния массива после установки анкерной крепи // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. науч. трудов. Вып 14. - Донецк: «Норд-Пресс», 2008. - С. 21 - 24.

5. Верещагин B.C. Определение напряжений в массиве после установки анкерной крепи контактного типа // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008.-С. 385 -390.

6. Верещагин B.C. Анализ напряженно-деформированного состояния пород горизонтальных выработок при изменении параметров анкерной крепи // Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса: матер. Междунар. науч.-практ. семинара. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. -С. 113-118.

7. Верещагин B.C. Исследование взаимодействия системы «крепь -массив» при различных параметрах анкеров // Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит). - Донецк: Вебер, 2009. - С. 142 - 146.

8. Верещагин B.C. Математическое моделирование взаимодействия системы «анкера - массив» в подземных выработках // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. -С. 330 - 334.

9. Верещагин B.C. О влиянии длины анкера на распределение напряжений в породах кровли подземной выработки // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. -С. 334 - 339.

Верещагин Виталий Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ ПРОТЯЖЕННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ УЧЕТА СРЕЗАЮЩИХ УСИЛИЙ В АНКЕРАХ

Автореферат

Подписано в печать 09.11.2010. Формат 60x84 '/ц. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 48-1109.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132