Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных решений по обеспечению устойчивости горных выработок является применение анкерной крепи, которая по сравнению с другими конструкциями имеет следующие преимущества: повышение безопасности ведения проходки за счет лучшего сопротивления воздействию взрывных работ; возможность полной механизации процесса крепления; меньший расход крепежных материалов и снижение затрат на их доставку; возможность уменьшения проходческого сечения горной выработки на 18 - 25% и ее аэродинамического сопротивления.
В настоящее время на угольных шахтах Донбасса и других горнодобывающих предприятиях страны в протяжённых выработках широко применяется анкерная сталеполимерная крепь. Несмотря на соответствие параметров и конструкций крепи нормативным требованиям, наблюдается большое число случаев расслоения и обрушения кровли выработок. Это влечет за собой необходимость остановки эксплуатации выработок и проведения дорогостоящего ремонта.
Разрушение установленных в кровли выработок анкеров, в том числе выполненных без резьбы (А20В, АКС), то есть обладающих равной прочностью стержня по всей его длине, и закрепляемых в скважинах на участке протяжённостью 1,0 - 1,2 м, происходят в их устьях. При использовании в качестве опорного элемента анкерной крепи металлических полосовых подхватов частота разрушений крайних в рядах анкеров (60 %) существенно выше, чем установленных посередине пролёта выработки (15 %). Данные факты противоречат аналитическим исследованиям, согласно которым максимум напряжений в поперечном сечении анкера отмечается на расстоянии одной трети длины скважины от её устья, при этом наибольшие усилия в ряду воспринимает центральный анкер, и позволяют полагать, что разрушение анкеров происходит под действием не только растягивающих, но и срезающих усилий.
Однако известные теоретические исследования влияния анкерной крепи на напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработки выполнены без учёта срезающих усилий в анкерах. При проведении шахтных исследований комплексных измерений срезающих усилий в анкерах также не проводилось. Отсутствие фактических данных в этой области привело на практике к однобокому и неэффективному подходу в решении задач обеспечения устойчивости выработок, предусматривающему увеличение сопротивления анкерной крепи только растягивающей нагрузке. Кроме того, сдерживается распространение перспективной композиционной анкерной крепи, стержни которой обладают невысокой прочностью на срез (в нормативно-методических положениях отсутствуют требования к прочности анкеров на срез).
В этой связи дальнейшее совершенствование методов расчета анкерной крепи, конструкций и схем ее установки, с учетом возникающих в анкерах срезающих усилий, является актуальной научной задачей.
Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт 14.740.11.0427), а также госбюджетной темы кафедры подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов П53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».
Целью работы является обоснование параметров анкерной крепи протяженных горных выработок на основе учета срезающих усилий в анкерах, обеспечивающих повышение безопасности работ и увеличение сроков безремонтной эксплуатации выработок.
Идея работы: повышение эффективности анкерного крепления достигается применением схем ее установки, которые учитывают влияние срезающих усилий в анкерах на процесс взаимодействия анкерной крепи и пород кровель протяжённых горных выработок и формируют в породах поле сниженных нормальных тангенциальных напряжений.
Методы исследования. В работе использован, комплексный метод исследования, включающий системный анализ и научное обобщение опыта крепления анкерами горных выработок, аналитическое решение задач теории упругости и механики подземных сооружений, производственное экспериментирование, математическую статистику, компьютерное моделирование.
Защищаемые научные положения:
-
Максимальные срезающие усилия, превышающие средние в ряду на 32-48 %, возникают в крайних в ряду анкерах кровли протяженных выработок, при этом с увеличением длины заделки стрежня анкера их величина нелинейно возрастает, пик усилий смещается к контуру кровли, что обуславливает уменьшение растягивающей нагрузки на анкерную крепь.
-
Место расположения анкера в ряду, конструкция и параметры анкерной крепи кровли выработки не оказывают существенного влияния на качественный характер распределения срезающих усилий по длине анкера, а максимальное уменьшение количественных значений срезающих усилий, в большей степени в крайних в ряду анкерах, достигается при увеличении плотности анкерования.
-
Установка анкеров с закреплением по всей длине скважин по схеме «крайние в рядах - с отклонением на угол 15 от нормали к кровле в сторону массива, средние - по нормали к кровле выработки» обеспечивает наиболее
благоприятное с позиции повышения устойчивости выработки воздействие на приконтурный массив, формируя в нём поле повышенных нормальных радиальных напряжений и существенно сниженных нормальных тангенциальных напряжений.
Научная новизна:
выявлен характер распределения по длине скважины и особенности взаимного влияния срезающих и растягивающих усилий в анкерах в зависимости от места их расположения в поперечном сечении выработки и варианта заделки стержня;
установлены зависимости изменения срезающих усилий в анкерах от технологических факторов (конструкции анкера, его длины и диаметра, плотности анкерования кровли);
получены аналитические выражения для определения напряженного состояния породного массива в окрестности закреплённой анкерами протяженной выработки произвольного поперечного сечения, учитывающие возникающие в анкерах срезающие усилия. На их основе обоснованы оптимальные схемы установки анкерной крепи кровли выработок, которые обеспечивают снижение нормальных тангенциальных напряжений в массиве и исключают возможность образования локальных зон концентраций напряжений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистически значимым объемом шахтных исследований, проведенных на 24 опытных участках, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований с использованием апробированных методик и фундаментальных положений механики сплошной среды, механики подземных сооружений, теории вероятности, математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов, полученных аналитическими методами и в результате шахтных экспериментов (расхождения не превышают 18%), высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (0,71 - 0,99), проектными проработками, внедрением.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования срезающих усилий в анкерах и уточнении на их основе картины напряжённого состояния массива в окрестности закрепленной анкерами протяженной горной выработки.
Практическое значение работы состоит в следующем:
разработана методика расчёта анкерной крепи кровель выработок, проводимых в условиях небольшого горного давления, позволяющая в зависимости от прогнозируемых смещений пород в диапазоне 5-50 мм определять её оптимальные параметры (тип, несущая способность, длина анкеров, вариант закрепления в скважинах, схема расположения в поперечном сечении, плотность анкерования);
сформулированы научно обоснованные требования к прочности анкеров на срез в зависимости от смещений заанкерованной кровли выработки с
учётом варианта закрепления стержней в скважинах и мест их расположения в рядах;
- предложены новые технико-технологические решения по повышению надёжности и технической эффективности анкерной крепи, учитывающие фактический характер распределения срезающих и растягивающих усилий по длине анкеров.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы шахтой «им. М. Чиха» при разработке паспортов крепления подготовительных штреков, Шахтинским институтом ЮРГТУ (НПИ) в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (МГГУ, 2008 - 2010 гг.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2008 г.); «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (Восточно-Украинский национальный университет им. Даля, 2009 г.); «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ (НПИ), 2009 г.); 56-59 научно-практические конференции Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 2007 - 2010 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 78 наименований и 2 приложений. Содержит 167 страниц машинописного текста, 69 рисунков и 12 таблиц.
