Расчет силовых показателей распорной анкерной крепи из прессованной древесины Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.232

РАСЧЕТ СИЛОВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАСПОРНОЙ АНКЕРНОЙ КРЕПИ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Геннадий Алексеевич Ефентьев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории подземной разработки угольных месторождений, тел. (383)205-30-30, доп. 175

Юрий Иванович Николаев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории подземной разработки угольных месторождений, тел. (383)205-30-30, доп. 175, e-mail: [email protected]

Предложен метод расчета силовых показателей распорной анкерной крепи, выполненной из прессованной древесины хвойных пород дерева.

Ключевые слова: набухание, сцепление, усилие закрепления, несущая способность, сопротивление, распор.

COMPUTING LOAD-BEARING CHARACTERISTICS OF EXPANSION-TYPE ANCHOR SUPPORTS MADE OF COMPRESSED WOOD

Gennady A. Efent'ev

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Underground Coal Mining Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 175

Yury I. Nikolaev

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Junior Researcher, Underground Coal Mining Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 175, e-mail: [email protected]

The method is proposed to compute power characteristics of expansion-type anchor supports made of compressed coniferous wood.

Key words: bulking, cohesion, holding force, bearing capacity, resistance, thrust.

В практике горной промышленности для решения вопросов управления горным давлением разработан огромный арсенал средств крепления. Для поддержания горных выработок наибольшее распространение получила анкерная крепь. Нашли свое применение обычные механические анкеры, канатные анкеры, анкеры закрепляемые по всей длине химическими растворами и смесями на цементной основе с металлическими, железобетонными, деревянными и полимерными штангами [1]. В последние годы все более широкое распространение получают анкерные крепи с фрикционным закреплением [2]. Поиски решения вопросов, имеющих место при креплении выработок, проводимых в сильно трещиноватых, обводненных и мерзлых породах привели к разработке распорного анкера. Распорный анкер представляет собой штангу из прессованной древесины твердых пород дерева. Внутренний и внешний концы штанги выполнены с конусообразными скосами. На внешнем конце штанги установлена

опорная плита, выполненная из древесного пластика. Для крепления горных выработок анкер вгоняется с натягом в предварительно пробуренный шпур до контакта с породой опорной плиты, фрикционно закрепленной на штанге [3].

После установки распорного анкера в шпур в процессе набухания прессованной древесины штанги создаются распирающие усилия и возникают силы сцепления штанги с боковыми стенками шпура. Они позволяют скреплять между собой слои окружающих анкер горных пород, надежно удерживать их на штанге силами трения и пришивать к устойчивому горному массиву. Кроме того анкер является активным и создает в окружающих его породах зону всестороннего сжатия. Напряжения всестороннего сжатия увеличивают силы внутреннего трения горных пород. Этим достигается повышение их прочности и устойчивости.

Назначение любой конструкции анкерной крепи определяется показателями, необходимыми для обеспечения безопасных условий эксплуатации выработок. Среди прочих к ним относятся силовые показатели крепи, такие как усилие закрепления замка анкера, несущая способность, сопротивление. В настоящей статье приводится расчетный метод определения силовых показателей распорной анкерной крепи, основанный на результатах ранее выполненных авторами исследований по физическому моделированию, направленных на получение фактических данных о прочности закрепления распорного анкера в разных условиях и породах [3].

Расчетом предусматривается достижение следующих результатов:

1. Определение штанги на разрыв.

2. Установление допустимых значений силовых показателей распорного анкера.

3. Обоснование рациональной длины замковой части распорного анкера.

Исходными данными для производства расчета является диаметр штанги da и

степень прессования древесины штанги к [4].

Ниже приводиться пошаговая последовательность действий для достижения целей расчета. Определяется исходный диаметр штанги duc. Он равняется диаметру заготовки для изготовления штанги способом контурного прессования. Расчет ведется по известной формуле [4]:

duc = (i-fc)0,5 ' (1)

где da - диаметр штанги, м;

duc - исходный диаметр штанги, м;

к - степень прессования древесины штанги в долях от первоначального размера,

д.ед.

Рассчитывается исходная площадь поперечного сечения штанги:

wri2

Suc = ^, (2)

где Suc - исходная площадь поперечного сечения штанги, м2.

Определяется расчетное сопротивление древесины, соответствующее режиму нагружения, уровню ответственности и условиям работы распорного анкера. Расчетное сопротивление определяется на основании методики, представленной в своде правил СП 64.13330.2011 [5] по формуле:

RP = Rep х тдп х YH(cc) хтв х тп, (3)

где Rp - расчетное сопротивление древесины штанги на растяжение вдоль волокон, Па;

Явр - временное сопротивление древесины сосны на растяжение вдоль волокон,

Па;

тдл - коэффициент длительной прочности;

Ун(сс) - коэффициент надежности, учитывающий срок службы конструкции распорного анкера;

тв - коэффициент условий работы распорного анкера;

mn - переводной коэффициент для расчетных сопротивлений при переходе от древесины сосны на другую породу древесины. Определяется прочность штанги на разрыв:

Рр.а. = SUc X Rp, (4)

где - Pv-a- - прочность штанги на разрыв, Н.

Рассчитываются силовые показатели распорной анкерной крепи. Расчет ведется на основании технических требований назначения к анкерным крепям, изложенным в ГОСТ 31559-2012 [2]. Несущая способность анкера Рна равняется усилию закрепления замка анкера в породах и определяется из соотношения установленного п. 5.1.2.5 [2].

V = (1,3 - 1,5)Рн,а., (5)

где Рна - несущая способность распорного анкера (усилие закрепления замка анкера в породах), Н.

Сопротивление распорного анкера при работе анкера в податливом режиме Рса^ определяется из соотношения установленного п. 5.1.2.2 [2].

Рс.а= (0,7- 0,8)РНЛ, (6)

где Рсл - сопротивление распорного анкера, Н.

Определяется рациональная длина замковой части распорного анкера. Основанием для ее расчета является ранее установленная эмпирическая зависимость удельного сцепления штанги распорного анкера со стенками шпура от степени прессования древесины штанги [3]. Зависимость имеет линейный характер и выражается формулой:

С = 106(3,5к + 0,48), (7)

где С - удельное сцепление штанги со стенками шпура, Па.

Замок обеспечивает закрепление распорного анкера в породе с усилием, равным несущей способности анкера Рна Для этого должно выполняться следующее равенство:

Рна. = Kda lзл-с, (8)

где -1за - длина замка анкера, м.

Длина замка определяется по следующей формуле:

I = — (9)

В качестве примера определим силовые параметры и длину замка распорного анкера, штанга которого выполнена из древесины сосны 1 сорта, имеет степень прессования к = 0,4 и диаметр = 43 мм.

аа 43 X 10-3

= ^-ТТ77Т = ^-^ ,чпс = 56 X 10 3 ,м

ис (1 - к)0'5 (1 - 0,4)0'5

nd2c 3,14х(562 X10 6) n ^ w ^-3 2

Suc =-=-= 2,46 X 10 3, м2,

uc 4 4

Rep = 34 X 106 Па (таблица В.2 [5]); тдл = 0,92 (таблица В.1 [5]); тв = 0,75 (таблица 7 [5]); mn = 1,0 (приложение В [5]); 7K(cc) = 1,0 (таблица 12 [5]);

= 34 х 106 х 0.92 х 1.0 х 0.75 х 1.0 = 23,5 х 106 Па.

Рр.а = Suc Др = 2,46 х 10-3 х 23,5 х 106 = 57,8 х 103 Па.

Рна = = = 41,3 х 103, Н.

на 1,3+1,5 1,4 '

Рса = (0,7 + 0,8) Рн а = 0,75 х 41,3 х 103 = 31 х 103, Н.

С = (3,5к + 0,48)106 = (3,5 х 0,4 + 0,48) х 106 = 1,88 х 106 Па Рна 41,3 х 103

I __н . а _ _'_ _ Q Л С.

за. = я^ахс = 3,14 х 43 х10-3х 1,88 х 106 = , м'

Выполненный расчет позволяет определить несущую способность и рабочее сопротивление рассматриваемого распорного анкера в размере 41 кН и 31 кН соответственно.

Выводы:

1. Представленный метод расчета позволяет определить силовые характеристики распорного анкера, выполненного из хвойных пород дерева, на основании сведений о типе и качестве древесины, диаметре штанги и степени ее прессования.

2. Основным ограничением силовых характеристик распорного анкера, таких как несущая способность и рабочее сопротивление, является прочность штанги на разрыв.

3. Возможности замка распорного анкера по усилию закрепления в породе превышают аналогичные показатели всех известных в горной промышленности конструкций анкерных крепей.

4. Несущая способность распорного анкера не мене 50 кН достигается при диаметре штанги более 48 мм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 17.12.2013 г. № 610 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://i-risk.ru/upload/iblock/62e/Prikaz%20610.pdf

2. ГОСТ 31559-2012 Крепи анкерные. Общие технические условия (с изменением №1). - М.: Стандартинформ, 2013 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://gost.donses.ru/Index/53/53724.htm

3. Николаев Ю. И., Ефентьев Г. А. К вопросу создания распорных анкерных крепей для упрочнения трещиноватых обводненных и мерзлых пород // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 3. - С. 224-229.

4. Хухрянский П.Н. Прессование древесины/П.Н. Хухрянский.- М.: «Лесная промышленность», 1964.- с. 28-29.

5. СП64.1330.2011 «СНиП11-25-80 Деревянные конструкции». - М.: 2011.-86 с.

© Г. А. Ефентьев, Ю. И. Николаев, 2017