Розробка способів підвищення несучої здатності анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ім. М. С. Полякова

УДК [622.281.74:622.268.02.62] (043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка способів підвищення несучої здатності

анкерного кріплення при рамно-анкерному

підтриманні виробок у нестійких породах

05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин»

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

НАН України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

ЗВЯГІЛЬСЬКИЙ Юхим Леонідович,

Верховна Рада України, народний депутат україни (м. Київ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

УСАЧЕНКО Борис Миронович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова

НАН України, завідувач відділу механіки гірських порід (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук

САХНО Іван Георгійович,

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри розробки родовищ корисних копалин (м. Донецьк).

Захист відбудеться “ 23 ” квітня 2010 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий “ 22 ” березня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук В. Г. Шевченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з важливих проблем шахт України, що видобувають вугілля у вкрай складних гірничо-геологічних умовах залягання пластів на великих глибинах, є забезпечення стійкості гірничих виробок.

Практика показує, що при застосуванні податливого рамного кріплення з спецпрофіля СВП, втрати площі поперечного перетину підготовчих виробок перевищують 30-40 %, а поблизу сполучень із виробленим простором лав досягають 60-80 %. З цієї причини більше 30 % виробок щорічно перекріплюють, що призводить до подорожчання собівартості вугілля мінімум на 25 %. З даною проблемою самостійно не справляється й анкерне кріплення через неможливість створення міцного слою у нестійких породах покрівлі, здатного блокувати розвиток зони непружних деформацій і запобігати руйнуванню масиву.

У закордонній практиці і на окремих вітчизняних шахтах в умовах порід не нижче середньої стійкості цю проблему вирішують застосуванням рамно-анкерного кріплення. Але у нестійких породах, через низьку несучу здатність анкерів, дане кріплення не виконує повною мірою свої функції: зсуви покрівлі досягають 400-500 мм, внаслідок чого арочне кріплення працює в режимі жорсткого деформування. Вирішення зазначеної проблеми вимагає більш ретельного підходу до вивчення закономірностей взаємодії елементів комбінованого кріплення з масивом.

Тому встановлення закономірностей взаємодії сталевополімерних анкерів з масивом і проявів гірського тиску в складних гірничо-геологічних умовах глибоких шахт та розробка на їх основі нових ефективних способів підвищення несучої здатності анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах є актуальною науковою задачею, яка має важливе практичне значення для вуглевидобувної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною досліджень, проведених за участю автора: по галузевій програмі технічного сприяння країнам СНД (програма Європейського Союзу ТАСIS), що виконувалась за Указом Президента України № 148 від 24.02.1998 р., у якій автор був керівником напрямку по впровадженню анкерного кріплення; по держбюджетній темі ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України № III-36-07 «Механіка газонасиченого масиву гірських порід, прогресивні техніко-технологічні рішення підземного видобутку вугілля», що виконувалась за Постановою Бюро відділення механіки НАН України, протокол № 5 від 14.12.2006 р., № ДР 0107U002004, у якій автор був виконавцем.

Метою роботи є розробка способів підвищення несучої здатності анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах.

Для досягнення мети були поставлені і вирішені наступні завдання:

1. Дослідити в шахтних умовах закономірності проявів гірського тиску при рамному і рамно-анкерному способах підтримання підготовчих виробок у нестійких породах.

2. Дослідити несучу здатність сталевополімерних анкерів і рельєф стінок шпурів в породах різної міцності.

3. Дослідити механізм деформування та руйнування контактної області «анкер-смола-порода» при різноманітному рельєфі стінок шпурів.

4. Розробити і апробувати способи підвищення несучої здатності анкерів при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах та обґрунтувати їх раціональні параметри.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей роботи сталевополімерних анкерів у складі рамно-анкерного кріплення для підвищення його несучої здатності шляхом цілеспрямованої зміни рельєфу стінок шпурів.

Об'єктом дослідження є процес деформування системи «кріплення-масив» при підтриманні підготовчих виробок рамно-анкерним кріпленням.

Предметом дослідження є способи підвищення несучої здатності анкерного кріплення як елемента рамно-анкерного кріплення в складних гірничо-геологічних умовах.

Для вирішення поставлених задач використано комплексний метод досліджень, який включає: аналіз та узагальнення теоретичних і експериментальних досягнень по даній проблемі; лабораторні дослідження факторів, що впливають на міцність закріплення анкерів; шахтні дослідження напружено-деформованого стану масиву гірських порід, проявів гірського тиску в підготовчих виробках і деформацій елементів рамно-анкерного кріплення; аналітичні дослідження процесів руйнування контактної області «анкер-смола-порода»; шахтну апробацію основних положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Домінуючим фактором підвищення несучої здатності сталевополімерних анкерів у нестійких породах є рельєф стінок шпура, що формує полімерні виступи, які збільшують опір анкера зсуву, при цьому руйнування контактної області починається на ділянках підвищеної тріщинуватості та поширюється у вигляді хвилі в обидва боки уздовж осі анкера, а при його зсуві до 70 мм зберігається від 70 до 90 % початкової несучої здатності, що знижує навантаження на рамне кріплення та зменшує деформування покрівлі виробки.

2. Активне керування несучою здатністю рамно-анкерного кріплення у нестійких породах реалізується цілеспрямованою зміною рельєфу стінок шпурів, яка збільшує міцність закріплення і податливість анкерів, при цьому міцність закріплення прямо пропорційна міцності порід та кількості полімерних виступів і обернено пропорційна величині зсуву анкера в шпурі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. вперше встановлені закономірності проявів гірського тиску при рамному і рамно-анкерному підтриманні підготовчих виробок, які полягають в тому, що в умовах нестійких порід та великих глибин розробки зсуви покрівлі зростають за логарифмічною залежністю і у першому випадку перевищують 500 мм, а в другому досягають 300-400 мм, що виходить за межі податливості рамного кріплення.

2. вперше встановлено логнормальний закон розподілу діаметрів шпурів по їх довжині і домінуючий вплив рельєфу стінок шпурів на несучу здатність анкерного кріплення у нестійких породах.

3. вперше встановлено, що процес накопичення пошкодження в контактній області «анкер-смола-порода» супроводжується зменшенням її жорсткості, яка має максимальне значення в момент граничного опору анкера витягуванню і мінімальне - при його зсуві та подальшому переміщенні.

4. вперше розкрито механізм розвитку руйнування контакту між сталевополімерним анкером і породною стінкою шпура, яке починається в місцях підвищеної тріщинуватості масиву та поширюється в обидва боки уздовж осі анкера у вигляді послідовних хвиль підвищених напружень, поздовжніх і поперечних деформацій стрижня анкера та руйнування контактної області «анкер-смола-порода».

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни несучої здатності сталевополімерних анкерів в складі рамно-анкерного кріплення, з урахуванням рельєфу стінок шпурів і проявів гірського тиску в складних гірничо-геологічних умовах глибоких шахт, що послужило науковою основою для розробки способів підвищення несучої здатності анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах.

Обґрунтованість і достовірність основних наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: статистично значимим обсягом експериментальних даних; застосуванням математичних методів дискретних і скінченних елементів для дослідження незворотних процесів деформування та руйнування зв'язку між анкером і породною стінкою шпура; збіжністю результатів стендових і промислових випробувань з розрахунковими даними; промисловою апробацією розробок, що в сукупності забезпечило надійність результатів не нижче 90 % при відносній погрішності не більше 30 %.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

- розробці нових способів підвищення несучої здатності і податливості анкерів за рахунок зміни профілю стінок шпурів, яка здійснюється шляхом розсвердлювання на заданій глибині порожнин, форма, розміри, кількість і розташування по довжині шпура яких визначаються з урахуванням міцністних характеристик полімерного закріплювача і породи, а також нормативних технологічних вимог на встановлювання анкерів;

- визначенні технологічних і технічних параметрів формування рельєфу стінок шпурів для конкретних гірничо-геологічних умов підтримання виробки;

- розробці засобів профілювання стінок шпурів з заданими параметрами рельєфу;

- розробці параметрів рамно-анкерного підтримання у нестійких породах підготовчих виробок 2-ї і 3-ї західних лав пласта l₄ шахти ім. О. Ф. Засядька.

Реалізація результатів досліджень. Основні результати досліджень використані при розробці і впровадженні на шахті ім. О.Ф. Засядька «Рекомендаций по обеспечению устойчивости вентиляционного ходка «газового горизонта» по пласту m₃ 16-й западной лавы» (Довідка від 12.03.2008 р.) та способів підвищення стійкості підготовчих виробок при їх підтриманні рамно-анкерним кріпленням в умовах нестійких вміщуючих порід при відробці 2-ї і 3-ї західних лав пласта l₄ (Техніко-економічний аналіз від 21.01.2008 р.). Дольова участь автора у фактичному економічному ефекті від впровадження розробок склала 2037,5 тис. грн.

Особистий внесок здобувача полягає в формулюванні мети і задач досліджень, ідеї роботи, наукових положень, виводів і рекомендацій, проведенні і аналізі результатів лабораторних та шахтних експериментів, визначенні граничних умов і аналізі результатів комп'ютерного моделювання процесу руйнування контактної області «анкер-смола-порода», розробці способів і засобів підвищення стійкості підготовчих виробок при їх підтриманні рамно-анкерним кріпленням в умовах нестійких порід. Шахтні і лабораторні дослідження проведені під керівництвом і при особистій участі автора дисертації. Зміст дисертації та автореферату автором викладені особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації повідомлені, обговорені та схвалені на XV-XIX міжнародних наукових школах ім. академіка С.А. Христіановича «Деформування і руйнування матеріалів с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Алушта, 2005-2009), міжнародних конференціях «Форум гірників» (Дніпропетровськ, 2007, 2009).

Публікації. Основні положення роботи опубліковано в 18 наукових працях, у тому числі 7 - в спеціалізованих наукових виданнях, 8 - в матеріалах міжнародних конференцій, 3 - патенти на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел із 113 найменувань і додатків; містить 130 сторінок тексту, 53 рисунка та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено аналіз робіт, які присвячені сучасним досягненням в області забезпечення стійкості гірничих виробок та проблемам застосування ефективних систем їх кріплення з позиції здатності протидіяти гірському тиску в широкому спектрі гірничо-геологічних умов.

Вагомий внесок в розробку і використання способів та засобів підтримання підготовчих виробок зробили вчені України та зарубіжжя - МДГУ, ІГС ім. О. О. Скочинського, УНДМІ, ІПКОН, ІГТМ НАНУ, НГУ, МакНДІ, ДонВУГІ, ДонНТУ, Дондіпровуглемаш, ДонФТІ та інші. Однак, незважаючи на значну кількість розробок в цьому напрямку, в складних гірничо-геологічних умовах виробки знаходяться в незадовільному стані.

Середня глибина розробки на українських вугільних шахтах становить 650 м, а деякі шахти досягли глибини розробки 1300 м і більше. У таких умовах прояви гірського тиску досить істотно позначаються на стійкості гірничих виробок, що призводить до зниження допустимого навантаження на очисний вибій, значно погіршує умови праці шахтарів та потребує значних обсягів грошових витрат на ремонтні роботи. Аналіз показує, що з кожним роком на шахтах України кількість гірничих виробок з тяжкими умовами підтримання постійно зростає у зв'язку зі збільшенням глибини розробки вугільних родовищ та зниженням стійкості вміщуючих порід. Таке положення потребує пошуку принципово нових способів і засобів кріплення виробок, оскільки рамне кріплення, як найбільш поширений на сьогоднішній день засіб протидії гірському тиску, в цих умовах вичерпало свої можливості.

В країнах зарубіжжя та на передових шахтах України досягнуті успіхи в застосуванні анкерних систем кріплення, у тому числі сталевополімерними анкерами. Разом с тим, практичне їх застосування, як самостійного засобу кріплення, ефективне лише в умовах високої стійкості порід, а у нестійких породах - призводить до аварійних ситуацій внаслідок втрати несучої здатності анкерів і розшарування слоїв породи.

В останні роки робляться спроби максимально використати несучу здатність безпосередньо самого породного масиву, що досягається застосуванням комбінованого рамно-анкерного кріплення. Відомо, що рамне і анкерне кріплення суттєво різняться по механізму дії: рамне виконує функції підтримуючого, яке стримує деформації контуру виробки, а анкерне збільшує міцністні властивості масиву і підвищує його несучу здатність. В умовах нестійких порід і великих глибин розробки ефективне застосування рамно-анкерного кріплення можливе лише при збільшенні несучої здатності анкерних систем, що буде запобігати розшаруванню приконтурного слою порід і дасть можливість рівномірно передавати навантаження на рамне кріплення. Разом з тим, виникають проблеми з якістю кріплення анкерів в умовах нестійких порід, пов'язані із порушенням контакту між анкером та породою. Механізм цього порушення потребує детального дослідження, що дасть можливість пошуку шляхів значного підвищення несучої здатності анкерів і рамно-анкерного кріплення в цілому.

У другому розділі представлені результати експериментальних досліджень основних факторів, що впливають на стійкість підготовчих виробок при різних способах їх підтримання та визначені шляхи підвищення несучої здатності кріплення.

В лабораторних умовах досліджені фактори, що впливають на міцність закріплення сталевополімерного анкера. З цією метою відібрано зразки аргіліту, алевроліту та пісковику з межею міцності на одноосьовий стиск від 35 до 80 МПа і встановлено залежності опору анкера витягуванню від зчеплення порід та меж міцності на одноосьовий стиск і розтягування. Встановлено, що в більш міцних породах сила опору анкера витягуванню в 2,5 рази вище, ніж у слабких. Максимальний опір анкер створює при його зсувах до 4-6 мм, після чого відбувається втрата анкером несучої здатності. При однакових умовах експериментів (тип породи, міцністні характеристики смоли і породи, діаметр шпура і анкера, відсутність впливу гірського тиску) кореляція даних не перевищує 0,46. Такий високий розкид даних пояснюється різним рельєфом стінок шпурів, який формується від биття свердла і являється, у даних умовах, основним фактором, що впливає на міцність закріплення анкера.

Даний висновок підтверджується результатами шахтних досліджень. Методом кавернометрії встановлено, що рельєф стінок шпурів досить неоднорідний. Середнє значення діаметра шпура більше діаметра бурового різця на 1,5-2,0 мм, на окремих ділянках шпурів - на 10 мм і більше, зустрічаються ділянки з діаметром шпура на 1-2 мм менше діаметра бурового різця. При цьому розподіл відхилень від середнього значення діаметра шпура по його довжині підкоряється логнормальному закону.

Далі в шахтних умовах визначався характер зсувів покрівлі при рамному і рамно-анкерному кріпленні (рис. 1). Дослідження проведено в умовах слабких порід і глибин розробки 1100-1350 м. Встановлено емпіричні залежності зсувів покрівлі підготовчих виробок від часу їхньої експлуатації:

- для рамного кріплення:

, м, R²=0,94, [1-а доба, 200-а доба]; (1)

- для рамно-анкерного кріплення:

, м, R²=0,94, [4-а доба, 200-а доба], (2)

де - час експлуатації підготовчої виробки, діб.

Процес зсуву покрівлі, як при рамному, так і при рамно-анкерному кріпленні можна умовно розділити на 2 періоди - інтенсивний і сталий. Тривалість інтенсивного періоду - 25-30 діб. За зазначений час зсуви покрівлі виробок з рамним кріпленням перевищують 450 мм, далі швидкість зсувів уповільнюється, але їхня величина, у підсумку, перевищує 500 мм. Зсуви покрівлі виробок з рамно-анкерним кріпленням в інтенсивний період деформування на 70 % нижче, ніж при рамному кріпленні. Далі зсуви, як при рамному, так і при рамно-анкерному кріпленні мають практично однаковий характер. Це свідчить про зрив анкерів в шпурах і втрату їхньої несучої здатності.

Порівняння показань тензометричних анкерів і глибинних реперів, встановлених у вентиляційному штреку 16-ої західної лави пласта m₃, показало, що максимальний натяг анкера відбувається в місцях розшарувань порід покрівлі, а з віддаленням від цих ділянок вгору і донизу, натяг анкера падає. Отже, накопичення пошкоджень контакту в системі «анкер-смола-порода» відбувається на ділянках максимального розшарування порід і поширюється в обидві сторони вздовж осі стрижня анкера.

В шахтних умовах визначено вплив рельєфу шпурів на якість закріплення анкерів (рис. 2). З цією метою здійснене витягування короткозакріплених анкерів, встановлених традиційним способом і способом, що передбачає розширення ділянки шпура довжиною 80-120 мм до діаметра, що перевищує діаметр різця на 6-8 мм. Виявлено, що анкери, закріплені новим способом, витримують навантаження до 230-250 кН і мають високу піддатливість - при зсувах на 60-70 мм несуча здатність зберігається на рівні 210-220 кН. При традиційному способі кріплення анкерів і їх навантаженні до 180-200 кН, зсуви досягають 25-40 мм, після чого відбувається практично повна втрата їхньої несучої здатності (до 20-30 кН).

У третьому розділі методами комп'ютерного моделювання досліджено механізм руйнування контактної області «анкер-смола-порода» і вплив способів рамно-анкерного кріплення виробки на напружено-деформований стан масиву.

Методом дискретних елементів шляхом поетапного навантаження встановлено (рис. 3), що по мірі збільшення зусилля натягу, анкерний стрижень піддається поздовжнім і поперечним деформаціям. Поздовжні деформації в контактній області «анкер-смола-порода» не розвиваються по всій довжині одночасно, а починаються на ослаблених ділянках (криві 1-3) і з кожним наступним етапом навантаження поширюються уздовж осі анкера. Опір анкера витягуванню, по мірі розвитку руйнування, поступово знижується, а після повного руйнування контактної області, анкер витягається практично без зусиль (криві 9 і 10).

Безпека і ефективність видобутку вугілля в складних умовах безпосередньо залежить від вирішення задач оцінки необхідної і достатньої стійкості підготовчих виробок. Така оцінка виконана методом скінчених елементів на основі пружнопластичної моделі для умов підтримання виробок рамно-анкерним кріпленням з двома способами закріплення анкерів: традиційним - по стандартному паспорту кріплення на шахті та із закріпленням анкерів в шпурах з цілеспрямовано зміненим рельєфом стінок (рис. 4). У результаті розрахунків визначені розміри і розташування порушених зон в масиві та зсуви рам арочного кріплення. Встановлено, що цілеспрямована зміна рельєфу шпурів дозволяє підвищити несучу здатність рамно-анкерного кріплення, знизити руйнування в масиві (стрілки 1 та 2) та поліпшити стан виробки. Зона непружних деформацій зменшується на 26 %, а зсуви покрівлі знижуються в середньому на 47 %.

У четвертому розділі на підставі аналітичних і експериментальних досліджень розроблені та апробовані нові способи підвищення несучої здатності анкерів при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах і засоби для їх реалізації.

Нові способи полягають в цілеспрямованій зміні рельєфу стінок шпурів. Сутність першого способу в тому, що в процес буріння вводиться додаткова фінішна операція - розсвердлювання на заданій глибині порожнин, параметри і кількість яких визначаються з урахуванням міцністних характеристик полімерного закріплювача і породи, а також нормативних технологічних вимог на встановлення сталевополімерних анкерів. При анкеруванні порожнини формують полімерні виступи, геометричні параметри яких розраховуються наступним чином:

- довжина виступу

, мм; (3)

- відстань між виступами

, мм; (4)

- висота виступу

2ч6 мм,

де - розтягуюче зусилля в контактній області «смола-порода», Н; - податливість анкера (параметр, значення якого задається в технології і погоджується з податливістю арки), мм; - межа міцності полімерного слою на зріз, Па; - межа міцності породи на зріз, Па; d_ш - діаметр шпура, мм; d_в - діаметр виступу, мм; d_а - діаметр анкера, мм.

З метою підвищення технологічності процесу цілеспрямованої зміни рельєфу шпурів, розроблено другий спосіб - нарізання на стінках шпура гвинтового паза безпосередньо в процесі буріння, а також пристрій для його реалізації, який містить штангу, адаптер і бурову коронку, розміщену з ексцентриситетом відносно адаптера, який розташовується під кутом щодо осі штанги. Глибина гвинтового паза задається величиною ексцентриситету і кутом розвороту адаптера, а крок - довжиною і діаметром бурової штанги, а також швидкістю обертання і подачі бурового інструмента.

Опір полімерного виступу витягуванню анкера розраховується наступним чином:

, (5)

де N - сила опору полімерного виступу витягуванню анкера, Н; f - міцність породи по шкалі проф. М.М. Протодьяконова; - коефіцієнт тертя породи об породу; - коефіцієнт тертя породи об полімерний виступ; б_в - кут загострення виступу, град.; б_відк - кут відколу породи, град.; k_пор - коефіцієнт, який дорівнює: для вугілля - 0,3, для аргіліту - 0,35, для алевроліту - 0,375, для пісковику - 0,45.

За розрахунками несучої здатності анкерів в породах різної міцності, побудована номограма вибору параметрів профілювання шпурів (кількості полімерних виступів) при заданій міцності закріплення анкера (рис. 5).

Дослідно-промислові випробування нового способу підвищення несучої здатності анкерів при рамно-анкерному кріпленні проведені в конвеєрному штреку 2-ї західної лави пласта l₄ шахти ім. О.Ф. Засядька. На експериментальній ділянці було закладено чотири реперні вимірювальні станції: дві - на ділянках виробки, заанкерованих новим способом, що передбачає цілеспрямовану зміну рельєфу стінок шпурів, і дві - на ділянці, заанкерованій традиційним способом.

Поза зоною впливу очисних робіт на ділянці, заанкерованій традиційним способом, загальний зсув покрівлі склав 300-330 мм, а при новому способі кріплення - 130-170 мм, тобто зменшився на 52 %. Істотний вплив лави проявлявся при її підході до спостережних станцій на 40 м. Ця величина характеризує довжину активної частини зони динамічного опорного тиску поперед лави. Максимальний приріст розшарування покрівлі штреку фіксувався тоді, коли лава перебувала в інтервалі від 40 м до - 40 м відносно замірних станцій.

За час проходження лави, на ділянці виробки, закріпленій традиційним способом (рис. 6, а), зсув покрівлі склав 208 мм, а максимальна швидкість зсувів перевищила 5 мм/сут. За весь період спостережень від оголення порід штреку до завершення активного впливу очисних робіт зсув покрівлі виробки досяг 500 мм, що значно перевищує податливість рамного кріплення.

На ділянках штреку, закріплених новим способом (рис. 6, б), під впливом лави розшарування покрівлі склало в середньому 110 мм, а за весь період спостережень - 280 мм, що знаходиться в межах податливості трьохланкового аркового кріплення. Швидкість зсувів не перевищувала 3 мм/сут.

В цілому дослідно-промислові випробування рамно-анкерного кріплення з установкою анкерів у шпурах із цілеспрямовано зміненим рельєфом стінок показали, що навіть при розшаруванні заанкерованого шару на 70-80 мм, анкери зберігають несучу здатність, тобто мають високу податливість, що дозволяє плавно передавати навантаження на арочне кріплення, в результаті чого зсуви покрівлі виробки знижуються на 42-45 %.

Впровадження нового способу рамно-анкерного кріплення підготовчих виробок при відробці 2-ї і 3-ї західних лав пл. шахти ім. О.Ф. Засядька довело його працездатність і ефективність та дозволило знизити зсуви покрівлі виробок і збільшити припустиме по газовому фактору навантаження на очисний вибій на 13 %.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій, на основі встановлених закономірностей проявів гірського тиску у виробках, що підтримуються рамно-анкерним кріпленням в умовах глибоких шахт, і взаємодії сталевополімерних анкерів з масивом залежно від рельєфу стінок шпурів, розроблені нові ефективні способи підвищення несучої здатності анкерного кріплення цілеспрямованим профілюванням шпурів при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах, що має важливе практичне значення для вугледобувної галузі.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Встановлені закономірності проявів гірського тиску при рамному і рамно-анкерному підтриманні підготовчих виробок, які полягають в тому, що в умовах нестійких порід та великих глибин розробки зсуви покрівлі розвиваються за логарифмічною залежністю і у першому випадку перевищують 500 мм, а в другому - досягають 300-400 мм, що виходить за межі податливості рамного кріплення. Основною причиною незадовільної роботи рамно-анкерного кріплення є низька несуча здатність і податливість анкерів.

2. Лабораторними та шахтними експериментами встановлено логнормальний закон розподілу діаметрів шпурів по їх довжині, визначено ступінь впливу рельєфу шпурів на якість закріплення анкерів у нестійких породах. Встановлено, що при розширенні однієї ділянки шпура довжиною 80-120 мм до діаметра, що перевищує діаметр анкера на 10-12 мм, несуча здатність анкера збільшується на 25-30 %, а при його зсувах на 60-70 мм зберігається на рівні 80-90 % від початкової.

3. Експериментальними дослідженнями та комп'ютерним моделюванням розкрито механізм розвитку руйнування контакту між сталевополімерним анкером і породною стінкою шпура, яке починається в місцях підвищеної тріщинуватості масиву та поширюється в обидва боки уздовж осі анкера у вигляді послідовних хвиль підвищених напружень, поздовжніх і поперечних деформацій стрижня анкера та руйнування контактної області «анкер-смола-порода».

151

4. Аналітичними та експериментальними дослідженнями доведено, що у нестійких породах застосування для анкерування цілеспрямовано зміненого рельєфу шпурів призводить до підвищення несучої здатності анкерного кріплення, при цьому міцність закріплення анкера прямо пропорційна міцності порід та кількості полімерних виступів і обернено пропорційна величині зсуву анкера в шпурі.

5. Доведено, що підвищення несучої здатності та податливості анкерного кріплення покращує геомеханічну ситуацію в породному масиві навколо виробки - головні напруження в заанкерованій ділянці масиву збільшуються на 61 %, а зона непружних деформацій навколо виробки зменшується на 26 %.

6. На підставі розрахункових і експериментальних даних розроблені способи підвищення несучої здатності анкерного кріплення цілеспрямованим профілюванням шпурів при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах, оснащення для їхньої реалізації та обґрунтовані раціональні параметри нарізки шпурів (довжина і висота виступів, їхня кількість та відстань між ними) для різних гірничо-геологічних умов.

7. Дослідно-промислові випробування роботи рамно-анкерного кріплення з установкою анкерів в шпурах із цілеспрямовано зміненим рельєфом стінок показали, що навіть при розшаруванні заанкерованого шару на 70-80 мм, анкери зберігають несучу здатність, тобто мають високу податливість, що дозволяє плавно передавати навантаження на арочне кріплення, у результаті чого зсуви покрівлі виробки знижуються на 42-45 %.

8. Впровадження нових способів анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні підготовчих виробок 2-ї і 3-ї західних лав пл. шахти ім. О.Ф. Засядька дозволило збільшити допустиме по газовому фактору навантаження на очисний вибій на 13 %.

Дольова участь автора у фактичному економічному ефекті від впровадження «Рекомендаций по обеспечению устойчивости вентиляционного ходка «газового горизонта» по пласту m₃ 16-й западной лавы» та нового способу рамно-анкерного кріплення підготовчих виробок склала 2037,5 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Цикра, А. А. Техніко-экономическая оценка эффективности анкерной крепи при обеспечении устойчивости подготовительных выработок / А.А. Цикра // КТУ: Науч.-техн. сб., Кривой Рог: КТУ, 2005. - Вып. 89. - С. 45-49.

2. Бокий, Б. В. Промышленная проверка эффективности рамно-анкерного крепления горных выработок / Б. В. Бокий, А. А. Цикра, Ю. С. Опрышко // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. - Вып. 57. - С. 60-66.

3. Взаимосвязь проявлений горного давления на примере анализа мониторинга геомеханического состояния подготовительной горной выработки / И. А. Ефремов, Б. В. Бокий, А. А. Цикра, Ю. С. Опрышко // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2006. - Вып. 61. - С. 57-66.

4. Цикра, А. А. Моделирование процесса разрушения места связи сталеполимерного анкера с породным массивом / А. А. Цикра, В. В. Назимко // Проблемы горного давления: сб. науч. тр. - Донецк: ДонНТУ, 2006. Вып. 14. - С 47-62.

5. Цикра, А. А. Исследование особенностей разрушения контакта сталеполимерного анкера с породной стенкой шпура / А. А. Цикра // Вестник Криворожского технического университета: сб. науч. тр. - Кривой Рог: КТУ, 2007. - Вып. 16. - С. 229-234.

6. Взаимодействие элементов комбинированного способа поддержания газосборных выработок с углевмещающим массивом / С.А. Курносов, И.Н. Слащев, И.А. Єфремов, А.А. Цикра, В.В. Радченко // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. - Вып. 68. - С. 24-36.

7. Курносов, С. А. Повышение несущей способности комбинированной рамно-анкерной крепи в сложных горно-геологических условиях / С.А. Курносов, И.Н. Слащев, А.А. Цикра // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. - Вып. 69. - С. 114-121.

8. Пат. № 28469, МПК (2006) Е21В 10/00 Пристрій для обертального розширення шпурів / Ю.Л. Звягільський, Б.В. Бокій, І.О. Єфремов, О.А. Цікра, В.В. Назимко (Україна). - u 2007 08958; заявл. 03.08.2007, опубл. 10.12.2007; Бюл. № 20. - 5 с: ил.

9. Пат. № 39204, МПК (2009) Е21D 20/00, Е21В 19/00 Буровий постав для нарізки шпура / Б.В. Бокій, О.А. Цікра, В.С. Возіянов, В.Б. Ковбасенко, А.Т. Курносов, С.А. Курносов, І.М. Слащов (Україна). - u 2008 11698; заявл. 30.09.2008 , опубл. 10.02.2009; Бюл. № 3. - 4 с: ил.

10. Пат. № 41968, МПК (2009) Е21D 20/00 Спосіб закріплення анкера в слабких породах / О.А. Цікра, В.С. Возіянов, В.Б. Ковбасенко, А.Т. Курносов, С.А. Курносов, І.М. Слащов (Україна). - u 2008 09042; заявл. 10.07.2008, опубл. 25.06.2009; Бюл. № 12. - 5 с: ил.

11. Цикра, А. А. Испытания анкеров на вытягивание при интервальном закреплении / А.А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках: Матер. ХV межд. науч. школы, Алушта 19-25 сент. 2005 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2005. - С. 258-263.

12. Закономерности разрушения углепородного массива в процессе его отработки и дегазации / А.Ф. Булат, А.Т. Курносов, С.А. Курносов, И.Н. Слащев, И. А. Ефремов, Б. В. Бокий, А. А. Цикра, И. А. Ященко // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках: Матер. XVI межд. науч. школы, Алушта, 18-24 сент. 2006 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2006. - С. 45-48.

13. Обоснование параметров комбинированного способа поддержания горных выработок на различных этапах их деформирования / С.А. Курносов, И.Н. Слащев, Б.В. Бокий, А.А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках: Матер. XVI межд. науч. школы, Алушта, 18-24 сент. 2006 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2006. - С. 164-167.

14. Механизм взаимодействия сталеполимерных вспомогательных анкеров с арочной крепью при комбинированном креплении горных выработок / С. А. Курносов, В. Б. Ковбасенко, А. В. Боровский, А. А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках: Матер. ХVII межд. науч. школы, Алушта 17-23 сент. 2007 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2007. - С. 177-180.

15. Профиль стенок шпуров и его влияние на прочность закрепления сталеполимерных анкеров / И.А. Ефремов, Б.В. Бокий, В.В. Назимко, А.А. Цикра // Матер. межд. конф. «Форум гірників-2007». - Днепропетровск: НГУ, 2007. - С 117-125.

16. Новый подход к повышению несущей способности анкерных систем при поддержании подготовительных выработок на больших глубинах / А.Т. Курносов, С.А. Курносов, И.Н. Слащёв, Б.В. Бокий, А.А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках: Матер. XVIII межд. науч. школы, Алушта, 22-28 сент. 2008 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. - С. 190-192.

17. Опыт поддержания породного обнажения в сложных горнотехнических и горно-геологических условиях / И.А. Ефремов, П.Е. Филимонов, А.Б. Нечепоренко, А.А. Цикра, И.В. Назимко // Матер. межд. конф. «Форум гірників-2009». - Днепропетровск: НГУ, 2009. - С 49-57.

18. Решение проблемы поддержания горных выработок, расположенных в слабых вмещающих породах / А.Т. Курносов, С.А. Курносов, И.Н. Слащев, Б.В. Бокий, А.А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках: Матер. XIХ межд. науч. школы, Алушта, 21-27 сент. 2009 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2009. - С. 187-190.

Внесок автора в роботи, що опубліковані у співавторстві: [2, 3, 6, 12-14, 17, 18] - проведення експериментальних досліджень та аналіз їх результатів; [4] - встановлення граничних умов моделювання та аналіз результатів; [7] - розробка способів підвищення несучої здатності анкерів як складової частини комбінованого рамно-анкерного кріплення; [8, 9] - експериментальні дослідження раціональних параметрів пристроїв для цілеспрямованої зміни рельєфу шпурів; [10, 16] - проведення експериментальних досліджень по визначенню раціональних параметрів способів закріплення анкера у нестійких породах; [15] - встановлення закономірностей формування рельєфу шпурів в умовах шахт ім. О.Ф. Засядька та «Червоноармійська-Західна №1».

АНОТАЦІЯ

Цікра О. А. Розробка способів підвищення несучої здатності анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин». Інститут геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2010 р.

Дисертація присвячена розробці способів підвищення несучої здатності анкерного кріплення при рамно-анкерному підтриманні виробок у нестійких породах на основі встановлених закономірностей зміни несучої здатності анкерів з урахуванням рельєфу стінок шпурів і проявів гірського тиску в умовах глибоких шахт. Розкрито механізм руйнування контактної області «анкер-смола-порода» і встановлено, що у нестійких породах застосування цілеспрямовано зміненого рельєфу шпурів приводить до підвищення несучої здатності анкерного кріплення. При цьому максимальні головні напруження в заанкерованій ділянці масиву збільшуються на 61 %, зона непружних деформацій навколо виробки зменшується на 26 %.

Розроблено способи і оснащення для профілювання шпурів, а також номограма для визначення кількості полімерних виступів. Дослідно-промислові випробування нового способу рамно-анкерного підтримання виробок показали його працездатність і ефективність. При розшаруванні покрівлі на 70-80 мм анкери зберігають несучу здатність і мають високу податливість, що дозволило знизити навантаження на арочне кріплення і зсуви покрівлі виробок на 42-45 %. Спосіб впроваджено при відробці 2-ї і 3-ї західних лав пл. l₄ шахти ім. О.Ф. Засядька. Дольова участь автора у фактичному економічному ефекті від впровадження «Рекомендаций по обеспечению устойчивости вентиляционного ходка «газового горизонта» по пласту m₃ 16-й западной лавы» і нового способу рамно-анкерного кріплення підготовчих виробок склала 2037,5 тис. грн.

Ключові слова: рамно-анкерне кріплення, нестійкі породи, рельєф стінок шпурів.

АННОТАЦИЯ

Цикра А. А. Разработка способов повышения несущей способности анкерной крепи при рамно-анкерном поддержании выработок в неустойчивых породах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых». Институт геотехнической механики им. Н. С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2010 г.

Диссертация посвящена разработке способов повышения несущей способности анкерной крепи при рамно-анкерном поддержании выработок в неустойчивых породах на основе установленных закономерностей изменения несущей способности анкеров с учетом рельефа стенок шпуров и проявлений горного давления в условиях глубоких шахт.

Экспериментальными исследованиями и компьютерным моделированием раскрыт механизм разрушения контактной области «анкер-смола-порода», заключающийся в том, что разрушение начинается на участке пересечения анкера с плоскостями повышенной трещиноватости породы, после чего деформации распространяются в обе стороны вдоль оси стержня анкера: впереди движется зона максимальных напряжений, за ней перемещается зона продольных и поперечных деформаций стержня анкера, а затем следует разрушение контактной области.

Аналитическими и экспериментальными исследованиями доказано, что в неустойчивых породах применение целенаправленно измененного рельефа шпуров приводит к повышению несущей способности анкерного крепления. При этом максимальные главные напряжения в заанкерованном участке массива увеличиваются на 61 %, зона неупругих деформаций вокруг выработки уменьшается на 26 %. На основании расчетных и экспериментальных данных разработаны способы и оснастка для профилирования шпуров, а также номограмма для определения количества полимерных выступов.

Опытно-промышленные испытания нового способа рамно-анкерного крепления с установкой анкеров в шпурах с целенаправленно измененным рельефом стенок показали, что даже при расслоении заанкерованного слоя на 70-80 мм, анкеры сохраняют несущую способность и обладают высокой податливостью, снижают нагрузку на арочную крепь и смещения кровли выработки на 42-45 %.

В результате внедрения «Рекомендаций по обеспечению устойчивости вентиляционного ходка «газового горизонта» по пласту m₃ 16-й западной лавы» и нового способа рамно-анкерного крепления подготовительных выработок при отработке 2-й и 3-й западных лав пл. l₄ шахты им. А.Ф. Засядько получен фактический экономический эффект, в котором долевое участие автора составило 2037,5 тыс. грн.

Ключевые слова: рамно-анкерное крепление, неустойчивые породы, рельеф стенок шпуров.

ABSTRACT

Tsikra A. Development of ways to increase the load-bearing capacity of roof bolts in the arch-bolting maintaining workings of unstable rocks. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.15.02 - Underground mining. Institute of geotechnical mechanics by N. S. Poljakov NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2010.

The thesis is devoted to developing ways to improve the load-bearing capacity of roof bolts in the arch-bolting maintaining workings of unstable rocks on the basis of obtained regularities of the changes of load-bearing capacity of bolts considering boreholes rifling and manifestations of rock pressure in deep mines. Investigated the mechanism of destruction of the contact bond area "bolt-resin-rock" and found that in the unstable rocks application for bolting of purposefully altered boreholes rifling increases the load-bearing capacity of bolts. The maximum principal stresses in a bolted section of the rock strata is increased by 61 %, the zone of inelastic deformation around preparatory mine working is reduced by 26 %.

Methods and equipment for boreholes rifling and nomogram for determining the number of polymeric protrusions have been developed. Experimental-industrial testing of the new method arch-bolting maintaining workings showed its effectiveness. When the roof lamination is at 70-80 mm bolts retain the load-bearing capacity and have greater suppleness, thus reducing the load on the arched roof supports and roof displacement by 42-45 %. Ways to incorporate when developing 2 and 3 west LW in seam l₄ on Zasyadko mine. The author's participation in the actual economic effect of implementing "The recommendations on the sustainability of ventilation passway of "gas horizon" for 16 west LW in seam m₃ " and advanced way to arch-bolting development was estimated as 2037,5 thousands of UAH. анкер стійкість підготовчий руйнування

Keywords: arch-bolting maintaining, unstable rocks, boreholes rifling.

ЦІКРА Олександр Анатолійович

Підписано до друку 18.03.10. Формат 60Ч90/16.

Папір офсетний. Ризографія. Ум. авт. арк. 0,9.

Обл.-вид. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. № 327

Друк ТОВ «Барвікс»

49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 17

Размещено на Allbest.ru