Обоснование и разработка методики расчета крепления сталеполимерной анкерной креп ью горных выработок для условий многолетней мерзлоты
На правах рукописи
ВАСИЛЬЕВ СЕРГЕЙ ДМИТРИЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КРЕПЛЕНИЯ СТАЛЕПОЛИМЕРНОЙ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ДЛЯ УСЛОВИЙ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ
Специальность 25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2013
Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) ФБГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) на кафедре «Технология и комплексы горного, строительного и металлургического производств»
Научный руководитель:
Доктор технических наук,
профессор Титов Николай Викторович
Официальные оппоненты:
Ельчанинов Е.А. – д.т.н., профессор. Московский государственный горный университет
Ткачев В.А.- д.т.н., профессор. Шахтинский институт (филиал) ФБГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)
Ведущая организация – ОАО «ШахтНИУИ» (г. Шахты Ростовская область)
Защита диссертации состоится « 22 » мая 2013г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д-212.137.03 при Московском государственном открытом университете имени В.С. Черномырдина по адресу: 107996, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д.22
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета имени В.С. Черномырдина.
Автореферат разослан «10» апреля 2013г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент Н.А. Артемьев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
В настоящее время в отечественной и мировой практике на угольных шахтах все в большем объеме находит применение анкерная крепь, закрепляемая частично или по всей длине скважины быстродействующими смолами. Основным достоинством этой крепи является практически мгновенное скрепление с породой, при этом несущая способность таких анкеров составляет 150250 кН, при низкой себестоимости по сравнению с другими типами крепи.
Вопросам применения анкерной крепи, в том числе сталеполимерной, в обычных условиях посвящено значительное количество работ. Для определения параметров анкерной крепи существуют нормативные документы, которые с успехом применяются на шахтах РФ. К сожалению, их действие, в том числе и последней «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России», М., 2012, не распространяется на условия многолетней мерзлоты, для объектов подземного строительства.
Вопросами применения анкерной крепи в условиях многолетней мерзлоты занимались такие ученые как: Андриенко В.И., Ельчанинов Е.А., Изаксон В.Ю., Меркин В.Е., Розенбаум М.А., Скуба В.Н., Северъянов А.Н., Слепцов А.Е., Стрыгин Б.И., Чеботаев А.Ф., Шор А.И., Шувалов Ю.В. и др.
Однако работы этих ученых затрагивали вопросы крепления клиновыми, клино-распорными, винтовыми, ж/бетонными и деревянными анкерами с несущей способностью 3080 кН. Работы, посвященные вопросам крепления сталеполимерными анкерами в рассматриваемых условиях практически отсутствуют, до сих пор не выяснена возможность закрепления с помощью смол металлических стержней в породах, имеющих отрицательную температуру, неясно, как скажется многократное влияние замораживания-оттаивания на закрепляющую способность скрепляющих составов, неизвестно как они будут «работать» в условиях агрессивных сред, как скажется влияние времени на несущую способность сталеполимерных анкеров, отсутствует методика расчета параметров этой крепи для рассматриваемых условий. Поэтому данная работа, посвященная решению перечисленных вопросов, является несомненно актуальной.
Целью диссертационной работы является обоснование возможности крепления горных выработок сталеполимерной анкерной крепью в условиях многолетней мерзлоты и разработка методики расчета ее параметров.
Идея работы заключается в том, что устойчивость выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах обеспечивается за счет упрочнения этих пород сталеполимерной анкерной крепью на основе установленных закономерностей взаимодействия многолетнемерзлых пород и скрепляющего состава.
Основные задачи исследований:
1. Выполнить анализ существующих конструкций сталеполимерной крепи и средств ее закрепления в породном массиве.
2. Исследовать характер взаимодействия сталеполимерных анкеров с породным массивом в условиях обводненной и агрессивной среды, отрицательной температуры пород и знакопеременной температуры воздуха.
3. Исследовать влияние фактора времени на несущую способность сталеполимерной анкерной крепи.
4. Разработать методику расчета параметров анкерной крепи и рекомендации по технологии крепления горных выработок в рассматриваемых условиях.
Методы исследований. Работа выполнялась методами анализа и обобщения сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках; натурных исследований в условиях шахт «Нагорная» и «Джебарики-Хая»; лабораторных исследований в холодильной камере ВНИМИ; моделирования на эквивалентных материалах; статистической и аналитической обработки полученных результатов.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Полиэфирные смолы, применяемые в качестве наполнителя ампул в сталеполимерных анкерах, обеспечивают высокий уровень сцепления с породами, имеющими отрицательную температуру в условиях обводненной, кислой и щелочной среды, что позволяет использовать сталеполимерные анкеры в качестве основной крепи выработок в условиях многолетней мерзлоты.
2. Адгезия сталеполимерных анкеров не зависит от воздействия знакопеременных температур на ампулы с закрепляющим составом и не меняется во времени, что позволяет использовать эту крепь для выработок с большим сроком службы, при этом установку анкеров необходимо осуществлять до остывания стенок шпура, разогретых вследствие бурения и после реализации энергии упругого восстановления пород.
3. При определении параметров сталеполимерной анкерной крепи в условиях многолетней мерзлоты в качестве критерия для расчетов, в отличие от обычных условий, следует использовать не расчетные смещения пород, а возможные нагрузки на крепь, возникающие вследствие образования в породах ореолов оттаивания, изменения их прочностных характеристик и структуры в зоне опорного давления, а также при повышении температуры даже в пределах отрицательных значений.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается представительным объемом исследований, выполненных в лабораторных и натурных условиях шахт и рудников, работающих в условиях многолетней мерзлоты, большим объемом исследований на моделях из эквивалентных материалов, хорошей сходимостью расчетных и фактических параметров крепления выработок.
Научная новизна работы:
1. Установлены закономерности изменения адгезии полиэфирных смол в многолетнемерзлом массиве в зависимости от следующих факторов:
влажности – адгезия стержня в «сухом» шпуре и шпуре, смоченном «чистой» водой, практически одинаково;
агрессивной среды – при размещении ампул в шпуре, смоченном насыщенным соляным раствором, адгезия уменьшилаась на 34%, а при добавлении в соляной раствор сульфата кальция и хлорида магния, адгезия уменьшилась до 50% от первоначального;
– знакопеременной температуры – замораживание до -10°С и последующее оттаивание в течении 10 циклов практически не влияет на адгезию в шпуре;
– контакта закрепляющего состава с породой, имеющей отрицательную температуру – адгезия составила 48% от величины адгезии в породе, имеющей положительную температуру; установка анкера в шпур, разогретый после бурения (температура стенок шпура составила +5+8°С), позволила увеличить адгезию до 86% от номинального.
2. Установлены зависимости времени отверждения закрепляющего состава от температуры воздуха и несущей способности сталеполимерной анкерной крепи во времени. При охлаждении закрепляющей смеси до -10°С скорость отверждения смолы примерно в 10 раз меньше, чем при температуре +25°С. Адгезия анкера в шпуре спустя пять лет после его установки практически не изменилась, что позволяет рекомендовать сталеполимерную анкерную крепь для крепления капитальных выработок.
3. Разработан способ моделирования на эквивалентных материалах, позволяющий на модели учитывать влияние времени от обнажения пород кровли до их крепления на устойчивость выработки. При этом установлено, что при упругом деформировании пород анкерная крепь не оказывает существенного влияния на смещения пород. Установка анкерной крепи непосредственно после обнажения кровли до реализации породой упругих деформаций препятствует расслоению и сдвигу пород и, вместе с тем, анкер испытывает максимальные нагрузки. Установка анкерной крепи спустя 10 – 15 суток после обнажения кровли практически не влияет на конечную величину смещений.
Практическое значение работы заключается в следующем:
– обосновании возможности применения сталеполимерных анкеров для крепления горных выработок в условиях отрицательных температур воздуха и породного массива;
– разработке методики расчета параметров анкерной крепи горных выработок для условий многолетней мерзлоты;
– разработке рекомендаций по технологии крепления выработок (времени установки крепи после бурения шпуров и времени эффективного крепления кровли после ее обнажения).
Реализация работы.
Результаты исследований используются при креплении капитальных и подготовительных выработок шахт и рудников, работающих в условиях многолетней мерзлоты: шахт «Нагорная» и «Джебарики-Хая», рудники «Баренцбург» и «Бадран», а также в проектных и научно-исследовательских организациях при составлении проектов и нормативно-методических документов, регламентирующих применение анкерной крепи на шахтах и рудниках России.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на Международной Конференции по проблемам горного давления (СПб., 2012 г.), на заседании секции по горному давлению и горным ударам Ученого Совета ВНИМИ (СПб., 2011 г.), на техническом совещании ГМК «Норильский никель» (Норильск, 2010 г.), на техническом совещании шахты «Нагорная» (Берингово, 2009 г.), в Южно-Российском отделении академии горных наук (Шахты, 2011г.), на техническом совещании ЗАО «ГРК Западная» (Усть-Нера, 2012г.), дважды на заседаниях кафедры «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств» (Шахты, 2012г.).
Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методики исследований, проведении исследований в холодильной камере ВНИМИ и лаборатории моделирования, организации промышленного эксперимента на шахте «Нагорная», руднике «Бадран», обработке материалов экспериментов в натурных и лабораторных условиях и получении основных научных результатов.
При работе над диссертацией и проведении шахтных и лабораторных исследований большую помощь автору оказали М.А. Розенбаум, В.В. Комиссаров, Ю.П. Коренной, А.Б. Соколов и другие, которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, входимых в перечень ВАК.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 117 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 14 рисунков, список использованной литературы из 93 наименования.
Содержание работы
В диссертационной работе изложены результаты анализа публикаций различных авторов по вопросам крепления горных выработок анкерной крепью в условиях многолетней мерзлоты, а также рассмотрены существующие методики и методы расчета параметров анкерной крепи для крепления горных выработок в обычных условиях. Сформулированы цели и задачи исследований.
Рассмотрены конструкции применяемой на шахтах и рудниках РФ сталеполимерной анкерной крепи, способы ее установки, основные типы химических ампул с закрепляющим составом в виде полиэфирных смол и многокомпонентных составов на основе минеральных композиций. Приведены результаты по испытанию различных конструкций анкеров и закрепляющих составов на шахтах Кузбасса, выделены наиболее перспективные из них для применения в условиях многолетней мерзлоты.
Приведены методика и результаты исследований по влиянию на закрепляющую способность полиэфирных смол таких факторов как: замораживание-оттаивание закрепляющих составов, агрессивности среды, отрицательная температура породного массива, временя существования закрепленной выработки.
Разработаны рекомендации по креплению выработок сталеполимерной анкерной крепью в условиях многолетней мерзлоты, приведена типизация горных выработок по горнотехническим и геомеханическим условиям их эксплуатации, показано влияние оттаивания многолетнемерзлых пород на выбор крепи горных выработок. Разработана методика расчета параметров анкерной крепи и приведены примеры их определения.
Основные результаты исследований отражены
в следующих защищаемых положениях
1. Полиэфирные смолы, применяемые в качестве наполнителя ампул в сталеполимерных анкерах, обеспечивают высокий уровень сцепления с породами, имеющими отрицательную температуру в условиях обводненной, кислой и щелочной среды, что позволяет использовать сталеполимерные анкеры в качестве основной крепи выработок в условиях многолетней мерзлоты.
К специфическим условиям шахт, работающих в зоне многолетней мерзлоты относятся: отрицательная температура породного массива, знакопеременная температура воздуха, обводненность пород, в том числе соляными и щелочными растворами.
Исследования влияния этих факторов на адгезию металлических анкерных стержней в породе с помощью ампул, содержащих полиэфирные смолы, проводились в холодильной камере ВНИМИ. Закрепление стержней производилось с помощью ампул типа АП-1, изготовленных ЗАО «Карботех». В качестве анкера использовались стальные арматурные стержни диаметром 20 мм и длиной 40 см. В качестве породного массива использовались бетонные блоки цилиндрической формы диаметром 100 мм, изготавливаемые путем заливки песчано-цементной смеси в специально подготовленные пресс-формы. После набора бетонным цилиндром необходимой прочности в нем по центру просверливали сквозные отверстия диаметром 25 мм. Снизу отверстие плотно закрывалось деревянной пробкой для предотвращения вытекания из него испытуемой смеси. Затем в шпур вставляли ампулу с полиэфирной смолой и металлический стержень (имитирующий анкер), который с помощью электрического сверла СР-14 приводился во вращение с одновременным поступательным движением, при этом оболочка ампулы разрывалась и смешивались входящие в нее компоненты. После того, как смесь застывала, блок был готов к испытаниям и выставлялся на нагрузочный стол пресса, где производилось нагружение стержня вертикальной нагрузкой до его «срыва» и проскальзывания внутри блока. В момент «срыва» стержня фиксировалось усилие, передаваемое прессом стержню, которое и принималось за адгезию.
Как показала практика, подземные воды, контактирующие с породами и крепью, образуют большое количество примесей, могущих оказывать влияние на скрепляющую способность полиэфирных смол.
Исследования влияния влажности и агрессивности среды на адгезию сталеполимерных анкеров
Анализ минерального состава воды на шахтах Севера позволил определить наиболее распространенный состав примесей, содержащихся в шахтной воде. К ним относятся растворы каменной соли и такие же растворы с добавкой сернокислых и хлористых соединений.
Задачей проводимых исследований являлось определение влияния минерализации воды на адгезию полиэфирных смол.
Для определения влияния минерализации воды на адгезию полиэфирных смол было проведено 4 цикла лабораторных испытаний с добавкой в шпуры, в которых происходило разрушение ампул с полиэфирными смолами, выявленных примесей, в количестве, аналогичном имеющему место в натурных условиях рудников.
Первый цикл испытаний включал размещение ампулы в сухом шпуре.
Второй цикл – испытание адгезии при размещении ампулы в шпуре, смоченном чистой водой без химических примесей (питьевой водой).
Третий цикл- соляной раствор (каменная соль, галит) добавляется в воду до состояния полного насыщения (до плотности соляного раствора – 1,2 г/см3).
Четвертый цикл – добавление в соляной раствор сульфата кальция (CaSO42H2О) и хлорида магния (MgCl26H2O) в концентрациях, близких к предельным значениям - соответственно, 0,3 г/см3 и 0,2 г/см3.
Результаты исследований показали, что адгезия стержня в сухом шпуре и в шпуре, смоченном «чистой» водой примерно одинаковы. При размещении ампул в шпуре, смоченном соляным раствором (3-й цикл испытаний) адгезия уменьшилось 34 %; при добавлении в шпур, смоченном соляным раствором, сульфата кальция и хлорида магния, адгезия уменьшилось на 50 %.
2. Адгезия сталеполимерных анкеров не зависит от воздействия знакопеременных температур на ампулы с закрепляющим составом и не меняется во времени, что позволяет использовать эту крепь для выработок с большим сроком службы, при этом установку анкеров необходимо осуществлять до остывания стенок шпура, разогретых вследствие бурения и после реализации энергии упругого восстановления пород.
Исследования влияния отрицательной температуры пород на адгезию сталеполимерного анкера
В зоне многолетней мерзлоты температура пород в большинстве случаев колеблется в пределах -2,5-5,0°С. Для обоснования возможности крепления сталеполимерной анкерной крепью в этих условиях необходимо было исследовать как будет «схватываться» полиэфирная смола с породами, имеющими отрицательную температуру.
С этой целью было проведено три цикла испытаний.
В первом цикле в песчано-цементных блоках бурились шпуры, затем их температура понижалась до -5°С и ампулы с положительной температурой помещались в эти шпуры; затем в них вставлялись стальные стержни и производилось перемешивание компонентов, содержащихся в ампуле.
Во втором цикле испытаний песчано-цементные блоки охлаждались до температуры -5,0°С, затем в них бурились шпуры и сразу в пробуренный шпур помещались ампулы и стержень, и производилось перемешивание компонентов.
В третьем цикле температура цементно-песчаных блоков с предварительно пробуренными в них шпурами понижалась с +20° до -10°С и фиксировалось изменение времени «схватывания» клеящего состава от температуры цементно-песчаных блоков.
Во всех случаях после закрепления стержней и выдержки их в шпуре в течение часа производилось определение величины адгезии в соответствии с вышеизложенной методикой.
В таблице 1 представлены результаты испытаний, полученных в первом цикле.
Таблица 1 – Величина адгезии в породе с отрицательной температурой
| Температура песчано-цементного блока | Адгезия, по каждому опыту, т.с. | Среднее значение | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| -5°С | 1,4 | 1,7 | 1,2 | 1,43 |
Как видно из таблицы, адгезия в породе с отрицательной температурой составило 48% от адгезии в породе с положительной температурой.
Во втором цикле наблюдений шпуры бурили в блоке, охлажденном до -5,0°С, и закрепление производили непосредственно сразу после бурения. Измерения показали, что температура стенки шпура сразу после бурения составляла +5+8°С.
В таблице 2 приведены величины адгезии в блоке с отрицательно температурой, в которых установка стержней осуществлялась непосредственно после бурения.
Таблица 2
| Температура блока | Температура стенки шпура | Адгезия, по каждому опыту, т.с. | Среднее значение т.с. | ||
| -5,0 | +5,2 +6,0 +8,0 | 1 | 2 | 3 | |
| 2,5 | 2,7 | 2,6 | 2,6 | ||
Как видно, анкер, установленный в мерзлом блоке сразу после бурения, имеет несущую способность равную 86% от ее значения, полученного для анкеров, установленных в положительной температуре.
Установлено, что при температуре воздуха -10°С скорость отверждения смолы примерно в 10 раз меньше чем при положительной температуре +20°С.
Исследование влияния замораживания – оттаивания ампул с полиэфирными смолами на их закрепляющую способность
При креплении горных выработок сталеполимерными анкерами, особенно в условиях многолетней мерзлоты, ампулы в процессе доставки неоднократно подвергаются воздействию знакопеременных температур. При окружающей температуре воздуха в зимний период до -40-50°С ампулы еще в вагонах или других транспортных средствах замерзают, затем при перегрузках их в складских помещениях оттаивают, и так неоднократно. Опыт показывает, что за период транспортировки от изготовителя к забою ампулы могут порядка 5–10 раз подвергаться таким воздействиям. Естественно, возникли опасения в возможности их использования для крепления кровли горных выработок.
С целью определения влияния процессов замораживания-оттаивания ампул на несущую способность сталеполимерной крепи, были проведены специальные исследования.
Испытывались ампулы, подвергшиеся 1, 2, 5, 10 и 15 циклам замораживания–оттаивания. В таблице 3 приведены значения закрепляющего усилия после воздействия на ампулы знакопеременной температуры. Как видно, воздействие на полиэфирные смолы знакопеременной температуры практически не меняет адгезию.
Таблица 3
| Количество циклов замораживания–оттаивания | Адгезия по каждому опыту, тс | Среднее значение | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| 1 | 3,2 | 2,8 | 2,9 | 2,9 |
| 2 | 3,0 | 3,3 | 2,7 | 3,0 |
| 5 | 2,6 | 3,5 | 2,8 | 2,9 |
| 10 | 3,1 | 2,7 | 2,9 | 2,9 |
| 15 | 3,4 | 2,5 | 2,7 | 2,9 |
Исследования влияния времени с момента закрепления сталеполимерных анкеров до их испытания на несущую способность
Исследования влияния времени предусматривали решение двух задач. Первая – как влияет фактор времени на несущую способность сталеполимерной анкерной крепи, и вторая – как влияет время, прошедшее от обнажения кровли до возведения крепи на устойчивость выработки.
Для решения первой задачи были подготовлены цементно-песчаные блоки, в которые при положительной температуре были установлены анкера в соответствии с изложенной методикой, а затем эти блоки были установлены в специальном помещении, в котором поддерживались относительно постоянная температура +2224°С и влажность – 4648%. Всего было изготовлено 45 блоков. Намечалось испытывать по три блока через каждый год. В таблице 4 представлены результаты испытаний, проведенные в течение пяти лет.
Таблица 4
| Время после установки анкеров, год | Адгезия по каждому опыту, тс | Среднее значение, тс | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| 1 | 3,0 | 2,9 | 3,2 | 3,0 |
| 2 | 3,1 | 3,0 | 3,3 | 3,1 |
| 3 | 3,0 | 3,4 | 3,1 | 3,2 |
| 4 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 3,2 |
| 5 | 3,2 | 3,1 | 3,2 | 3,2 |
Как видно из таблицы 4 за пять лет несущая способность анкеров практически не изменилась.
Следует отметить, что установленные в блоках анкера находились в «свободном» состоянии, без пригрузки, однако установленное постоянство адгезии во времени имеет большое практическое значение, т.к. позволяет рекомендовать рассматриваемый вид крепи для крепления капитальных выработок с большим сроком службы, по крайней мере, в течение пяти лет.
Исследование влияния времени от обнажения кровли
до установки анкерной крепи на устойчивость выработки
При проведении выработок от момента обнажения кровли до установки крепи происходит какое-то время, в течение которого происходит расслоение и смещение пород. В зависимости от величины этого времени, которое может измеряться от нескольких часов до нескольких суток и более меняется величина как исходных деформаций так и смещений кровли, при которых устанавливается крепь.
Для установления влияния фактора времени от момента обнажения кровли до установки анкерной крепи на устойчивость выработки и определения оптимального времени ее установки с целью наиболее полного использования ее силового потенциала были проведены лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов.
Методика моделирования
Для решения поставленной задачи был разработан способ моделирования, который позволяет учесть на модели влияние времени от обнажения породы до ее крепления на устойчивость выработки, суть которого заключалась в следующем.
В выработке устанавливают жесткую опору, расстояние от которой до кровли выработки принимают равным величине смещения кровли в натуре за определенный период времени с учетом геометрического масштаба моделирования и пригружают модель до тех пор, пока кровля выработки опустится на жесткую опору, после этого устанавливали крепь, убирали опору и продолжали нагружение модели.
В реальных шахтных условиях анкерная крепь в кровле выработки устанавливается в различные периоды с момента ее обнажения. При этом анкерами «стягиваются» слои пород с различной степенью рыхления и разрушения. Воссоздание этих условий на моделях и исследование различия в устойчивости кровли выработки и является основной задачей эксперимента.
Методически моделирование проводилось в следующем порядке.
Массив моделей из песчано-эпоксидной смеси закатывался отдельными слоями с межслоевой присыпкой слюдой. Мощность каждого слоя составляла 1 см, а прочность в образцах – 5,5 кг/см2, что в масштабе моделирования 1:50 для условий натуры равнялось соответственно 0,5 м и 420 кгс/см2. Изготовление массива осуществлялось в трехметровом стенде до высоты равной 300 мм при толщине – 200 мм. Затем массив разрезали на отдельные блоки, по габаритам нагружающего пресса.
Модели испытывались при различной величине заданной деформации, которая рассматривается как функция времени от момента обнажения до установки крепи; на рисунке 1 показана зависимость эффективности сопротивления анкерной крепи (kу) от времени ввода анкерной крепи в работу с момента обнажения кровли.
Исследования показали, что при упругом деформировании пород анкерная крепь не оказывает существенного влияния на смещение пород, а установка анкерной крепи непосредственно после обнажения кровли до реализации породой упругих деформаций препятствует расслоению и сдвигу пород и вместе с тем анкер испытывает максимальные нагрузки. Установка анкерной крепи спустя 1015 суток после обнажения кровли практически не влияет на конечную величину смещений.
Рисунок 1 – Влияние времени ввода анкерной крепи в работу с момента обнажения кровли камеры (величины её опускания U) на эффективность (Ку) сопротивления внешним нагрузкам системы «порода-крепь»
3. При определении параметров сталеполимерной анкерной крепи в условиях многолетней мерзлоты в качестве критерия для расчетов, в отличие от обычных условий, следует использовать не расчетные смещения пород, а возможные нагрузки на крепь, возникающие вследствие образования в породах ореолов оттаивания, изменения их прочностных характеристик и структуры в зоне опорного давления и при повышении температуры даже в пределах отрицательных значений.
Как известно, до сих пор не существует нормативных документов, регламентирующих порядок и принципы расчета анкерной крепи для условий отрицательных температур. Простой перенос известных методик расчета на условия многолетней мерзлоты приводит к абсурдным результатам. В основу всех известных методов расчета крепи для обычных условий положена величина смещений пород кровли, по которой выбирают тип и параметры как анкерной, так и любой другой крепи (металлической, рамной, набрызгбетонной, деревянной и т.п.). Для условий многолетней мерзлоты зависимости, связывающие величину смещений кровли и нагрузки на крепь, а, следовательно, и требуемые сопротивления крепи практически отсутствуют. Практика показывает, что эти параметры в рассматриваемых условиях зависят от фактической схемы взаимодействия крепи и породного массива, которые определяются: зависящей от температуры прочностью пород, которая существенно меняется даже в диапазоне отрицательных температур; местом расположения выработки (в массиве или в зоне опорного давления); сроком службы и назначением выработок (подготовительные или капитальные), величиной возможных ореолов протаивания пород, формирующих нагрузки на крепь.
Для разработки методики расчета параметров анкерной крепи для этих условий, кроме влияющих факторов, рассматриваемых в главе III, необходимо было исследовать, как изменяется прочность вмещающих пород и угля при изменении их температуры, а также каких величин могут достигать ореолы протаивания пород во времени в зависимости от естественной температуры массива и температуры воздуха, проходящего по выработкам.
Для определения прочности пород и угля при изменении их температуры воспользуемся зависимостью, полученной в работе М.А. Розенбаума, которая описывается формулой (1).
, МПа. (1)
где Rt прочность породы при данной температуре; Rм- прочность породы при естественной температуре; R1 прочность породы при положительной температуре пород; t фактическая температура пород; tм - естественная температура массива.
Анализ результатов натурных исследований изменения температуры пород вокруг горных выработок показал, что процесс оттаивания пород, несмотря на различие температурных и геологических характеристик массива имеет общую закономерность интенсивное распространение нулевой изотермы вглубь массива в начальный период и замедление этого процесса с течением времени. После достижения глубины оттаивания 35 м, последующие ежегодные приращения ореола оттаивания составляет в течение 23 лет 69 см, а затем еще более уменьшаются. В практике этими приращениями вполне можно пренебречь.
Методика расчета параметров сталеполимерной анкерной крепи
Расчет паспортов крепления выработок анкерной крепью сводится к определению необходимой длины анкеров и плотности ее установки; количества анкеров, расстояния между анкерами в ряду и расстояние между рядами.
В рассматриваемых условиях все многообразие эксплуатируемых выработок условно можно привести к трем группам, работа крепи в которых, а, следовательно, и расчет ее параметров отличаются коренным образом.
К ним относятся: капитальные горные выработки, пройденные по углю или по породе вне зоны очистных работ, вмещающие породы которых подвержены воздействию тепла, приносимого воздушной струей; подготовительные выработки, пройденные в массиве вне зоны опорного давления не подверженные воздействию тепла.
В первом случае расчет параметров анкерной крепи следует производить из условия, что крепь в основном несет нагрузку от веса пород в объеме ореолов протаивания, плюс пригрузку от вышележащих пород, при этом коэффициент нагрузки составляет 1,52,5.
Расчет параметров анкерной крепи для этого случая осуществляется следующим образом. Исходные данные для расчета: выработка коренной откаточный штрек, пройден по углю. Кровля - переслаивания аргиллита и алевролита, мощностью 12 м. Прочность пород при температуре массива 3,0°С 25 МПа. Среднегодовая температура воздуха, проходящего по выработке +2,0. Ширина выработки 5,0 м; высота 3,0 м. Глубина расположения выработки 150 м, форма сечения выработки прямоугольная.
1. Определим высоту ореола оттаивания за 5 лет по графику приведенному в диссертации (рисунок 4.1). За 5 лет глубина протаивания (hор) составит 3,0 м.
2. Определим давление пород в объеме ореола протаивания на крепь выработки по формуле:
, кН. (2)
где Вр расчетная ширина выработки, м; kп коэффициент пригрузки оттаявших пород вышележащими породами, равный 1,52,5.
3. Определим необходимую длину анкеров
la=hор+lз+lв, м. (3)
где lз высота закрепления анкера за пределами ореола протаивания, принимается равной 1,0 м; lв выступающая в выработку часть анкера, равная 0,2 м.
4. Количество анкеров в ряду принимается для выработок различной ширины в следующей зависимости:
В4,0 м от 3 до 4; 4<В<5 от 4 до 5; 5<В<6 от 5 до 6.
5. Определяем расстояние между рядами анкеров
, м. (4)
где N несущая способность анкера.
6. Проверяем расстояние между рядами анкеров по минимально допустимой плотности их установки
, м. (5)
где П минимально допустимая плотность установки анкеров зависящая от устойчивости кровли. Для неустойчивых пород П=1,0, для средней устойчивости 0,7 и для устойчивых пород 0,5.
7. Принимаем расстояние между рядами анкеров по минимальному из значений С и Сmin.
В подготовительных выработках, пройденных в массиве угля, срок существования которых 1,52,0 года, вмещающие их породы практически не подвергаются тепловым воздействиям. К ним относятся доставочные печи, людские и рельсовые ходки и т.п. Назначение анкерной крепи сводится к удержанию слоя породы, могущего оторваться от основной смерзшейся пачки. Как показывает опыт, смещения кровли в таких выработках не превышают 35 мм/месяц, а их поддержание в эксплуатационном состоянии достигается анкерной крепью длиной 1,51,7 м с плотностью установки 1,01,0 м, сетки рабицы и деревянных шайб (рис.2).
Рисунок 2. Крепление сталеполимерной анкерной крепью подготовительных выработок, пройденных в массиве многолетнемерзлотных пород вне зоны опорного давления и не подверженных воздействию тепла (рудник «Бадран», Якутия).
В выработках, попадающих в зону опорного давления, к которым относятся откаточные и вентиляционные штреки, разрезные печи, очистные выработки, короткие забои и т.п., наблюдаются расслоения пород по ледяным включениям и слабым породам, здесь имеет место повышение температуры пород кровли, которое даже в пределах отрицательных значений оказывает существенное влияние на прочность пород. В этом случае длина анкеров определяется по формуле:
, м.
(6)
где mн.с мощность несущего слоя, который необходимо скрепить анкерной крепью для обеспечения устойчивости выработки; lв выступающая из шпура часть анкера.
Мощность несущего слоя (mн.с) определяется по формуле:
,м. (7)
где В ширина выработки; объемный вес пород, кН/м2; Н высота зоны активного влияния выработанного пространства, определяемая по формуле; k1 коэффициент закрепления кровли на опорах, равный 1,411,63; k2 коэффициент пригрузки вышележащих пород, равный 1,52,5; k3 коэффициент влияния опорного давления, равный 2,5; k4 коэффициент влияния трещиноватости пород кровли, равный 0,60,9; k5 коэффициент увеличения прочности пород за счет анкерования, равный 1,31,4;
, м. (8)
где m мощность пласта, м; k коэффициент разрыхления пород, равный 1,11,2; Rc прочность пород на сжатие, определяемая по формуле (1).
Определение расстояния между рядами анкеров, их количество и проверку не допустимую плотность установки осуществляем также как в п. 57.
В диссертации приведены примеры расчета параметров анкерной крепи по предлагаемой методике.
Заключение
Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.
1. Установлены закономерности изменения адгезии полиэфирных смол в многолетнемерзлом массиве в зависимости от следующих факторов:
– влажности: адгезии стержня в сухом шпуре и шпуре смоченном «чистой» водой практически одинаково;
– агрессивности среды: при размещении ампул в шпуре, смоченном насыщенным соляным раствором адгезия уменьшилась на 34%, а при добавлении в соляной раствор сульфата кальция и хлорида магния адгезия уменьшилась до 50% от первоначального;
– знакопеременной температуры: замораживание до -10°С и последующее оттаивание в течение 10 циклов практически не влияет на адгезию в шпуре;
– контакта закрепляющего состава с породой имеющей отрицательную температуру: адгезия составило 48% от величины закрепления в породе, имеющей положительную температуру; установка анкера в шпур, разогретый после бурения (температура стенок составила +5+8°С) позволило увеличить адгезию до 86% от номинального.
2. Определены зависимости времени отверждения закрепляющего состава от температуры воздуха, а также изменения несущей способности установленной в кровлю сталеполимерной анкерной крепи от времени. При охлаждении закрепляющей смеси до -10°С скорость отверждения смолы примерно в 10 раз меньше чем при температуре +25°С. Адгезия анкера в шпуре, спустя пять лет после его установки практически не изменилось, что позволяет рекомендовать сталеполимерную анкерную крепь для крепления капитальных выработок.
3. Разработан способ моделирования с помощью эквивалентных материалов, позволяющий на модели учитывать влияние времени от обнажения пород кровли до их крепления на устойчивость выработки, при этом установлено, что при упругом деформировании пород анкерная крепь не оказывает существенного влияния на смещение пород. Установка анкерной крепи непосредственно после обнажения кровли до реализации породой упругих деформаций, препятствует расслоению и сдвигу пород и вместе с тем анкер испытывает максимальные нагрузки. Установка анкерной крепи спустя 10 – 15 суток после обнажения кровли практически не влияет на конечную величину смещений.
4. Обоснована возможность применения сталеполимерных анкеров для крепления горных выработок в условиях отрицательных температур воздуха и породного массива.
5. Разработана методика расчета параметров крепи горных выработок для условий многолетней мерзлоты, учитывающая установленные закономерности взаимодействия многолетнемерзлых пород и скрепляющего состава.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях автора.
- Титов Н.В., Васильев С.Д. Исследования влияния отрицательной температуры пород на усилие закрепления сталеполимерных анкеров в условиях многолетней мерзлоты. Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – 2013.- №1 – М.: Издательство «Горная книга», - 3-8с.
- Титов Н.В., Васильев С.Д. Исследование влияния влажности агрессивности среды на усилие закрепления сталеполимерных анкеров. Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – 2013.- №1 – М.: Издательство «Горная книга», - 9-12с.
- Васильев С.Д. Исследование влияния фактора времени с момента закрепления сталеполимерных анкеров на их несущую способность. Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – 2013.- №1 – М.: Издательство «Горная книга», - 13-21с.
- Розенбаум М.А., Васильев С.Д. Опыт применения анкерной крепи в условиях многолетней мерзлоты. Сборник ВНИМИ посвященный 100- летию со дня рождения Б.Ф. Братченко. СПб.2012, - 26-29с.
- Титов Н.В., Турук Ю.В., Васильев С.Д. Влияние производственных процессов на состояние кровли в очистном забое. / Титов Н.В., Привалов А.А., Турук Ю.В. Пути повышения эффективности разработки тонких и средней мощности антрацитовых пластов: монография /ШИ ЮРГТУ. – Ростов н/Д: Из-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион», 2006, - 196с.
Отпечатано: типография «Грунт-Арт» (ИП Ковалинская В.Е.),
г. Шахты, Ростовская область, ул. Шевченко, 153 б,
тел. (8636)23-65-78, ИНН 615500612476, тираж 100 экз., заказ
