Геомеханічне обґрунтування параметрів анкерних систем для забезпечення стійкості гірничих виробок

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД "ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ АНКЕРНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК

Спеціальність 05.15.02 - "Підземна розробка родовищ корисних копалин"

САХНО ІВАН ГЕОРГІЙОВИЧ

Донецьк - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Касьян Микола Миколайович, завідувач кафедри “Розробка родовищ корисних копалин” Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Назимко Віктор Вікторович, завідуючий лабораторією комп'ютерного і фізичного моделювання незворотніх процесів Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

кандидат технічних наук, Курносов Анатолій Тимофійович, зам. завідуючого відділом проблем розробки вугільних пластів на великих глибинах Інституту геотехнічної механіки ім. С.М. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Розробка родовищ корисних копалин” (м. Алчевськ)

Захист відбудеться „13„ 04 2007 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 при Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, І навч. корпус, ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ навч. корпус

Автореферат розісланий “7” березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, Д 11.052.05, проф., д.т.н. В.П. Кондрахін

АНОТАЦІЯ

Сахно І.Г. “Геомеханічне обґрунтування параметрів анкерних систем для забезпечення стійкості гірничих виробок”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02. - Підземна розробка родовищ корисних копалин. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2007.

Дисертація присвячена проблемі забезпечення стійкості гірничих виробок, закріплених анкерним кріпленням. Встановлено нові особливості розвитку зони зруйнованих порід навколо виробки, що закріплена анкерним кріпленням.

Встановлено вплив схеми розташування анкерів у шаруватому породному масиві на його навантажувально-деформаційну характеристику. Визначено кращу схему анкерування, застосування якої дозволяє досягати до 10 % відносних зсувів породно-анкерної конструкції зі збереженням несучої здатності останньої .

Встановлено закономірності зміни несучої здатності і відносних деформацій породно-анкерної конструкції залежно від міцності і потужності шарів, що її складають, їхнього взаємного розташування, загальної товщини конструкції, щільності анкерування і ширини виробки.

Розроблено методику розрахунку параметрів анкерних систем, яка відрізняється тим, що створювана порідно-анкерна конструкція розглядається як кріплення виробки при цьому враховується схема розташування анкерів.

Впровадження результатів досліджень у конвеєрному штреку північної корінної лави пл. гор. 450 м на ділянці довжиною 270 м и в 5 південному конвеєрному штреку похилу пл. m₅^1в гор. 450 м ОП „Шахта” Добропільська” на ділянці довжиною 740 м дозволило одержати економічний ефект у розмірі 475 і 400 грн/п.м. відповідно.

Ключові слова: гірничі виробки, зона зруйнованих порід, зсув порід, анкерне кріплення, породно-анкерна конструкція, несуча здатність, стійкість виробок.

АННОТАЦИЯ

Сахно И.Г. “Геомеханическое обоснование параметров анкерных систем для обеспечения устойчивости горных выработок”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02. - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2007.

Диссертация посвящена проблеме обеспечения устойчивости горных выработок, закрепленных анкерной крепью. На основании проведенных шахтных инструментальных наблюдений за смещением глубинных реперов установлены новые особенности развития зоны разрушенных пород вокруг выработки, закрепленной анкерной крепью, которые заключаются в том, что зона разрушенных пород начинает формироваться с внешней границы заанкерованной толщи вглубь массива. При этом создаваемая породно-анкерная конструкция выполняет роль крепи и смещается без значительных расслоений.

На основании проведенных лабораторных исследований на физических моделях установлено влияние схемы расположения анкеров в слоистом породном массиве на его нагрузочно-деформационную характеристику. Определена лучшая схема анкерования, применение которой позволяет достигать до 10 % относительных смещений породно-анкерной конструкции с сохранением последней несущей способности. Доказано, что повышение плотности анкерования выше определенного критического значения, приводит к снижению несущей способности создаваемой породно-анкерной конструкции.

В лабораторных условиях установлено, что к росту несущей способности породно-анкерной конструкции приводит увеличение прочности слагающих ее слоев, увеличение их мощности, увеличение общей мощности конструкции. Так, увеличение прочности слоев в 2 раза приводит к росту несущей способности конструкции при радиальном расположении анкеров в 1,58-1,83 раз, при расположении анкеров, по смещенным диагоналям куба - в 1,34-2,2 раза, в зависимости от количества анкеров. Кроме этого, чем выше прочность материала, тем большие относительные деформации допускает конструкция при схеме установки анкеров по смещенным диагоналям куба. Так, увеличение прочности материала в 2 раза, при плотности анкерования 0,7 анк./м², приводит к увеличению относительных деформаций, с сохранением несущей способности конструкции, более чем в 5 раз от 1,8 % до 10 %.

Уменьшение мощности слоев в 1,3 раза, при прочности пород 60 МПа приводит к снижению несущей способности конструкции при радиальном расположении анкеров в 1,5-2 раза, при расположении анкеров по смещенным диагоналям куба в 1-2 раза. Для породно-анкерной конструкции с расположением анкеров по смещенным диагоналям куба указанное уменьшение мощности слоев приводит к снижению относительных деформаций: так, при плотности анкерования 1,6 анк./м² последние снизились на 60 %.

В результате проведенных аналитических исследований установлены закономерности изменения несущей способности и относительных деформаций породно-анкерной конструкции в зависимости от прочности и мощности слагающих ее слоев, их взаимного расположения, общей мощности конструкции, плотности анкерования и ширины выработки. Определена область эффективного применения схемы с расположением анкеров по смещенным диагоналям куба.

Предложена методика расчета параметров анкерных систем, отличающаяся тем, что создаваемая породно-анкерная конструкция рассматривается как крепь выработки, учитывается схема установки анкеров.

Проведены шахтные наблюдения за смещением контурных реперов на замерных станциях оборудованных в выработках, закрепленных анкерной крепью, с учетом предлагаемых рекомендаций.

Внедрение результатов исследований в конвейерном штреке северной коренной лавы пл. горизонта 450 м на участке длиной 270 м и в 5 южном конвейерном штреке пл. m₅^1в гор. 450 м ОП „Шахта” Добропольская” на участке длиной 740 м позволило получить экономический эффект в размере 475 и 400 грн/п.м. соответственно.

Ключевые слова: горные выработки, зона разрушенных пород, смещение пород, анкерная крепь, породно-анкерная конструкция, несущая способность, устойчивость выработок.

THE SUMMARY

Saсhno I.G. "A Geomechanical justification of parameters road bolting systems for maintaining roadway stability ". - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.02. - Underground Mining. - Donetsk national technical university Ministry of education and science of Ukraine, Donetsk, 2007.

Dissertation has been devoted to a problem of maintaining roadway stability fixed road bolting fastening. The new features of development of a zone of the destroyed rocks around of roadway fixed road bolting fastening are established.

The influence of the circuit of an arrangement bolts in layered rock massif on it load- displacement the characteristic is established. The best circuit establish of bolts determined, which application allows to achieve up to 10 % of relative displacement rock - road bolting of a constraction with preservation of last bearing ability.

The technique of account of parameters road bolting of systems distinguished of themes is developed, that created rock- road bolting the design is considered as fastening of roadway.

Implementation of results of researches on "Mine" Dobropolskaya" has allowed to receive economic profit at a rate of 475 - 400 grn/m.

Key words: roadways, zone of the destroyed rocks, displacement of rocks, road bolting fastening, rock- road bolting of a constraction, bearing ability, stability of roadways.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Світовий досвід експлуатації вугільних шахт показує, що успішно працюючі підприємства використовують високонавантажені лави, місячне посування яких складає 150-200 і більш метрів. Це вимагає своєчасної підготовки виїмкових стовпів з високими темпами проведення виробок. Традиційна технологія спорудження гірничих виробок не дозволяє досягти цих темпів у зв'язку з високою трудомісткістю і низькою продуктивністю зведення металевого аркового кріплення, а також не забезпечує стійкий стан виробок у процесі експлуатації.

Застосування технології анкерного кріплення дозволяє досягти високих темпів проведення виробок, однак область застосування цієї технології обмежується другою категорією стійкості виробок (зсуви до 200 мм). На наш погляд це пов'язано з традиційним уявленням про анкерне кріплення як про несучу конструкцію.

Область застосування анкерного кріплення можна розширити, якщо розглядати анкер не як силовий, а як армуючий елемент, що сприяє формуванню навколо виробки несучої армопородної конструкції. Такий підхід дозволяє в більшій мірі використовувати природну міцність і несучу здатність порід, що вміщують виробку, навіть у позамежному стані.

У зв'язку з цим актуальним науково-прикладним завданням є обґрунтування раціональних параметрів анкерних систем, що забезпечують стійкий стан підтримуваних виробок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Одним з основних напрямків наукових досліджень Донецького національного технічного університету є розробка й удосконалення засобів і способів підтримки гірничих виробок, що забезпечують їх стійкий стан. Дисертація є частиною цих досліджень і виконана в рамках держбюджетної науково-дослідницької роботи “Геомеханічне обгрунтування способів забезпечення стійкості гірничих виробок на різних етапах їх експлуатації” (номер держреєстрації 0105U002290) та науково-дослідницької роботи “Удосконалення і розробка способів підтримання гірничих виробок глибоких шахт на основі ресурсозбережних технологій” (номер держреєстрації 0103U004909), у яких автор брав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи - геомеханічне обґрунтування раціональних схем розташування анкерів при армуванні гірничих порід, що оточують виробки, для забезпечення їх стійкості.

Задачі досліджень:

- провести шахтні дослідження особливостей розвитку зони зруйнованих порід навколо виробок, що закріплені анкерним кріпленням;

- дослідження в лабораторних умовах впливу схем розташування армуючих стержнів у шаруватому породному масиві на його навантажувально-деформаційну характеристику;

- розробити математичну модель для визначення навантажувально-деформаційних характеристик породно-анкерних конструкцій, що створюються за допомогою анкерів;

- розробити методику розрахунку параметрів анкерних систем для кріплення підготовчих виробок;

- провести шахтні випробування і перевірку запропонованих рекомендацій з розрахунку параметрів анкерних систем.

Ідея роботи полягає в тому, щоб урахувати і використати особливості і закономірності геомеханічних процесів у заармованому порідному масиві навколо підготовчої виробки для обґрунтування параметрів анкерних систем.

Об'єкт досліджень: процес деформування масиву закріпленого анкерами.

Предмет досліджень: параметри анкерного кріплення гірничої виробки.

Методи дослідження: аналіз і узагальнення літературних джерел, присвячених кріпленню виробок анкерами; шахтні інструментальні спостереження за деформуванням гірничих порід, закріплених анкерним кріпленням за допомогою глибинних і контурних реперів; лабораторні дослідження на фізичних моделях і математичне моделювання за допомогою засобів програмного пакета Ansys впливу параметрів анкерних систем на навантажувально-деформаційні характеристики породно-анкерної конструкції, що створюється в покрівлі виробки; обробка результатів досліджень методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) Вперше експериментально встановлено особливість розвитку зони зруйнованих порід навколо виробки закріпленої анкерним кріпленням, яка полягає в тому, що руйнування починається не на контурі виробки, а за границею зовнішньої межі заанкерованої шаруватої товщі, і розвивається вглиб масиву, при цьому порідно-анкерна конструкція, що утворюється, виконує роль кріплення.

2) Вперше встановлено, що установка анкерів з орієнтацією їх по зміщених уздовж вісі виробки великим діагоналям куба, нижня грань якого паралельна площині нашарування порід, забезпечує збереження несучої здатності і стійкості породно-анкерної конструкції при відносних деформаціях контуру виробки до 10% від глибини анкерування.

3) Уточнені закономірності впливу щільності установки анкерів на несучу здатність заанкерованих порід, які складаються в тому, що збільшення щільності анкерування шаруватого порідного масиву вище 1,6 анк./м² призводить до зниження несучої здатності породно-анкерної конструкції, що утворюється.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень висновків і рекомендацій роботи підтверджується:

-достатнім обсягом натурних спостережень за деформуванням гірничих порід з використанням глибинних і контурних реперів;

-лабораторними дослідженнями впливу параметрів анкерних систем на навантажувально-деформаційні характеристики шаруватого масиву більш ніж на 300 фізичних моделях;

-задовільною збіжністю результатів аналітичних, шахтних і лабораторних досліджень;

-позитивними результатами шахтних випробувань анкерного кріплення, параметри якого прийняті з урахуванням пропонованих рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає у встановленні особливостей деформування заанкерованого шаруватого масиву, який вміщує підготовчі виробки, що дозволяють обґрунтувати новий підхід до розрахунку параметрів армування шаруватого породного масиву.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики розрахунку параметрів анкерних систем при реалізації схеми „зшивка” шаруватого масиву.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати досліджень використані в рекомендаціях з розрахунку параметрів анкерного кріплення на шахті „Добропільська”. Економічний ефект від впровадження рекомендацій склав 400-475 грн/п.м. виробки.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети, ідеї роботи, формулюванні задач дослідженнь і наукових положень. Автор провів аналіз традиційних методик розрахунку параметрів анкерних систем і паспортів кріплення, провів лабораторні дослідження і аналіз результатів, склав і вирішив математичну модель з використанням методу кінцевих елементів. Автор брав участь у проведенні шахтного експерименту, розробці методики розрахунку параметрів анкерного кріплення і складанні паспортів кріплення виробок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи обговорювалися й одержали схвалення на науково-практичних конференціях: “Проблеми підземного будівництва і напрямки розвитку тампонажу і закріплення гірничих порід” (Україна, Антрацит, березень 2006 р.), „Геотехнології і управління виробництвом ХХI століття” (Україна, Донецьк, травень 2006 р.), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2006” (Україна, Кривий Ріг, травень 2006 р), міжнародних конференціях: VI школа геомеханіки (Глівіце-Устронь, Польща 2003 р.), XII міжнародний симпозіум Геотехніка 2006 (Глівіце-Устронь, Польща 2006 р.), міжнародному науково-практичному симпозіумі „Сучасні проблеми шахтного підземного будівництва” (Україна, Алушта, травень 2006 р), розширеному засіданні кафедри „Розробка родовищ корисних копалин” Донецького національного технічного університету (листопад 2006 р.).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 7 друкованих праць, у тому числі 4 статті у фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, пґяти розділів, висновку, переліку літературних джерел з 84 найменувань. Вона містить 120 сторінок машинописного тексту, 88 рисунків, 8 таблиць і 7 додатків. Загальний обсяг роботи 202 сторінки.

Автор висловлює глибоку подяку науковому керівнику, доктору технічних наук М.М. Касьяну, а також кандидатам технічних наук Ю.А. Петренку та О.О. Новикову за цінні поради у процесі виконання дисертації. Автор вдячний усім співробітникам ДонНТУ й інженерно-технічним працівникам шахти “Добропільська” за допомогу при проведенні натурних спостережень і консультації під час обговорення роботи.

анкерний гірничий виробка геомеханічний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Питанням збереження стійкості гірничих виробок, закріплених анкерним кріпленням при розробці вугільних пластів, займається велике коло дослідників. Великий внесок у вивчення закономірностей геомеханічних процесів навколо виробок, закріплених анкерним кріпленням, внесли вітчизняні і зарубіжні вчені Бабіюк Г.В., Борисов О.О., Булат О.Ф., Виноградов В.В., Касьян М.М., Курносов А.Т., Мельников М.М., Назимко В.В., Тимофєєв О.В., Шашенко О.М ., Широков А.П., Якобі О. та ін.

На сьогоднішній день розроблено велику кількість методик, що дозволяють визначати параметри анкерних систем. Кожна методика має свою область застосування. Проте велика різноманітність гірничо-геологічних і гірничо-технічних умов призводить до необхідності в кожному конкретному випадку здебільшого керуватися накопиченим шахтою практичним досвідом, ніж теоретичними розрахунками.

Кріплення виробок анкерами робиться з позицій недопущення переходу порід у стадію запружних деформацій, що призводить до необхідності високої щільності анкерування і значно обмежує область застосування анкерних систем. При цьому анкерні стержні розташовують, як правило, перпендикулярно нашаруванню порід при виробці з прямою покрівлею і радіально при арковій або круглій формі виробки. Вплив схеми розташування анкерів у просторі на стійкість виробок практично не вивчений.

Перший розділ роботи „Стан питання. Мета і завдання дослідження” присвячений аналізу проведених раніше досліджень в області анкерного кріплення. Існуючі уявлення про роботу анкерів можна звести до п'яти основних теорій: підшивки, зшивки, теорії стиску, спільної роботи кріплення і породи та енергетичної теорії.

В основу теорії підшивки покладений ефект підвішування слабких порід безпосередньої покрівлі до стійких міцних порід основної покрівлі. Сутність теорії зшивки у зміцненні гірських порід анкерами і створенні в покрівлі виробки вантажонесучої конструкції, аналогічній складеній балці або зводові. Прихильники теорії стиску вважають, що руйнування порід на контурі виробки відбувається від розтягуючих напружень, яких можна запобігти, якщо створити навколо виробки за допомогою анкерного кріплення зону стиску. У наведених вище трьох теоріях заанкерований масив розглядається як статично нерухома система, не враховується утворення навколо виробки зони непружних деформацій.

Теорія спільної роботи і енергетична теорія більш досконалі. Вони засновані на уявленні, що рівноважний стан порід у заанкерованій зоні виникає як результат взаємодії кріплення і породи. Однак практичне застосування цих теорій вимагає врахування великої кількості вихідних даних, визначення яких у натурних умовах ускладнено.

Існуючі методи розрахунку параметрів анкерного кріплення засновані на уявлені про нього, як про пасивну конструкцію, що не відрізняється, по суті, від рамного кріплення. У той час як анкерне кріплення є активною системою, що вступає в роботу відразу після його установки й впливає на розвиток навколо виробки зони непружних деформацій.

До основних параметрів анкерного кріплення, як правило, відносять довжину анкерів і щільність анкерування. Незважаючи на великий обсяг проведених досліджень, практично немає робіт, присвячених вивченню такого параметра як схема розташування анкерів.

Виходячи з вищевикладеного, було сформульовано мету роботи і визначено завдання дослідження.

У другому розділі „Дослідження особливостей розвитку зони зруйнованих порід навколо виробки, що закріплена анкерним кріпленням” наведені результати шахтних натурних спостережень за зсувом глибинних реперів навколо виробки, закріпленої анкерами.

Натурні спостереження за зсувом порід покрівлі проводилися у конвеєрному штреку північної корінної лави пл. горизонту 450 м ОП „Шахта „Добропільська” ДП „Добропіллявугілля” шляхом виміру зсувів контурних і глибинних реперів на встановлених у виробці замірних станціях. У виробці було встановлено три глибинні станції. Кожна станція складалася з 16 глибинних реперів, встановлених у покрівлі штреку. Відстань між центрами реперів у середньому складала 0,24-0,28 м.

Для того, щоб можна було робити висновки про розвиток зони зруйнованих порід навколо виробки, було побудовано графіки зміни відносних деформацій порід з видаленням від контуру штреку. Породи вважалися зруйнованими за умови досягнення ними граничних деформацій які, згідно з дослідженнями, проведеними у МГІ, для глинистого сланцю складають 3·10^-2, для піщаного сланцю - 2·10^-2.

Проведені дослідження показали, що анкерне кріплення, встановлене в момент проведення виробки, впливає на характер розвитку навколо останньої зони зруйнованих порід. Особливістю формування зони зруйнованих порід навколо виробки, що закріплена анкерами, є те, що вона утворюється не біля контуру виробки, а за зовнішньою межею заанкерованої товщі і розвивається всередину масиву. Створена при цьому породно-анкерна конструкція, зміщується у порожнину виробки єдиним блоком без значного розшарування порід, виконуючи роль кріплення і сприймаючи навантаження від розвитку зони зруйнованих порід.

У третьому розділі „Лабораторні дослідження впливу різних схем розташування анкерів в шаруватому масиві на несучу здатність створюваної породно-анкерної конструкції” наведено результати лабораторних досліджень впливу схем розташування анкерів у масиві на його навантажувально-деформаційні характеристики. Дослідження проводилися на фізичних моделях з піщано-цементної суміші в масштабі 1:30. При моделюванні зберігалися геометрична, силова подібність і подібність механічних характеристик.

Імітувалася ділянка безпосередньої покрівлі шаруватої структури, що залягає над виробкою із прямою покрівлею. При цьому змінювалися такі параметри: міцність матеріалу моделі, потужність шарів, їхня кількість, щільність анкерування.

Анкери встановлювалися за наступними схемами:

Схема 1. Радіальне розташування анкерів. У цьому випадку напрямок установки анкерів збігався з напрямком максимальних зсувів. Як відомо, на пластах пологого падіння максимальні зсуви спрямовані перпендикулярно площинам нашарування.

Схема 2. Перехресне розташування анкерів. Анкери орієнтували з нахилом у площині паралельній поздовжньому перетинові виробки під кутом 45 градусів до напрямку максимальних зсувів. При цьому в сусідніх рядах анкери розташовували назустріч один одному.

Схема 3. Похиле розташування анкерів. Анкери орієнтували з нахилом у площині рівнобіжній поперечному перетинові виробки під кутом 45 градусів до напрямку максимальних зсувів.

Схема 4. Розташування анкерів по зміщеним діагоналям куба. Для цього поверхня породного оголення по довжині виробки або її ділянки умовно розбивається на парні і непарні смуги. У межах кожної смуги розмічаються квадрати. Квадрати у парних смугах зміщені уздовж вісі виробки щодо квадратів непарних смуг на половину сторони своєї основи. Анкери встановлюють у вершинах квадратів, при цьому напрямок анкерів збігається з великими діагоналями кубів, бічними гранями яких є зазначені квадрати. Анкери встановлюють з нахилом до вибою виробки. При цьому в парних і непарних рядах анкери спрямовані у протилежні сторони щодо поперечного перетину виробки.

Після обробки результатів моделювання було встановлено, що при навантаженні моделей можна виділити три етапи. Перший - деформування у межах пружності, при цьому дефектів у структурі матеріалу не спостерігається. Другий - деформації до моменту первинного руйнування. Третій - деформування зразка з порушеннями суцільності.

При цьому ступінь впливу схем установки анкерів на різних етапах різна. Так на першому етапі такий вплив був досить незначним, практично всі зразки деформувалися однаково. На другому етапі починала впливати схема установки анкерів. Незакріплені зразки руйнувалися першими відразу після порушення суцільності. Зразки з радіальним і перехресним розташуванням анкерів продовжували сприймати навантаження також до моменту порушення суцільності, після чого цілком втрачали свою несучу здатність і руйнувалися. Зразки з просторовим розташуванням анкерів не втрачали своєї несучої здатності після порушення суцільності і переходили до деформацій третього типу.

Встановлено, що збільшення міцності матеріалу призводить до росту несучої здатності зразків. Так, збільшення міцності матеріалу в 2 рази (від 1,37 до 2,6 МПа) призвело до росту максимальної несучої здатності для монолітного і для шаруватого без анкерів зразка в 2 рази, для зразка з радіально розташованими анкерами - в 1,58-1,83 раз, залежно від щільності анкерування, для шаруватого з просторовим розташуванням анкерів з орієнтацією їх по зміщених діагоналях куба - в 1,34-2,2 рази. Крім цього, чим вище міцність матеріалу, тим більші відносні деформації допускає зразок при схемі установки анкерів по зміщених діагоналях куба. Так, збільшення міцності матеріалу в 2 рази при щільності анкерування 0,7 анк./м² призвело до збільшення відносних деформацій зі збереженням несучої здатності зразка більш ніж у 5 разів - від 1,8 % до 10 %.

Зміна щільності анкерування призводить до зміни навантажувально-деформаційної характеристики створюваної конструкції. При цьому існує критична щільність анкерування, перевищення якої призводить до зниження несучої здатності зразка. Зазначена особливість зберігається для всих схем установки анкерів. З іншого боку, збільшення щільності анкерування при встановленні анкерів по зміщених діагоналях куба призводить до росту відносних деформацій зразка зі збереженням ним несучої здатності. Так, збільшення щільності анкерування на 53 % (від 0,7 до 1,075 анк./м²) при міцності 60 МПа призводить до росту відносних деформацій у 2 рази (від 5 до 10 %). Подальше підвищення щільності анкерування до 2,15анк./м² призводить до зниження відносних деформацій до 1,8%.

Несуча здатність і характер деформування створюваної конструкції залежать від загальної її потужності, а також потужності і міцності шарів, що її складають.

Так, при міцності порід 60 МПа зменшення потужності шарів у 1,3 рази з 0,52 () до 0,39м () призводить до зниження несучої здатності шаруватого неукріпленого зразка в 1,57 рази, зразків з радіальним розташуванням анкерів - в 1,5-2 рази, зразків з розташуванням анкерів по зміщених діагоналях куба - в 1-2 рази. Для зразків з розташуванням анкерів по зміщених діагоналях куба зазначене зменшення потужності шарів призвело до зниження відносних деформацій: так, при щільності анкерування 1,6 анк./м² останні знизилися на 60 %.

У четвертому розділі „Аналітичні дослідження формування несучої породно-анкерної конструкції при різних параметрах анкерування” викладено результати аналітичних досліджень особливостей формування несучої порідно-анкерної конструкції при різних параметрах анкерування і запропонований метод розрахунку параметрів анкерних систем.

Аналітичні дослідження складалися з двох етапів. Перший етап обмежувався моментом початку руйнування створюваної порідно-анкерної конструкції. На цьому етапі проводилося математичне моделювання методом кінцевих елементів за допомогою програмного комплексу Ansys/LS DYNA. Задача вирішувалася в об'ємній постановці. При моделюванні змінювалися такі параметри: потужність - m і міцність - f шарів, що складали конструкцію, їхнє взаємне розташування, щільність анкерування - a_анк, ширина виробки - В_вир, схема установки анкерів.

Отримані результати оброблялися методами математичної статистики за допомогою пакету SPSS. Це дозволило одержати рівняння регресії для визначення критичного навантаження Р₀ і зсувів U₀ порідно-анкерної конструкції до моменту початку руйнування для схем з радіальним розташуванням анкерів (1), (2) і для схем з розташуванням анкерів по зміщених діагоналях куба (3), (4):

 (1)

(2)

(3)

(4)

Для випадку радіального розташування анкерів у масиві одержані залежності (1), (2) описують всі етапи роботи несучої конструкції.

Для одержання залежностей, які дозволять у першому наближенні визначати несучу здатність і максимальні зсуви шаруватого масиву армованого анкерами за діагональною схемою, був запропонований аналітико-експериментальний метод визначення навантажувально-деформаційних характеристик порідно-анкерної конструкції з використанням результатів проведених лабораторних досліджень.

Для визначення максимальних зсувів і навантажень у запружній стадії пропонується використовувати такі формули:

(5)

(6)

де - зсув, що допускається породно-анкерною конструкцією при діагональній схемі розташування анкерів до початку руйнування, мм;

- несуча здатність породно-анкерної конструкції при діагональній схемі розташування анкерів до початку руйнування, мм;

- коефіцієнти, що враховують зміну зсувів при різній міцності шарів, потужності шарів, загальної потужності створюваної конструкції;

- коефіцієнти, що враховують зміну несучої здатності при різній міцності шарів, потужності шарів, загальної потужності створюваної конструкції;

- визначається як відношення граничних зсувів несучою конструкції до зсувів, що відповідають початку руйнування для різної міцності.

На графіках (рис. 4) наведені лінії регресії, що дозволяють одержати залежності зазначених коефіцієнтів від щільності анкерування при різній міцності, потужності шарів і загальній потужності несучої породно-анкерної конструкції.

Знаючи значення величин і , користуючись формулами (5), (6) і графіками, можна визначити максимальні зсуви, що допускаються породно-анкерною конструкцією, яка формується в покрівлі виробки, і несучу здатність, що їм відповідає.

Проведені дослідження дозволили встановити область ефективного застосування схеми з розташуванням анкерів по зміщених діагоналях куба. Було встановлено, що ефект від застосування пропонованої схеми анкерування виявляється при дотриманні таких умов:

- відношення загальної товщини порідно-анкерної конструкції до ширини виробки h/B_вир = 0,3-0,8;

- відношення мінімальної потужності складаючих порідно-анкерну конструкцію шарів до ширини виробки h_i/B_вир 0,06-0,21;

- кількість шарів більше ніж 1.

При анкерному кріпленні виробки зона руйнування може розвиватися з контуру заанкерованого простору, а створювана порідно-анкерна конструкція виконує функції кріплення, тому при розрахунку параметрів анкерування слід розглядати останню як кріплення виробки.

Таким чином, розрахунок параметрів анкерних систем слід проводити згідно з нормативними методиками з урахуванням несучої здатності створюваної порідно-анкерної конструкції. При цьому як конструктивна податливість кріплення приймається значення максимальних зсувів , що допускаються породно-анкерною конструкцією при збереженні нею несучої здатності.

За умови, якщо забезпечена несуча здатність більше необхідної , параметри анкерування обрані вірно і виробка буде зберігати стійкість. В іншому випадку буде відбуватися деформування виробки.

Якщо шляхом зміни параметрів анкерування неможливо забезпечити необхідної несучої здатності, то анкери, як самостійний вид кріплення, у цих умовах не можуть застосовуватися. Це зумовлює область застосування анкерного кріплення.

У п'ятому розділі „Дослідно-промислова перевірка отриманих результатів досліджень” наведені результати шахтних спостережень за зсувом приконтурних порід за допомогою контурних реперних станцій у виробках, що закріплені анкерами з параметрами, розрахованими згідно з наведеними у розділі 4 рекомендаціями. Впровадження результатів досліджень було проведено у двох виробках - у конвеєрному штреку північної корінної лави пл. k₈^н гор. 450 м на ділянці довжиною 270 м та в 5 південному конвеєрному штреку похилу пл. m₅^1в гор. 450 м ОП „Шахта Добропільська” на ділянці довжиною 740 м. Спостереження за зсувами контурних реперів показують, що поза зоною впливу очисних робіт величина зсувів порід покрівлі виробки на ділянці з анкерним кріпленням майже в 2 рази менше, ніж на ділянці з рамним податливим кріпленням, при цьому час загасання деформацій також менше.

Особливістю зсувів покрівлі у виробці, яка закріплена анкерним кріпленням є те, що на ділянці сполучення з лавою вони відбуваються стрибкоподібно, одночасно на 6-12 метрах, що пояснюється обваленням консолі породно-анкерної конструкції, яка зависає у виробленому просторі і створюється за допомогою анкерів. Незважаючи на те, що зсуви порід покрівлі поблизу очисного вибою на експериментальній ділянці трохи більші, ніж на контрольній, виробка зберігає свій експлуатаційний стан весь період служби. Економічний ефект від застосування пропонованих рекомендацій склав 475 і 400 грн на 1 м виробки.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій отримані нові рішення актуальної науково-практичної задачі збереження стійкості гірничих виробок закріплених анкерним кріпленням, що дозволяє при використанні мінімально-необхідної кількості анкерів забезпечити стійкий стан гірничих виробок при відносних деформаціях їхнього контуру до 10% від товщини зони анкерування.

Основні наукові результати і висновки, які отримані при виконанні роботи, є такими:

1. Встановлено, що у виробках, закріплених анкерним кріпленням, руйнування починається не на контурі виробки, а за границею зовнішньої межі заанкерованої товщи, і розвивається вглиб масиву. У межах заанкерованої зони при визначених параметрах анкерування формується несуча порідно-анкерна конструкція.

2. Вперше встановлено вплив схеми розташування анкерів у шаруватому породному масиві на його навантажувально-деформаційну характеристику. Найкращою є схема розташування анкерів по зміщених великих діагоналях куба. При установці анкерів за цією схемою відносні деформації створюваної породно-анкерної конструкції досягають 10 % від її товщини при збереженні несучої здатності останньої.

3. Встановлено закономірності зміни несучої здатності і відносних деформацій породно-анкерної конструкції залежно від міцності і потужності шарів, що її складають, їхнього взаємного розташування, загальної потужності конструкції, щільності анкерування і ширини виробки.

В лабораторних умовах встановлено, що до росту несучої здатності порідно-анкерної конструкції призводить збільшення міцності складаючих її шарів, збільшення їх потужності, збільшення загальної товщини конструкції.

Так, збільшення міцності шарів в 2 рази призводить до росту несучої здатності конструкції при радіальному розташуванні анкерів - в 1,58-1,83 раз, при установці анкерів по зміщених діагоналях куба - в 1,34-2,2 рази, залежно від щільності анкерування. Крім цього, чим вище міцність матеріалу, тим більші відносні деформації допускає конструкція при схемі установки анкерів по зміщених діагоналях куба. Так, збільшення міцності матеріалу в 2 рази при щільності анкерування 0,7 анк./м² призводить до збільшення відносних деформацій зі збереженням несучої здатності конструкції більш ніж у 5 разів - від 1,8 % до 10 %.

Зменшення потужності шарів у 1,3 рази, при міцності порід 60 МПа призводить до зниження несучої здатності конструкції з радіальним розташуванням анкерів - в 1,5-2 рази, з розташуванням анкерів по зміщених діагоналях куба - в 1-2 рази. Для порідно-анкерної конструкції з розташуванням анкерів по зміщених діагоналях куба зазначене зменшення потужності шарів призводить до зниження відносних деформацій: так, при щільності анкерування 1,6 анк./м² останні знизилися на 60 %.

4. Вперше встановлено, що при збільшенні щільності анкерування шаруватого породного масиву вище критичного значення, який дорівнює 1,6 анк./м², відбувається зниження несучої здатності армопорідної конструкції, що створюється.

5. Розроблено методику розрахунку параметрів анкерних систем, яка відрізняється тим, що створювана порідно-анкерна конструкція розглядається як кріплення виробки, при цьому враховується схема установки анкерів.

6. Впровадження результатів досліджень у конвеєрному штреку північної корінної лави пл. гор. 450 м на ділянці довжиною 270 м і в 5 південному конвеєрному штреку похилу пл. m₅^1в гор. 450 м ОП „Шахта” Добропільська” на ділянці довжиною 740 м дозволило одержати економічний ефект у розмірі 475 і 400 грн/п.м. відповідно.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Результаты внедрения анкерных систем для поддержания горных выработок на шахте „Добропольская” / В.А. Плетнев, Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, И.Г. Сахно // Геотехнологии и управление производством XXI века. Том 1. Монография. - Донецк: ДонНТУ, 2006. - С. 39-44.

2. Новый подход к расчету параметров анкерной крепи / Ю.А. Петренко, Н.Н. Касьян, А.О. Новиков, И.Г. Сахно // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк 2004. - №7, С. 167-172

3. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Влияние схем расположения анкеров в слоистом массиве на его деформационные характеристики // Вісті Донецького гірничого інституту. - 2005. - №2. - С. 84-86.

4. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Лабораторные испытания влияния схем установки анкеров в массиве слоистой структуры на его нагрузочно-деформационные характеристики // Вісник Криворізького технічного університету. - 2006, № 4(14), С. 34-37.

5. Сахно И.Г. Оценка эффективности армировки слоистого породного массива анкерной крепью // Материалы научно-практической конференции “Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород”. - Луганск: Изд-во ВНУ им. Даля. - 2006. - С. 212-218.

6. Касьян Н.Н., Сахно И.Г., Борщевский С.В. Аналитические исследования влияния параметров анкерных систем на нагрузочно-деформационную характеристику создаваемой в кровле выработки породно-анкерной конструкции // Материалы международного научно-практического симпозиума “Современные проблемы шахтного и подземного строительства”. Алушта, 2006. - Вып. 7 - С. 256-260.

7. Исследование влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, С.Ю. Гладкий, И.Г. Сахно // XII Miedzynarodowe Sympozjum Geotechnika-Geotechnics 2006. Gliwice-Ustron, Poland, 17-20 pazdziernika, 2006.-C.455-467.

Особистий внесок автора в роботи, що опубліковані в співавторстві:

[1, 7] розробка методики розрахунку параметрів анкерного кріплення і складання паспорта кріплення виробок, [2] аналіз традиційних методик розрахунку параметрів анкерних систем і паспортів кріплення, [3, 4] проведення лабораторних досліджень і аналіз результатів, [6] складання і рішення математичної моделі з використанням методу кінцевих елементів, аналіз результатів.

Размещено на Allbest.ru

...