Оценка эффективности усиления металлической арочной крепи при сосредоточенной несимметричной нагрузке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 17

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001" М0СКВЛ.яМГГУ.я29яянваряя-я2лфевраллл2001;г.

© С.Б. Тулуб, С.В. Мартыненко, 2001

УАК 622.28.042.4:539.3/4

С.Б. Тулуб, С.В. Мартыненко

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСИЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРОЧНОЙ КРЕПИ ПРИ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗ КЕ

Выработки угольных шахт Украины проводятся преимущественно в слабых вмещающих породах, контур которых часто подвержен значительным смещениям. Опираясь на шахтные, лабораторные и аналитические исследования [1-3] и учитывая производственный опыт поддержания выработок в устойчивом состоянии при воздействии сосредоточенной несимметричной нагрузки, отметим следующее:

• деформация элементов крепи и возникающие в профиле максимальные моменты обусловлены воздействием несимметричной нагрузки со стороны массива, что связано с повышенным неоднородным расслоением приконтурного массива пород;

• преобладающая нагрузка в общем случае носит локальный характер, что приводит к деформациям отдельных элементов крепи, при этом большая часть конструкции остается недогруженной;

• к категории выработок, испытывающих несимметричную нагрузку, относятся как капитальные и основные подготовительные выработки с продолжительным сроком эксплуатации, так и участковые, в том числе и выемочные штреки с незначительным сроком службы. В этой связи эффективность способа усиления крепи и затраты на него должны соответствовать степени капитальности выработки;

• эффективными способами в условиях несимметричной внешней нагрузки будут являться приконтурное или глубинное упрочнение окружающих выработку пород вяжущими веществами или анкерами, полное или частичное заполнение закрепного пространства, введение в конструкцию крепи элементов усиления.

Применение таких способов как, например, тампонаж или глубинное упрочнение пород больше подходит для капитальных выработок, а проведение указанных мероприятий целесообразно лишь спустя некоторое время после начала расслоения пород. Для выработок, испытывающих

влияние несимметричной нагрузки периодически (при влиянии очистных работ), а также для выработок с небольшим сроком службы (выемочные штреки) более эффективными, с экономической точки зрения, могут оказаться менее трудоемкие способы, например, частичное заполнение закрепного пространства рукавами Буллфлекс, установка элементов усиления крепи, анкеров и т. п.

Эффективным в данных условиях может стать установка жестко связанных с профилем крепи анкеров в местах предполагаемых повышенных деформаций крепи. Введение анкерного стержня в массив повышает несущую способность последнего, существенно снижает смещение пород и величину критической нагрузки на крепь выработки. Кроме того, жестко связанные с аркой крепи и закрепленные за зоной активных расслоений приконтурной части массива анкера растягиваются, тем самым создавая разгрузку не только на самом напряженном участке породного массива, но и во всей конструкции крепи.

Преимуществом данного способа усиления крепи является то, что анкера можно устанавливать на любой стадии эксплуатации выработки и в любой точке профиля крепи, главным образом - в местах предварительно определенных наибольших деформаций.

В выработках, где основные смещения реализуются в начальный период, целесообразно проводить установку анкеров непосредственно в забое с минимальными задержками времени в тех местах, где по прогнозам возможны наибольшие деформации профиля (смещения пород). В выработках, где ожидается возрастание смещений породного контура во время их эксплуатации (при попадании в зону влияния очистных работ), установку анкеров можно производить непосредственно перед ожидаемыми смещениями. Причем этот способ не исключает применения других средств усиления крепи и снижения несимметричной нагрузки на нее, например, установку рукавов Буллфекс, тампонаж и т.п. В зарубежной и отечественной практике накоплен значительный опыт улучшения работы рамных видов крепи за счет ее комбинирования с анкерной крепью.

Традиционно в рамно-анкерных крепях анкеры устанавливаются равномерно по контуру выработки, главным образом - в кровле (комбинированная анкерная крепь с подхватами, анкер-металлическая крепь, рамно-анкерная податливая крепь и др.). При этом отмечается существенное повышение несущей способности крепи, сниже-

ние расхода металла для крепления выработки, уменьшение вертикальных смещений породного контура и др.

Применение анкеров в перечисленных конструкциях крепи направлено, как правило, на снижение смещений породного контура, поэтому они могут иметь жесткую либо нежесткую связь с рамой крепи и устанавливаться как в плоскости рамы, так и между крепежными рамами.

Профиль крепи будет деформироваться внутрь выработки под влиянием преобладающей нагрузки со стороны массива, а реакция анкера, соответственно, направлена в противоположную сторону. Поэтому для получения большего эффекта место установки анкеров должно быть увязано с местом возникновения максимальных положительных изгибающих моментов в крепи.

Расчетная схема однозначно определяет место наибольших деформаций крепи и массива вокруг выработки. Следовательно, анкер или группа анкеров должны устанавливаться в соответствии с действующей на крепь сосредоточенной нагрузкой: по линии действия внешней силы, либо симметрично относительно нее.

Изначально примем условие, что наибольший эффект от действия одного анкера будет в том случае, если место его установки совпадает с местом приложения внешней силы, а при наличии двух анкеров - в случае их расположения на минимально возможном расстоянии от линии действия внешней силы. В последнем случае ограничениями являются технические факторы - анкера, их хвостовики и соединительные узлы анкеров с крепью, а также бурильное оборудование, мешающее друг другу; конструктивные - в месте установки анкера может находиться узел податливости металлической крепи; прочностные - шпуры под анкеры должны находиться на расстоянии, исключающем значительное разупрочнение массива и др.

В связи с вышеизложенным к рассмотрению были приняты варианты установки анкеров, приведенные на рис. 1.

Усилия податливости анкеров приняты из следующих соображений. Для различных угольных бассейнов и типов крепи замеренное горное давление (величина нагрузки на крепь) изменяется в довольно широких пределах. Так, например, в условиях Центрального Донбасса максимальная на-

грузка на крепь составляет в среднем 70...80 кН/м, при жесткой крепи давление зачастую превышает 200 кН/м. Для условий Западного Донбасса нагрузка на крепь составляет в среднем 100.120 кН/м. Анализ данных по нагрузкам на крепь выработок, приведенный в работе [4], свидетельствует, что в 72 % случаев они не превышают 100 кН/м и в основном равны 80.100 кН/м.

Несущая способность анкеров также изменяется в значительных пределах и определяется крепостью пород, типом анкера, конструкцией замка. Учитывая, что предлагаемый способ усиления крепи предполагает использование податливых анкеров, усилия податливости которых должны быть несколько меньше, чем несущая способность анкера, за расчетные приняты усилия в 30.50 кН.

Величина нагрузки на крепь из расчета давления 80.100 кН/м для крепи с шириной В = 3,5 м составит 280.350 кН. Усилие анкера в этом случае составит примерно 0,1.0,2Р, что и принято в расчетной схеме.

Эпюра изгибающих моментов при действии анкера на крепь в общем случае имеет вид, показанный на рис. 2.

Рис.2. Эпюры изгибающих моментов для арочной крепи от действия анкера при различных углах приложения сосредоточенной силы

Для определения опорных реакций крепи, неизвестного усилия и величины изгибающих моментов в профиле использованы известные формулы строительной механики для расчета двухшарнирной арки в условиях воздействия сосредоточенной нагрузки с учетом соответствующего знака на направление действия анкера.

Аналитические исследования модели рамноанкерной крепи проводились для конструкции с к = 0,67, где к - конструктивный безразмерный параметр, равный отношению прямолинейной части стойки арки к радиусу (полупролету) выработки. Как нами отмечалось в работе [5], изменение этого отношения в интервале 0,34.0,67 для крепей, вошедших в «Типовые унифицированные сечения

Рис.1. Исследуемые варианты установки анкеров А. Один анкер, установленный по линии действия внешней силы; Б. Два анкера, установленные со смещением на 100 от линии действия силы; В. Два анкера, смещенные на 200 от точки воздействия сосредоточенной силы

аока Л* ачксроб

х • О"инлвыг)

-----------и. *20*

— ■ — — и • ю°

/- /и^ Да 'С./Р 2 • Л» »<3^^

б

а

горных выработок», практически не влияет на конечные результаты.

Ниже приводится сравнительный анализ результатов расчета. Для оценки эффективности усиления крепи при использовании рассматриваемых схем установки анкеров фиксировалась расчетная величина максимальных изгибающих моментов и сравнивалась с соответствующими их значениями в крепи без анкеров. Результаты расчетов приведены на рис. 3.

Анализ полученных результатов показывает, что эффективность схемы А установки анкеров (когда анкер устанавливается в точке приложения сосредоточенной силы) сравнима со схемой Б (два анкера со смещением на 20°), а при отклонении сосредоточенной нагрузки от вертикали на угол до 40° значительно превосходит ее. При наиболее неблагоприятных условиях воздействия внешней нагрузки эффективность схемы Б на 2.5 % выше, чем схемы А, однако по степени трудоемкости уступает последней почти в 2 раза. Эффективность схемы Б (два анкера, смещенные на 10° от линии действия сосредоточенной силы) в части снижения положительных изгибающих моментов значительно выше, чем схем А и В. Лишь при небольших отклонениях вектора внешней нагрузки (ф<20°) эффект от усиления анкерами по схеме Б и их усилий Ра=0,1Р бу-

Рис. 3. Эффективность снижения максимальных положительных (а) и отрицательных (б) изгибающих моментов

Рис. 4. Влияние угла разноса анкеров на снижение уровня изгибающих моментов

дет таким же, как и при схеме В, однако усилия анкеров уже должны составлять Ра=0,2Р.

Максимальное снижение отрицательных изгибающих моментов происходит при использовании схемы Б, а схема В практически равноценна и лишь незначительно ей уступает.

Представим реакцию анкера с усилием Ра=0,2Р, установленного по схеме А, как воздействие двух анкеров с усилием Ра=0,1Р. Тогда, согласно результатам исследований, видно, что эффективность снижения максимальных отрицательных изгибающих моментов практически не снижается при смещении места установки анкеров от линии действия сосредоточенной силы в интервале от 0 до 20° (рис. 4). Эффективность снижения положительных экстремальных моментов имеет линейную зависимость от угла разноса анкеров.

В результате проведенных аналитических исследований можно сделать следующие выводы:

1. При работе крепи в условиях несимметричной нагрузки применение способа усиления крепи анкерами несомненно даПт значительный положительный эффект.

2. Так, для крепи с отношением к = 0,67 и шириной В = 3,5м при использовании наиболее эффективной схемы усиления, снижение величины максимальных положительных моментов при усилении анкеров Ра=0,1Р и Ра=0,2Р будет составлять 13.15 % и 26.30%, соответственно, а величины отрицательных моментов - на 18.20 % и 30.40 %.

3. Эффективность снижения деформаций профиля внутрь выработки при использовании двух анкеров по схеме В такая же, как и при использовании одного анкера, установленного в месте наибольших деформаций.

4. Наибольшая эффективность способа будет достигаться при использовании не менее двух анкеров, установленных на минимально возможном расстоянии от точки воздействия внешней силы.

Увеличение угла разноса анкеров от линии действия внешней силы повышает деформации профиля внутрь выработки и не оказывает отрицательного влияния на деформации профиля в сторону породного контура.

В заключение отметим, что в настоящее время продолжается изучение зарубежного опыта и экспериментальные работы по внедрению анкерной крепи на шахтах Украины. Выполнение ряда теоретических и опытно-промышленных работ позволит увеличить объем применения анкеров в сочетании с элементами других крепей примерно в 2,5.3 раза.

Однако дальнейшее развитие анкерного крепления в Украине требует решения вопроса об

организации централизованного изготовления анкеров на крупных механических заводах и серийного выпуска специализированных машин, инструментов и приборов контроля. В этой связи Министерством топлива и энергетики Украины разработана целевая программа «АНКЕР»,

предусматривающая разработку и внедрение на шахтах Украины эффективных конструкций и передовых технологий возведения анкерных крепей и систем и создание базы для подготовки и обучения специалистов по анкерному креплению.

---------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тулуб С.Б., Панишко А.И. Влияние несимметрии загруже-ния на несущую способность металлической крепи // Науковий вПсник НГА УкраПни. - 1999. -№ 4. - С. 7-8.

2. Панишко А.И. Исследование характера деформирования металлической арочной крепи в условиях влияния очистных работ // Науковий вПсник НГА

УкраПни. - 1999.- № 5. - С. 96-98.

3. Тулуб С.Б, Панишко А.И., Мартыненко С.В. Оценка угла установки анкера в системе «арка-анкер» // Науковий вПсник НГА УкраПни. - 2000. - № 1. - С. 11-14.

4. Роенко А.Н. Устойчивость подготовительных выработок угольных шахт в условиях больших глубин разработки:

Дисс....докт. техн. наук. - Днепропетровск, - 1995. - 426 с.

5. Тулуб С.Б, ПанПшко О.П, Мартиненко С.В. ДослПдження та оцПнка мПцностП металевого аркового крПплення нетради-цПй-ноП форми для пПдвищення стПйкостП виробок // Науковий вПсник НГА УкраПни. - 1999. -№2. - С. 9-11.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------

____________________________________________________________________

Тулуб С.Б, Мартыненко С.В. - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск.