Введение к работе
Актуальность работы. Высокие темпы проходки и отработки запасов угля высокопроизводительными механизированными комплексами предъявляют высокие требования к доставке материалов, оборудования в очистные и подготовительные забои. Особого внимания заслуживает вопрос перевозки секций механизированных крепей массой более 20 т в сборе. Применяемые на шахтах локомотивный и канатный транспорт не удовлетворяют этим требованиям. В настоящее время перевозку тяжёлых секций механизированных крепей осуществляют автомобильным транспортом - тягачами на пневмоходу, при помощи напочвенных реечных дорог и подвесными монорельсовыми дорогами.
Применение подвесных монорельсовых дорог для перевозки материалов, оборудования, секций механизированных крепей за последние пять лет приняло масштабный характер. Подвеску монорельсовых дорог производят в выработках, закрепленных как рамной крепью - к рамам крепи, в выработках, закрепленных анкерной крепью - при помощи анкеров подвески или специально установленной рамной крепи. Однако научно обоснованные методы расчёта параметров анкеров подвески монорельсовых дорог в выработках, закреплённых анкерной крепью, отсутствуют. Недостаточно исследованными остаются вопросы влияния динамики от движения поездного состава на анкерную крепь выработки, геомеханические процессы, протекающие в углепородних массивах при анкерной подвеске монорельсовых дорог, влияние анкеров подвески монорельсовой дороги на анкеры крепления выработки.
В то же время объёмы применения анкерной крепи для крепления подготовительных выработок на шахтах Кузбасса постоянно возрастают. Анкерная крепь применяется во всём диапазоне встречающихся горно-геологических условий на пологих пластах. Выполненные за последние годы научно-исследовательские работы по взаимодействию анкерных крепей с вмещающими породами подтверждают возможность применения анкерной крепи для подвески монорельсовых дорог в выработках с анкерной крепью.
В этой связи тема работы, направленная на геомеханическое обоснование метода выбора параметров анкеров подвески монорельсовых дорог в выработках, закреплённых анкерной крепью, является актуальной.
Работа выполнена в рамках хозрасчётных научно-исследовательских работ КузГТУ по заказам «Фонда содействия координационному совету по обеспечению безопасности на угольных шахтах» 2008 г. и ВНИМИ №11-07/Ф-2007.
Целью работы является обоснование способа и метода расчёта параметров анкеров подвески монорельсовых дорог в выработках, закреплённых анкерной крепью, обеспечивающих устойчивость выработок и безопасную эксплуатацию монорельсовых дорог.
Задачи исследования:
обосновать целесообразность и основные параметры анкерной подвески монорельсовых дорог в выработках с анкерным креплением;
дать оценку влияния динамики подвижного состава на анкеры подвески монорельсовых дорог;
- разработать методику расчёта параметров анкеров подвески монорельсо
вых дорог в выработках, закреплённых анкерной крепью и провести её экспе
риментальную проверку в шахтных условиях.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей нагружения анкеров подвески монорельсовых дорог при обосновании способа подвески и методики расчёта их параметров.
Объект исследований - анкеры подвески монорельсовых дорог для перевозки грузов большой массы в подготовительных выработках угольных шахт.
Методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя: аналитические методы расчёта, базирующиеся на основных положениях теоретической механики и сопротивления материалов; шахтные исследования, включающие в себя наблюдения и измерения геомеханических параметров в приконтурных слоях выработок, закреплённых анкерной крепью, при подвеске в них монорельсовых дорог; хронометражные наблюдения за процессом перевозки секций механизированной крепи при монтажно-демонтажных работах; методы математической статистики и теории вероятности, компьютерная обработка результатов наблюдений и измерений.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
подвеска монорельсовых дорог в выработках с анкерным креплением осуществляется с использованием сталеполимерных анкеров несущей способностью не менее 100 кН, замковая часть которых располагается выше анкеров крепления выработки;
усилие закрепления анкерного стержня в шпуре определяется длиной скрепляющего состава в шпуре и удельным сцеплением скрепляющего состава со стенками шпура. Максимальное усилие закрепления анкерного стержня в шпуре определяется прочностью материала анкерного стержня на разрыв;
динамические силы, действующие на анкеры подвески монорельсовых дорог, носят вероятностный характер, определяются влиянием инерционных (динамических), центробежных и ударных сил, возникающих при движении поездных составов. Основная доля динамических сил определяется ударными нагрузками, возникающими при движении поездных составов по стыкам и неровностям монорельсового пути (89,8%). Влияние динамических нагрузок учитывается коэффициентом динамики;
методика расчёта параметров анкеров подвески монорельсовых дорог в выработках с анкерной крепью позволяет определить необходимую длину анкеров, количество анкеров в точке подвески дороги, оценивать устойчивость подготовительных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- положительными результатами испытаний сталеполимерных анкеров
различной конструкции (более 10) на 16 угледобывающих предприятиях Куз
басса;
представительным объёмом инструментальных наблюдений за геомеханическими процессами в подготовительных выработках с анкерной крепью, охватывающих типичные горно-геологические и горнотехнические условия Кузбасса;
положительной практикой применения разработанной методики расчёта подвески монорельсовых дорог на 6 шахтах Кузбасса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в установлении наиболее благоприятных геомеханических условий взаимодействия анкеров подвески монорельсовой дороги с анкерами крепления выработки, которые обеспечиваются при расположении анкеров подвески выше анкеров крепления выработки;
в установлении корреляционной связи усилия закрепления анкерного стержня в шпуре от длины скрепляющего состава для различных типов пород;
в установлении величины коэффициента динамики при перевозке грузов массой 16-32 т со скоростью 2 м/с при максимальных зазорах на стыках 5 мм;
в разработке методики расчёта параметров анкеров подвески монорельсовых дорог в выработках с анкерной крепью, основанной на сочетании метода выбора анкеров по смещению пород кровли с методом, использующим теорию балок.
Личный вклад автора заключается:
в обосновании способа подвески монорельсовых дорог в выработках, закреплённых анкерной крепью с расположением анкеров подвески выше анкеров крепления выработки;
в установлении зависимости усилия закрепления анкеров подвески в шпурах от длины скрепляющего состава для различных типов пород;
в установлении рациональных технологических параметров по перемешиванию скрепляющего состава при установке анкеров в шпурах, обеспечивающих устойчивое закрепление анкерных стержней в шпурах;
в оценке влияния динамических сил, возникающих от действия монорельсовой дороги, на устойчивость подготовительных выработок и анкерной крепи и в установлении величины коэффициента динамики;
в разработке методики расчёта параметров анкеров подвески монорельсовых дорог в выработках, закреплённых анкерной крепью.
Научное значение работы заключается в том, что заанкерованные породы кровли при проведении выработки рассматриваются как армированная балка с повышенным сопротивлением пород, устойчиво выдерживающая нагрузки от налегающих пород до земной поверхности и от действия монорельсовой дороги, что является значительным вкладом в развитие методов расчёта параметров анкерной крепи.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчёта параметров анкерной подвески монорельсовых подвесных дорог, в выработках, закреплённых анкерной крепью, позволяющего в условиях шахт и проектных институтов осуществлять выбор параметров анкеров подвески.
Реализация работы. Основные результаты исследований отражены в «Методических рекомендациях по расчёту параметров сталеполимерных (ста-леминеральных) анкеров для подвески монорельсовых дорог, в выработках закреплённых анкерной крепью» (Кемерово: 2007. - 32 с.) и используются на ряде шахт Кузбасса («Сибиргинская», «Ольжерасская», «Полысаевская», «Вла-димировская», «Анжерская - Южная», «Салек») при подвеске монорельсовых дорог.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях КузГТУ (2002, 2004, 2006 г., г. Кемерово), на VI Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (15-16 ноября 2005 г., г. Кемерово).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 печатных работ, включая одну коллективную монографию, в том числе 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 146 страницах машинописного текста, включает 16 таблиц, 57 рисунков и список литературы из 86 наименований.
