Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ производственного опыта и направлений научно-исследовательских работ по обеспечению устойчивости транспортных горных выработок 10
1.1 Анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения устойчивости транспортных подземных выработок при эксплуатации в них подвесных транспортных средств 11
1.1.1 Анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения устой чивости подземных выработок рамной крепью при эксплуатации в них подвесных транспортных средств 13
1.1.2 Анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения устойчивости подземных выработок с анкерной и комбинированной крепью при эксплуатации в них подвесных транспортных средств 17
1.2 Анализ алгоритмов расчета параметров крепи горных выработок с дизелевозным транспортом 23
1.2.1 Анализ алгоритмов расчета параметров крепи горных выработок при отсутствии нагрузки дизелевозного поезда 24
1.2.2 Анализ алгоритмов расчета параметров крепи горных выработок
с учётом влияния массы остановленного дизелевозного поезда 29
Анализ алгоритмов расчета параметров крепи горных выработок
1.2.3 с учётом влияния массы движущегося дизелевозного поезда 30
1.3 Выводы, актуальность, цель и задачи исследований 31
2 Методика, программа и характеристика объекта исследований 33
2.1 Обоснование концепции создания «Многофункциональной системы геомассив - крепь - транспорт» 33
2.2 Разработка алгоритма расчета геомеханических параметров «Многофункциональной системы геомассив – крепь - транспорт».
2.2.1 Адаптация метода Миндлина для расчёта геомеханических параметров «Многофункциональной системы геомассив - крепь -транспорт» без учета опорного горного давления 37
2.2.2 Адаптация метода конечных элементов для расчёта геомеханических параметров «Многофункциональной системы геомассив -крепь - транспорт» с учётом опорного горного давления 41
2.3 Выводы 44
3 Выявление закономерностей взаимодействия анкеров и подвесных транспортных устройств с породами кровли вне зоны опорного горного давления 46
3.1 Исследование закономерностей взаимодействия анкеров с поро дами кровли вне зоны опорного горного давления с учётом влия 3
ния массы подвесных грузов 46
3.1.1 Исследование закономерностей взаимодействия одиночного анкера с породами кровли вне зоны опорного горного давления с учётом влияния массы подвесных грузов 47
3.1.2 Исследование закономерностей взаимодействия системы анкеров с породами кровли вне зоны опорного горного давления с учётом влияния массы подвесных грузов
3.2 Натурные исследования процессов взаимодействия анкеров с породами кровли с учётом влияния массы подвесных грузов 64
3.3 Оценка соответствия экспериментальных и расчётных смещений пород кровли с учётом влияния массы подвесных грузов 73
3.4 Выводы 77
4 Выявление закономерностей взаимодействия элементов «многофункциональной системы геомассив – крепь - транспорт» с учётом влияния формы и размеров горных выработок 80
4.1 Выявление закономерностей взаимодействия элементов «Многофункциональной системы геомассив - крепь - транспорт» в капитальных выработках 81
4.1.1 Выявление закономерностей распределения базовых геомеханических параметров в окрестности капитальной выработки без учёта влияния анкеров и массы транспортируемых грузов 83
4.1.2 Выявление закономерностей изменения вертикальных смещений пород в окрестности капитальной выработки при разных типах анкерной крепи и массы транспортируемого груза 4.2 Выявление закономерностей изменения вертикальных смещений пород в окрестности выемочной выработки при разных типах анкерной крепи и массы транспортируемого груза 90
4.3 Выводы 98
5 Разработка и внедрение прогрессивных способов и средств обеспечения устойчивости подземных выработок при эксплуатации в них подвесных транспортных устройств 100
5.1 Разработка и внедрение прогрессивных средств обеспечения устойчивости подземных выработок при эксплуатации в них подвесных транспортных устройств 100
5.2 Технологические решения по повышению эксплуатационной надёжности подвесного монорельсового пути 110
5.3 Реализация результатов исследований при разработке паспортов проведения и крепления подготовительных выработок угольных шахт 122
5.4 Реализация результатов исследований по повышению эффективности эксплуатации подвесных дизелевозных дорог в проектной документации и в эксплуатируемых транспортных выработках угольных шахтах 126
5.5 Выводы 129
Заключение 131
Список использованных источников
- Анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения устойчивости подземных выработок с анкерной и комбинированной крепью при эксплуатации в них подвесных транспортных средств
- Адаптация метода Миндлина для расчёта геомеханических параметров «Многофункциональной системы геомассив - крепь -транспорт» без учета опорного горного давления
- Исследование закономерностей взаимодействия системы анкеров с породами кровли вне зоны опорного горного давления с учётом влияния массы подвесных грузов
- Реализация результатов исследований при разработке паспортов проведения и крепления подготовительных выработок угольных шахт
Введение к работе
Актуальность работы. При подземной разработке месторождений полезных ископаемых одной из актуальных задач является обеспечение устойчивости транспортных выработок с поддержанием их в безремонтном состоянии в течение всего периода эксплуатации. На современных высокопроизводительных шахтах возросла не только интенсивность транспортных потоков, но и увеличились габариты и масса транспортируемого оборудования. В соответствии с концепцией прогрессивного развития транспортных систем горнодобывающих предприятий для перевозки крупногабаритного оборудования с массой более 30 т в качестве основного направления принято внедрение подвесных монорельсовых дорог. При эксплуатации подвесных дорог и дизелевозных поездов происходит неравномерное периодическое изменение нагрузок на крепь, вибрация средств подвески монорельсов и пород в окрестности выработки, что приводит к снижению прочности пород при циклическом их нагружении и устойчивости горных выработок в целом.
Анкерная крепь первого и второго уровней, а также специальная крепь монорельсовой дороги, должны взаимодействовать таким образом, чтобы обеспечить безремонтное содержание транспортных выработок на весь период их эксплуатации. Существующие методики расчета параметров анкерной крепи первого и второго уровней, а также специальной крепи монорельсовой дороги не в полной мере учитывают комплексное влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние (НДС) горного массива в окрестности транспортных выработок, что подтверждается случаями обрушения пород кровли, особенно на сопряжениях выработок, в монтажных и демонтажных камерах угольных шахт.
Таким образом, актуальной является научно-техническая задача изучения взаимодействие подвесных транспортных устройств с породным массивом для разработки и внедрения способов и средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок посредством реализации новых технологических и технических решений.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении мине-
рально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (рег. номер 2.2.1.1/3942), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракт № 02.740.11.0319), а также хозяйственных договоров с ООО «ЭКОС-С» (г. Новокузнецк).
Целью работы являлось уточнение закономерностей НДС при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом для разработки и внедрения технических средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок.
Идея работы состоит в использовании адекватных закономерностей для расчёта параметров крепи и элементов подвески транспортируемых грузов в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий, повышения устойчивости пород кровли при армировании их анкерами первого и второго уровней и совершенствовании узлов крепления монорельсовой дороги.
Основные научные положения работы заключаются в следующем:
1. Увеличение длины закреплённой части сталеполимерного анкера
приводит к уменьшению абсолютных касательных напряжений на
контакте анкер-порода и снижению интенсивности этих напряжений в
направлении от дна шпура к кровле выработки.
2. Эксплуатационная надёжность системы «геомассив – крепь –
транспорт» обеспечивается при изменении массы транспортируемого
груза на один несущий анкер до величины в 300 кН.
3. Повышение устойчивости кровли, армированной анкерами, дос
тигается за счёт уплотнения породных слоёв и повышения несущей
способности, сформированной породной плиты в кровле, с перерас
пределением менее интенсивного горного давления в бортах выработ
ки на расстояние, превышающее в 1,5 раза ширину зоны опорного
давления для незакреплённой выработки.
Научная новизна результатов исследований:
1. Предложена Концепция эксплуатационной надёжности много
функциональной системы «геомассив - крепь – транспорт», отличаю
щаяся реализацией принципов совершенствования элементов системы
и обеспечением адаптивности системы в целом к широкому диапазону
горно-геологических и горнотехнических условий.
2. Установлены закономерности распределения напряжений на
контакте анкер-порода при увеличении длины закреплённой части
сталеполимерного анкера и уточнены закономерностей НДС при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом.
3. Обоснован критерий эксплуатационной надёжности системы
«геомассив - крепь – транспорт», позволивший изменить расстояния
между соседними несущими анкерами до 300 – 900 мм и повысить
массу транспортируемого груза.
4. Разработаны прогрессивные способы и средства обеспечения ус
тойчивости подземных выработок за счет использования новых кон
струкций анкеров и подвесок монорельсового пути, новизна которых
подтверждена положительными заключениями государственной па
тентной экспертизы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается: большим объемом шахтных исследований; корректной постановкой задач исследовании, обоснованным использованием метода конечных элементов математической физики и современных достижений вычислительной техники; достаточным объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе теоретических исследований; удовлетворительной сходимостью расчетных значений с фактическими данными (расхождение расчетных значений и фактических смещений пород кровли не превысило ±16 %).
Личный вклад автора заключается в следующем: обоснована концепция обеспечения эксплуатационной надёжности многофункциональной системы «геомассив - крепь – транспорт»; уточнены закономерности распределения касательных напряжений на контакте анкер-порода и закономерности НДС при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом; обоснована степенной зависимости параметров опорного давления в боках выработки от длины анкеров; разработаны технические решения по обеспечению устойчивости подземных транспортных выработок.
Практическое значение работы заключается в том, что разработан единый подход и обоснованы технические решения для разработки паспортов крепления транспортных выработок в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий при использовании монорельсовых дорог в подземных условиях. Обоснованы параметры подвесной монорельсовой дороги и разработаны комплекты математических моделей и комплексы программных средств для оценки надежности системы «геомассив - крепь – транспорт» на всех этапах проектирования и эксплуатации.
Реализация работы. Уточненные геотехнологические закономерности, характеризующие НДС при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом использованы для разработки и внедрения технических средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок на шахтах ОАО «Воркутауголь», ОАО «УК «Северный Кузбасс», ООО «Сахалин-трейдинг», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «Южный Кузбасс», ОАО «Белон», ОАО «Южный Кузбасс», ОАО «Междуреченская угольная компания-96».
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2015– 2016 гг.), на научно-технических советах ООО «ЭКОС-С» (г. Новокузнецк Кемеровской обл., 2012–2015 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2015–2016 гг.); 10-й Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2013–2014 г.); на Международных научно-практических конференциях «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов в рамках выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг» (г. Кемеро, 2008–2013 гг.); на научном семинаре Института горного дела и геосистем «Сибирского государственного индустриального университета» (г. Новокузнецк Кемеровской обл., 2012–2015 гг.).
Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 18 научных работ, том числе 5 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ и 13 патентов и полезных моделей.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 6 таблиц, 68 рисунков, 2 приложения, список литературы из 108 наименований.
Анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения устойчивости подземных выработок с анкерной и комбинированной крепью при эксплуатации в них подвесных транспортных средств
Обеспечение устойчивости транспортных горных выработок с анкерной крепью является актуальной научно-практической задачей, так как более 80 % подготовительных выработок на угольных шахтах закреплены анкерами, и эксплуатационная надёжность таких выработок зависит от массы дизелевозного поезда, способа крепления балки и подвесок к анкеру, несущей способности анкера, физико-механических свойств пород кровли, а также интенсивности движения дизелевозных составов [1-3, 5-8, 10, 37-39].
Проведение выработок осуществляется, как правило, проходческими комбайнами разных типов или буровзрывным способом. Для транспорта отбитой горной массы из забоев применяются самоходные вагоны типа 10ВС-15 и др., скребковые конвейера СР-70, ленточные конвейера 2ПТ-120 и др.
Анкерные болты могут быть закреплением в донной части (замковые анкеры – металлические, деревянные), по всей длине скважины или незначительной ее части (железобетонные, армополимерные, винтовые). В угольной промышленности применяют следующие конструкции анкерных крепей [30, 36]: ШК-1М длиной 1200-2400 мм, массой 3,94-6,92 кг; АСП20 длиной 1400 18 3200 мм, массой 3,76-8,20 кг; АСП24 длиной 1400-3200 мм, массой 5,40-11,80 кг; АСП20В длиной 1400-3000, массой 3,95-7,81 кг; канатный анкер АК01 длиной 3000-11000 мм, прочностью на разрыв 234 кН; АК02 длиной 3000-11000 мм, прочностью на разрыв 234 кН; комбинированный анкер АКМ20.02 с закреплением стержня минеральной композицией; комбинированный анкер КА со стержнем винтового и периодического профилей, прочностью на разрыв 143 кН; комбинированный анкер КАГ со стержнем винтового типа, соединённого с канатом, прочностью на разрыв 120 кН. Анкера закрепляются на полимерные ампулы типа АП-470У (АП-М-470) с перетяжкой кровли металлической решетчатой затяжкой СС-5. В боках выработки устанавливаются анкера типа АВР-16 и АС-16 с перетяжкой металлической затяжкой СС-4, либо полимерной сеткой.
Анкеры канатные В Кузбассе накоплен большой опыт применения канатных анкеров для усиления и поддержания горных выработок в различных горно-геологических условий: выработки и сопряжения шириной до 12 м; демонтажные и монтажные камеры; усиление крепи и сохранение штреков для использования в качестве газодренажных каналов и организации запасных выходов, работа без механизированной крепи сопряжения; работа на глубинах более 600 м и в зонах нарушений; бесфундаментный монтаж подвесных монорельсовых дорог. Получен положительный результат применения канатных анкеров для крепления выработок и сопряжений большой ширины на шахтах Кузбасса: шахта «Распадская», «МУК-96», «Распадская-Коксовая».
Многолетний опыт применения анкерной крепи показал, что эта крепь может применяться в широком диапазоне горных пород по крепости и структурному их строению как самостоятельно, так и в сочетании с крепями поддерживающего типа, набрызбетоном и монолитным бетоном [5].
Известен способ крепления горных выработок комбинированной крепью [23]. Данный способ обеспечивает активную совместную работу анкерной и рамной крепей и более полное использование их несущей способности в виде одной суммарной несущей способности на протяжении всего времени совместного применения. Конструкция повышает устойчивость выработок и снижает затраты на крепление и поддержание выработок. Результат достигается тем, что рамную крепь устанавливают в момент, когда смещение заанкерованных пород составляет 0,6…0,65 мм предельно допустимой величины смещения с распором, равным 0,9-1 величины натяжения анкерной крепи.
При применении комбинированной крепи можно выделить следующий ряд достоинств: комбинированная крепь конструктивно проста; может применяться в различных горно-геологических условиях; наиболее удачно сочетает основные качества штанговой крепи и набрызбетона; ее легко можно усилить путем установки дополнительных штанг или увеличением толщины бетона. Все это обеспечивает успешное применение в угольной промышленности в Центральном районе Донбасса, на шахтах Кузнецкого, Кизеловского, Печорского бассейнов и Дальнего Востока.
Известен опыт применения этого вида крепи в угольной промышленности ФРГ. На шахте «Генерал Блюменталь» применялась комбинированная крепь из анкеров и набрызгбетона, которой были закреплены двухсторонний околоствольный двор и камера для монтажа проходческого комбайна. На шахте «Эрин» для крепления квершлага была предложена комбинированная анкер-набрызгбетонная крепь, причем набрызгбетон наносился в два слоя. К недостаткам анкер-набрызбетонной крепи, выявленным в процессе практического применения на шахтах ФРГ, относят, прежде всего, неэкономичность ее применения в выработках с площадью поперечного сечения менее 30 м и малую податливость [32].
Смешанная крепь представляет собой комбинацию двух или нескольких рассмотренных выше обычных видов крепи (работающих совместно), обладающую достоинствами каждой из них.
Анкерная крепь в сочетании с обычными видами металлической деревянной и железобетонной рамными крепями применяется на угольных и рудных шахтах для крепления капитальных и подготовительных выработок, испытывающих большое горное давление. Однако при совместном их применении не достигается улучшения состояния выработок и снижение затрат на их крепление и поддержание. В ряде случаев один вид крепи из них опасно деформируется и выходит из строя до вступления второго в работу или восприятие нагрузки (горного давления) одним видом крепи приводит к частичной или полной разгрузке второго вида крепи [23].
Варианты крепления выработок комбинированной крепью, нашедшие широкое применение на шахтах Кузнецкого бассейна, где в качестве составного элемента используется анкерная крепь. При деревянной рамной крепи анкер может выполнять функцию боковой стойки (поддерживать конец верхняка рамы) или дополнительно усиливать верхняк деревянной рамы на боковые стойки в зависимости от действия горного давления. Металлические прогоны способствуют более равномерному распределению нагрузок на рамы крепи [24].
Для монтажа подвесных монорельсовых дорог (ПМД) разработаны специальные канатные анкера в отличие от традиционной технологии крепления на 2 сталеполимерных анкера (рисунок 1.9). Канатные анкеры подвески ПМД закрепляются в устойчивых породах кровли, при этом условно принимается, что основная крепь выработки не нагружается от движения дизелевоза. Для монтажа ПМД разработаны два типа анкеров: в капитальных выработках АК01-121 и в подготовительных выработках АК01-25. Применение АК01-121 в сравнении сталиполи-мерными позволяет в 2 раза увеличить несущую способность подвеса и уменьшить металлоемкость конструкции. Преимуществом разработанных конструкций является: повторное использование гайки-подвеса; после демонтажа анкер может использоваться в качестве крепи усиления и значительно снизить капитальные и эксплуатационные затраты на крепление; повышение темпов бурения и снижение удельных затрат за счет эффективного закрепления в шпурах диаметром 27 мм. Этот способ крепления монорельсовых дорог применяется на шахтах: «№ 7», «Абашевская», «Березовская», «Грамотеинская», «Колмогоровская 2», «Костро-мовская», «Котинская», «Кушеяковская», «Осинниковская», «Первомайская», «Талдинская-Западная», «Чертинская-Южная», «Южная» [6, 10].
Адаптация метода Миндлина для расчёта геомеханических параметров «Многофункциональной системы геомассив - крепь -транспорт» без учета опорного горного давления
Для разработки алгоритма и метода расчёта напряжений и деформаций, а также устойчивости пород кровли при взаимодействии элементов «Многофункциональной системы геомассив - крепь - транспорт» был проведён анализ существующих методик и рекомендаций расчёта параметров крепи транспортных выработок [2, 10, 28, 36, 47, 52, 56]. По результатам анализа методик установлено, что почти все алгоритмы учитывают влияние на параметры взаимодействия системы геомассив - крепь - транспорт лишь ограниченный набор факторов, среди которых основными являются следующие: - условия проходки, охраны и поддержания, глубина расположения, размеры выработки; - физико-механические и прочностные свойства пород; - несущая способность элементов крепи; - масса транспортируемого груза подвесной монорельсовой дорогой. Расчёт параметров крепи осуществляется по эмпирическим зависимостям, представленным в виде таблиц и графиков, рекомендуемых ВНИМИ [45, 47]. Для учёта влияния дополнительных нагрузок при эксплуатации подвесных монорельсовых дорог расчётная удельная нагрузка на анкерную крепь Ра увеличивается на величину [31, 47] АР = КТКД, (2.7) q где АР - величина дополнительной удельной пригрузки на анкерную крепь, создаваемой перевозимым по подвесной монорельсовой дороге грузом, кН/м2; Pmax - максимальная масса перевозимого груза, кН; q - количество несущих тележек, воспринимаемых максимальную нагрузку, шт.; Кт - коэффициент, учитывающий отношение расстояния между несущими тележками и длины ходового рельса, как правило, 1 Кт 3; КД - коэффициент, учитывающий влияние динамических нагрузок, возникающих при перевозке грузов, принимается, как правило, КД =2. По суммарной нагрузке Ра+ АР выбираются тип и параметры крепи с использованием эмпирических графиков и таблиц ВНИМИ [31, 45, 47]. Недостатками изложенного алгоритма являются: 1) Отсутствие комплексного подхода при выборе типа и параметров крепи, так как принимаются во внимание только индивидуальные функции каждого элемента крепи и не учитывается их интегральное влияние и многофункциональность системы геомассив - крепь - транспорт. Как установлено в предыдущей главе настоящей работы сочетание анкеров разных уровней, типов и несущей способности, а также величина транспортируемых грузов, существенно влияет на деформации, устойчивость пород кровли и эксплуатационную надёжность транспортной выработки в целом. 2) Не раскрыт механизм взаимодействия анкеров и формирования зон растяжения пород в кровле, являющихся причиной вывалов и обрушений пород, в том числе при транспорте грузов по подвесному монорельсу. Наличие зоны растяжений доказано по результатам расчётов, полученных в предыдущей главе настоящей работы, а также по зарисовкам обрушений пород кровли вместе с анкерами, приведённых в монографии [61]. 3) Не учитывается влияние длины закреплённой синтетическими клеевыми составами части анкера в шпуре. Согласно результатам предварительных расчётов отличия характера распределения вертикальных смещений при закреплении анкера одним замком или несколькими по его длине существенные, что будет показано в третьей главе настоящей работы.
Для устранения указанных недостатков действующих методик предлагается разработать и протестировать метод расчёта напряжений, деформаций и остаточ 43 ной прочности пород кровли для обоснования параметров «Многофункциональной системы геомассив – крепь - транспорт».
В качестве базового принят метод численного моделирования с использованием конечных элементов. Сущность метода подробно изложена во многих первоисточниках [31, 34, 103-106, 108 и др.] и состоит в дискретизации исследуемой области горного массива на конечные элементы и определении смещений вершин этих элементов по минимуму потенциальной энергии среди возможных перемещений с учётом работы внутренних и внешних сил.
Для определения напряжённо-деформированного состояния углепородного массива в окрестности горных выработок разработано несколько компьютерных программных комплексов, например ANSYS, MSC/NASTRAN, SAMCEF, FEMAP [107 и др.].
В настоящей работе использован и адаптирован к условиям решаемых научных задач пакет компьютерных программ, созданный в Сибирском государственном университете на кафедре разработки пластовых месторождений [61]. Расчётная схема представлена на рисунке 2.7, на которой вертикальное сечение, перпендикулярное продольной оси подготовительной выработки, разделено на конечные элементы. Размеры расчётной схемы зависят от конкретных горногеологических условий: глубины разработки, количества и размеров горных выработок.
Количество линий по высоте модели зависит от числа и мощности породных слоёв и угольных пластов по разведочной скважине, количество и схема расположения вертикальных линий зависит от формы и размеров выработок, требуемой точности. Сетка конечных элементов, как правило, сгущается вблизи характерных участков угольного пласта, пород кровли и почвы, мест установки анкеров. В соседних конечных элементах физико-механические и прочностные свойства горных пород (модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел прочности при сжатии и растяжении) могут отличаться.
Исследование закономерностей взаимодействия системы анкеров с породами кровли вне зоны опорного горного давления с учётом влияния массы подвесных грузов
На первом этапе исследований изучены закономерности и зависимости параметров взаимодействия одиночного анкера с породами кровли. Моделировалось влияние массы подвески дизелевозного поезда и первоначального распора анкера на распределение смещений пород кровли, а также вертикальных, горизонтальных и касательных напряжений. Новыми являются исследования распределения указанных параметров при различных условиях закрепления анкера в шпуре по его длине. Исследования проводились методом математического моделирования по формулам (2.1) - (2.6). В качестве исходных приняты следующие условия: ширина выработки 6 м, высота 3 м, породы кровли представлены алевролитами с пределом прочности при сжатии 30 МПа, модуль упругости пород Е=6 240 МПа, коэффициент Пуассона v=0,3, сдвига G = = 2400 МПа, анкер расположен 2(\ + v) в середине выработки. Характеристика и пределы изменения исходных данных для расчёта смещений, напряжений и деформаций Наименование параметра Размерность Принятаявеличина вбазовомварианте Пределы изменения Шаг изменения при моделировании Длина анкера м 2 2…6 1,0 Распор анкера при установке кН 60 60… 200 20 Количество ампул для закрепления анкера в шпуре шт 1 1…3 1 Предел прочности пород при сжатии МПа 30 30… 90 30 Модуль сдвига МПа 2400 2400…7200 2400 На рисунке 3.2 показано распределения вертикальных и горизонтальных смещений, возникающих под влиянием установленного в кровлю выработки сталеполимерного анкера длиной 2,0 м с натяжением 60 кН. Натяжение осуществлено с помощью гайки на нижнем конце анкера. Вверху анкер закреплён с помощью клеевого состава на длине 20 см. Отчётливо выделяются по вертикальной оси две характерные зоны: сжатия в нижней части анкера у кровли выработки при w 0 и растяжения в верхней части анкера при w 0. Горизонтальные смещения подтверждают, что по всей длине шпура в кровле выработки под влиянием вертикальных сжимающих смещений происходит перемещение v пород по горизонтали от оси анкера (v 0). Эта закономерность может привести к образованию трещин на контакте порода, анкер, полимерный клеевой состав и проскальзыванию стержня анкера по этой трещине. Выше анкера под влиянием его натяжения, наоборот, происходит движение пород к оси анкера.
Следует особо выделить влияние участка закрепления анкера в верхней части шпура, где происходит интенсивное деформирование горных пород.
Наличие зон растяжения и сжатия пород кровли под влиянием закреплённого в шпуре анкера и распёртого с помощью гайки подтверждается также характером распределения вертикальных напряжений верт (рисунок 3.3). В пределах всей длины анкера породы сжаты, что подтверждается знаком верт 0. Выше анкера в породах формируется зона растяжения (верт 0). Согласно графикам рисунков 3.2 и 3.3 можно сделать вывод, что роль анкера состоит в формировании по всей его длине зон сжатия и расслоения горных пород выше замка анкера. Эта закономерность подтверждена и другими авторами [61-63].
Совершенно иные условия работы анкера при использовании его для подвесного транспорта. При подвеске на анкер груза возможна ситуация, при которой масса груза будет больше первоначального натяжения анкера. В этом случае под влиянием массы груза сжатие пород в нижней части пород кровли будет равно нулю, анкер будет закреплён в кровле и свободно висеть в шпуре, а на нижний конец будет приложена сила Q, равная доли веса транспортируемого груза, распределённого на анкер. 3.
Результаты расчёта вертикальных смещений пород кровли под влиянием анкера с распором в породах кровли и без распора гайкой снизу с подвеской на нижнем конце анкера груза приведены на рисунке 3.4. Из сравнения графиков распределения вертикальных смещений на рисунках 3.2 и 3.4 следует, что натяжение анкера с помощью шайбы и гайки создаёт зону сжатия пород кровли по длине анкера. Приложение на анкер нагрузки Q, превышающей первоначальный его распор, приводит к формированию в породах кровли в пределах длины анкера оседаний пород кровли и деформаций растяжения.
Это подтверждается графиками распределения вертикальных смещений по оси анкера при разных условиях его эксплуатации: с распором снизу с помощью гайки и без распора с подвеской снизу транспортируемого груза (рисунок 3.5). При распоре анкера снизу гайкой в породах кровли возникают сжимающие деформации, которые препятствуют расслоению пород, возникновению дополнительных трещин и снижению устойчивости кровли. Совершенно иная схема деформирования пород под влиянием веса транспортируемого груза. В верхней части шпура состояние пород под влиянием вида нагрузки на анкер не меняется.
Реализация результатов исследований при разработке паспортов проведения и крепления подготовительных выработок угольных шахт
Для выявления влияния крепи капитальных горных выработок проведен расчёт смещений, напряжений и деформаций пород до и после установки анкеров. При расчёте учитывалось натяжение анкера посредством приложения двух равных по модулю, но разных по знаку сил: сила, создаваемая при натяжении анкера гайкой на нижнем его конце, направлялась по оси анкера со знаком минус от выработки в породы кровли вверх, а реакция натяжения анкера в верхней его части со знаком плюс направлялась от замка (точки закрепления анкера) вниз в сторону выработки (см. на рисунке 2.6 силы qj и q2).
В качестве объекта исследований принят путевой уклон на гор. - 300 м шахты «Абашевская» в Кузбассе (рисунок 4.1). Выбор путевого уклона обусловлен его типовым поперечным сечением и длительной эксплуатацией в условиях Бай-даевского месторождения Кузбасса. Выработки подобного типа приняты в качестве вскрывающих и подготавливающих для вскрытия и подготовки шахтных полей перспективного Ерунаковского месторождения Кузбасса, то есть полученные результаты исследований можно использовать в проектах шахт восточного Кузбасса. Для выявления закономерностей взаимодействия элементов «многофункциональной системы геомассив – крепь - транспорт» в капитальных выработках без учёта влияния анкеров проводился расчёт напряжений, деформаций, смещений и остаточной прочности горных пород.
По результатам анализа более 40 км транспортных выработок шахт Кузбасса, оборудованных подвесными монорельсовыми дорогами, были выделены наиболее представительные выработки, среди которых рассмотрены путевой уклон и конвейерный штрек 15-34 шахты «Абашевская». Исходные данные для расчёта приняты в соответствии с геологическими отчётами по шахте «Абашевская», а также справочными источниками [64-66].
Крепление путевого уклона на гор. -300 м (рисунок 4.3) осуществлено металлической арочной крепью с перетяжкой кровли и боков выработок металлической решетчатой затяжкой. На отдельных участках с неустойчивыми породами применялась железобетонная затяжка. Площадь поперечного сечения уклона в свету 19,2 м2, вчерне 22 м2. Выработка пройдена с помощью проходческого комбайна.
Горно-геологические условия проведения и эксплуатации выработки следующие: выработка пройдена по падению пласта 15 мощностью 1,7 м, предел прочности угля при сжатии 12 МПа, породы кровли представлены алевролитами с пределом прочности при сжатии в кровле 55 МПа, в почве.
Для усиления арочной металлической крепи при эксплуатации подвесной монорельсовой дороги дополнительно в уклоне установлены под баклуши 200х200 мм с шагом 1 м анкера АСП-20В длиной 1,8 м в количестве 5 шт., канатные анкера АК01 длиной 3,6 м в количестве 2 шт.
В уклоне смонтирована подвесная монорельсовая дорога типа ДП-155. Для подвески монорельса подвесной дороги установлены анкера типа АСП24 длиной 2,5 м с шагом 0,8 м по длине выработки. Максимальный вес транспортируемых грузов составляет 30 т. Интенсивность транспорта 6 рейсов в сутки. Состояние выработки в процессе эксплуатации в течение 8 лет удовлетворительное
Выявление закономерностей распределения базовых геомеханических параметров в окрестности капитальной выработки без учёта влияния анкеров и массы транспортируемых грузов
На рисунках 4.2 и 4.3 приведены изолинии распределения техногенных вертикальных горизонтальных смещений, деформаций и напряжений в породах в окрестности капитального уклона без учёта влияния анкеров и массы транспортируемых грузов. Под техногенными следует понимать величины, возникающие только под влиянием горной выработки, то есть это дополнительные смещения, деформации и напряжения по сравнению с природными в нетронутом массиве. Согласно графикам рисунков 4.2 и 4.3 выявлены следующие закономерности распределения указанных параметров:
Изолинии распределения вычисленных МКЭ величин без учёта анкеров и массы транспортируемого груза в путевом уклоне на гор.-300 м, шахта «Абашевская», Кузбасс: а - техногенные вертикальные смещения л(мм), г 0 - оседания пород, л 0 - пучение пород; б - техногенные вертикальные деформации є-103, є 0 - сжатие пород, є 0 - растяжение пород; г - техногенные вертикальные напряжения ов, МПа, ов 0 - сжатие пород, ов 0 - растяжение пород; д - коэффициент дезинтеграции пород кдезш формуле (4.2),