Несущая способность анкерной крепи в выработках с арочной формой поперечного сечения

18.03.2020

Методика X. О. Лютгендорфа. При анкерном креплении образуется несущий свод, состоящий из приконтурного породного массива и работающих на растяжение радиально расположенных анкерных штанг.

Эффективная толщина подобного комбинированного несущего свода примерно равна длине анкеров l за вычетом расстояния между анкерами е:
Несущая способность анкерной крепи в выработках с арочной формой поперечного сечения

В пределах породного слоя толщиной d действующие на анкерные штанги растягивающие усилия A создают примерно равномерно распределенное радиальное давление

Несущая способность массива возрастает на величину Ao1 в направлении, перпендикулярном к направлению наименьшего главного сопряжения, вызванного дополнительным напряжением сжатия,

При анкерном креплении массива тангенциальное напряжение возрастает на величину Аot, если радиальное напряжение повышается на Aor, а именно в а1 раз

В неразрушенном породном массиве р является углом внутреннего трения, а в разрушенном — углом трения по плоскостям среза.

Дополнительное поддерживающее усилие, действующее в комбинированном своде благодаря скреплению его анкерами, находится из выражения

Дополнительное сопротивление р на эффективном внешнем радиусе га комбинированного несущего свода, равного

определяется по формуле

На графике (рис. 7.25) приведены характеристики несущей способности анкерной крепи p при натяжении анкеров усилием 180 и 120 кН, r0 = 4 м для четырех различных расстояний между анкерами е и трех значений коэффициента трения u. Несущая способность анкерной крепи зависит от коэффициента трения u, пород массива, усилия натяжения анкеров А, расстояния между анкерами е и внутреннего радиуса анкеруемой зоны r0.

В малопрочном породном массиве при u, равном 0,6 и 1, сопротивление анкерной крепи может достигать 100—280 кН/м2 при расстоянии между анкерами 1 м. С уменьшением этого расстояния до 0,8 м сопротивление анкерной крепи возрастает до 200—500 кН/м2.

Дело в том, что в малопрочном породном массиве, несмотря на анкерование, образуются изломы по плоскостям сдвига. Дополнительная несущая способность породного свода, вызванная действием анкеров, определяется поэтому коэффициентом трения по плоскостям сдвига, который остается меньше величины u=1.

Собственная несущая способность приконтурного массива невелика, поскольку она определяется остаточной прочностью на сжатие, имеющей место при переходе пород во вторую стадию деформирования, т. е. сопротивлением деформациям сдвига. В пределах эффективной толщи заанкерованного приконтурного массива его собственная несущая способность, обусловленная остаточной прочностью пород на сжатие, соответствует примерно 300—200 кН/м2.

В неразрушенном массиве, т. е. в массиве, находящемся в первой стадии деформирования, коэффициенты трения могут доходить до u=1,5 и выше. Поэтому анкерная крепь может развивать в неразрушенных породах более высокое дополнительное сопротивление (см. рис. 7.25).

Если несущая способность заанкерованного приконтурного массива недостаточна и в породах образуются изломы по плоскостям сдвига, то с уменьшением коэффициента трения весьма значительно снижается дополнительное сопротивление анкерной крепи. Одновременно уменьшается до остаточной величины агрегатная прочность на сжатие породного массива в приконтурной зоне. Породы переходят во вторую стадию деформирования, площадь поперечного сечения выработки значительно уменьшается, анкеры удлиняются. Способность анкеров к удлинению должна в этом случае быть приспособлена к деформированию приконтурного массива.

Во второй стадии деформирования пород эффективность анкерной крепи уменьшается. Различие в эффективности действия анкерной крепи соответствует различию между коэффициентами трения по плоскостям сдвига в разрушенном массиве и коэффициента внутреннего трения в ненарушенном породном массиве.

В породах средней прочности при правильно выбранных параметрах анкерной крепи можно поддерживать приконтурный массив в состоянии первой стадии деформирования, т. е. предупредить появление изломов по плоскостям сдвига.

В породах с большим внутренним трением и достаточно высокой прочностью на сжатие применение анкерной крепи экономически особенно эффективно. Если существует опасность, что породы под воздействием влажного шахтного воздуха станут менее прочными, рекомендуется применять анкерную крепь в сочетании с торкретированием.

При совместном использовании нескольких видов крепи их сопротивление может суммироваться при условии согласования деформационных характеристик крепей.

Методика О. Натау и В, Ляйхница. Исходным положением для анализа комбинированной системы «анкерная крепь — приконтурный массив» явились известные наблюдения при исследованиях прочности породных образцов с различным «показателем гибкости» А, т, е. отношением между их высотой H и диаметром D. Результаты исследований показывают, что прочность образцов на одноосное сжатие возрастает по экспоненциальной зависимости с уменьшением «показателя гибкости» А, т. е.

где оD — прочность образца на одноосное сжатие при Л=/=1; вD — то же, при Л=1; Л — «показатель гибкости», Л = H/D; b и n — коэффициенты, b меньше 1, n больше 1.

Авторы провели эксперименты на моделях, результаты которых подтвердили правильность этого уравнения.

Элемент несущего кольца (рис. 7.26) соответствует плоскому образцу, высота которого а ограничивается не плитами пресса, а анкерами, которые наподобие давильных плит препятствуют поперечному расширению торцовых плоскостей сжимаемых образцов. «Показатель гибкости» такого образца Л = а/lw.

Если подобный элемент заанкерованного породного массива является достаточно «плоским», т. е. если расстояние между анкерами а намного меньше эффективной длины анкеров lw, в несущем породном кольце выработки также должен обеспечиваться экспоненциальный рост прочности. Чтобы подтвердить эту гипотезу, в одной из серий экспериментов в испытываемые образцы в качестве армировки вводили и закрепляли полимерным составом отдельные стальные стержни. Прирост прочности с уменьшением показателя А был весьма заметным (рис. 7.27). Это означает, что путем выбора соответствующего отношения расстояния между анкерами а к эффективной их длине lw может быть достигнута такая прочность заанкерованного приконтурного массива, которая соответствует требованиям надежной устойчивости данной выработки.

Если принять, что связь между анкерной штангой и породой на сдвиг является достаточно прочной, то можно применить следующую методику расчета (рис. 7.28):

- максимальное касательное усилие N, воспринимаемое несущим кольцом, рассчитывают по площади FN и прочности на одноосное сжатие oD;

- требуемое усилие, выдерживаемое анкером, определяют по величине N и коэффициенту поперечного распора w;

- величину w находят по результатам экспериментов на одноосное сжатие или непосредственно при опытах на трехосное сжатие породных образцов. При наличии огибающей кругов напряжений величины заданной прочности oD и соответствующего ей бокового давления o3 могут быть получены непосредственно по диаграмме;

- усилие А берется по сечению анкера, причем в наиболее неблагоприятном случае по всей его эффективной длине lw. Из системы уравнений (7.1, 7.2, 7,4 и 7.5) можно получить уравнение (7.6) для определения требуемого диаметра анкера:

Полученные результаты показывают, что уменьшение расстояния между анкерами а, приводящее к тому, что элементы несущего породно-анкерного кольца становятся более «плоскими», способствует, тем самым, повышению прочности пород на одноосное сжатие. Величина oD повышается быстрее, чем увеличивается требуемый диаметр анкеров.

Таким образом, решается вопрос о численном определении несущей способности породно-анкерного приконтурного массива и требуемом диаметре анкеров. Однако вопрос о характере внешнего нагружения несущего породно-анкерного кольца со стороны окружающих пород остается пока нерешенным.

Методика Г. Федера для прочных пород. Предположение, что при высоком первоначальном давлении полость породного массива окружена «пластической зоной», в пределах которой порода в любой точке находится в состоянии текучести, справедливо в полной мере лишь для рыхлых пород.

В прочных породах значительное различие в прочности на срез у плотного и разрыхленного материала приводит к тому, что в «пластической зоне» образуются лишь отдельные плоскости среза, между которыми порода сохраняет первоначальную прочность. Характер образующихся трещин соответствует определенным закономерностям кинематики и механики разрушения хрупких тел. Эксперименты показывают, что не все плоскости среза образуются одновременно. В осесимметричных условиях при наличии сцепления или по меньшей мере шероховатого контакта между слоями вначале образуется только одна плоскость среза 1 (рис. 7.29, а). Лишь после того, как по этой плоскости произойдет достаточно значительное смещение массива, процесс сдвижения приостановится. Очевидно, это вызывается тем, что смещение по одной плоскости ведет к защемлению опускающегося породного блока, тормозящему процесс опускания по плоскости скольжения и способствующему инициированию развития новой плоскости среза. При экспериментах указанное явление было выражено последующим появлением плоскости среза 2 (см. рис. 7.29, а). При осесимметричных условиях положение плоскости среза 1 не определялось какой-либо закономерностью, плоскость же 2 образовалась в том месте, которое было обусловлено явлениями деформации и защемления, вызванными плоскостью 1. Обе плоскости ограничивали клиновидный блок породы К. Смещения по обеим плоскостям среза распространяется вверх в массив далеко за пределы клиновидного блока.

Подобные простые эксперименты позволяют сделать следующие выводы:

- влияние анкерной крепи ощущается также и в приконтурном массиве выше клиновидной зоны К. хотя раньше считалось, что массив упрочняется только в пределах этой зоны;

- вместо явления текучести материала, происходящего в каждой точке пластической зоны, образуются немногие плоскости среза (при небольшой конвергенции только одна), причем чем меньше таких плоскостей, тем больше путь смещения по ним;

- направление плоскости среза в процессе ее развития непрерывно изменяется. Поэтому для слоистых пород определяющим является среднее значение из различных направлений плоскости среза.

Анкерная штанга, пересекаемая плоскостью скольжения породного массива, в общем случае не срезается, а растягивается, деформируясь в виде буквы S (см. рис. 7.29. в). При этом предел текучести материала штанги на растяжение определяет степень удлинения штанги и частичного вдавливания ее в породу.

Благодаря такому местному натяжению анкера и его перекосу на плоскости скольжения Gl возникают дополнительное поперечное усилие NA = Asinx и тормозящее процесс скольжения продольное усилие TA = A cosx. Если принять нормальное усилие, действующее на анкерную штангу, равным пределу текучести материала при растяжении, то вызываемое анкером дополнительное сопротивление смещению породного массива по плоскости среза является функцией возрастающего по мере смещения перекоса анкера. По мере смещения пород по плоскости среза это дополнительное сопротивление достигает (при достаточной вязкости материала анкера) величины тA0 (см. рис. 7.29. в).

Расстояние между анкерами по плоскости скольжения принималось в виде функции от шага установки анкеров по породному контуру выработки. Благодаря этому можно рассчитать взаимосвязь между относительным смещением массива по плоскости среза s и вызываемой указанным смещением конвергенцией контура выработки по каждому радиальному лучу.

Под влиянием анкерной крепи образуется новая характеристика разрушения приконтурного массива по плоскостям хрупкого излома и среза, воспроизводящая прочностные свойства укрепленного анкерами ослабленного приконтурного массива. Сравнение показывает, что последующее упрочнение приконтурного массива анкерами менее эффективно, чем установка анкеров с соответствующей плотностью непосредственно при проведении выработки.

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