Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор по применению анкеров глубокого заложения при упрочнении контура выработок 10
1.1. Область применения 10
1.2. Конструкции канатных анкеров 13
1.3. Методы расчета параметров крепи выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством 19
1.4 Целии задачи исследований 22
2. Исследование деформационных и нагрузочных свойств канатных анкеров 24
2.1. Требования, представляемые к конструктивным характеристикам анкерной крепи глубокого заложения 24
2.2. Методика стендовых испытаний 26
2.2.1. Объекты испытаний 26
2.2.2 Наименование и назначение используемого оборудования и приборов
2.2.3 Порядок проведения испытаний 28
2.3 Результаты исследования деформационных свойств канатного анкера 29
2.3.1 Результаты исследования относительного удлинения каната в зависимости от нагрузки
2.3.2 Результаты исследования смещения каната относительно опорной муфты
3. Результаты исследования взаимодействия канатного анкера с минеральной композицией 37
3.1 Требования, предъявляемые к технологии крепления контура выработок канатными анкерами
3.2 Методика стендовых испытаний 40
3.2.1 Объекты испытаний 40
3.2.2 Наименование и назначение используемого оборудования и приборов 41
3.2.3 Порядок проведения испытаний 41
3.2.4 Измеряемые величины 43
3.3 Результаты исследований нагрузочных свойств канатных анкеров на стадии предварительного натяжения при закреплении АМК 43
3.4 Зависимость нагрузочной способности канатного анкера от влияющих факторов на стадии предварительного натяжения анкера 47
3.5 Оценка влияния конструктивных и технологических факторов на нагрузочную способность 52
3.5.1 Исследование влияние на нагрузочную способность диаметра опорной спирали (винта) на конце анкера взависимости от диаметра шпура
3.5.2 Влияние на нагрузочную способность длины закрепляющей втулки 55
3.5.3 Влияние на нагрузочную способность времени ожидания отверждения 57
3.6 Влияние времени на нагрузочные свойства канатных анкеров при закреплении амк после отверждения 58
4. Обоснование пареметров технологии упрочнения кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством, канатными анкерами 60
4.1 Геомеханическое обоснование упрочнения кровли выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством 60
4.2 Испытание канатных анкеров в технологии упрочнения кровли выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством 74
4.2.1 Наименование оборудования и средств измерений 74
4.2.2 Критерии сравнительной оценки 75
4.3 Расчет параметров канатных анкеров выработок, сохраняемых на границес выработанным пространством 76
4.3.1 Расчет параметров канатных анкеров для доупрочнения кровли демонтажной камеры 6а-6-16 на ш. «Распадская»...76
4.3.2 Расчет параметров канатных анкеров для сохранения газо-дренажного канала на ш. им. С.М.Кирова 76
4.4 Технология установки анкеров канатных 77
4.5 Испытание на шахте «Распадская» 79
4.5.1 Условия и место испытаний канатных анкеров 79
4.5.2 Проведение демонтажной камеры 81
4.5.3 Места испытаний анкеров канатных в демонтажной камере 82
4.6 Результаты испытаний на шахте «Распадская» 84
4.6.1 Хронометражные наблюдения за операциями установки анкеров канатных : 84
4.6.2 Технологичность возведения анкеров канатных 85
4.6.3 Результаты исследования нагрузок на канатные анкеры... 86
4.6.4 Результаты исследования расслоений кровли демонтажной камеры 88
4.7 Испытание на шахте «им. С.М.Кирова» 95
4.7.1 Горно-геологические условия места испытаний канатныхQi. анкеров
4.7.2 Ход испытания 98
4.8 Результаты испытаний на шахте «им. С.М.Кирова» 101
4.9 Испытания канатных анкеров с ампулами АМК.на шахте «Распадская» 103
Выводы 106
Заключение 107
Литература 109
Приложения 116
- Конструкции канатных анкеров
- Результаты исследования деформационных свойств канатного анкера
- Результаты исследований нагрузочных свойств канатных анкеров на стадии предварительного натяжения при закреплении АМК
- Испытание канатных анкеров в технологии упрочнения кровли выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством
Введение к работе
Актуальность работы.
Анкерная крепь стала основным видом крепления на угольных месторождениях Кузбасса. Начиная с 1995 года, объем крепления горных выработок анкерной крепью непрерывно возрастает и к настоящему времени на большинстве шахт Кузбасса анкерной крепью закрепляется свыше 90% всех выработок, в том числе и капитальных. Это связано с расширением номенклатуры дешевой анкерной крепи для различных горно-геологических и горнотехнических условий, усовершенствованием буровой техники, а также бы-стротвердеющих закрепляющих материалов на основе полиэфирных смол.
Исследованиями в области конструкции, принципа работы анкерной крепи, методов ее расчета и в целом упрочнением пород кровли занимались такие научные коллективы, как КузШТУИ, Кузниишахтострой, ИУУ СО РАН, ВНИМИ, ВостНИИ, КузГТУ и др. с участием таких ученых как Ануфриев В.Е., Ардашев К.А., Бурков Ю.В., Коновалов Л.М., Лидер В.А., Писля-ков Б.Г., Широков А.П.,, Штумпф Г.Г. и др.
В результате их деятельности был разработан ряд нормативных документов по применению анкерной крепи в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Однако, действующие нормативные документы не распространяются на выработки, сохраняемые на границе с выработанным пространством с помощью анкеров глубокого заложения. Отсутствуют методы расчета параметров технологии упрочнения анкерами глубокого заложения кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством.
Массив горных пород в районе таких выработок подвергается более интенсивным деформациям, вследствие того, что их кровля размещается в зоне сдвижений подработанных пород кровли. Интенсивность деформаций в зонах активного сдвижения из-за разнообразия горно-технических условий
по-разному влияет на смещения кровли в зависимости от искусственной связанности структур кровли выработок.
Одним из распространенных типов анкеров глубокого заложения являются канатные анкера. Однако, при освоении технологии изготовления и применения канатных анкеров остаются не изученными их деформационные и технологические параметры, зависящие от способа закрепления и применения закрепляющего материала, в частности, закрепление канатных анкеров ампулами с минеральной композицией.
Поэтому тема исследований, связанная с разработкой технологии упрочнения канатными анкерами кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством, представляется нам весьма актуальной.
Целью работы является разработка технологии упрочнения кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством, посредством канатных анкеров.
Основная идея заключается в использовании деформационных, конструктивных и технологических свойств канатных анкеров, а также геомеханического состояния приконтурного массива при обосновании параметров крепления горных выработок.
Задачи исследований:
исследовать деформационные свойства и технологичность установки канатного анкера;
определить рациональные технологические параметры канатного анкера, закрепляемого минеральной композицией ампульным способом на стадии предварительного натяжения;
обосновать параметры технологии упрочнения кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством посредством канатных анкеров.
Методы исследований:
- лабораторные методы исследований для определения деформацион
ных свойств канатов и канатных анкеров и их технологических параметров;
шахтные исследования влияния канатных анкеров на состояние кровли сохраняемых выработок;
инструментальные наблюдения за процессами расслоения пород кровли с использованием глубинных реперов и нагрузками на анкеры с использованием тензометрических датчиков давления.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
в качестве анкеров глубокого заложения наибольшую перспективу использования для крепления выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством, по факторам относительного удлинения (<1%), технологичности и затратам на бурение (>30%) имеют канатные анкеры;
закрепление канатного анкера минеральной композицией, при кольцевом зазоре винта головки канатного анкера со стенками шпура 1,5-2,0 мм, наличии трех узлов местного уширения диаметра каната и длине закрепления 1100 м, обеспечивает сопротивление выдергиванию (25-30 Ш), достаточное для предварительного натяжения анкера без времени ожидания отверждения минеральной композиции;
параметры технологии (длина канатного анкера, угол наклона шпура и т.д.) при упрочнении кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством, выбираются из расчета закрепления канатного анкера в части приконтурного массива выработки, не участвующей в активных сдвижениях и не передающей нагрузку на крепь или почву выработки. В соответствии с закономерностями сдвижений, эта часть приконтурного массива размещена за границей, определяемой углами давлений, которые отсчитываются от зоны отжима краевой части угольного пласта.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается:
протоколами стендовых испытаний канатных анкеров;
достаточным объемом (>20) лабораторных испытаний канатных анкеров при закреплении минеральной композицией;
положительным заключением межведомственной комиссии по эксплуатационным испытаниям канатных анкеров на ЗАО «Распадская»;
положительным опытом закрепления канатными анкерами газодренажного канала на ш.«им.С.М.Кирова».
Научная новизна работы заключается:
в установлении деформаций канатных анкеров, с низким уровнем относительных удлинений, достаточных для применения их в качестве анкеров глубокого заложения, обеспечивающих безопасное устойчивое состояние кровли выработок;
в установлении технологических параметров канатных анкеров, закрепленных минеральной композицией, обеспечивающих достаточный уровень несущей способности, в том числе и на стадии предварительного натяжения без времени ожидания отверждения;
в обосновании параметров технологии упрочнения канатными анкерами кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством.
Практическое значение работы:
созданы методические основы для расчета параметров канатных анкеров при упрочнении кровли выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством;
разработанная технология позволяет повысить устойчивость горных выработок и безопасность работ за счет применения канатных анкеров;
обосновано применение более дешевой минеральной композиции взамен полиэфирных смол для закрепления канатных анкеров.
Реализация работы.
Опытно-промышленные и эксплуатационные испытания на шахте «им.С.М.Кирова» и на шахте «Распадская» при закреплении выработок различного назначения, а также выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством.
Личный вклад автора заключается:
в обследовании состояния выработок и установлении основных причин потери устойчивости горных выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством;
в разработке методики выполнения натурных инструментальных наблюдений;
в выполнении визуальных и инструментальных наблюдений за геомеханическими процессами и проявлениями горного давления в выработках, сохраняемых на границе с выработанным пространством;
в лабораторных исследованиях деформационных свойств канатных анкеров;
в разработке технологии упрочнения канатными анкерами кровли выработок сохраняемых на границе с выработанным пространством;
- в обработке результатов наблюдений.
Апробация работы.
Основные научные положения и практические выводы докладывались на научных конференциях КузГТУ (г.Кемерово, 1999, 2000, 2001, 2004 г.г.), на техническом Совете «Компании «Кузбассуголь» (г.Кемерово, 2001г.), на «Неделе горняка» (г.Москва, 2002 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и изложена на 127 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок, 25 таблиц, 2 приложения и список литературы из 68 наименований.
Автор считает своим долгом выразить особую благодарность к.т.н. Ануфриеву В.Е. за помощь в проведении лабораторных и шахтных исследований, а также в обработке полученных результатов.
Конструкции канатных анкеров
Грузонесущим элементом канатного анкера является семипроволочный арматурный канат К-7 (таблица 1.1).
Из таблицы 1.1 видно, что суммарное разрывное усилие составляет 232 кН. Номинальная масса такого каната составляет 1,099 кг/м, канаты К-7 имеют большую гибкость и могут быть свернуты в бухты или намотаны на барабаны диаметром около 1,2 м.
Для присоединения каната 1 (рис. 1.3) с опорными элементами используется соединительная муфта 2. Известно несколько клиновых способов закрепления муфты на канате.
Второй способ [5], закрепляет канат в муфте (рис. 1.5) посредством клиновой втулки, размещенной на центральной пряди. Второй способ наиболее экономичен и прост по сравнению с первым, а также позволяет при установке анкера создать предварительный распор посредством резьбовой пары на поверхности муфты.
Кроме описанных существуют разнообразные формы клиньев для закрепления каната в осевом коническом отверстии соединительной муфты, в зависимости от конструкции каната, при этом такие муфты позволяют использовать несколько канатов в одном шпуре.
В третьем способе многожильный канат стандартной конструкции закрепляется в осевом отверстии муфты с коническим уступом шариками в обойме. Они также выполняют функцию клиньев на контакте конической поверхности муфты с прядями каната. Этот вариант предусматривает использование многопроволочных канатов, бывших в употреблении. Такие канаты закрепляются нагнетательным способом.
В Кузбассе прошел эксплуатационные испытания канатный анкер, разработанный институтом угля и углехимии сибирского отделения Российской академии наук (ИУУ СО РАН), он имеет следующие технические характеристики (таблица 1.2).
Головной конец каната (см. рис. 1.3) имеет 1,3-1,5 витка спирали правой свивки (при использовании ампул с минеральной композицией), предназначенную для разрушения оболочки ампулы АМК, для предотвращения распора торца каната об уступы рельефа поверхности шпура при досылке ампул канатом и для повышения качества взаимодействия каната со стенками шпура через закрепляющий материал. При этом диаметр спирали опорной изменяется в зависимости от диаметра шпура.
Для качественного перемешивания смолы с катализатором (перемешивания минеральной композиции) и транспортирования закрепляющего материала к дну шпура (см. рис. 1.3) предусмотрен шнек проволочный 4 в виде спирали левой свивки. Шнек проволочный обеспечивает плотную забойку шпура закрепляющим материалом без разрывов и пузырьков.
Для надежного и качественного взаимодействия каната с закрепляющим материалом (полиэфирная смола, цементный камень) на канате организуют местные узлы уширения. Местные узлы уширения могут образовываться пропуском проволочной спирали 4 между прядями каната (см. рис 1.2) или стальным зажимом (см. рис. 1.6, в) или расчалкой (бэдкейдж-трос) (см. рис. 1.6, б), или вставным ядром (см. рис. 1.6, д), или грушевидным утолщением (горфорд-трос) (см. рис. 1.6, е).
Расчетом параметров анкерной крепи для крепления выработок различного назначения занималось Ардашев К.А., Широков А.П., Писляков Б.Г., Борисов А.А., Лидер В.А., Семовский В.Н. и др. [11,12,18,19,21,23-26,36,38,46,52,58-63,65]. Применение нового типа анкеров, канатных анкеров глубокого заложения, в выработках, поддерживаемых на границе с вырабо тайным пространством, работы этих авторов, а также нормативный документ «Инструкция...» [24], не регламентируют.
Так, для обеспечения рабочего состояния выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством [24], при всех условиях и типах кровли следует применять комбинированную крепь, состоящую из анкерной крепи, податливых стоек усиливающей крепи, а также устанавливаемой за отрабатываемой лавой посадочно-защитной крепи для управления сдвижением и обрушением основной кровли с параметрами, определяемыми максимальными смещениями кровли перед погашением выработок смежной лавой, равными 300 мм.
По п. 3.8.2. [24] анкерную крепь допускается принимать в двух вариантах:- с параметрами при проходке Рап, и /а„ определяемыми расчетными смещениями кровли до влияния первой лавы UM аналогично пп.3.3.1., 3.3.2. и 3.3.3. [24].- с параметрами при проходке Раж и /а„ определяемыми расчетными смещениями кровли до влияния первой лавы UM аналогично пп. З.З.1., 3.3.2. и 3.3.3. [24], а затем усиливаемой на расстоянии до лавы 0, \Н дополнительной анкерной крепью с параметрами. Определяемыми максимальными смещениями кровли перед погашением выработки смежной лавой, равными 300 мм аналогично п. 3.4.2 [24].
По п. 3.8.2. [24] при принятии параметров анкерной крепи по смещениям кровли до влияния первой лавы, перед этой лавой на расстоянии 0,1/7 следует устанавливать податливые стойки с сопротивлением, принимаемым аналогично п.3.5.8. со смещениям Un. в дальнейшем за сопряжением за первой лавой на расстоянии 100-120 м и перед второй погашающей лавой на расстоянии 50-60 м сопротивление податливых стоек следует принимать в соответствии с таблицей 1.3. в промежутке между этими участками сопротивление усиливающих стоек может быть уменьшено в два раза.
При принятии второго варианта анкерной крепи с усилением устанавливаемой при проходке анкерной крепи дополнительными анкерами податливые усиливающей стойки следует устанавливать только на участках интенсивного сдвижения и обрушения основной кровли за первой и перед второй лавами с сопротивлением в соответствии с таблицей 1.3.
По п. 3.8.2. [24] сопротивление посадочно-защитной крепи, которую необходимо устанавливать вслед за подвиганием лавы, следует принимать с учетом ее податливости в соответствии с таблицей 1.4.
Как видно, «Инструкция...» [24] не регламентируется возможность поддержания выработок на границе с выработанным пространством анкерной крепью без использования усиливающей крепи (тумбы, органная, кусты из стоек без деревянных лежней и верхняков кусты из стоек на деревянных лежнях и верхняках). К тому же, усиливающая крепь в некоторых случаях не выполняет свою функцию по поддержанию кровли, а также зафомождает
Несмотря на универсальность метода расчета параметров анкерной крепи и рекомендации по применению, изложенных в нормативном документе [24], рассчитанные параметры анкерной крепи, её элементная база не обеспечивают безопасного и экономичного поддержания выработок сохраняемых на границе с выработанным пространством.
В тоже время применение способов упрочнения приконтурного массива, основанных на применении новых классов канатных анкеров глубокого заложения нормативный документ [24] не регламентирует. Отсутствуют методы расчета их параметров, технологический регламент. К тому же, при освоении технологии изготовления и применения канатных анкеров остаются не изученными их технологические параметры, зависящие от способа закрепления и применения закрепляющего материала, в частности, закрепление канатных анкеров ампулами с минеральной композицией.
Результаты исследования деформационных свойств канатного анкера
Результаты измерения относительного удлинения каната (А/ ) приведены в таблице 2.2 1. Результаты испытаний подтверждают паспортные характеристики канатов и надежность соединения муфт с канатом посредством клиновой втулки. За расчетную нагрузку канатного анкера целесообразно принять усилие в 200 кН. 2. Относительное удлинение каната, при расчетной нагрузке, не превышает 1%, что удовлетворяет принятому в мировой практике уровню расслоений кровли, обеспечивающий устойчивое безопасное состояние кровли. 3. Предварительное нагружение, при установке, анкера практически не влияет на смещение каната относительно опорной муфты вследствие того, что при сборке анкера осуществлялась опрессовка при большей нагрузке. В мировой практике при подземной угледобыче для закрепления канатных анкеров преимущественно используется ампульный способ закрепления полиэфирными смолами. Основными недостатками ампульного способа закрепления полиэфирными смолами являются: относительно высокая стоимость ампул с полиэфирной смолой, (стоимость полиэфирной смолы в ампулах при закреплении анкера при длине закрепления 650-700 мм в скважине 030 мм составляет приблизительно 25% стоимости анкера); высокая чувствительность к технологическому регламенту; неустойчивость к пожарам (закрепляющая втулка со временем теряет механические свойства); затраты времени ожидания отверждение (15-20 сек.); значительные экологические последствия на дневной поверхности и в шахте; ограниченный срок хранения ампул ( 6 месяцев); невозможность закрепления в скважинах с водопритоком; ограниченный срок сохранения механических свойств закрепляющей втулки. При закреплении канатного анкера необходимо, чтобы сразу после его установки, предварительное натяжение составляло не менее 25-30 кН, так как это позволяет подвесить к устойчивой части массива неустойчивую, а также подвесить верхняк и поджать его вместе с раздробленной породой. Это позволяет анкеру начать работу сразу, а не по прошествии некоторого времени и дополнительных смещений кровли. Из выше сказанного, а также из практических соображений, можно сформулировать необходимые требования к технологии закрепления анкеров: предварительное натяжение анкера (до 25-30 кН) после установки без ожидания времени отверждения; ампулы должны быть жесткими при досылке их в шпур; срок хранения ампул должен быть не менее года; операция досылки ампул должна быть совмещена с операцией досылки стержня анкера; закрепляющая втулка должна быть устойчива к пожарам и сохранять механические свойства в течение всего срока службы горных выработок. иметь минимальные экологические последствия на поверхности и в шахте.
Минеральные композиции устойчивы к пожарам, сохраняют высокую механическую прочность в течение продолжительного времени и имеют стоимость приблизительно в 2,0-2,5 раз меньшую, чем ампулы с полимерной смолой.
Минимальные экологические последствия на дневной поверхности и в шахте имеют минеральные композиции в ампулах (рис. 3.1). Ампулы перед введением в скважину замачиваются в воде через негерметичную оболочку из нетканого материала, который должен хорошо пропускать воду и удерживать ее внутри.
Конструкция канатного анкера приспособлена к закреплению минеральной композицией в ампулах АМК в отличие от составных анкеров глубокого заложения, которые могут закрепляться только полиэфирной смолой.
Преимущество канатных анкеров перед составными, заключается также в технологичности их возведения. Технологические преимущества следующие: возможность ампульного способа возведения канатного анкера через разрушенную зону (2-4м) с использованием уступной формы шпура и пластиковой трубы; меньшие затраты времени на возведение анкера за счет непрерывности процесса досылки ампул канатным анкером; меньшие затраты времени и энергии на бурение за счет уменьшенного диаметра шпуров; удобство возведения анкера буровыми машинами типа Wombat, Rambor.
Во время досылки составного анкера в шпур, могут возникнуть проблемы стыковки двух частей анкера в муфте, а при дальнейшей досылке анкера с муфтой через разрушенную зону возможно его заклинивание из-за по падания кусочков породы между муфтой и стенками шпура, при этом возможно повреждение ампулы.
Для испытаний использовался канатный анкер отечественного производ ства (разработчик ИУУ СО РАН). Конструктивные отличия отечественного ка натного анкера состоят том, что на головном конце канат имеет опорную правую спираль (винт), а в остальной закрепляемой части проволочную спираль левой свивки, которая проходя между прядями каната, образует местные узлы упшре ния для повышения качества взаимодействия с закрепляющим материалом (при испытании на стенде у канатного анкера имелось три местных узла упшрения) и предотвращения вывинчивания каната из закрепляющего материала. Спираль выполняет функцию шнека и необходима для качественного перемешивания ми неральной композиции и получения плотной закрепляющей втулки без пузырь ков воздуха, разрывов сплошности при вращении анкера по часовой стрелке. В качестве закрепляющего материала использовалась минеральная композиция в ампулах АМК (разработчик ИУУ СО РАН). При закреплении канатного анкера минеральной композицией в ампулах АМК, остаются неизученными факторы, влияющие на нагрузочную способность. Вследствие всего вышеизложенного целью стендовых испытаний щ является определение влияния технологических параметров канатного анкера, закрепляемого минеральной композицией ампульным способом на нагрузочную способность. Испытания проводились на прессе ИП-1000 с тензометрической станцией СИ-2-1000-УХЛ 4.2. в искусственной металлической скважине (Рис.3.2). Металлическая скважина в собранном состоянии представляет собой цилиндр длинной 1300 мм, внешним диаметром 60 мм и внутренним отверстием, диаметром 30 мм. Металлическая скважина может разбираться вдоль ее продольной оси на две половины для измерения длины закрепления и ее очистки от закрепляющего материала после испытания. Ампула с минеральной композицией замачивалась в емкости (баке) с водой. Время замачивания ампул АМК было выбрано из условия обеспечения процесса гидратации цементного камня в соответствии с техническими условиями на ампулы АМК и составляла 12-13 сек. С момента замачивания начинался отсчет времени эксперимента. После замачивания ампул, они вводились в искусственную металлическую скважину и досылались до дна шпура канатным анкером. Затем анкер посредством переходника присоединялся к электросверлу и подачей с вращением производилась его установка. После
Результаты исследований нагрузочных свойств канатных анкеров на стадии предварительного натяжения при закреплении АМК
Скорость отверждения минеральной композиции в несколько раз ниже скорости отверждения полиэфирной смолы. Однако механизм взаимодействия опорной спирали (винта) канатного анкера с неотвержденной минеральной композиции позволяет создавать в ней значительную сдвиговую прочность.
Применяемая опорная спираль в конструкции канатных анкеров, закрепляемых минеральной композицией в ампулах, предназначена по аналогии с винтом на головке комбинированного анкера для получения достаточного (25-30 кН) предварительного начального натяжения анкера незамедлительно после установки без времени ожидания отверждения минеральной композиции.
Малый кольцевой зазор между опорным винтом спирали и стенкой скважины при перемещении к устью скважины в процессе предварительного распора обеспечивает переуплотнение раствора минеральной композиции под винтом. Вода в переуплотненном участке раствора отжимается в трещины, а также вверх и вниз по шпуру. В этой области под головкой винта образуется конус переуплотненного обезвоженного материала, который по аналогии с клином, взаимодействует с ответной сопряженной конической поверхностью переуплотненного материала. Возникновение клинового эффекта под головкой винта спирали на интервале 5-6 диаметров шпура, а также в некоторой части его проявления на участках местного уширения диаметра канатного анкера обеспечивает необходимое предварительное натяжение без времени ожидания отверждения минеральной композиции.
Нагрузочную характеристику канатного анкера на стадии предварительного распора, иллюстрируют графики на рисунке 3.3 и 3.4 (таблица 1 приложения 1).В процессе стендовых испытаний выявлено, что нагрузочная способность предварительного натяжения зависит от следующих факторов: U -смещение анкера, SK - площадь кольцевого зазора между винтом головки анкера и стенкой шпура, At - промежуток времени, от замачивания ампулы до начала нагружения анкера, h - длина закрепляющей втулки (заделки).
Щ Вследствие перспективы промышленного производства и примененияканатных анкеров в шахте, при проектировании параметров канатных анкеров возникает необходимость в оценке влияния конструктивных и технологических факторов на нагрузочную способность при взаимодействии с неот-вержденной минеральной композицией.
Выше установлено, что нагрузочная способность предварительного натяжения зависит от следующих факторов: U - смещение анкера, SK - площадь кольцевого зазора между винтом головки анкера и стенкой шпура, At - промежуток времени от начала замачивания ампулы до нагружения анкера, h — длина закрепляющей втулки (заделки).
Изначально, при перемещении анкера к устью шпура U=0, начальное натяжение No O вследствие приложения к анкеру крутящего момента от буровой машины. где а, с, b- эмпирические коэффициенты; т0 - начальное сопротивление сдви-гу минеральной композиции, Н/мм ; h — длина закрепляющей втулки, мм; U — смещения хвостовика анкера при предварительном натяжении анке ра, мм; SK - площадь кольцевого зазора между шпуром и винтом, мм2; t —время после замачивания ампул, сек.
На массиве данных таблицы 1 (приложение 1) методом наименьших квадратов определятся неизвестные коэффициенты а, с, ЬиА=т07аі.
Логарифмируя уравнение (3.1), получим следующее выражение Рассмотрим наиболее часто встречающиеся на шахтах Кузбасса шпуры диаметром 30, 27 и 25 мм. Для сечений шпуров 0 30, 27, 25 мм исследовалась нагрузочная способность канатного анкера с различным диаметром опорной спирали (винта) от 26 до 29 мм с шагом 0,5 мм. Графики рисунков № 3.10, 3.11, 3.12 иллюстрируют результаты расчетов (см. также табл. 2, 3, 4 приложение 1)
Судя по изменению крутизны графиков рисунков № 3.10, 3.11, 3.12 можно говорить об определяющем влиянии фактора «площадь кольцевого зазора» на нагрузочную способность.
Как видно из графиков на нагрузочную способность канатного анкера влияет площадь кольцевого зазора (Sk), так чем меньше площадь кольцевого зазора тем круче возрастает нагрузочная характеристика и наоборот.
Испытание канатных анкеров в технологии упрочнения кровли выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством
Для оценки работоспособности новых типов анкеров используются данные инструментальных наблюдений за натяжением контрольных анкеров, за расслоением кровли и ее смещений на замерных станциях. Замерные станции включают глубинные реперы и контрольные анкеры. Глубинные реперы закладываются в кровлю выработки. Глубинные реперы устанавливают с интервалом 0,5-1 м. По относительным смещениям, концов проволоки с петлями, оценивают величину положительных или отрицательных деформаций кровли. На опытном и стандартном участках вычисляют суммарные относительные деформации кровли где Лоп(стЛ — относительные деформации кровли на замерной станции опытного участка, A Rj = (Rj+i — Rj) — деформация интервала между соседними глубинными реперами, мм; (hj+i — hj) - интервал между соседними глубинными реперами в скважине, мм. В качестве критерия сравнительной оценки работоспособности новой крепи и типовой крепи используется отношение суммарных относительных деформаций приконтурного массива сравниваемых участков: Угол полных сдвижений, для демонтажной камеры при /=4-б, равен у/3=5б,5, а угол давлений (р3=б4. Отжим краевой части пласта, рассчитанный по [А.П.Широков, Б.Г.Писляков] с = 1800лш. Длины шпуров, рассчитанные по формулам 4.2 и 4.3 должны были составлять 1Ш = 4,3 м (закрепление за углом полных сдвижений) и /ш = 5м (закрепление за углом давлений). Но, по организационно-техническим причинам длина шпура составила не 4,3м, а 4,0м. Анкеры должны быть установлены под подхват СВП-22 (используемый под стандартное крепление), в которых под муфты канатных анкеров были разделаны отверстия на расстоянии от массива 1000 мм. Анкеры устанавливались в одном метре от борта с наклоном на массив 75 и шагом анкерования 0,8м для уравновешивания веса пород склонных к обрушению. Угол давлений для газо-дренажного канала при f =3-4, равен (р2=70. Отжим краевой части пласта, рассчитанный по [А.П.Широков, Б.Г.Писляков], с = 700мм. Длины канатных анкеров, рассчитанные по формулам 4.2, 4.3 равнялись 3,7 м. Анкеры устанавливаются под отдельные подхваты СВП-22 длиной 50 мм, в которых под муфты канатных анкеров были разделаны отверстия, на расстоянии от борта 0,8 м, для уравновешивания веса пород склонных к обрушению, с наклоном на массив под углом 75. Бурение скважин под канатные анкеры может производиться с помощью электросверл с ручной или принудительной подачей, переносных гидравлических или пневматических бурильных установок, а также устанавливаемого на комбайнах и других самоходных средствах специального бурового оборудования. Основные требования к бурению: диаметр скважин (шпуров) не должен превышать диаметр каната в мес те уширения более чем на 8-10 мм; длина скважин должна быть меньше длины канатного анкера с учетом толщины затяжки, верхняка и других опорных элементов, включая эле менты податливости; скважины должны быть прямолинейными с выступами до 1 мм и очи щены от штыба. После бурения скважины в ее устье при ампульном способе закрепления устанавливают принятое количество ампул и досылают их анкером до упора в дно скважины. При применении ампул АМК перед их установкой в устье скважины их предварительно замачивают в воде в течение 12-13 сек. Затем подсоединяют муфту канатного анкера к буровой машине через переходник и далее путем вращения и подачи досылают канатный анкер до заданной отметки. При поступательно-вращательном перемещении канат разрушает оболочки ампул, перемешивает и перемещает компоненты содержимого ампул к дну скважины. Требования к установке и досылке ампул: диаметр ампул должен быть на 4-6 мм меньше диаметра скважины; ампулы должны досылаться до упора в дно скважины и закрепляться в зазоре между канатом и стенками скважины путем разрушения оболочек, перемешивания компонент и их уплотнения проволочным шнеком канатного анкера без разрыва сплошности; перед введением в скважину ампулы АМК должны замачиваться в воде в течение 12-13 сек; Требования к установке и закреплению анкера ампульным способом: для обеспечения равнопрочности закрепления длина закрепления должна быть, с учетом контактной прочности с породой и канатом, не менее 900-1200 мм. При использовании ампул с полиэфирными смолами должны применяться ампулы медленного отверждения с периодом желатинизации более 1 мин; минимальная длина закрепления канатного анкера, которая обеспечивает равнопрочность закрепления, должна размещаться в устойчивой части приконтурного массива выработок; предварительное натяжение канатного анкера, закрепленного ампулами с полиэфирной смолой медленного отверждения, осуществляется через 1-3 мин до уровня 30-45 кН; предварительное натяжение канатного анкера, закрепленного ампулами АМК, осуществляется через 3-5 мин до уровня 20-25 кН; гайка на муфте перед установкой должна размещаться непосредственно у ее свободного торца с возможностью осуществления предварительного натяжения. Испытание канатных анкеров осуществлялось в демонтажной камере лавы 5а-6-16, на сопряжениях демонтажной камеры 5а-6-16 с вентиляционным и конвейерным штреками по пласту 6-6а. Длина камеры 250 м. Глубина ведения работ - 310-320 м. Природная газоносность- 13-15,5 MVT. Водоприток-ДО 5 м3/час. Длина камеры 250 м. Глубина ведения работ - 310-320 м. Природная газоносность - 13-15,5 м /т. Водоприток - до 5 м /час. Характеристика пласта Гипсометрия пласта пологоволнистая, углы падения 6 град. Пласт сложного строения, содержит 1-2 породных прослоя общей мощностью 0,12-0,16 м. Средняя мощность пласта - 4,47 м. Уголь пласта марки ГЖ; Ас=7,9%; W-2.3-3.5%; у=24; Vr=37%. /=0,8-1,0. Уголь пласта склонен к самовозгоранию, угольная пыль взрывоопасна. Пласт на проектируемом участке угрожаемый по внезапным выбросам угля и газа, опасен по горным ударам с глу-бины 150 м. Кливаж угля под углом 40-50 градусов к оси выработки, падение плоскостей кливажа субвертикальное. Характеристика кровли пласта 6-6а (рис. 4.11) Ложная кровля пласта - алевролит углистый трещиноватый мощностью 0,10-0,30 м, обрушается сразу же за выемкой угля. Распространена повсеместно. Непосредственная кровля пласта - алевролит мелкозернистый, /=4-6, мощностью 25 м. Кровля средней устойчивости. Допустимая площадь обнаже-ния -10м, время обнажения - до 1 часа (I - тип кровли по обрушаемости). Основная кровля пласта - песчаник мелко-среднезернистый, /=7-9 мощностью 21 м.
Похожие диссертации на Упрочнение канатными анкерами пород кровли выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством, на пологопадающих пластах
