Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса 10
1.1. Краткая характеристика условий области многолетней мерзлоты. 10
1.2. Особенности подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты . 17
1.3. Опыт применения анкерной крепи в условиях многолетней мерзлоты. 21
1.4. Расчетные методы определения параметров анкерной крепи. 26
2. Анализ конструкций применяемой сталеполимерной анкерной крепи, способов се установки и закрепляющих составов . 39
2.1. Общие положения. 39
2.2. Конструкции и характеристики анкерной крепи, применяемые на шахтах и рудниках РФ. 40
2.3. Рациональные параметры технологического регламента установ
ки анкерок в шпурах. 46
2.3.1. Ампулы с химическим скрепляющим составом. 46
2.3.2. Ампулы с минеральным скрепляющим составом . 49
2.4. Результаты шахтных испытаний анкерных крепей в различных горно-геологических условиях. 51
2,4. 1. Сталеполимерные анкеры из проката периодического профиля. 55
2.4.2. Сталеполимерные анкеры из проката винтового профиля. 57
Выводы по главе. 61
Глава 3. Исследования влияний специфики условий многолетней мерзлоты на адгезию полиэфирных смол . 62
3.1. Общие положения. 62
3.2. Исследования влияния влажности и агрессивности среды на адгезию сталеполимерных аккеров. 63
3.2.1, Методика исследований. 63
3.2.2. Результаты исследований адгезии сталеполимерных анкеров . 66
3.3. Исследование влияния замораживания - оттаивания ампул с по лиэфирными смолами на их адгезию. 68
3.4. Исследования влияния отрицательной температуры пород на адгезию сталеполимериого анкера. 70
3.5. Исследования влияния времени с момента закрепления сталеполимерных анкеров до их испытания на несущую способность. 72
3.6. Исследование влияния времени от обнажения кровли до установки сталеполимерной анкерной крепи на устойчивость выработки. 73
3.6.1. Общие положения. 73
3.6.2. Методика моделирования. 74
3.6.3. Результаты моделирования. 78
Выводы по главе. 90
Глава 4. Разработка рекомендаций по креплению выработок стале полимерной анкерной крепью .
4.1. Типизация горных выработок по горнотехническим и геомехани- 91
чес ким условиям их эксплуатации.
4.2. Основные расчетные положения. 93
4.3. Влияние оттаивания многолетнем ерзлых пород на выбор крепи горных выработок .
4.4. Методика расчета параметров сталеполимерной анкерной крепи. 98
4.5. Крепление боков выработок. 103
4.6. Примеры расчета паспортов крепления выработок сталеполимсрной анкерной крепью в условиях шахты «Нагорная»,
Заключение. 107
Список использованных источников»
- Особенности подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты
- Ампулы с минеральным скрепляющим составом
- Результаты исследований адгезии сталеполимерных анкеров
- Влияние оттаивания многолетнем ерзлых пород на выбор крепи горных выработок
Введение к работе
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 150-250 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 30-80 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 -10С 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+8С), 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 -10С скорость отверждения смолы примерно в 10 раз меньше, чем при температуре +25С. 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
Особенности подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты
В настоящее время накоплен значительный опыт ведения подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты, который свидетельствует о резко выраженном своеобразии этих условий. Это нашло отражение в работах [1, 15-28] и т.д. Как отмечено в работе [1], «мерзлое состояние породного массива может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на различные процессы горного производства и общий уровень безопасности и эффективности подземных горных работ». Анализ работ, посвященных проблемам разработки полезных ископаемых в зоне многолетней мерзлоты, позволил установить факторы, как облегчающие, так и осложняющие работу в этих условиях. К первым относятся: повышенная устойчивость обнажений мерзлой кровли вследствие «цементации» льдом отдельных слоев и структурных блоков; отсутствие притоков воды в горные выработки, пройденные в сплошной толще мерзлых пород; низкая интенсивность окислительных процессов в выработках с отрицательной температурой воздуха и окружающего породного массива.
К природным условиям, осложняющим работу шахт и рудников, относятся: низкие температуры воздуха и пород в выработках; резкое снижение несущей способности и устойчивости пород при их отгаивании; опасность оледенения выработок; возможность смерзания добытого полезного ископаемого в бункерах и вагонах.
Сопротивляемость мерзлых пород различного рода нагрузкам, их несущая способность, устойчивость обнажении, характер деформаций и разрушений отличаются определенным своеобразием. При этом основное значение имеет криогенный тип породы. По криогенному типу многолетнемерз-лые породы разделяются на дисперсные и коренные. К дисперсным породам
В настоящее время накоплен значительный опыт ведения подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты, который свидетельствует о резко выраженном своеобразии этих условий. Это нашло отражение в работах [1, 15-28] и т.д. Как отмечено в работе [1], «мерзлое состояние породного массива может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на различные процессы горного производства и общий уровень безопасности и эффективности подземных горных работ». Анализ работ, посвященных проблемам разработки полезных ископаемых в зоне многолетней мерзлоты, позволил установить факторы, как облегчающие, так и осложняющие работу в этих условиях. К первым относятся: повышенная устойчивость обнажений мерзлой кровли вследствие «цементации» льдом отдельных слоев и структурных блоков; отсутствие притоков воды в горные выработки, пройденные в сплошной толще мерзлых пород; низкая интенсивность окислительных процессов в выработках с отрицательной температурой воздуха и окружающего породного массива.
К природным условиям, осложняющим работу шахт и рудников, относятся: низкие температуры воздуха и пород в выработках; резкое снижение несущей способности и устойчивости пород при их отгаивании; опасность оледенения выработок; возможность смерзания добытого полезного ископаемого в бункерах и вагонах.
Сопротивляемость мерзлых пород различного рода нагрузкам, их несущая способность, устойчивость обнажении, характер деформаций и разрушений отличаются определенным своеобразием. При этом основное значение имеет криогенный тип породы. По криогенному типу многолетнемерз-лые породы разделяются на дисперсные и коренные. К дисперсным породам относятся, в основном, осадочные породы (аргиллиты, алевролиты, глины, песчано-глинистые отложения и т.п.), к коренным могут быть отнесены крепкие песчаники на карбонатном цементе, влажность которых составляет 1,5-9%.
Особенности строения мерзлых горных пород и вопросы криогенеза подробно рассмотрены в работах [29-36] и многих других мерзлотоведов. При переходе содержащейся в породах воды в лед образуются новые текстуры, не свойственные породам до их промерзания. Для мерзлых четвертичных отложений выделяют три основных типа криогенных текстур: массивную, слоистую и сетчатую. Породы массивной текстуры имеют наиболее широкое распространение. Примером могут служить песчаные отложения со сравнительно небольшой до 10-25% льдистостью. В мерзлых породах этого типа лед содержится только в порах и выполняет роль цемента. Слоистая и сетчатая текстуры образуются в результате раздвигания минерального скелета при промерзании пород. Для них характерно наличие ледяных включений, превосходящих по своим размерам существовавшие до промерзания пустоты.
Криогенное строение мерзлых коренных пород определяется, в основном, их природной трещиноватостыо и гидрологическим режимом массива в период его промерзания. Промерзания коренных горных пород и, в особенности, их многократные промерзания и оттаивания (режеляция) сопровождается интенсивным дополнительным трещинообразованием.
Независимо от происхождения трещин большая их часть обычно заполнена льдом. Кроме того, наблюдаются ледяные включения в виде отдельных скоплений, а также прослойков и линз, приуроченных к плоскостям напластований.
Ампулы с минеральным скрепляющим составом
На шахте «Усинская» было испытано 4 анкера ЛКС в кровле и 6 анкеров в боргу выработки. Длина анкеров закрепляемых в кровле выработки, представленной песчаником крепостью 10-12 составляла 1,6 м. Закрепление анкеров в шпурах 030 мм производилось при помощи ампулы АП400У (АКЦ470УН). Длина анкеров закрепляемых в борту выработки представленной углем крепостью 1-1,2—2,2 м. В результате испытаний выявлено, что анкер АСП-20 надёжно закрепляется как в кровле, так и в борту выработки при помощи полимерных ампул и имеет несущую способность 112-118 кН, что соответствует разрывному усилию анкера по резьбе. Смещения анкера относительно устья шпура не зафиксировано.
На шахте «Анжерская-Южная» было испытано 4 анкера АКС в кровле выработки представленной алевролитом крепостью 5. Закрепление анкеров длиной 2,2 м в шпурах 030мм производилось при помощи одной ампулы АП470У, В результате испытаний выявлено, что анкер АКС надёжно закрепляется в кровле выработки при помощи одной полимерной ампулы АП470У и имеет несущую способность 120 кН, что соответствует разрывному усилию анкера по резьбе. Смещения анкера относительно устья шпура не зафиксировано.
На шахте «Дальние горы» было испытано 10 анкеров АКС в борту выработки представленной углем крепостью 0,7-1,2. Закрепление анкера длиной 1,2 м в шпуре 043 мм производилось при помощи двух ампул ПУР-патронов длиной 300 мм, 036 мм. В результате испытаний выявлено, что при нагрузке в 18 кН анкер начал смещаться относительно устья шпура.
Анкер АК-20 производства ОАО «ТУ ЗЖБК», ЗАО «Киселевские ЦЗММ» изготавливается из стали АН, АПІ, AIV соответственно с разрывным усилием 100, 125, 185 кН. Испытания анкера проводились на шахте «Сибир-гинекая». Было испытано 4 анкера АК-20 в кровле представленной песчаником крепостью 7,6 и в борту выработки представленной углем крепостью 3. Закрепление анкеров длиной 2,2 м в шпурах 030 мм проводилось при помощи двух ампул АП400У в кровле выработки и одной ампулой АГІ400У в борту. В результате испытаний установлено, что анкер АК-20 надёжно закрепляется при помощи двух ампул АП400У в кровле выработки и при помощи одной ампулы в борту. Несущая способность этих анкеров составляет более 91 кН. Смещения анкера относительно устья шпура не наблюдалось.
Анкер АГПС производства ЗЛО «Распадская» изготавливается из арматурной стали круглого профиля диаметром 20 мм. Марка стали А240, A300, А600 (редко) с разрывным усилием 80, 100 и 185кН.
На шахте «Распадская» было испытано 8 анкеров АГПС в кровле представленной алевролитом крепостью 5-6 и борту выработки представленной углем крепостью 0,8 1,5. Закрепление анкеров длиной 2,2 м в шпурах 030 мм производилось при помощи одной, двух ампул АП330 в кровле выработки и одной ампулой АПЗЗО в борту. В результате испытаний установлено, что анкер АГПС надёжно закрепляется в кровле выработки при помощи одной, двух ампул АПЗЗО и борту выработки при помощи одной ампулы АПЗЗО. Несущая способность определяется разрывным усилием по резьбе в пределах 80 кН.
Для рассмотренной группы анкеров, (ЛС11, ЛКС, ЛК, АГПС) с диаметром стержня 20 мм и разрывным усилием стержня 80-120кН построен по результатам испытаний обобщённый график изменения разрывного усилия анкера в шпуре от сопротивления пород сжатию. Закрепление в шпуре производилось одной ампулой, в боках выработок - одной, двумя и тремя ампулами. Диаметр шпуров составлял в основном 30 мм, В боках выработок шпуры бурились либо электросверлом, либо пневмосверлом, с их помощью производилось перемешивание скрепляющего состава,
Анкерные стержни надёжно закрепляются в шпуре, при нагружении штанговыдёргивателем разрываются в наиболее ослабленных местах, по резьбе, усилие разрыва близкое или соответствует предельному сопротивлению на разрыв материала анкерных стержней; АСП стЗпс, диаметр стержня 20 мм - 95 -- 100 кН, АКС - СтЗпс - 100 кнН, АК20 - стАП диаметр 20 мм -100 кН, АГПС - стЛ240, диаметр 20 мм - 80 кН.
Установлено, что в угле с сопротивлением сжатию 10 МПа и более анкерные стержни надёжно закрепляются в шпурах, это подтверждено нагру-жением анкеров с помощью ютанговыдергивателя. При нагружении апкеров ни один из них не был выдернут из шпура, анкеры обрывались при нагруже-нии до значений близких или равных пределу иа разрыв стержней. Анкерные стержни в шпурах в угольном массиве, как уже указывалось выше, закреплялись с помощью одной, двух и трёх ампул.
Количество устанавливаемых в шпуре ампул не повлияло на изменение усилия штанговыдёргивателя, происходил обрыв анкеров при тех же усилиях, когда анкерный стержень закреплялся с помощью одной ампулы.
Результаты исследований адгезии сталеполимерных анкеров
Следует отметить, что в исходной модели без предварительного прогиба подкровельной пачки и без анкерной крепи перемещения кровли вокруг выработки происходили с прогибом в ее середине. Испытания закончились вывалом разрушенной массы из кровли камеры (рисунок 3.6).
В других моделях закрепленная анкерной крепью кровля, несмотря на то, что она имела трещины по оси свода в результате принудительного прогиба, равномерно опускалась внутрь камеры. Эффективность сопротивления внешним нагрузкам системы «порода-крепь» в виде коэффициента ку9 как отношения величин предельной нагрузки на предварительно прогнутую кровлю kv к нагрузке в модели без прогиба кровли камеры, представлена на графике ку= f (и) (рис. ЗЛО), здесь можно выделить три характерных участка, каждый из которых имеет свои особенности. Кровля камер в модели №3 (рисунок 3-4) перед анкерованием была прогнута всего на 1 мм (50 мм), причем прогиб слоев осуществлен плавным, без разрушений и нарушений сплошности. Однако эти деформации уже вызвали снижение нагрузки крепи на 10%.
Частичные разрушения слоев в пятах свода с превалированием прогиба слоев при опускании кровли на 2 мм (модель 4. рисунок 3.4) резко, вдвое снизил сопротивление кровельной пачки.
Прогибы кровли в моделях до величин 3 и 4 мм (150, 200 мм) (рисунок 3.4) с расслоением и разрушением слоев снизил эффективность крепления до 40 % от первоначального значения. Межслоевые подвижки ослабили массив пород настолько, что последующее введение анкерной крепи мало способствовало обеспечению необходимого сцепления между слоями. Роль ее в этом случае сводится лишь к предотвращению высыпания кусков породы из кровли внутрь выработки без нарушения плоской поверхности кровли. Эксперименты заканчивались прорастанием неупругих деформаций вглубь моделируемого массива за границами свода естественного равновесия. При этом кровля оставалась плоской с сохранением рабочего пространства над ней.
Все графики смещений подкровельных породных пачек по пяти моделям, lMf(q) с установленными анкерами, имеют упругую и неупругую части с резким переходом из одного состояния в другое (рисунок 3.5).
С учетом допустимого разброса экспериментальных данных (15-20%) следует признать хорошую сходимость с расчетными результатами в допредельной их части. Все кривые имеют примерно один и тот же угол наклона к оси абсцесс, что отвечает одним и тем же моделируемым массивам и соблюдению соответствующих геометрических построений в каждой модели при проведении экспериментов.
Смещения кровли в камере без анкерной крепи происходили с нарастающей интенсивностью на всем диапазоне испытаний (кривая 1, рисунок 3.5), поэтому определить упругую часть графика от критической не представляется возможным.
Вместе с тем кривая этого эксперимента неплохо согласуется с упругими участками кривых, полученных из экспериментов перемещения кровель выработок, закрепленных анкерной крепью. Все кривые имеют примерно один и тот же угол наклона к оси абсцисс.
Обращает внимание и тот факт, что не прослеживается различие во влиянии анкерной крепи на участках упругого деформирования кровель в выработках. И тем экспериментально подтверждается то положение, что при упругом деформировании пород анкерная крепь не оказывает существенного влияния на сопротивление внешним нагрузкам.
Первой, на уровне внешней нагрузки на модель, равной 5,1 кг/см , в запредельное состояние перешла кровля в пятой модели, где предварительный прогиб ее составлял 3 мм близки к этому состоянию и результаты смещений по шестой модели с предварительным прогибом, равным 4 мм. И чем меньше был этот прогиб кровли, тем выше предельная нагрузка перехода пород кровли в запредельное состояние.
Для удобства анализа эти результаты в числовом выражении сведены в таблицу 3,6. Таблица 3. Номера моделей Величина опускания кровли в реальных выработках, мм В моделях Предельная разрушающая нагрузка на модель,Цршрчкг/см Диапазон нагрузок при деформированиикг/см" Влияние времени установки на эффективность работы а.к.,Ку
Сравнение кривых четко указывает на влияние величин предварительного прогиба кровли, сшитой анкерами, на ее предельную несущую способность. Величина этого влияния в каждом случае определялась из сравнения с величиной предельного сопротивления кровли выработки, снабженной анкерной крепью, но без предварительного прогиба. В условиях натуры последняя рассматривается как вариант установки анкерной крепи сразу после обнажения кровли.
В последней колонке таблицы и на графике рисунка ЗЛО представлен коэффициент (ку) снижения эффективности анкерной крепи в системе «поро-да-крепь» в зависимости от времени ее установки с момента обнажения. График имеет общее значение, где по оси абсцисс обозначены величины опускания кровли. Зная скорости смещения пород кровли выработки в кон кретных условиях, нетрудно оценить эффект крепи от времени ее установки с момента обнажения пород. Очевидно, что для разных пород и условий расположения камер этот период может быть различным. пород кровли выработки состоят из деформаций упругого восстановления пород после снятия нагрузки, упругих деформаций вызванных пригрузкой пород кровли и пластических деформаций.
Из графика видно, что большим смещениям кровли соответствуют меньшие нагрузки на крепь и наоборот. Чем более длительное время выработка находится без крепи, тем глубже прорастают неупругие деформации от контура выработки вглубь массива с трещинообразованием и расслоением пород, а также со сдвижением разрушенных элементов массива. Установленная затем анкерная крепь работает уже совместно с ослабленным массивом кровли. Совмещенные графики опускания кровли в камерах, закреплённых анкерной крепью в различные периоды их обнажения, в зависимости от величины внешних нагрузок на модели в диапазоне неупругих деформаций массива
Влияние оттаивания многолетнем ерзлых пород на выбор крепи горных выработок
В качестве затяжки следует принимать сварную металлическую решетку типа СР-3. Для крепления боков принимаем анкера длиной 1,5 м по 3 анкера в ряду и шагом крепления 1,0 м между вертикальными рядами.
Пример 2. Исходные данные: конвейерный штрек 303 столба расположен на глубине 150 м. Вмещающие выработку породы: уголь, пласт Мощный (тл - 1,4 м), переслаивания аргиллита и алевролита; кровля - переслаивание аргиллита, алевролита и песчаника, средней прочностью на сжатие 40 МПа. Ширина выработки - 5,0 м. Выработка пройдена в нетронутом массиве и по мере отработки лавы 303 попадает в зону опорного давления. Выработка расположена в :зоне многолетней мерзлоты, температура пород -3,0С. Выработка не подвержена влиянию положительной температуры воздуха.
Расчет параметров сталеполимерной анкерной крепи ведем в соответствии с разработанной методикой для выработок находящихся в зоне опорного давления и вмещающие породы, которых не подвергаются процессам оттаивания.
Определяем прочность пород кровли на сжатие с учетом повышения температуры в зоне опорного давления С -3,0е до -1,5С. В соответствии с п.4.2.
Представленная к защите диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой научно обоснована возможность применения сталеполимерных анкеров для крепления горных выработок в условиях отрицательных температур воздуха и породного массива и разработана методика расчета ее параметров, что позволяет решить крупную научно-техническую задачу по эффективному креплению горных выработок в условиях многолетней мерзлоты.
Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.
Установлены закономерности изменения закрепляющей способности полиэфирных смол в многолетне мерзлом массиве в зависимости от следующих факторов: - влажности, адгезия стержня в сухом шпуре и шпуре заполненном «чистой» водой 100% практически одинаково; - аїрессинности среды, при размещении ампул в шпуре, заполненном насыщенным соляным раствором адгезия снижается іга 34%, а при наличии в соляной раствор сульфата кальция и хлорида магния адгезия снижается до 50% от первоначального; - знакопеременной температуры - замораживание до -10С и последующее оттаивание в течение 10 циклов практически не влияет на закрепляющее усилие в шпуре; - контакта закрепляющего состава с породой имеющей отрицательную температуру, адгезия составила 48% от величины закрепления в породе, имеющей положительную температуру, установка анкера в шпур, разогретый после бурения (температура стенок составила +5-ь+8С) позволило увеличить адгезию до 86% от номинального.
Определены зависимости времени отверждения закрепляющего состава от температуры воздуха и несущей способности установленной в кровлю сталеполимерной анкерной крепи во времени. При охлаждении закрепляющей смеси до -10С скорость отверждения смолы 20 минут, примерно, в 10 раз меньше чем при температуре +25С 2 минуты. Адгезия анкера в шпуре, спустя пять лет после его установки практически не изменилось, что позволяет рекомендовать сталеполимерную анкерную крепь для крепления капитальных выработок.
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 смешений. Обоснована возможность применения сталеполимерных анкеров для крепления горных выработок в условиях отрицательных температур воздуха и породного массива.
