Обґрунтування параметрів та умов застосування анкерного кріплення на вугільних шахтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

05.15.09 - Механіка ґрунтів та гірських порід

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів та умов застосування анкерного кріплення на вугільних шахтах

Круковський Олександр Петрович

Дніпропетровськ - 2005



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник - доктор технічних наук Виноградов Віктор Васильович, заступник директора з наукової роботи ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Скіпочка Сергій Іванович, провідний науковий співробітник відділу механіки гірських порід ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ,

доктор технічних наук Дрібан Віктор Олександрович, завідуючий відділом гірського тиску Українського державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, м. Донецьк.

Провідна установа: Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій та геомеханіки, м. Дніпропетровськ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІГТМ НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Перепелиця В.Г.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В останні роки вугільна промисловість України одержала потужний технічний засіб кріплення гірничих виробок - сталевополімерні анкери високої несучої здатності. Застосування таких анкерів на закордонних шахтах дозволило майже повністю усунути негативні прояви гірського тиску. Зокрема, втрати перетину виробок на сполученні лави зі штреком не перевищують 5%, при цьому зміщення порід покрівлі в зоні вікна лави становлять не більше 20-40 мм, боків - 10-20 мм, здимання порід ґрунту виробок відсутнє. Це забезпечує надійну безремонтну підтримку виробок, у тому числі в зоні впливу очисних робіт, істотно поліпшуються умови та безпека праці, покращуються економічні показники вуглевидобутку.

Разом з тим, гірничо-геологічні та гірничотехнічні умови проведення та експлуатації виробок на більшості шахт України значно складніші, ніж на шахтах провідних вуглевидобувних країн світу. Діапазон величин зміщень гірських порід у виробки українських шахт із традиційним кріпленням за весь період їх експлуатації поза межами впливу виробленого простору складає 200-1000 мм, на закордонних шахтах - 200-600 мм. Тому просте перенесення накопиченого за кордоном досвіду не дає ефективних позитивних результатів, так як із існуючих уявлень про роботу систем анкерного кріплення, як засобу зміцнення слабких приконтурних порід і їх утримання від обвалення зруйнованих шарів, однозначно випливає висновок, що з ускладненням гірничо-геологічних умов необхідно збільшувати щільність встановлення анкерних штанг. Це в складних умовах, при зміщеннях порід у виробку з традиційним кріпленням понад 500 мм, призводить до необхідності встановлення такої великої кількості анкерів у забої, яка з позицій технологічної і економічної доцільності суттєво обмежує обсяги їх застосування як самостійного кріплення.

Подолання такої ситуації потребує більш глибокого вивчення геомеханіки анкерного кріплення щодо встановлення його механізмів роботи та умов безпечного і надійного застосування.

У зв'язку з цим обґрунтування параметрів та умов застосування анкерного кріплення на вугільних шахтах шляхом механіко-математичного моделювання та дослідження поведінки складних, штучно створених геомеханічних об'єктів під впливом комплексу різноманітних гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів є актуальною науково-прикладною задачею, яка має важливе практичне значення для вуглевидобувної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тем Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України №64 “Математичні моделі і методи розрахунку напружено-деформованого стану та стійкості масиву армованих гірських порід” (№держ. реєстрації 0100U004919), №А210201000 ”Підготувати та виконати аналіз результатів випробувань анкерних систем та засобів механізації їхньої установки і контролю стану”, № 363 “Розробити та провести промислові випробування технології безпечного та інтенсивного ведення гірських робіт у видобувних і прохідницьких вибоях із застосуванням нових технологій анкерного кріплення гірничих виробок та нової техніки” (№ держ. реєстрації 0104U010080).

Мета роботи - обґрунтування параметрів та умов застосування опорно-анкерного кріплення гірничих виробок як засобу, що обмежує розвиток зміщення їх контуру величиною 20-30 мм.

Ідея роботи полягає у використанні виявлених особливостей поведінки приконтурного масиву гірських порід із анкерами високої несучої здатності та високою міцністю закріплення.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

1. Розробити математичну модель розрахунку напруженого стану гірських порід поблизу виробки із анкерами високої несучої здатності та високою міцністю закріплення.

2. Оцінити вплив параметрів окремого анкеру на зміни напруженого стану у породному масиві та визначити умови формування породної опори навколо анкеру.

3. Виявити особливості та закономірності формування системою анкерів у покрівлі гірничої виробки опорного перекриття, що обмежує розвиток зміщення її контуру в межах 20-30 мм.

Об'єкт досліджень - напружено-деформований стан масиву гірських порід поблизу виробки з анкерами високої несучої здатності та високою міцністю закріплення.

Предмет досліджень - геомеханічні параметри анкерного кріплення як засобу блокування процесу руйнування гірських порід, що вміщують виробку.

Методи досліджень. Мета роботи досягається шляхом застосування комплексного підходу, що містить у собі аналіз і узагальнення літературних даних по темі дисертації, теоретичні дослідження, що базуються на методах механіки суцільних середовищ, чисельне моделювання із застосуванням методу кінцевих елементів для рішення пружних і пружно-пластичних задач у плоскій та тривимірній постановці, проведенням шахтних експериментів з використанням стандартних методик та апаратури.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- доведена принципова можливість створення кріплення, здатного подолати негативний вплив гірського тиску; домінуючим чинником такого кріплення є міцність закріплення анкерної штанги у шпурі;

- уперше доведено, що для ефективного застосування анкерів високої несучої здатності міцність їх закріплення повинна бути в межах 3-5 кН/мм, що випливає з величини радіуса породної опори, сформованої навколо анкерної штанги; при міцності закріплення анкерної штанги менш ніж 3 кН/мм анкер не створює навколо себе породну опору, а лише утримує від обвалення зруйновані шари та зв'язує слабкі приконтурні породи;

- уперше встановлені кількісні закономірності, які пов'язують характеристики породної опори навколо анкера із параметрами анкерної штанги і міцністю її закріплення в шпурі, а також системи окремих порідних опор із параметрами опорного перекриття.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Гірські породи навколо анкерної штанги здобувають властивості породно-анкерної опори, якщо при їх оголені та в подальшому в них зберігається пружний стан, характерний для неторканого масиву, що досягається встановленням штанг довжиною 1,85-3 м при міцності їх закріплення 3-5 кН/мм, при цьому радіус дії анкеру зростає у ступеневій залежності від міцності закріплення анкера в шпурі та його довжини.

2. Сукупність опор створює породно-анкерне перекриття, за умов обмеження ними зміщення порід у виробку величиною не більше 20 - 30 мм, що для широкого спектру гірничо-геологічних умов проведення гірничих виробок досягається застосуванням системи анкерних штанг несучої здатності 300-950 кН та довжини 2,4-3 м зі щільністю 1-2,5 анк/м² та міцністю закріплення не менше 3-5 кН/мм.

3. Мінімальна кількість анкерів, при якій створюється породно-анкерне перекриття, досягається, якщо міцність їх закріплення у шпурі не менш 5 кН/мм, та насамперед визначається їх міцністю на розрив, при цьому для умов із очікуваними зміщеннями порід від 300 до 1000 мм, міцність анкерів повинна бути від 300 до 950 кН.

Наукове значення роботи полягає у виявленні закономірностей формування породних опор та обґрунтуванні параметрів анкерного кріплення, які забезпечують можливість та визначають умови створення принципово нового типу перекриття - опорно-анкерного, в якому завдяки блокуванню можливості виникнення зони руйнування навколо виробки, досягається збереження приконтурних порід у стані неторканого масиву.

Практичне значення:

- на підставі отриманих залежностей визначені технічні вимоги до елементів анкерного кріплення, які забезпечують високу надійність та безпеку експлуатаційного стану гірничих виробок для широкого спектру гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов вугільних шахт;

- результати виконаних обчислювальних експериментів у сукупності з результатами промислових випробувань склали основу для розробки нових інженерних методик розрахунку параметрів опорно-анкерного кріплення, визначення напрямків вдосконалення окремих елементів кріплення для забезпечення гарантовано високої якості закріплення анкерів у шпурах.

Результати дисертаційної роботи використані в нормативно-технічних документах:

- КД 12.01.01.501-98. “Система забезпечення надійного та безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням” (Мінвуглепром України, 1999),

- “Тимчасовий технологічний регламент вибору складу обладнання, параметрів і режимів експлуатації технічних засобів для кріплення сполучень лав та пластових штреків опорно-анкерним кріпленням в умовах шахт Західного Донбасу” (Мінпаливенерго України, 2001),

- галузева програма "Анкер-2004" широкомасштабного використання анкерного кріплення з полімерною ампулою на вугільних шахтах України у 2004-2010 роках. В рамках цієї програми очікуваний щорічний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи складатиме 114 тис. грн.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, одержаних результатів, висновків і рекомендацій підтверджені коректністю поставлених задач, застосуванням ефективних чисельних методів їх рішення з використанням апробованих методів теорії пружності та пластичності, збігом результатів чисельного рішення тестових задач із їх аналітичними рішеннями, високою кореляцією теоретичних результатів із попередньо отриманими експериментальними та практичними даними щодо можливості блокування руйнування приконтурних порід.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях: на Четвертій промисловій міжнародній науково-технічній конференції “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” в с. Славське (лютий 2004 р.), на конференціях молодих вчених ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України "Геотехнічні проблеми розробки родовищ" (м. Дніпропетровськ, 2003-2004 р.), на науково-практичній конференції "Удосконалення кріплення та ремонту гірничих виробок" (м. Павлоград, травень 2004 р.), на Третій міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.), на науково-технічних радах ДХК "Павлоградвугілля", “Лугансквугілля”, шахти ім. Засядько, шахти “Трудовські”, ш/у “Луганське” та ін., на наукових семінарах ІГТМ НАН України.

Особистий внесок здобувача складається у самостійному формулюванні мети та задач досліджень, ідеї роботи, її наукових положень і висновків, аналізі джерел інформації, виборі та розробці методів обчислювальних досліджень, проведенні всіх обчислювальних експериментів. Автор брав безпосередню участь у проведенні експериментальних робіт на шахтах, узагальненні виконаних експериментальних, теоретичних та обчислювальних досліджень, розробці нормативно-технічних документів. Зміст дисертації викладений автором самостійно.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 14 наукових працях, у т.ч. 2 - у розділах монографіі, 10 статей - у наукових фахових виданнях, з яких 6 без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновку і 5 додатків. Вона викладена на 175 сторінках машинописного тексту, 43 малюнків, 8 таблиць і список використаних джерел із 111 найменувань.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РАБОТИ

У першому розділі наведено аналіз робіт, які присвячені проблемі сучасних систем кріплення гірничих виробок з позиції здатності протидіяти зміщенню контуру виробок в широкому спектрі гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов.

Показано, що більшість виїмкових стовпів на шахтопластах України підготовлюється виїмковими штреками, в яких до 50% кріплення при підході лав перебуває у передаварійному стані зі зміщенням контуру виробки 400 - 700 мм. Близько 30% кріплення виїмкових штреків перебувають в аварійному стані та вимагають значних обсягів ремонтних робіт як до підходу лав, так і поза лавами з повною заміною рам (зміщення контуру виробок понад 700 мм). При втраті 30-50% площі перетину виробок навантаження на очисний вибій знижується на 50-70% та різко погіршуються умови праці на сполученні лави зі штреком. При цьому кількість шахтопластів з тяжкими умовами постійно зростає у зв'язку зі збільшенням глибини проведення гірничих робіт. Таке положення свідчить про те, що рамне кріплення, як засіб протидії гірському тиску, поступово вичерпує свої можливості.

На шахтах передових вуглевидобувних країн для кріплення виїмкових штреків все більше застосовуються анкерні сталеполімерні системи кріплення. Вони являють собою просторову систему штанг із стрижнів спеціального стального прокату, які закріплені полімерними композитами у шпурах. Системи анкерів разом з опорними елементами кріплення (опорні шайби, підхоплювачі, металева сітка), в залежності від параметрів окремого анкеру, якості його закріплення, щільності, схем та технології їх встановлення, у даний час застосовуються для підшивання порушених порід безпосередньої покрівлі до основної покрівлі, або скріплювання одне до одного окремих шарів гірських порід в приконтурній області. Це перешкоджає вільному деформуванню приконтурних гірських порід, що в певній мірі зменшує навантаження на основне кріплення та підвищує стійкість гірничих виробок в умовах очікуваних 200-500 мм зміщень їх незакріпленого контуру.

Умови вугільних шахт України характеризуються діапазоном зміщення породного контуру покрівлі виробок із традиційним кріпленням у межах 200-1500 мм. Прийнято вважати, що протидіяти погіршенню гірничо-геологічних умов можливо шляхом збільшення щільності встановлення анкерів. Разом з тим, кількість анкерів у гірничих виробках з величиною очікуваних зміщень 500-1000 мм, виходячи із прийнятих у закордонній практиці розрахункових моделей, настільки велика, що анкерне кріплення стає недоцільним як з економічних, так і технологічних позицій.

В дисертації розглянуто геомеханіку принципово нового типу кріплення, яке в умовах очікуваних 500-1000 мм зміщень незакріпленого контуру, за допомогою анкерів протидіє розвантаженню мінімальної компоненти напружень приконтурної зони порід, що зберігає їх у непорушеному стані, характерному для неторканого масиву. При такому кріпленні у масиві заблоковані процеси знеміцнення і розпушення приконтурних порід, тому на нього практично не впливає наявність виробки. Створення такого кріплення базується на вивченні механізмів роботи анкерного кріплення високої несучої здатності з високою міцністю закріплення та визначенні умов безпечного та надійного його застосування.

Великий внесок у вивчення механізмів роботи анкерного кріплення, розробку його конструкцій та технологій зведення зробили вчені та фахівці ВНДМІ, КУЗНДІ, НДІОМШБ, НГУ, ІГТМ, ДонВУГІ, а також науково-дослідних центрів інших країн, до яких відносяться, насамперед, Австралія, Великобританія, Німеччина і США.

За результатами, що отримані у СРСР в 60-80 роки минулого століття, розроблено нормативні документи, які дозволяли застосування різноманітних конструкцій анкерного кріплення, як самостійного, в стійких породах зі зміщенням контуру до 50-100 мм і як засіб зміцнення нестійких слабких приконтурних порід та їх утримання від обвалень зруйнованих шарів.

В останні 15 років, з розробкою в Австралії та Великобританії високоміцних полімерних закріплювачів, у закордонних країнах почалося поступове витиснення рамного кріплення анкерними системами. Застосування анкерного кріплення в ряді країн досягло 90% від обсягу всіх проведених виробок. Проте, теоретичні дослідження закордонних і вітчизняних вчених щодо роботи анкерного кріплення в основному базувалися на механізмах, розроблених в 60-80 роках. У цьому зв'язку, Британська технологія проведення та кріплення штреків прямокутного перетину анкерами, яка є найбільш проробленою, одержала широке світове поширення в умовах зі зміщеннями порід покрівлі до 400 мм, та глибиною розробки 600-800 м.

Практикою застосування анкерного кріплення з'ясовано, що встановлення високоміцних анкерів блокує розвиток руйнування порід поблизу виробки. При виборі параметрів кріплення, що обмежують величину зміщень покрівлі 25 мм, породи навколо виробки залишалися в пружному стані. Експериментальними дослідженнями було доведено, що великий вплив на якість закріплення анкерних штанг має дотримання величини зазору між анкером і стінками шпуру на рівні 2,5-3 мм. При збільшенні його до 4-5 мм міцність закріплення знижувалася на десятки відсотків, а при збільшенні до 10 мм анкерні штанги практично не закріплювалися. Разом з тим, достатньої уваги виявленим фактам не надавалося, механізми формування міцного перекриття покрівлі не досліджувалися. Внаслідок цього не була визначена роль анкерного кріплення в блокуванні розвитку геомеханічних процесів навколо гірничої виробки.

У другому розділі для вивчення механізмів роботи анкерного кріплення розроблено математичну модель в пружно-пластичній постановці та алгоритми розрахунку напруженого стану гірських порід навколо виробки з анкерами високої несучої здатності та високою міцністю закріплення. Ця модель враховує: параметри анкерного кріплення (щільність установки анкерних штанг, їх довжину, міцність закріплення в шпурі, міцність на розтяг та деформаційні властивості анкерної штанги та її закріплювача), параметри виробки та форму її поперечного перетину, міцність та деформаційні властивості гірських порід, шаруватість порід, а також час і місце введення анкерного кріплення в роботу.

Для вирішення поставленої задачі застосовується чисельний метод кінцевих елементів. Згідно з цим методом, порідний масив апроксимується призматичними кінцевими елементами (КЕ), для моделювання анкерної штанги використовується стрижневий КЕ, для моделювання полімерного закріплення анкера з можливістю змінювати міцність закріплення застосовується спеціальний контактний КЕ, який має 4 вузли, два з них збігаються з вузлами стрижневого КЭ, а інші два - з вузлами призматичного КЕ, що моделюють порідний масив.

Міцність закріплення анкерної штанги визначається як питома несуча здатність на зрушення полімерного закріплювача відносно породи або штанги.

Матриця жорсткості всієї системи формується з матриць жорсткості окремих кінцевих елементів, що моделюють порідний масив, анкерні штанги, контакт-елементи шляхом підсумовування відповідно до глобальної системи нумерації вузлів.

Верифікація розробленої розрахункової моделі, що проводилася шляхом порівняння чисельних рішень з результатами аналітичних рішень тестових задач, показала, що їх розбіг не перевищує 6 %.

Для оцінки ступеня та характеру зміни напруженого стану гірських порід поблизу виробки застосовуються наступні параметри:

- наведена різниця максимальної та мінімальної компонент головних напружень, що характеризує можливість виникнення руйнування

;

- наведена мінімальна компонента головних напружень, що характеризує можливий режим руйнування

,

при 0,6<Q та P<0,1 - руйнування крихке, при 0,2<Q<0,6 та 0,1<P<0,3 - руйнування псевдо пластичне, при Q<0,2 та P>0,3 - можливість розвитку руйнування блокується;

- параметр Лоде-Надаї, що дає узагальнену оцінку напруженого стану, у якому перебувають гірські породи

.

Такі оцінки введені у зв'язку з тим, що при вивченні ролі анкерування розглядаються породи з анкерами, встановленими в привибійній частині гірничої виробки, у яких поле напружень ще змінено незначно щодо стану неторканого масиву. Діапазон припустимих зміщень порід покрівлі 20-30 мм при ширині 4,5-5,5 м відповідає її граничному пружному прогину перед переходом на режим непружного деформування.

Математична модель та алгоритми розрахунку напруженого стану гірських порід навколо заанкерованої виробки, які розроблені, дозволяють з високим ступенем достовірності дослідити поведінку приконтурного масиву гірських порід як із окремим анкером, так і з системою анкерів високої несучої здатності та високою міцністю закріплення. Комплекс програм, що реалізує розроблені алгоритми, являє собою засіб для багатопланового дослідження геомеханіки масиву гірських порід з виробками, що закріплені анкерами.

Третій розділ присвячено вивченню впливу параметрів окремого анкеру, закріпленого у шпурі по всій його довжині затверділим полімерним композитом, на зміни напруженого стану в породному масиві та визначенню умов формування довкола нього породної опори.

З метою оцінки впливових факторів встановленого анкеру, на першому етапі виконано моделювання напруженого стану гірських порід привибійний частини незакріпленої виробки, що є базовим результатом для подальшого аналізу. Зіставлення результатів розрахунку напружень у привибійний частини виробки без анкерів і з одним анкером показує наступне.

Для виробки без анкерного кріплення в приконтурній області формується поле напружень, у якому при відході вибою є можливим виникнення та розвиток руйнування. Виявлено, що з установкою анкера виникає область безпосередньо пов'язаних з ним порід покрівлі виробки, яка стримується від зміщень. При відході вибою породи цієї області навколо анкера не розвантажуються і залишаються в стиснутому стані. На видаленні від анкерної штанги розвиток процесів у порідному масиві відбувається аналогічно розвитку процесів у виробці без анкера. З отриманих результатів випливало, що, чим більший розмір цієї області, тим більш сильним є вплив анкера на стійкість виробки. Слід зазначити, що сучасний полімерний закріплювач у широкому діапазоні гірничо-геологічних умов здатний забезпечити необхідну для цього високу міцність зчеплення порід зі сталевою штангою. Завдяки цьому навколо анкерної штанги в приконтурному масиві може бути створений порідний блок, у якому зберігається стан, максимально наближений за своїми характеристиками до стану неторканого масиву. В такому блоці може бути досягнута його висока міцність завдяки фізичному об'єднанню високої міцності гірської породи на всебічний стиск і сталевої штанги на розтяг. Зона навколо анкера, у якій зберігається пружний напружено-деформований стан, практично однаковий із неторканим масивом, визначена як опора, що утримує всі інші гірські породи приконтурної зони від зміщення у виробку.

Задача досліджень даного розділу складалася також у встановленні ступеня і характеру впливу міцності закріплення анкера та його довжини і наявності опорної шайби на розміри порідної опори.

На рис. 1 представлені результати одного із серії обчислювальних експериментів, у яких проводилися розрахунки з різними довжинами анкерної штанги при фіксованій міцності її закріплення без опорної шайби.

Результати розрахунків показали, що, незважаючи на те, що анкер закріплений по всій довжині, лінійний розмір опори менше довжини анкеру. Тобто деяка частина його не впливає на створення опори.

Така пасивна частина зростає від 0,4 до 0,7 м пропорційно міцності закріплення анкеру. Тому при довжинах анкера менших 1,5 м висота породної опори є недостатньою для протидії гірському тиску. Зі збільшенням довжини штанги з 1,85 м до 3,25 м радіус сформованої породної опори збільшується з 0,15 м до 0,37 м при міцності закріплення штанги 3 кН/мм.

На рис. 2 представлені результати обчислювальних експериментів, у яких міцність закріплення анкерної штанги змінювалася від 1 до 4 кН/мм.

На підставі отриманих даних зроблено висновок, що при міцності закріплення менше ніж 3 кН/мм, опора не створюється. При цьому стає недоцільним застосування анкерних штанг високої несучої здатності (з міцністю на розрив 250 кн і більше). При низькій міцності закріплення анкерна штанга не може бути навантажена до своїх робочих показників.

За результатами моделювання застосування опорної шайби отримані наступні дані. Опорна шайба площею до 400 см² та несучою здатністю 150 кН дозволяє утримувати в стислому стані більший обсяг гірських порід, що безпосередньо прилягають до контуру виробки, і, тим самим, - збільшити висоту опори. Отже, застосування опорної шайби дозволяє більш повно використовувати несучу здатність металу штанги. Ефективність роботи штанги з опорною шайбою зростає пропорційно жорсткості та опорній площі застосовуваних шайб.

Дані, отримані при проведенні обчислювальних експериментів із визначення радіуса впливу анкера, залежно від міцності закріплення та довжини анкерної штанги, наведені у табл. 1.

Таблиця 1

Радіус впливу анкеру, залежно від міцності закріплення та довжини анкерної штанги

Довжина анкерної штанги, м	Радіус впливу анкеру (м) в залежності від міцності закріплення анкерної штанги
	1 кН/мм	2 кН/мм	3 кН/мм	4 кН/мм	5 кН/мм
1,85	0,08	0,11	0,15	0,18	0,22
2,00	0,10	0,16	0,22	0,29	0,35
2,25	0,12	0,18	0,26	0,34	0,42
2,50	0,12	0,20	0,28	0,37	0,46
2,85	0,13	0,22	0,31	0,41	0,51
3,25	0,14	0,23	0,34	0,45	0,56
3,85	0,15	0,25	0,37	0,50	0,63

Аналіз даних, наведених у табл. 1, показує, що характер залежності радіусу опори від довжини та міцності закріплення змінюється від лінійного, при малій довжині штанги, до статечного при збільшені її довжини. Виходячи з такого характеру зміни залежності, обрано наступний вид апроксимуючої функції:

,

де a, b - параметри апроксимації, що визначають вплив властивостей приконтурних порід гірського масиву, а = 7,5; b = 14;

- міцність закріплення анкерної штанги;

- довжина анкерної штанги;

d - параметр апроксимації, d = 0,1;

S - параметр апроксимації, що залежить від міцності полімерного закріплювача, змінюється від 0,2 до 0,6 .

Точність апроксимації обчислювальних даних наведеною функцією склала 15%.

Основа статечної функції залежить від міцності закріплення анкерної штанги, а показник від її довжини.

На рис. 3 наведена залежність радіуса впливу анкеру від міцності його закріплення та при різних значеннях довжини.

З наведених на рис. 3 графіків видно, що при довжині анкерної штанги більше 2,25 м і міцності її закріплення більше 4 кН/мм радіус впливу анкеру перевищує 0,5 м. Згідно із нормативами відстань між встановленими анкерами не повинна перевищувати 1 м. Тому при перевищенні створеної анкером породної опори радіуса 0,5 м та при мінімально можливій щільності установки анкерних штанг відбувається їх взаємодія. А при перевищенні радіуса впливу 0,5 м породні опори створюють жорстку конструкцію з більш високими характеристиками жорсткості, чим необхідно для опорно-анкерного кріплення виїмкових штреків. Тому для подальшого збільшення міцності закріплення немає сенсу.

Моделювання окремого анкеру, закріпленого у шпурі затверділим полімерним композитом, показало, що навколо анкеру виникає зона, в якій зберігається напружено-деформований стан, практично незмінний відносно неторканого масиву. Це є ознакою формування в цій області породної опори і досягається встановленням штанг довжиною більше 1,85 м при міцності їх закріплення більше 3 кН/мм. При цьому радіус опори зростає у ступеневій залежності від міцності закріплення анкера в шпурі і його довжини.

У четвертому розділі вивчалися особливості та закономірності формування опорного перекриття у покрівлі гірничої виробки просторовою системою закріплених у шпурах анкерних штанг. Основне завдання системи анкерів - максимально заблокувати можливість виникнення руйнування приконтурних порід. Для цього необхідно, щоб створені анкерами опори максимально ефективно взаємодіяли між собою і при цьому, разом з іншими елементами кріплення, перешкоджали зміщенню приконтурного масиву усередину гірничої виробки, підвищуючи таким чином її стійкість.

Зіставлення результатів розрахунків напружень у привибійній частині виробки без анкерів та з системою анкерів показує наступне.

З установкою системи анкерів у покрівлі гірничої виробки збереглася зона тривісно стислих порід з підвищеними значеннями мінімальної компоненти напружень (P>0,3), яка охоплює значну частину приконтурного простору в покрівлі виробки. Над виробкою системою анкерів може бути сформоване високоміцне суцільне перекриття, у якому блокована можливість розвитку мимовільного руйнування.

Задача даного розділу складалася у встановленні залежностей між щільністю зведення анкерів, їх довжиною, міцністю закріплення та несучою здатністю, за допомогою яких при різних умовах закладання виробки можуть бути обрані параметри опорно-анкерного перекриття покрівлі зі зміщенням її не більше 20-30 мм. геомеханічний гірничий виробка анкер

На рис. 4 представлені результати обчислювального експерименту, у якому проводилися розрахунки з різною щільністю установки анкерів.

За результатами моделювання встановлено, що при малій щільності розміщення анкерів окремі породні опори, сформовані навколо анкерних штанг, не взаємодіють між собою. Однак, навіть за таких умов, стійкість покрівлі виробки набагато вища, ніж при традиційному підтримуючому кріпленні. Але при достатній щільності стиснуті зони навколо окремих анкерних штанг перетинаються та утворюють суцільне перекриття.

Аналогічно проведені розрахунки при змінах довжини та міцності закріплення анкерних штанг.

Результати обчислювальних експериментів узагальнені, виходячи з вимоги створення опорно-анкерного перекриття з необхідною та достатньою щільністю анкерування.

З проведеного аналізу отриманих результатів визначено, що при довжині анкерної штанги 2,25 м щільність установки анкерів визначається міцністю закріплення анкерних штанг і може бути апроксимована функцією лінійного виду:

,

де P_зак - міцність закріплення анкерної штанги.

Характер такої залежності ґрунтується на тому, що від міцності закріплення анкерних штанг залежить радіус створюваних ними породних опор і зі збільшенням міцності закріплення збільшується й радіус опори. Тому, при відповідній міцності закріплення, для створення високонесучого перекриття в покрівлі виробки потрібна менша кількість анкерів.

Довжина анкерних штанг, що застосовуються для створення породного перекриття, залежить від категорії стійкості гірських порід, що вміщають виробку (визначається величиною зміщень U породного контуру гірничої виробки, що незакріплена), і міцності анкерної штанги на розтяг. Ця залежність має ступеневий характер і апроксимується функцією

,

де

B - ширина виробки;

S_ш - площа опорної шайби;

P_ш - опір шайби;

U - можливі зміщення незакріпленого породного контуру виробки;

P_a - межа міцності анкерної штанги.

У графічному виді залежність довжини анкерної штанги від її міцності на розрив і можливих зміщень незакріпленого породного контуру виробки, представлена на рис. 5.

На стан породного перекриття, сформованого в покрівлі виробки анкерами, найбільше впливають міцність закріплення анкерних штанг і категорія стійкості порід, що вміщають виробку. Причому, міцність закріплення є блокуючим чинником, при досягненні значення міцності від 3 до 5 кН/мм породи набувають властивостей, характерних для порід І-ої категорії стійкості. Тобто, при високій якості закріплення анкерних штанг вплив інших факторів на стійкість перекриття істотно зменшується.

Достовірність отриманих результатів підтверджується практичними спостереженнями за зміною стану приконтурних порід при спорудженні виробки з анкерним кріпленням. Натурними спостереженнями відзначається, що при досить високій якості закріплення анкерних штанг та з установкою їх кількості відповідно до розрахунків, у приконтурному масиві починає зберігатися стан, наближений до неторканого. Кількість анкерів, встановлювана при проведенні виробок, збігалася з кількістю, отриманою в результаті розрахунків з точністю до 1 анкера.

На підставі встановлених закономірностей визначені наступні параметри опорно-анкерного кріплення:

1. Нижня межа міцності закріплення анкерної штанги становить:

,

При меншій міцності закріплення анкер не створює опору і працює як засіб утримання від обвалення зруйнованих шарів і зміцнення слабких приконтурних порід.

2. Щільність установки анкерних штанг у покрівлі гірничої виробки залежно від міцності закріплення їх у шпурі становить:

N=4 анкер/м² при , оскільки ,

N=3 анкер/м² при , оскільки ,

N=2 анкер/м² при , оскільки ,

де N - максимальна щільність установки анкерних штанг.

3. Параметри та умови застосування анкерного кріплення в якості самостійного, що обмежує зміщення порід покрівлі в діапазоні 20-30 мм, наведені в табл. 2:

Таблиця 2

Параметри та умови застосування анкерного кріплення в якості самостійного

Зміщення незакріпленої покрівлі, мм	Міцність анкерної штанги на розрив, кН	Мінімальна щільність установки анкерів, анкер/м2	Необхідна міцність закріплення анкера, кН/мм	Необхідна довжина анкерних штанг, м
до 300 мм	600	1,0	3	2,4
до 300 мм	400	1,3	3	2,4
до 400 мм	700	1,0	3	2,4
до 400 мм	400	1,4	3	2,4
до 500 мм	800	1,0	4	2,4
до 500 мм	400	1,7	4	2,4
до 600 мм	800	1,0	4	2,4
до 600 мм	400	2,0	4	2,4
до 700 мм	850	1,0	4	2,4
до 700 мм	400	2,3	4	2,4
до 800 мм	740	1,0	5	2,4
до 800 мм	400	2,2	5	2,4
до 900 мм	830	1,0	5	2,4
до 900 мм	400	2,4	5	2,4
до 1000 мм	900	1,0	5	2,7
до 1000 мм	400	2,7	5	2,7

При застосуванні анкерів з іншими параметрами та більш низькою якістю закріплення для досягнення високої стійкості виробок необхідно збільшувати щільність анкерування, що нелінійно залежить від цих параметрів. Залежно від конкретних умов, це необхідно досягати за допомогою або збільшення кількості анкерних штанг, що встановлюються в одному ряду, або зменшенням відстані між рядами анкерів.

При неможливості досягти високої стійкості виробки тільки за допомогою анкерних систем необхідно переходити до комбінованих анкерно-рамних або рамно-анкерних систем.

Моделювання просторової системи закріплених у шпурах анкерних штанг виявило особливості та закономірності формування у покрівлі гірничої виробки опорно-анкерного перекриття, завдяки якому зміщення порід у виробку не перевищують 20-30 мм за весь період її експлуатації. В умовах очікуваних зміщень контуру незакріпленої виробки 200-1000 мм опорно-анкерне перекриття утворюється системою анкерних штанг несучої здатності 300-950 кН та довжини 2,4-3 м, встановлених з щільністю 1-2,5 анк/м² та міцністю закріплення не менше 3-5 кН/мм. При цьому для типової виробки, що погашається поза лавою, мінімальна щільність анкерів (1 анкер/м²) може бути досягнута анкерними штангами довжиною 2,4-2,7 м, міцністю на розрив від 300 до 900 кН та при міцності їх закріплення у шпурі не менш 5 кН/мм.

Для визначення ефективності роботи опорно-анкерного кріплення в умовах вугільних шахт України, відповідно до наказу Міністерства вугільної промисловості України №61 від 16.02.2000 р., на шахті "Павлоградська" ДХК “Павлоградвугілля” були проведені галузеві промислові випробування. У результаті випробувань була доведена висока ефективність цього типу кріплення. Уперше в умовах шахт Західного Донбасу втрати перетину виробки - від початку спорудження до погашення за лавою, не перевищили 5%. При цьому зміщення порід покрівлі при відході вибою виробки під час її спорудження на відстань 20-25м становили 5-10 мм. Після цього зміщення покрівлі припинялися. Лише у зоні впливу очисних робіт на відстані 10-25 м до вибою спостерігалися зрушення і в зоні вікна лави зміщення покрівлі становили 20-40 мм, боків - 10-20 мм. Здимання ґрунту у виробку протягом усього часу її експлуатації було відсутнє. Розбіг отриманих даних шахтних спостережень з результатами обчислювальних розрахунків становив 22%, що підтверджує достовірність розробленої математичної моделі.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці нормативно-технічних документів: КД 12.01.01.501-98. “Система забезпечення надійного та безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням” (Мінвуглепром України, 1999) і “Тимчасовий технологічний регламент вибору складу обладнання, параметрів і режимів експлуатації технічних засобів для кріплення сполучень лав та пластових штреків опорно-анкерним кріпленням в умовах шахт Західного Донбасу” (Мінпаливенерго України, 2001), та галузевої програми "Анкер-2004" широкомасштабного використання анкерного кріплення з полімерною ампулою на вугільних шахтах України у 2004-2010 роках. В рамках цієї програми очікуваний щорічний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи складатиме 114 тис. грн.



ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримано нове рішення актуальної науково-прикладної задачі обґрунтування параметрів і умов застосування опорно-анкерного кріплення на вугільних шахтах України, шляхом теоретичного узагальнення результатів чисельного моделювання доведена працездатність принципово нового кріплення гірничих виробок здатного в значній мірі подолати негативний вплив гірського тиску, що має велике народногосподарське значення для вуглевидобувної галузі.

Основні наукові та практичні результати дисертації полягають у наступному.

1. Розроблено математичну модель, алгоритм та комплекс програм розрахунку напруженого стану гірських порід поблизу виробки із анкерами високої несучої здатності та високою міцністю закріплення. Комплекс програм являє собою засіб для багатопланового дослідження геомеханіки масиву гірських порід з виробками, що закріплені анкерами.

2. Теоретично обґрунтовані параметри та умови застосування принципово нового типу кріплення - опорно-анкерного, яке засноване на збереженні приконтурних порід в неторканому стані шляхом блокування анкерами високої несучої здатності з високою міцністю закріплення можливості виникнення та розвитку зони руйнування навколо виробки.

3. Оцінено вплив параметрів окремого анкера на зміни напруженого стану у породному масиві та визначено умови формування породної опори навколо анкера. Встановлені кількісні закономірності, які пов'язують характеристики породної опори із параметрами анкерної штанги і міцністю її закріплення в шпурі. Доведено, що для ефективного застосування анкерів високої несучої здатності міцність їх закріплення повинна становити від 3 до 5 кН/мм, що випливає з величини радіуса породної опори, сформованої навколо анкерної штанги.

4. Виявлено особливості та закономірності формування системою анкерів у покрівлі гірничої виробки опорного перекриття, що обмежує зміщення її контуру в межах 20-30 мм. Встановлені умови та кількісні закономірності, які пов'язують характеристики системи окремих породних опор із параметрами опорного перекриття виробки. Встановлено, що міцність закріплення анкерних штанг є головним параметром опорно-анкерного кріплення. Підвищення значення цього показника зменшує кількість анкерів, необхідних для блокування розвитку руйнування навколо виробки, та забезпечує формування опорного перекриття з високими показниками несучої здатності.

5. Обґрунтовано принципову можливість створення технічних засобів, здатних подолати негативний вплив гірського тиску та визначено технічно досяжні параметри таких опорно-анкерних систем кріплення.

6. На підставі отриманих залежностей визначені технічні вимоги до елементів анкерного кріплення, які забезпечують високу надійність та безпеку експлуатаційного стану гірничих виробок для широкого спектру гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов вугільних шахт.

7. У роботі показано, що за рахунок впровадження опорно-анкерного кріплення суттєво підвищується стійкість гірничих виробок. При цьому поліпшуються умови та безпека праці, майже повністю виключається виробничий травматизм, обумовлений обваленням гірських порід при проведенні гірничих виробок та їх експлуатації.

8. Результати дисертаційної роботи використані при розробці нормативно-технічних документів: КД 12.01.01.501-98. “Система забезпечення надійного та безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням” (Мінвуглепром України, 1999) і “Тимчасовий технологічний регламент вибору складу обладнання, параметрів і режимів експлуатації технічних засобів для кріплення сполучень лав та пластових штреків опорно-анкерним кріпленням в умовах шахт Західного Донбасу” (Мінпаливенерго України, 2001), та галузевої програми "Анкер-2004" широкомасштабного використання анкерного кріплення з полімерною ампулою на вугільних шахтах України у 2004-2010 роках. В рамках цієї програми очікуваний щорічний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи складатиме 114 тис. грн.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Круковский А.П., Мусияка В.Г. Решение осесимметричной задачи теории упругости для неоднородных тел вращения методом конечных элементов // Актуальные проблемы вычислительной механики и прочности конструкций: Сб. науч. трудов / ДГУ. - Днепропетровск. - 1995. - С. 83-88.

2. Круковский А.П. Особенности воздействия на массив анкеров с химическим закрепителем // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 1999. - №15. - С. 80-83.

3. Круковский А.П. Определение распределения напряжений в неоднородной слоистой среде вокруг выработки круглого сечения // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2000. - №21. - С. 126-128.

4. Круковский А.П. Математическое моделирование горного давления вокруг выработки // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2000. - №22. - С. 109-111.

5. Виноградов В.В., Круковский А.П. К вопросу об особенностях применения анкерной крепи // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2001. - №25. - С. 28-33.

6. Круковский А.П. Оценка устойчивости горных выработок с опорно-анкерной крепью в сложных горно-геологических условиях // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2002. - № 38. - С. 41-54.

7. Геомеханические основы традиционного крепления выработок / Булат А.Ф., Виноградов В.В., Круковский А.П., Булич Ю.Ю. // Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт. - Днепропетровск, 2002.- С.59-72.

8. Геомеханические основы крепления выработок анкерами высокой несущей способности / Булат А.Ф., Виноградов В.В., Круковский А.П. // Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт. - Днепропетровск, 2002.- С. 73-115.

9. Круковский А.П., Круковская В.В. Обзор существующих методов расчета напряженно-деформированного состояния и устойчивости массива горных пород // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2002. - №36. - С. 178-186.

10. Виноградов В.В., Круковский А.П. Геомеханика формирования опор анкерами высокой несущей способности // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2003. - №44. - С. 44-53.

11. Круковский А.П. Влияние плотности установки высоконесущих анкерных штанг на формирование системы опорного перекрытия // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2003. - №47. - С. 254-261.

12. Адорская Л.Г., Большаков П.Я, Круковский А.П. О подходах к безремонтному поддержанию горных выработок в сложных горно-геологических условиях системами анкерного крепления // Материалы Четвертой промышленной международной научно-технической конференции “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”.- п. Славское, 2-7 февраля 2004.- с. 97-99.

13. Круковский А.П. Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2004. - №51. - С. 239-250.

14. Круковский А.П. Формирование породной опоры с применением анкера высокой несущей способности // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2005. - №55. - С. 82-91.



АНОТАЦІЯ

Круковський О.П. Обґрунтування параметрів та умов застосування анкерного кріплення на вугільних шахтах. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність: 05.15.09 - "Механіка ґрунтів та гірських порід". - Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, Дніпропетровськ, 2005 р.

Дисертаційна робота присвячена дослідженням геомеханічних процесів, що протікають у приконтурному масиві гірничої виробки, закріпленою анкерним кріпленням.

На базі нелінійної просторової задачі механіки гірських порід розроблена математична модель геомеханічних процесів, що протікають у приконтурному масиві поблизу вибою гірничої виробки із установленими анкерами. Для вирішення поставленої задачі застосовується чисельний метод кінцевих елементів.

За допомогою розробленої моделі та алгоритмів розрахунку, з огляду на широкий спектр гірничо-геологічних умов і параметрів анкерного кріплення, проведений багатофакторний обчислювальний експеримент по визначенню впливу різних факторів на стійкість виробок з анкерним кріпленням. Це вперше дозволило підійти до постановки й практичного рішення завдання по визначенню параметрів анкерного кріплення, при яких забезпечується стійкість виробки з величиною зміщення приконтурних порід не більше 20-30 мм за весь період її експлуатації в широкому діапазоні гірничо-геологічних умов.

Шляхом теоретичного узагальнення результатів чисельного моделювання доведена працездатність принципово нового кріплення гірничих виробок здатного в значній мірі подолати негативний вплив гірського тиску.

Результати роботи використані при розробці нормативно-технічних документів (КД 12.01.01.501-98, технологічний регламент).

Ключові слова: вуглепорідний масив, гірська виробка, покрівля, опорно-анкерне кріплення, напружено-деформований стан.



АННОТАЦИЯ

Круковский А.П. Обоснование параметров и условий применения анкерной крепи на угольных шахтах. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность: 05.15.09 - Механика грунтов и горных пород. - Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины, Днепропетровск, 2005 г.

Работа посвящена исследованиям геомеханических процессов, протекающих в приконтурном массиве выработки с анкерами высокой несущей способности и прочности закрепления. В отличие от существующих представлений о работе систем анкерного крепления, как средства удержания от обрушения разрушенных слоев и упрочнения слабых приконтурных пород, в данной работе рассмотрены условия создания породных опор вокруг анкерных штанг и их роль в блокировании развития процесса разрушения приконтурного массива.

На базе нелинейной пространственной задачи механики горных пород разработана математическая модель геомеханических процессов, протекающих в приконтурном массиве вблизи забоя горной выработки с установленными анкерами. Для решения поставленной задачи применяется численный метод конечных элементов.

При помощи разработанной модели и алгоритмов расчета, учитывая широкий спектр горно-геологических условий и параметров анкерной крепи, проведен многофакторный вычислительный эксперимент по определению влияния различных факторов на устойчивость выработок с анкерной крепью. Это позволило осуществить постановку и практически решить задачу по определению параметров анкерной крепи, при которых обеспечивается устойчивость выработки с величиной смещения приконтурных пород не более 20-30 мм за весь период ее эксплуатации в широком диапазоне горно-геологических условий.

Путем теоретического обобщения результатов численного моделирования доказана работоспособность принципиально нового вида крепи горных выработок, способной в значительной мере преодолеть отрицательное влияние горного давления.

Результаты работы отражены в нормативно-технических документах (КД 12.01.01.501-98, технологическом регламенте).

Ключевые слова: углепородный массив, горная выработка, кровля, опорно-анкерная крепь, напряженно-деформированное состояние.



ANNOTATION

Krukovsky A.P. Parameters and coalmine roadways roof conditions foundation for anchor bolting technology. - The manuscript

Thesis for scientific degree of the candidate of technical sciences on specialty 05.15.09 - "Soil and rock mechanics". - Institute of geotechnical mechanics by N.S.Poljakov of National science academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2005.

The skill work is devoted to geomechanical processes investigations of strata behaviour around coalmine roadways supported by high bearing capacity and durability roofbolts. The mathematical model for coalmine roadways with roof bolting is developed. The numerical method of finite elements to a solution of problem is applied.

Developed algorithm and model allowed conducting manyfactors numerical relationship investigations on roof stability roadway with anchor bolting technology. Obtained parameter relationships permitted to decrease negative strata pressure influence near mine roadway. New kind of mine working support is proposed.

Scientific results in coalmine standards and department documents are presented.

Keywords: rock mass, support, roadway, roof stability, roof bolting.

Размещено на Allbest.ru

...