Обоснование выбора параметров анкерной крепи для выработки, пройденной в анизотропном по прочности массиве горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование выбора параметров анкерной крепи для выработки, пройденной в анизотропном по прочности массиве горных пород

Н.В. Черданцев

В.Т. Преслер

Подземная угледобыча на шахтах Кузбасса характеризуется разнообразием условий разработки угольных месторождений. Так, глубины разработки изменяются в пределах от 40 до 1000 м, мощность разрабатываемых пластов - в пределах от 0,7 до 15 м. Пласты существенно различаются своими свойствами по прочности, качеству, газоносности, самовозгораемости. Радиус корреляции основных физических свойств пласта и вмещающих пород не превышает десятка метров.

В этих условиях за последние 20 лет под влиянием интенсивной угледобычи и технического прогресса увеличилась глубина ведения работ (на шахте «Осинниковская» работы ведутся на глубине более 800 м), существенно увеличился объем извлеченной массы угля. В связи с этим в результате процессов сдвижения значительно увеличился объем подработанных пород с низкой прочностью на фоне возвышающихся гористых массивов, окружающих месторождения. Это обстоятельство не может не влиять на условия равновесия блочных структур горного массива и перераспределение напряжений около выработанных пространств и выработок.

Под влиянием технического прогресса за последние 20 лет изменились параметры технологии разработки месторождений. Увеличились размеры выемочных полей с 600 м до 5 км. Выросли длины лав со 100 до 250 м и соответственно скорости их подвигания с 3…4 до 12..20 м/сут. Увеличилось сечение подготовительных выработок с 6…8 до 10…15 м², наклонных стволов - с 15 до 32 м². Стали развиваться камерные и камерно-столбовые системы разработки. На пластах пологого и наклонного залегания основным видом крепления контура горных выработок стало анкерное крепление (90-95%), существенно отличающееся от рамного крепления по взаимодействию с горным массивом.

Все эти процессы привели к значительному изменению проявлений горного давления в горных выработках. Сегодняшняя ситуация характеризуется слабой изученностью этих проявлений по множеству условий и факторов разработки месторождений.

Добиться прогресса в этом направлении можно сочетанием теоретических и экспериментальных исследований, а именно, путем разработки и реализации физико-математических моделей породных массивов, постановки и проведения экспериментов в лабораторных и натурных условиях и последующей обработкой полученной информации.

Как следует из вышеизложенного, сформулированные задачи напрямую связаны с проблемами, возникающими на угольных шахтах Кузбасса. В первую очередь, это касается проблем массового применения анкерной крепи, роль которой, как уже отмечалось, в последние годы при подземной угледобыче существенно возросла. Анкерами различных конструкций крепятся практически все выработки на шахтах Кузбасса, включая капитальные выработки, а также сооружаемые в сложных горно-геологических условиях.

Вследствие этого остро встает задача количественной оценки геомеханической обстановки при ведении горных работ, в ходе решения которой производится обоснование типа крепи выработок, в том числе и анкерной, и выбор рациональных технологических схем отработки угольного месторождения. Один из путей геомеханической оценки состояния приконтурного массива как закрепленных, так и незакрепленных выработок состоит в физико-математическом моделировании геомеханического состояния массива в окрестности этих выработок.

Наиболее адекватной моделью, описывающей состояние углепородного массива, является трехмерная модель геомеханического состояния анизотропного по прочности массива, разработанная в [1]. Она учитывает прочностную анизотропию массива, обусловленную поверхностями ослабления, к которым относятся его важнейшие характеристики, - слоистость и кливаж [2]. Все остальные модели выделяют одно или два важнейших из всего многообразия свойств массива (упругость, пластичность, вязкость), полагая, однако, что сплошности он не теряет. В отмеченной выше модели при определенной ориентации поверхностей ослабления, характеризующихся параметрами их ориентации (углы падения и простирания ) относительно трассы выработки, массив может разрушаться как по поверхностям ослабления согласно критерию прочности Мора - Кузнецова [3], так и по основной породе, расположенной между поверхностями ослабления, в соответствии с условием прочности Кулона - Мора [4]. Вследствие этого за контуром выработок образуются зоны нарушения сплошности (ЗНС) - совокупность точек, в которых происходит разрушение по перечисленным выше критериям прочности [1, 2]. Наличие зон - одновременно показатель разрушения анизотропного по прочности массива и критерий его устойчивости.

Проблеме геомеханического состояния массива, вмещающего горные выработки и обладающего прочностной анизотропией, посвящен ряд статей, например [5, 6], в которых результаты представлены картинами зон нарушения сплошности и графиками изменения размеров нарушенности при различных параметрах среды. В статье [7] по результатам проведенных исследований геомеханического состояния в окрестности выработки квадратного поперечного сечения установлены значения углов падения и простирания поверхностей ослабления, при которых зоны нарушения сплошности массива наибольшие (экстремальный случай). В перечисленных статьях анализ состояния массива в окрестности выработки производился без учета влияния ее крепи, т.е. реактивный отпор, создаваемый крепью, не принимался в расчет.

В данной работе преследуются цели: 1) дать количественную оценку влияния усилий натяжения анкеров на состояние массива в окрестности одиночной выработки прямоугольного сечения; 2) установить параметры анкерной крепи (длину анкеров, плотность их расстановки). Для упрощения расчетов анкеры располагаются по всему контуру выработки равномерно и перпендикулярно к нему, с одинаковым усилием во всех анкерах. Влияние усилий анкеров исследуется в окрестности выработки квадратного сечения. А выбор параметров анкерной крепи производится в окрестности выработки прямоугольного сечения с различным соотношением сторон его поперечного сечения. Расчет производится в рамках отмеченной выше модели геомеханического состояния анизотропного по прочности массива.

Схема выработки с анкером, подкрепленной изнутри анкерной крепью с усилием P, показана на рисунке 1 а. На рисунке 1 б приведена расчетная схема массива, вмещающего выработку и нагруженного литологическими силами, вызванными действием налегающей сверху толщи горных пород H ( - плотность пород; H - глубина заложения выработки) и усилиями в анкере. Одна из этих сил приложена к контуру выработки, а другая (прямо противоположная) действует на массив на расстоянии длины анкера. Первая сила учитывается в граничном интегральном уравнении, после решения которого напряжения в произвольной точке массива определяются суммированием напряжений от действия фиктивной нагрузки (плотности слоя) и напряжений нетронутого массива. Вторая сила вызывает в массиве напряжения, вычисляемые по формулам, вытекающим из решения задачи Кельвина, о действии силы на упругое пространство. Общие же напряжения определяются путем суммирования с предыдущими напряжениями на основе принципа суперпозиции. Длина анкера принимается на 10 - 20% больше максимального размера ЗНС.

а б

Рисунок 1. Расчетная схема массива с выработкой, закрепленной анкерами

Ниже представлены результаты расчета геомеханического состояния (состояния нарушенности) массива, вмещающего выработку квадратного сечения b=h=4 м. Глубина заложения выработки H=400 м, средняя плотность налегающих пород =25 kH/м³. Остальные данные приняты следующими: коэффициент бокового давления =1, угол внутреннего трения =20⁰. Коэффициент крепости пород f в расчетах колебался в пределах от 0,25 до 1,5. Коэффициент сцепления по поверхности ослабления K принимался 0,25K₀ (K₀ - коэффициент сцепления по основной породе, связанный с пределом прочности на одноосное сжатие _c известной зависимостью K₀=_c(1-sin)/(2cos)). Картины нарушения сплошности массива вокруг выработки построены по результатам проверки прочности по четырем условиям:

1) Кулона - Мора по основной породе;

2) Мора - Кузнецова по первой системе поверхностей ослабления, у которой =55, =0;

3) Мора - Кузнецова по второй, сопряженной с первой, системе поверхностей ослабления, у которой =-55, =0,

4) Мора - Кузнецова по второй системе поверхностей, у которой =90, =35.

В работе [7] установлено, что наибольшие разрушения согласно критерию Мора - Кузнецова происходят именно по этим четырем системам ослаблений. Причем по первой и второй - максимальные разрушения в почве и кровле, а по третьей - в бортах выработки. Длина анкера, а также усилие натяжения в нем принимались во всех анкерах одинаковыми. Состояние массива в окрестности замковой (концевой) части анкера здесь не рассматривается. Полагается, что за пределами зон нарушения сплошности массив достаточно прочный и под действием усилий натяжения анкеров на всем диапазоне их изменения его разрушение не произойдет.

В таблице 1 показаны картины зон нарушения сплошности массива, полученные для ряда значений коэффициента крепости основной породы f и усилий в анкерах. Цифры на фрагментах таблицы указывают вертикальные и горизонтальные границы ЗНС выработки. Там же вычислены максимальные относительные размеры ЗНС в кровле (h/h) и бортах (b/b) выработки. На этих фрагментах черным цветом обозначены зоны нарушения сплошности (разрушения) по основной породе, красным - по первой системе ослаблений, бирюзовым - по второй, синим - по третьей.

Таблица 1. Картины ЗНС около выработки, закрепленной анкерами

Следует отметить, что размеры зон нарушения сплошности вокруг выработки в бортах превышают размеры аналогичных зон в кровле. Видно, что с уменьшением коэффициента крепости пород более интенсивно растут разрушения по основной породе по сравнению с разрушениями по поверхностям ослабления. С увеличением же f основную роль в общих разрушениях массива играют разрушения по поверхностям ослабления.

На рисунке 2 а представлены графики изменения максимальных относительных размеров ЗНС массива, коэффициент крепости которого f=0,25, в зависимости от числа анкеров, установленных по контуру выработки, для ряда значений усилий в анкерах. А на рисунке 2 б графики изменения максимальных относительных размеров ЗНС массива с тем же коэффициентом крепости f=0,25 построены в зависимости от усилий натяжения в анкерах для ряда значений плотности армирования контура выработки.

а б

Рисунок 2. Кривые изменения максимальных размеров ЗНС массива с f=0,25 в кровле выработки в зависимости от параметров армирования выработки

На рисунке 3 а, б аналогичные графики представлены для массива с f=0,75.

По характеру изменения графиков на рисунках 2 а и 3 а отметим следующее. При небольшом усилии натяжения анкеров кривая изменения размеров зон нарушения сплошности при увеличении плотности расстановки этих анкеров является достаточно пологой кривой. С увеличением натяжения анкеров ее кривизна увеличивается.

а б

Рисунок 3. Кривые изменения максимальных размеров ЗНС массива с f=0,75 в кровле выработки в зависимости от параметров армирования выработки

Поскольку усилия в анкерах анкерной крепи мало влияют на размеры зон нарушения сплошности вмещающего массива, то ее расчет разумно проводить следующим образом. Сначала производится оценка геомеханического состояния массива, вмещающего незакрепленную выработку (без учета крепи), в результате которой определяются размеры зон нарушения сплошности. Затем, ориентируясь на эти размеры, выбирают длину анкеров и рассчитывают усилия в них из условия, что они должны уравновешивать массу породы, заключенную в зоне нарушения сплошности. Каждый анкер в этом случае работает в режиме подвески.

Таблица 2 демонстрирует картины ЗНС, полученные в окрестности выработки прямоугольного сечения для ряда значений f и h/b. Здесь же указаны максимальные ординаты ЗНС в кровле h/h и бортах b/b выработки. На рисунке 4 приведены графики максимальных ординат h/h и b/h ЗНС в кровле (а) и в бортах (б) выработки прямоугольного сечения в зависимости от коэффициента крепости для ряда соотношений b/h.

Таблица 2. ЗНС в окрестности выработки с различным соотношением ее размеров

Следует отметить, что, во-первых, изменение ординат носит плавный характер. Во-вторых, с ростом соотношения сторон выработки разрушения в ее кровле растут, а в бортах - уменьшаются. Отметим также, что, как и около выработки квадратного сечения, с уменьшением коэффициента крепости пород более интенсивно растут разрушения по основной породе.

а б

Рисунок 4. Изменение максимальных ординат ЗНС в кровле (а) и бортах (б) выработки прямоугольного сечения для ряда b/h

На основе проведенных расчетов ЗНС массива выбраны длины анкеров для крепления выработок прямоугольного сечения. На рисунке 5 построены графики изменения длин анкеров в кровле и в бортах выработки с отношением большей стороны к меньшей, равным 3, в зависимости от коэффициента крепости пород массива. Длина анкера выбирается из расчета 1,2 от максимального размера ЗНС. Высота выработки в расчетах варьировалась в пределах от 4 до 7 м.

а б

Рисунок 5. Изменение длины анкеров в кровле (а) и бортах (б) выработки горизонтального расположения в зависимости от ее высоты и коэффициента прочности для b/h = 3

Из рисунка 5 а следует, что максимальная длина анкера в кровле выработки с высотой 7 м составляет около 18 м, а из рисунка 5 б следует, что длина анкера в борту должна быть не менее 6 м.

Определим количество анкеров c заданной несущей способностью, которые необходимо разместить в кровле выработки с соотношением сторон b/h=3, с шагом вдоль оси выработки 1 м. Будем исходить из условия поддержания массы породы, расположенной в зоне нарушения сплошности кровли. Для вычисления массы породы необходимо вычислить площадь этой зоны. С этой целью аппроксимируем контур зон нарушения сплошности известной элементарной функцией. Поскольку зоны распределены в кровле симметрично, то наиболее подходящей аппроксимирующей функцией служит параболическая функция четвертого порядка

,

где z_max - максимальная ордината ЗНС в кровле выработки; L - расстояние между ветвями параболы на уровне кровли. Площадь части параболы вычисляется путем интегрирования ее в пределах пролета выработки. А для вычисления массы породы в зоне нарушения сплошности на 1 м длины выработки необходимо эту площадь умножить на удельный вес породы =25 kH/м³.

На рисунке 6 представлены фрагменты таблицы 2, относящиеся к выработке с соотношением b/h=3. Здесь же приведены значения площадей ЗНС для указанных коэффициентов крепости.

Рисунок 6 - Аппроксимация параболой ЗНС в кровле выработки с b/h =3

На рисунке 7 приведены два фрагмента, на которых построены графики минимального количества анкеров в кровле выработки прямоугольного сечения с b/h=3 в зависимости от крепости вмещающих пород для трех типоразмеров высоты выработки. Причем на рисунке 7 а графики построены при несущей способности анкера 150 kH (15 т), а на рисунке 7 б несущая способность анкера соответствовала 250 kH.

Рисунок 7. Графики зависимости числа анкеров в кровле выработки от коэффициента крепости пород

Отметим следующее. Во-первых, увеличение несущей способности анкеров примерно пропорционально уменьшает необходимое их количество. Во-вторых, увеличение высоты выработки значительно увеличивает количество анкеров. Так, при коэффициенте крепости 0,25 увеличение высоты в полтора раза увеличивает количество анкеров более чем в три раза независимо от несущей способности анкера.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1 Применение модели геомеханического состояния анизотропного по прочности массива позволяет проводить исследования влияния усилий натяжения анкеров и плотности их расстановки по контуру поперечного сечения выработки на размеры зон нарушения сплошности (областей разрушения) вмещающего массива.

2 Влияние анкерной крепи на размеры зон нарушения сплошности массива становится значительным только при большом усилии натяжения анкеров и высокой плотности их расстановки. Так, при f=0,25, плотности расстановки 40 анкеров и усилии в анкере 1200 kH (120 т) размер зоны нарушения сплошности в кровле выработки квадратного поперечного сечения с размером стороны 4 м уменьшается на 47,7%. Однако создать такое натяжение в современных анкерах невозможно. Максимальная несущая способность наиболее мощного канатного анкера составляет порядка 40 т. При таком усилии и наиболее реальной плотности расстановки в 24 анкера уменьшение зоны нарушения сплошности в кровле составляет всего 6,15%. Для массива с f=1 уменьшение размера зоны достигает 7%.

3 Существенно изменить напряженное состояние массива в окрестности выработки путем предварительного натяжения анкеров, избежав при этом расслоения массива, и тем самым обеспечить сшивку его слоев, как показывают расчеты, не удается.

4 Расчет анкерного крепления следует вести без учета влияния натяжения анкеров на массив горных пород, ориентируясь на размеры зон нарушения сплошности и массу породы, расположенной в этих зонах.

5 В выработках прямоугольного сечения с соотношением ее характерных размеров, равным 3, и высотой выработки более 4 м крепить кровлю анкерами в слабом массиве (f<0,5) становится проблематичным, поскольку требуется высокая плотность расстановки анкеров и большая их несущая способность.

Библиографический список

сплошность выработка анкерный крепь

1. Черданцев, Н.В. Некоторые трехмерные и плоские задачи геомеханики / Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон. - Кемерово: КузГТУ, 2004. -190 с.

2. Ержанов, Ж.С. Комбайновые выработки шахт Кузбасса. Опыт поддержания и расчет устойчивости / Ж.С. Ержанов, В.Ю. Изаксон, В.М. Станкус. Кемерово, 1976. 216 с.

3. Кузнецов, Г.Н. Графические методы оценки предельных состояний трещиноватого массива вокруг горных выработок / Г.Н. Кузнецов // Современные проблемы механики горных пород. - Л.: Наука, 1972. - С. 30-44.

4. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев. М.: Недра, 1994. 382 с.

5. Черданцев, Н.В. Геомеханическое состояние массива горных пород с поверхностями ослабления в окрестности комплекса протяженных горизонтальных выработок / Н.В. Черданцев, В.А. Федорин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2006. № 1. -С. 1719.

6. Черданцев, Н.В. Устойчивость целиков в окрестности системы выработок, сооружаемых в анизотропном по прочности массиве горных пород / Н.В. Черданцев // Вестник Кузбасского государственного технического университета.2012.№ 1.-С. 1519.

7. Черданцев, Н.В. Влияние параметров анизотропного по прочности массива горных пород на размеры разрушений вокруг выработок / Н.В. Черданцев, В.Т. Преслер, В.Е. Ануфриев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2011. -№ 1. С. 1118.

Размещено на Allbest.ru