- - - Геомеханическое обоснование применения анкерной стяжной крепи при комбинированном способе крепления вертикальных стволов

Экспериментальная и фундаментальная геомеханические предпосылки определяют обоснование применения анкерных натяжных (стяжных) крепей для повышения устойчивости породного массива в цилиндрической части ствола и его сопряжении с примыкающей горизонтальной выработкой при различных типах основного крепления. Учитывая особенности деформирования приконтурных к стволу пород, выбор управляющих воздействий на них для повышения устойчивости должен быть связан с использованием регулятивных элементов, которые обеспечили бы после обнажения пород активное принудительное влияние на массив и долговременное воздействие на него в процессе эксплуатации стволов. К числу таких конструкций относятся анкерные стяжные системы. Шахтные исследования показывают, что дилатансия пород вокруг ствола, проявляющаяся в образовании столбчатых структур, бочкообразного выпирания пород в ствол, образовании сводообразующих полостей в массиве, приводит к существенному изменению свойств и состояния приконтурных пород. Известно, что сохранить в большей мере остаточную прочность массива, повысить трение между слоями, предотвратить его расслоение и вывалообразование можно применением различных конструкций анкерных крепей.

Крепь обеспечивает сшивку и консолидацию пород, блокирует трещинообразование в них, но самое главное, после ее установки в породном массиве формируются принудительным путем зоны сжатия, снижающие деформационную способность пород вокруг ствола. Анкерные стяжные крепи рассчитываются на заданную нагрузку и имеют ограниченно-податливый режим работы. Их применение весьма перспективно с двух точек зрения:

- повышения устойчивости сложноструктурных толщ со слабыми выпирающимися в полость ствола породами;

- повышения эффективности анкерования слабых пород с установкой анкеров вдоль оси ствола, что по данным ВНИМИ наиболее эффективно.

Геомеханическое обоснование применения анкерной стяжной крепи при комбинированном способе крепления вертикальных стволов

Принципиальная схема установки, механизм работы и варианты возведения анкерной стяжной крепи на протяженном участке ствола и его сопряжении с горизонтом.

 

Отличительная способность в механизме работы анкерной стяжной крепи связана с регламентом ее установки и взаимодействия с приконтурным массивом. Анкера длиной 2-3 м, устанавливаемые под углом к цилиндрической образующей породного контура ствола, натягиваются между собой с помощью форкопфа. Усилия натяжения через анкера и прокладки на стяжках передаются на породный массив, запирая смещение пород в полость ствола. Укажем еще на две особенности, связанные с применением анкерной стяжной крепи. Во-первых, это конструкция непредельных размеров, что позволяет различными комбинациями ее элементов обеспечить поддержку выработок сложной конфигурации. Во-вторых, благодаря схеме нагружения массива, анкерная стяжная крепь будет эффективна и при отрицательных приращениях перемещений пород, так как она работает не по схеме точечного приложения сил к породам, а в условиях площадной пригрузки массива, создавая объемность сжатия пород. В условиях формирования больших зон разрушения пород вокруг стволов применение анкено стяжной крепи с длинными анкерами обеспечит высокий эффект взаимовлияющего взаимодействия. Остановимся на геомеханическом обосновании применения анкерной стяжной крепи в стволах, опуская детали математических преобразований при получении расчетных зависимостей.

Анкерная стяжная крепь моделируется гибкой нитью с учетом силы тяжести и силы бокового распора, действующих на каждый элемент анкерной стяжной крепи. Поэтому анкерную стяжную крепь будем рассматривать как плоскую кривую. Основные уравнения для анкерной стяжной крепи запишутся следующим образом:

alt

где Т - сила натяжения анкерного крепления; N - проекция силы предварительного натяжения анкерной стяжной крепи на ось х; ƛР - сила бокового распора

 

alt

 n - коэффициент Пуассона; Р - сила, возникающая в результате действия на аекерно стяжную крепь веса смещающихся пород; 


alt

 (1 - длина       анкерной стяжной крепи)        - сила Р, действующая на единицу длины анкерной стяжной крепи; fm - сила трения, действующая на единицу длины анкерной стяжной крепи; θ - угол между силой трения и осью у; s - дуговая координата.

Находим:

 

alt

Согласно результатов шахтных и аналитических исследований рассмотрены различные случаи формирования структур нарушенных приконтурных пород и разные соотношения между зоной неупругих деформаций (пластичности) (r1) и зоной воздействия на крепь деформирующегося слоя пород (lB). Коэффициент формы разрушающихся пород принимаем в виде:

 

alt

где v1, Е1 и v2, Е2 - упругие характеристики для слабого и прочного слоев пород соответственно.

Получена формула для определения напряжений в анкерной стяжной крепи при столбчатом (К = 0), бочкообразном (К > 0) и сводообразном (К < 0) деформировании пород вокруг вертикального ствола:

 

alt

где вс - расстояние между анкерно стяжной крепью по контуру ствола при осевой ее установке.

Для определения оптимального шага установки анкеров получено следующее выражение:

 

alt

где (l= lnp + 2lа) - длина анкера.

Из результатов компьютерного моделирования соотношение между высотой воздействия на крепь по стволу (lb) и параметром зоны пластичности (rL) принимаем в таких пределах

 

alt

Необходимый отпор анкерной крепи на единицу ее длины определяем из условия, чтобы величина суммарных напряжений, вызываемая внешними нагрузками, не превышала предела прочности элементов анкерно стяжной крепи на растяжение:

 

alt

Величина оптимального усилия натяжения анкерно стяжной крепи определяется по формуле:

 

alt

Разница в обосновании параметров для анкерно стяжной крепи, установленной по цилиндрической части и на горизонтальном примыкании выработки к стволу состоит в том, что в первом случае силы тяжести и силы бокового распора взаимоперпендикулярны, а во втором - они рассматриваются как направленные вниз, т.е. параллельны между собой.

Касаясь технологических особенностей применения анкерно стяжной крепи на сопряжении ствол - горизонт, когда верхние анкера закрепляются по цилиндрической части ствола, а нижние - в кровле горизонтальной выработки, укажем на следующее. Установленная специфика проявления горного давления на сопряжении связана с формированием зоны максимальных напряжений вблизи ствола (23 м), зоны максимального его воздействия на горизонтальную выработку (Lвоз - Dc) и зоны влияния ствола (Lвз.=2Dс). Поэтому применение анкерно стяжной крепи на сопряжении при одновременном формировании отсечного податливого шва создает благоприятные условия для «плавающего» деформирования примыкающей выработки, что облегчает условия поддержания ствола.

Рассматривая вопросы применения анкерной крепи в стволах, укажем еще на одну геомеха- ническую особенность, связанную с определением глубины анкерования приконтурных пород. Эта предпосылка вытекает из таких результатов натурных исследований: разноглубинной дезинтеграции пород, проявляющейся в формировании ближней и дальней зон разрушения и сориентированном развитии в направлении подъем - падение пластов зоны неупругих деформаций. Технологически из этого вытекает необходимость разноглубинного и структурно ориентированного анкерования.

Геомеханическое обоснование применения анкерной стяжной крепи при комбинированном способе крепления вертикальных стволов
Для худших условий рекомендуется использовать аналитическую зависимость определения зоны неупругих деформаций:

Где:

 

alt

m - мощность слабого слоя пород; 0,4<m<4,0м; 0,37< R1/γН<1,5; 1,5</Rn/Rc<3,5. Высота анкерования по стволу определяется из выражения

 

alt

b1 для мощностей 1,2; 2,0; 2,8; 3,6м составляет соответственно 5; 5,8; 6,8; 7,6.

Эффект при разноглубинности анкерования достигается также за счет разноскоростного смещения пород в полость ствола. Анкеры глубокого заложения имеют меньшую скорость смещения пород, чем анкеры приконтурные. Это создает условия для уплотнения разрыхленных по контуру пород и формирования вокруг ствола их консолидированной оболочки. Конструктивные особенности анкерно стяжной крепи и схем ее установки в сочетании с указанным эффектом обеспечивают рациональный режим податливости системы «крепь-регулятивный элемент-массив» и повышение ее несущей способности. С использованием анкеров разработаны различные технологические схемы их применения в комбинированных охранных конструкциях. Анкерные крепи были применены на шахтах им. А.Г. Стаханова и «Октябрьский рудник». На базе анкерно стяжной крепи разработаны технические решения по ремонту воздухоподающего ствола №2 шахты им. А.Г. Стаханова.

Практика применения анкерной крепи и расчеты НИИОМШС показывают, что ее комбинация с другими крепями обеспечивает сокращение трудоемкости крепления стволов на 20-30%, уменьшение расхода металла до 30-40%, снижение капитальных затрат на 10-15%. 




Теги: порода, крепь, ствол, анкер, массив. Просмотров: 919
Другие новости по теме: