Актуальность работы. Одним из путей повышения эффективности подземной угледобычи в условиях конкуренции с другими видами топлива и открытым способом разработки является переход от материалоемкого рамного крепления к консолидирующему, базовым элементом которого является анкерная крепь (АК).
Месторождения Кузбасса представлены преимущественно вмещающими породами непосредственной кровли IV и V класса (ниже средней устойчивости и неустойчивые породы с прочностью на сжатие 10 — 45 МПа — около 60%), мощность которой в большинстве случаев превышает Зм. К тому же, наличие обводненности (капеж кровли) и сейсмической нестабильности массива горных пород (ведение буровзрывных работ и т. п.) вызывают ограничение области применения АК существующих видов, наибольшее распространение из которых получили АК с экологически вредными химическими закрепляющими составами.
Одним из направлений расширения области применения АК на указанные условия отечественные и зарубежные специалисты связывают с использованием анкеров, закрепляемых минеральными заполнителями. Однако, реализация затруднена отсутствием достаточного объема исследований по данной проблеме.
Вследствие этого, актуальна разработка и обоснование рациональных параметров новой экологически безопасной конструкции анкерной крепи, закрепляемой минеральным заполнителем (АКМЗ) на основе свойства сыпучих минералов сопротивляться сдвиговым деформациям, используя при этом силы трения, сцепления и дилатансию, а также средства механизации процесса ее закрепления, что в общем позволяет создать новую технологию крепления горных выработок, устраняющую указанные проблемы.
Работа выполнялась по теме ИУУ СО РАН: «Геомеханическая оценка условий применения анкерного крепления и разработка опытного образца установки закрепления анкеров с дистанционным управлением» 1996 — 97гг.- «Геомеханическое обоснование параметров консолидирующих крепей контура выработок, разработка и изготовление установки для измерения нагрузочных свойств различных типов анкерного крепления» 1998 г в рамках программы.
Сибирь". По хоздоговорной тематике с ОАО «Ленинскуголь»: «Разработка беззамковых классов анкеров на основе применения минеральных заполнителей» 1996 г.
Цель работы Обоснование рациональных параметров конструкции АКМЗ, расширяющей область эффективного, безопасного и технологичного применения анкерного крепления на слабые вмещающие породы ^ = 1-^3), обводненность и сейсмическую нестабильность.
Идея работы заключается в использовании выявленных закономерностей формирования нагрузок и процессов при работе АКМЗ для обоснования и выбора ее рациональных параметров, обеспечивающих равнопрочность и устойчивость системы «Анкерная крепь — минеральный заполнитель — приконтурный массив горных пород».
Задачи исследования:
— установить влияние на нагрузочные характеристики АКМЗ различных процессов в закрепляющей части, параметров разработанной конструкции крепи, физико-механических свойств сыпучего минерального заполнителя (МЗ);
— выявить факторы, влияющие на процесс, качество и надежность закрепления АКМЗ для обоснования конструктивных и технологических требований к возведению АК;
— обосновать рациональные конструктивные и технологические параметры АКМЗ в соответствии с условием сохранения равнопрочности и устойчивости системы «Анкерная крепь — минеральный заполнитель — приконтурный массив горных пород» в указанных условиях;
— развить геомеханическое обоснование применения АКМЗ при креплении приконтурного массива горных пород с обозначенными свойствами на основе наблюдений и анализа функционирования крепи и возникающей при ее работе системы;
— обосновать механизм и условия работы установки механизации процесса закрепления анкеров сыпучим минеральным заполнителем (УЗА СМ), ее конструктивные и технологические параметры, обеспечивающие создание новой технологии возведения АКМЗ согласно требованиям по условию ее применения и особенностям устройства.
Методы исследований:
— экспериментальные стендовые (статическое нагружение экспериментальных образцов крепи);
— шахтные исследования работоспособности АКМЗ и УЗА СМ (статическое нагружение промышленных образцов крепи в различных условиях, хронометраж технологических циклов, регистрация сбоев и узлов на отказ);
— графические и экспериментальные методы строительной механики и механики сыпучих сред.
Научные положения, выносимые на защиту:
— формирование при работе АКМЗ устойчивых взаимовлияющих слоев распора, реализующих бесступенчатый вид распределения радиального давления на стенки шпура и образующихся по поверхностям сдвига в МЗ с последующим вырождением сдвиговых деформаций и затуханием дилатансионных процессов полностью компенсируют нагрузки на АК силами трения и сцепления;
— процесс, качество и надежность закрепления АКМЗ, характеризующиеся условием равнопрочности и устойчивости, необходимо и достаточно определяются конструктивными и технологическими параметрами возведения АК — угол естественного откоса, степень уплотнения и влажности частиц МЗ, величина кольцевого зазора между стенкой шпура и анкером, угол заклинивания и длина головки анкера, предварительное натяжение крепи;
— одним из определяющих параметров АКМЗ является глубина ее заложения за контуром устойчивой части приконтурного массива горных выработок, равная определяемой из условия равнопрочности и устойчивости величине втулки МЗ, время образования которой при монтаже равно времени полного закрепления анкера с возможностью восприятия рабочих нагрузок. разработанная конструкция АКМЗ, представляя собой базовый самонастраивающийся по условию равнопрочности и устойчивости элемент консолидирующего крепления, дает возможность эффективного, надежного и технологичного влияния на состояние системы «Анкерная крепь — минеральный заполнитель — приконтурный массив горных пород», повышая устойчивость обнажений закрепляемой выработки при указанных условиях;
— определяющими параметрами УЗА СМ, обеспечивающие необходимое качество и высокую скорость закрепления анкеров в шпурах различного расположения в пространстве, являются ее производительность Пг, кг/сек и плотность упаковки минерального заполнителя р, зависящая от показателя аэродинамического уплотнения материала ?3, кг сек/м3 в шпуре и скорости вылета частиц Ув, м/сек из сопла установки.
Научная новизна работы: выявлено, что формирование при работе АКМЗ устойчивых взаимовлияющих слоев распора, реализующих бесступенчатый вид распределения радиального давления на стенки шпура и образующихся по поверхностям сдвига в МЗ с последующим вырождением сдвиговых деформаций и затуханием дилатансионных процессов, позволяет полностью нейтрализовать действующие нагрузки на АК силами трения и сцепления;
— впервые определены граничные зоны перехода в МЗ, разделяющиеся по характеру и интенсивности протекающих процессов и выявляющиеся с установлением равновесия при нагружении АКМЗ;
— доказано, что необходимое условие равнопрочности и устойчивости обеспечивается выполнением конструктивных и технологических требований к возведению АКМЗ — максимально возможные значения угла естественного откоса, степени уплотнения МЗ при минимуме величины кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера, при постоянных величинах влажности частиц МЗ, угла заклинивания и длины головки анкера, величины предварительного натяжения АКМЗ;
— подтверждено, что одним из определяющих параметров АКМЗ является глубина ее заложения за контуром устойчивой части приконтурного массива горных выработок, равная определяемой из условия равнопрочности и устойчивости величине втулки МЗ, время образования которой при монтаже равно времени полного закрепления анкера с возможностью восприятия рабочих нагрузок;
— впервые доказана возможность эффективного, надежного и технологичного влияния на состояние системы «Анкерная крепь — минеральный заполнительприконтурный массив горных пород» в указанных условиях при помощи базового самонастраивающегося по условию равнопрочности и устойчивости элемента консолидирующего крепления, создающего значительное распределенное по длине шпура радиальное давление и реализующего безразгрузочное объемно-напряженное состояние приконтурной зоны выработки, эффективно воспринимающей процессы проявления горного давления;
— в обосновании механизма работы, создании последовательности расчета и выбора определяющих параметров УЗА СМ: производительность, плотность упаковки минерального заполнителя, обеспеченная динамической укладкой частиц и зависящая от создаваемого установкой аэродинамического уплотнения материала и скорости его вылета., что дает необходимое качество и высокую скорость закрепления анкеров в шпурах различного расположения в пространстве.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается:
— Достоверностью данных натурных экспериментов вследствие применения стандартизованного оборудования и специальных методик.
— Положительными результатами стендовых и шахтных испытаний конструкций АКМЗ и УЗА СМ при закреплении 26 м (450 анкеров) экспериментального участка обходного квершлага полевого уклона пласта «Макси-мовского» ш."Комсомолец" ОАО «Ленинскуголь» (подтверждено актами).
— Подтверждением правильности выбранных параметров АКМЗ данными экспериментальных исследований (величина расслоений кровли в закрепленной выработке за период эксплуатации не превысила максимально допустимых — 25 мм / м, а нагрузки на анкерную крепь остались в рабочем диапазоне).
Личный вклад автора состоит:
— в установлении влияния на нагрузочные характеристики АКМЗ различных процессов в закрепляющей части, параметров разработанной конструкции крепи, физико-механических свойств сыпучего минерального заполнителя (МЗ);
— в выявлении факторов, влияющих на процесс, качество и надежность закрепления АКМЗ,.
— в обосновании рациональных конструктивных и технологических параметров АКМЗ в соответствии с условием сохранения равнопрочности и устойчивости системы в указанных условиях;
— в развитии геомеханического обоснования применения АКМЗ при креплении приконтурного массива горных пород с обозначенными свойствами;
— в расчете, научном обосновании допустимых параметров и механизма работы установки механизации процесса закрепления анкерной крепи, закрепляемой минеральным заполнителем — УЗА СМ по созданной методике и в соответствии с сформулированными требованиями согласно разработанной технологии возведения и устройства АК.
Практическое значение работы. Проделанная работа позволяет реализовать новую экологически безопасную технологию крепления горных выработок на основе созданной элементной базы анкерного крепления и средства механизации процесса ее закрепления, расширить область эффективного, безопасного и технологичного применения анкерного крепления при указанных условиях, а также позволяет использовать созданные рекомендаций и последовательности расчетов для проектирования конструкций крепей типа АКМЗ и УЗА СМ.
Реализация исследований. Разработанные последовательности расчетов, рекомендации по условию применения и выбору рациональных параметров, результаты стендовых и шахтных испытаний, технические решения использованы для разработки ТУ на АКМЗ, паспорта крепления экспериментального участка горной выработки (закреплено 26м) при проведении шахтного эксперимента по испытанию АКМЗ и установки закрепления анкеров сыпучим минеральным заполнителем — УЗА СМ, разработки руководства по ее эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном семинаре ИУУ СО РАН, международной научнопрактической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки», ученом совете АО «Кузниишахтострой» (1998 г.), научно-технических совещаниях ОАО «Ле-нинскуголь» (1997;98 г. г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 научных статьях и тезисах и 3 изобретениях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 183 стр., в том числе: 20 табл., 44 рис., список литературы из 54 наименований и приложения на 20 стр.
ВЫВОДЫ.
1. Шахтные испытания подтвердили надежность работы и выбранные параметры АКМЗ и УЗА СМ. При этом, величина расслоений пород кровли не превысила максимально допустимых — 25 мм/м, а максимальные осевые нагрузки на анкер со стороны висячего бока выработки составили не более 45 кН.
2. Разработанная конструкция АКМЗ позволяет довести прочность закрепления АКМЗ до прочности грузонесущего стержня анкера (Ртах = РСтеРжня) в указанных условиях, а также реализовать безразгрузочную работу объемно-напряженной приконтурной зоны горной выработки, повышая ее устойчивость за счет эффекта самонастройки системы «Анкерная крепь — минеральный заполнитель — приконтурный массив горных пород» (условие равнопрочности и устойчивости), возможности полного нагружения конструкции АК и подключения в работу сразу после монтажа.
3. В слабых породах (Г = 1-=-3) условие равнопрочности подтверждается при следующих условиях:
— длина втулки из песка Ьп, мм >700.
— кольцевой зазор между головкой анкера и стенкой скважины, мм 1-И, 5.
— соотношение диаметров головки анкера и стержня анкера Дга/Да > 1,45.
— длина головки грузонесущего стержня Ьг, мм 45.
— содержание глины в песке, % <6.
— гранулометрический состав, мм 0,1-е-1.
4. Доказано, что длина втулки из песка свыше 700 мм уже не влияет на прочность закрепления АКМЗ и крутизну нагрузочной характеристики (при диаметрах скважины 43 и 30мм) при креплении приконтурного массива горных пород с обозначенными свойствами и условиями. Данное значение рекомендовано как оптимальная величина заглубления АК за контур устойчивой части массива для обеспечения ее надежного закрепления.
5. Разработанная конструкция АКМЗ, технология закрепления анкеров сыпучими минеральными заполнителями, обоснованные конструктивные и технологических параметры УЗА СМ являются базовыми элементами новой экологически безопасной технологии возведения АК с высокой скоростью в шпурах различного расположения в пространстве.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе изложены научно обоснованные технологические и технические разработки новой конструкции анкерной крепи, закрепляемой минеральным заполнителем (АКМЗ), что обеспечивает решение важной задачи расширения области применения анкерных крепей, повышения устойчивости горных выработок.
Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:
1. Расширение области применения анкерных крепей на указанные условия обосновано созданием новой технологичной и надежной конструкции (АКМЗ), закрепляемой в шпуре по созданной технологии сыпучим минеральным заполнителем на основе его свойства сопротивления сдвиговым деформациям, используя при этом силы трения, сцепления и дилатансию.
2. Установлено, что основное формирование устойчивых взаимо-влияющих слоев распора, образующихся по поверхностям сдвига МЗ и полностью нейтрализующих действующие нагрузки силами трения и сцепления, происходит в зонах пластических деформаций (I и II). Под головкой анкера образуется уплотненное ядро на расстоянии до 1,5 Дш, а на расстоянии от 5 до 15 Дш происходит вырождение сдвиговых деформаций и затухание дилатансионных процессов. При этом, уменьшение толщины слоев и рост их количества напрямую связан с уменьшением податливости АКМЗ и зависит от геометрической формы головки анкера и величины действующих нагрузок.
3. Параметры возведения крепи, обеспечивающие соответствующую крутизну нагрузочной характеристики АКМЗ необходимую для применения в указанных условиях, соотносятся с использованием в качестве МЗ речного песка с фракцией 0,1 + 1,0 мм и содержанием глины до 4%, углом естественного откоса ф «43° и влажностью 6%, величиной кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера 1+1,5 мм, длиной головки грузоне сущего стержня Lr = 45 мм, углом заклинивания головки в пределах от 10° - min смещений и величины распределения радиальных давлений по длине шпура до 90° - тах смещений и величины распределения радиальных давлений по длине шпура, максимальной (до 0,7РНОМ.) величиной предварительного натяжения анкера. Указанное является необходимым для выполнения условия равнопрочности и устойчивости системы «Анкерная крепь — минеральный заполнитель — приконтурный массив горных пород».
4. Доказано, что длина втулки из песка свыше 700 мм уже не влияет на прочность закрепления АКМЗ и крутизну нагрузочной характеристики (при диаметрах скважины 43 и 30мм) при креплении приконтурного массива горных пород с обозначенными свойствами и условиями. Данное значение рекомендовано как оптимальная величина заглубления АК за контур устойчивой части массива для обеспечения ее надежного закрепления.
5. Разработанная конструкция АКМЗ позволяет довести прочность закрепления АКМЗ до прочности грузонесущего стержня анкера (Ртах = Рстержня) в указанных условиях, а также реализовать безразгрузочную работу объемно-напряженной приконтурной зоны горной выработки, повышая ее устойчивость за счет эффекта самонастройки системы «Анкерная крепь — минеральный заполнитель — приконтурный массив горных пород» (условие равнопрочности и устойчивости), возможности полного нагружения конструкции АК и подключения в работу сразу после монтажа.
6. Установка механизации процесса закрепления анкеров сыпучими материалами (УЗА СМ) камерного типа, эжекторно-нагнетательного принципа действия обеспечивает при закреплении АКМЗ динамическую упаковку частиц МЗ с высокой плотностью турбулентным потоком воздушно-водяной смеси (необходимо соблюдать расстояние от сопла до забойной зоны шпура 0,5+0,6 м). Последовательность расчета конструктивных параметров установки сводится к достижению необходимого качества и плотности упаковки частиц МЗ, зависящие от скорости вылета частиц Зв из сопла и показателя аэродинамического уплотнения минерального заполнителя /?, минимально допустимое значение которого 25 кг сек / м3.
7. Разработанная конструкция АКМЗ, технология закрепления анкеров сыпучими минеральными заполнителями, обоснованные конструктивные и технологических параметры УЗА СМ являются базовыми элементами новой экологически безопасной технологии возведения АК с высокой скоростью в шпурах различного расположения в пространстве.
