Область применения и расчеты параметров анкерной крепи

18.03.2020

Если в дальнейшем будет говориться об анкерной крепи как о самостоятельной крепи в выработках с арочной (сводчатой) формой поперечного сечения, то будет подразумеваться комбинированная крепь, состоящая из сталеполимерных анкеров и затяжки из металлической проволочной сетки. Имеются три причины, по которым сталеполимерные анкеры с закреплением по всей длине шпура следует предпочесть анкерам с распорными замками. Последние воспринимают нагрузку через опорную плиту, которая вместе с нарезным хвостовиком анкерной штанги является наиболее слабым местом анкерной крепи. В сталеполимерных анкерах, закрепляемых по всей длине шпура, нагрузка от породного массива передается через затвердевший цементирующий материал непосредственно на анкерную штангу и притом вблизи того места, где в результате деформации пород возникли усилия, которые должны восприниматься анкером. В таких местах увеличивающейся деформации пород противодействует возрастающее сопротивление анкера. Поэтому при использовании сталеполимерных анкеров с закреплением по всей длине скважины агрегатная прочность породного массива увеличивается во всех случаях в намного большей степени, чем при применении анкеров с закреплением в части скважины, к которым относятся замковые анкеры. Опорные плиты сталеполимерных анкеров служат вначале лишь для крепления затяжки. Сталеполимерные анкеры при небольшой деформации приконтурного массива работают достаточно эффективно и без опорных плит. Лишь на более поздней стадии деформации выработки опорные плиты начинают оказывать сопротивление смещению породного контура.

Для того чтобы можно было передать деформирующее контур выработки усилие через анкерную штангу и опорную плиту породному массиву, штанга замкового анкера должна обладать достаточным предварительным натяжением на участке между расклиненным в донной части шпура замком и опорной плитой. Если такое предварительное натяжение анкера невозможно или недостаточно, применение замковой анкерной крепи теряет смысл. Замеры в забое одной из подготовительных выработок, проводившейся буровзрывным способом и крепившейся анкерами, показали, что требуемый и имевшийся вначале момент предварительного натяжения в 97% анкеров, установленных на длине заходки, после первого же очередного цикла взрывания уменьшился наполовину. После того как в этих анкерах натяжные гайки были подтянуты до предписанного уровня предварительного натяжения, при втором и третьем очередных взрываниях в забое 14% всех анкеров снова оказались незатянутыми. Таким образом, уже при самой незначительной деформации стенок шпура в месте закрепления распорного замка, при разрушении породы под опорной плитой или при нагревании анкерная штанга теряет предварительное натяжение. В то же время анкеры, закрепляемые по всей длине скважины, выполняют свои функции без предварительного натяжения и не требуют контроля.

И, наконец, анкеры распорного типа обладают тем недостатком, что они при определенном взаимном смещении слоистых пород теряют первоначальное натяжение. Хвостовик анкерной штанги выходит из устья шпура. Подобное сдвижение пород кровли происходит, например, под примыкающим к лаве боком штрека после прохода лавы вследствие опускания пород кровли над выработанным пространством. Анкер с закреплением по всей длине скважины оказывает достаточно высокое сопротивление подобным сдвижением в самой начальной стадии, т. е. в тот момент, когда на деформирование приконтурного массива еще можно повлиять. Анкеры же распорного типа, особенно с клинощелевым распорным устройством, в этом отношении малоэффективны. Поэтому с точки зрения механики горных пород и условий безопасности ведения горных работ применение анкеров, закрепляемых по всей длине шпура, намного предпочтительнее использования анкеров с закреплением в донной части шпура, особенно клинощелевых.

Область применения анкерной крепи. Металлические анкерные штанги в обычном исполнении обладают ограниченным допустимым удлинением. Из диаграммы «усилие—растяжение» (рис. 7.22) можно видеть, каким может быть допустимое удлинение анкерной штанги. Оно должно быть таким, чтобы при дальнейшем растяжении штанги несущая способность анкера увеличивалась. Подобный запас прочности и надежности обеспечивается в том случае, если растягивающее усилие вызывает в анкерной штанге напряжения, находящиеся между пределом текучести и пределом прочности. Такое усилие соответствует допустимому удлинению анкера, составляющему в данном случае 4% (см. рис. 7.22). Пологая ветвь характеристики, на которой дальнейшее растяжение штанги происходит без увеличения нагрузки на анкер, начинается при удлинении штанги на 100 мм, т. е. при относительном удлинении 7%. Такое растяжение можно рассматривать как критическое.

На рис. 7.23 показаны два вида нагрузок, которым подвергается анкерная крепь с сетчатой затяжкой. Первый из них наблюдается при смещении заанкерованного приконтурного массива в результате образования направленных под острым углом к касательным контура выработки плоскостей сдвига, а также трещин хрупкого излома. При таком виде деформации приконтурного массива анкерные штанга подвергаются значительным нагрузкам, тогда как опорные плиты почти не нагружаются. Другой вид деформации приконтурного массива связан с сокращением периметра выработки, сопровождавшимся выдавливанием пород между анкерами. Подобный вид нагрузки анкерной крепи наблюдается в штреках на пологих пластах, где прорезанные контуром выработки породные слои соприкасаются по касательной со сводчатой кровлей штрека. При склонной к выдавливанию или очень мягкой породе растяжение штанг в экстремальном случае может быть равным нулю. При этом сетчатая затяжка кровли будет воздействовать на опорные плиты анкеров, которые, перекашиваясь, нагружают резьбовые хвостовики анкерных штанг. При небольших размерах опорных плит они продавливаются через сетчатую затяжку, а в неблагоприятном случае даже прорезают ее. При опорных плитах с большой поверхностью резьбовые хвостовики анкеров под действием изгибающих нагрузок могут быть срезаны. В обоих случаях происходит разрыв сетчатой затяжки с последующим высыпанием через него разрушенных пород.

Практика подземных горных работ показывает, что допустимое смещение закрепленного анкерами приконтурного породного массива при принятой в настоящее время длине анкеров (0,35—0,4 ширины выработки) может быть равным допустимому удлинению анкерной штанги. Если смещение приконтурного породного массива, особенно в кровле, превысит указанной выше критическую величину удлинения анкерной штанги, то кровля не будет уже полностью управляемой.

Относительное опускание кровли F в штреке с анкерной крепью, пройденном по пологому пласту, складывается из величины расслоения заанкерованного приконтурного породного массива в кровле штрека и величины оседания пород. Поэтому его можно рассчитать по формуле
Область применения и расчеты параметров анкерной крепи

анкерованном приконтурном массиве, An — податливость боков штрека.

Ниже приводится формула, с помощью которой можно оценить допустимую или соответственно критическую конвергенцию, но пока что только для выемочных штреков. В выемочных штреках податливостью боковых стенок An можно пренебречь, если с обеих сторон выработки находится угольный массив и на штрек не действует высокое вертикальное давление, вызванное, например, влиянием краевой части соседнего пласта, а также если при одностороннем выработанном пространстве штрек охраняется околоштрековой полосой, выложенной из материала с быстрым восприятием нагрузки. При таких условиях конвергенция К, слагающаяся из относительного опускания кровли F и относительного поднятия почвы S, при расслоении заанкерованного приконтурного массива на dl

В этом выражении S/К представляет собой долю относительного поднятия почвы в общей конвергенции штрека. В соответствии с результатами производственных наблюдений в штреках с арочной формой поперечного сечения она в зависимости от условного показателя прочности пород почвы GL равна:

Зона расслоения и разрыхления породных слоев над заанкерованным приконтурным массивом распространяется на высоту, примерно равную ширине штрека В. Поэтому величина В—l соответствует мощности породных слоев над заанкерованной зоной, затронутых нормальным к напластованию расширением. Относительное расширение этих слоев вследствие высокой реакции отпора заанкерованного приконтурного массива меньше, чем в заанкерованной зоне Оно пропорционально разрыхлению заанкерованных слоев (при отсутствии плоскостей скольжения) и обратно пропорционально толщине заанкерованной зоны. Таким образом, ориентировочно

где р — коэффициент пропорциональности, зависящий от структуры непосредственной кровли пласта (при наличии в породах кровли на расстоянии В от верхнего контура штрека плоскости скольжения или угольного пласта, р = 0, при отсутствии подобного ослабления породного массива р = 1).

При помощи эмпирической формулы для определения К можно рассчитать две величины конвергенции. Первой из них является допустимая конвергенция, которая при применяемой в шахтах Рурского бассейна анкерной стали соответствует предельно допустимому расширению заанкерованного приконтурного массива 4%. Вторая величина — это критическая конвергенция, при которой приконтурный породный массив перестает быть управляемым. Такая конвергенция соответствует расширению приконтурного массива на 7%. Правильность приведенной выше формулы была проверена на примере двух выемочных штреков по пластам F и «Маузегатт» на участках, на которых вследствие влияния краевых частей по вышележащим пластам конвергенция достигла расчетной критической величины или превысила ее. В обоих случаях на соответствующих участках штреков после превышения в них расчетных критических значений конвергенции кровля стала неуправляемой. Формула хорошо согласуется с данными шахтных наблюдений. Однако ее следует уточнить путем сопоставления с результатами дальнейших наблюдений.

Для того чтобы установить, можно ли в данном выемочном штреке применить анкерную крепь, должна быть известна также и ожидаемая конвергенция. Ее можно определить по результатам производственных наблюдений за состоянием выемочных штреков. Эта ожидаемая конечная конвергенция не должна быть больше критической, если данный выемочный штрек должен крепиться только анкерами (при современной технологии анкерования).

Для всех других видов горных выработок, для которых ожидаемую конечную конвергенцию пока еще нельзя определить с достаточной надежностью, при установлении возможности применения анкерной крепи в качестве самостоятельной следует исходить из того, что выработки должны находиться вне зон влияния краевых частей по соседним пластам и над ними на высоту до 5 м не должны залегать угольные пласты. Кроме того, во всех пластовых выработках с арочной формой поперечного и сечения верхняя половина контура не должна пересекать угольный пласт, так как из-за частого отслаивания угля придать сечению выработки правильную арочную форму, как правило, невозможно. И, наконец, породы кровли должны быть такими, чтобы они допускали бурение анкерных шпуров и установку анкеров, состояли из слоев толщиной не менее 0,2 м, не теряли первоначальной прочности под влиянием влаги и позволяли придавать выработке арочную форму поперечного сечения. Все эти ограничения по применению анкерной крепи можно считать предварительными. Они должны служить для того, чтобы отбирать выработки, пригодные для закрепления анкерами. В дальнейшем, по мере накопления практического опыта и совершенствования технологии анкерного крепления указанные критерии применимости будут несомненно уточнены.

Устойчивость выработок, закрепленных анкерами. Анкеры вместе с заанкерованными породами приконтурного массива образуют несущую конструкцию в виде свода или кольца. Ho о несущей конструкции можно говорить лишь до тех пор, пока в ней не разрушился хотя бы один элемент Анкеры, кроме предупреждения радиального расширения приконтурного массива, должны выполнять и другую задачу — противодействовать взаимному смещению разделенных трещинами породных блоков, которые уже не могут удерживаться в массиве силами трения. В породных слоях над кровлей штрека такие блоки образуются кососскущими плоскостями разделения, которые расположены по отношению к параллельным напластованию главным напряжениям под углом, превышающим предельный угол равновесия (рис. 7.24). При минимальном коэффициенте трения u = 0,4, определенном экспериментально на нормальных к напластованию и кососекущих трещинах, блоки пород, которые не могут удерживаться в массиве силами трения, ограничены поверхностями излома, проходящими под углом не более 70° к направлению слоистости. В расслоенном пологозалегающем породном массиве уже после незначительной деформации главные напряжения в породах над кровлей штрека будут иметь параллельное напластованию направление.

Неблагоприятным породным блоком является тот, у которого кососекущие граничные поверхности соприкасаются по касательной с арочным контуром выработки. При наблюдениях на погашаемых участках выработок и в местах вывалов пород установлено, что высота вывалов над кровлей штреков с арочной формой поперечного сечения, пройденных по пологим пластам, не превышает половины ширины выработки. Знание размеров подобных блоков позволяет получать представление о реальном характере и величине нагрузок, действующих на анкерную крепь.

В боках выработки также могут образовываться отделенные от массива породные блоки, которые требуется предохранять анкерной крепью от сползания в полость штрека. Кососекущие плоскости, отделяющие эти блоки от массива, согласно наблюдениям в шахтах и на моделях, наклонены к плоскостям слоистости под углом не более 70°. В указанном случае величина коэффициента трения u, определенная экспериментальным путем, равна 0,4.

При расчетах надежности анкерной крепи учитываются только те анкеры, которые закреплены в приконтурном массиве за пределами клиновидного блока на длине не менее 0,5 м и пересекают подобный блок на длине не менее 0,6 м. Указанные минимальные величины закрепления анкеров в ненарушенных породах и пересечения зависающих блоков справедливы для анкерных штанг с разрывной нагрузкой 247 кН. При расчетах надежности анкерной крепи проверяется также возможность при выбранной схеме расположения анкеров предупреждать обрушение также и менее крупных породных блоков, потерявших связь с массивом. Коэффициент запаса для усилий, с которыми должны удерживаться как максимально крупные, так и мелкие породные блоки, должен быть не менее 1,5.

Так как на практике анкеры устанавливаются с небольшим начальным натяжением, при всех расчетах принимается не случай статического нагружения, а так называемая «динамическая нагрузка при падении тела с нулевой высоты». Поэтому нагрузку на анкер определяют исходя из удвоенной статической массы поддерживаемого породного блока. Поскольку неблагоприятные в отношении поддержания штрека породные блоки могут образовываться при любой прочности породного массива, необходима проверка расчетов для конкретных случаев строения пологозалегающих породных массивов. Возможность применения анкерной крепи в качестве самостоятельной в той или иной выработке должна устанавливаться в первую очередь по рассмотренным выше критериям.

Оптимизация паспортов крепления. Расходы на крепление зависят в основном от формы поперечного сечения выработки и его площади, параметров бурового оборудования (например, максимально возможной длины анкерного шпура l), расположения анкеров (например, расстояния между рядами анкеров r и между анкерами в ряду а), нагрузки, выдерживаемой анкерной штангой до достижения предела прочности и текучести материала, а также параметров сетчатой затяжки. Путем варьирования указанных показателей можно разработать большое число отличающихся друг от друга, но одинаково надежных паспортов крепления анкерами.

Все необходимые расчеты производятся с помощью разработанной лабораторией рудничной крепи и механики горных пород института «Бергбау-форшунг» машинной программы. Примером использования этой программы служат данные табл. 7.8, в которой приведены результаты расчетов параметров паспортов крепления анкерами, обеспечивающих устойчивость выработки с площадью поперечного сечения 20,7 Mi арочной формы.

При расчетах независимыми переменными служили расстояние между анкерами в ряду а и длина анкерной скважины l (длина закрепления анкера в скважине) при прочности анкерных штанг на разрыв 247 кН. В каждом втором ряду предусмотрено смещение анкеров на расстояние, равное половине а, по отношению к предыдущему и последующему анкерным рядам.

Из данных табл. 7.8 видно, что наименьшее требуемое число анкеров на 1 м длины выработки обеспечивается при расстоянии между анкерами в ряду а = 0,8 м, длине анкерных штанг l = 2,4 м и расстоянии между рядами анкеров r = 1,05 м. Однако эти параметры из-за технологических ограничений в большинстве случаев не могут быть использованы. В данном случае длина анкерной штанги, закрепляемой на всю глубину шпура, не могла быть принятой более 21 мм. Следовательно, по технологическим соображениям предпочтительнее паспорт а=1 м, l=2,1 м и r=0,7 м, предусматривающий установку 15 анкеров на 1 м длины выработки. Он обеспечивает оптимальный расход материалов на крепление, но не дает гарантии тому, что не будут превышены величины определенных выше допустимых конвергенции и расширения приконтурного породного массива.

Контроль за работой анкерной крепи. Фактическая конвергенция и расширение заанкерованного приконтурного породного массива должны непрерывно контролироваться, чтобы в случае необходимости можно было принять своевременные меры по усилению крепи. При контроле за состоянием заанкерованного приконтурного массива вполне оправдали себя контрольные анкеры, закрепляемые лишь в глубине шпура при несколько большей длине анкерной штанги, чем у нормальных анкеров. В устье шпура контрольного анкера полимерным составом закрепляется трубчатая гильза. По выходящему из шпура хвостовику контрольного анкера, обклеенному блестящей фольгой с нанесенными на ней сантиметровыми делениями, можно, не производя дополнительных измерений, установить, превышен ли предел растяжения анкерной штанги 4%. Если допустимый предел удлинения анкерной штанги достигнут и можно ожидать, что материал анкерных штанг подвергнется напряжениям, соответствующим пределу текучести, то необходимы дополнительные мероприятия по усилению крепи (установка поддерживающей крепи и дополнительных анкеров). Согласно практическому опыту контрольные анкеры целесообразно устанавливать с интервалом в 20 м.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна