Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами

В статье для анализа геомеханических процессов, происходящих в призабойной зоне вмещающего выработку массива, и обоснования параметров жесткой крепи (в том числе и рамно-анкерных систем) предложено использовать энергетический подход. Приведены результаты шахтных инструментальных наблюдений в вертика...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Дрибан, В.А., Новиков, А.О., Шестопалов, И.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2013
Назва видання:	Физико-технические проблемы горного производства
Теми:	Прогноз и управление состоянием горного массива
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108269
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами / В.А. Дрибан, А.О. Новиков, И.Н. Шестопалов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2013. — Вип. 16. — С. 88-104. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-108269
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1082692016-11-02T03:02:48Z Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами Дрибан, В.А. Новиков, А.О. Шестопалов, И.Н. Прогноз и управление состоянием горного массива В статье для анализа геомеханических процессов, происходящих в призабойной зоне вмещающего выработку массива, и обоснования параметров жесткой крепи (в том числе и рамно-анкерных систем) предложено использовать энергетический подход. Приведены результаты шахтных инструментальных наблюдений в вертикальной и горизонтальной горных выработках, подтверждающие правомерность этого подхода. У статті для аналізу геомеханічних процесів, що відбуваються у привибійній зоні вміщуючого виробку масиву, та обґрунтування параметрів жорсткого кріплення (у тому числі й рамно-анкерних систем) запропоновано використати енергетичний підхід. Наведено результати шахтних інструментальних спостережень у вертикальній та горизонтальній гірничих виробках, які підтверджують правомірність цього підходу Energy approach for the analysis of geomechanical processes in the working area of the roadway-enclosing strata and justification of rigid support parameters (including frame-anchor systems) are proposed. The outcomes of underground instrumental observations in vertical and horizontal mine workings are described that confirm competence of such approach. 2013 Article Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами / В.А. Дрибан, А.О. Новиков, И.Н. Шестопалов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2013. — Вип. 16. — С. 88-104. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108269 622.016.3.112.3 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прогноз и управление состоянием горного массива Прогноз и управление состоянием горного массива
spellingShingle	Прогноз и управление состоянием горного массива Прогноз и управление состоянием горного массива Дрибан, В.А. Новиков, А.О. Шестопалов, И.Н. Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами Физико-технические проблемы горного производства
description	В статье для анализа геомеханических процессов, происходящих в призабойной зоне вмещающего выработку массива, и обоснования параметров жесткой крепи (в том числе и рамно-анкерных систем) предложено использовать энергетический подход. Приведены результаты шахтных инструментальных наблюдений в вертикальной и горизонтальной горных выработках, подтверждающие правомерность этого подхода.
format	Article
author	Дрибан, В.А. Новиков, А.О. Шестопалов, И.Н.
author_facet	Дрибан, В.А. Новиков, А.О. Шестопалов, И.Н.
author_sort	Дрибан, В.А.
title	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами
title_short	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами
title_full	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами
title_fullStr	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами
title_full_unstemmed	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами
title_sort	об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Прогноз и управление состоянием горного массива
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108269
citation_txt	Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами / В.А. Дрибан, А.О. Новиков, И.Н. Шестопалов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2013. — Вип. 16. — С. 88-104. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT dribanva obupravleniiustojčivostʹûmassivaramnoankernymisistemami AT novikovao obupravleniiustojčivostʹûmassivaramnoankernymisistemami AT šestopalovin obupravleniiustojčivostʹûmassivaramnoankernymisistemami
first_indexed	2025-07-07T21:13:30Z
last_indexed	2025-07-07T21:13:30Z
_version_	1837024213570945024
fulltext	Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 88 Раздел 2. Прогнозирование и управление состоянием горного массива УДК 622.016.3.112.3 В.А. Дрибан1, А.О. Новиков2, И.Н. Шестопалов2 ОБ УПРАВЛЕНИИ УСТОЙЧИВОСТЬЮ МАССИВА РАМНО-АНКЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ 1УкрНИМИ НАН Украины, г. Донецк 280001, Донецк, ул. Артема, 58, Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет» В статье для анализа геомеханических процессов, происходящих в призабойной зоне вмещающего выработку массива, и обоснования параметров жесткой крепи (в том числе и рамно-анкерных систем) предложено использовать энергетический подход. Приведены результаты шахтных инструментальных наблюдений в верти- кальной и горизонтальной горных выработках, подтверждающие правомерность этого подхода. Ключевые слова: рамно-анкерные системы, крепь, управление состоянием масси- ва, энергетический подход Введение Известно, что основная задача горной геомеханики состоит в численной оценке различных проявлений горного давления, развивающихся в пород- ном массиве при ведении горных работ. Несмотря на то, что попытки ее ре- шения на протяжении многих десятилетий предпринимались многими ис- следователями всего мира, проблема до сих пор окончательно не решена. Об этом свидетельствуют не только значительная доля выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии, но и высокая стоимость и трудоемкость работ по их поддержанию. В действующих нормативных документах, регламентирующих порядок расчета крепи горных выработок [1–3], заложена такая последовательность вычислений: свойства вмещающего породного массива – смещения пород в выработку (U) – нагрузка на крепь (Р) – параметры крепи. Одним из наибо- лее слабых звеньев в этой цепочке принятия решений является переход от свойств вмещающих пород к расчету смещений и нагрузки на крепь (зави- симость Р–U). Связано это с тем обстоятельством, что смещения пород или определяют для конкретной модели массива горных пород, или находят за весь срок службы выработки из условия возведения в ней крепи с минимальным отпо- ром. Затем по полученным данным строят эмпирическую кривую Р–U. Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 89 В первом случае результаты расчетов часто далеки от реальности из-за це- лого ряда ошибок, возникающих при вычислениях вследствие субъективного выбора значений большого количества параметров (коэффициент ослабления пород в массиве, угол внутреннего трения, модуль спада кривой деформации и т.п.), способных на порядок изменить получаемый результат, а также не всегда корректного выбора принимаемой модели деформации массива. Во втором случае серьезные трудности возникают ввиду необходимости получения достоверной связи Р–U, что обусловлено тем, что определяется зависимость между реальным отношением и условными смещениями без отпора, а также не принимается к учету тот факт, что величина отпора крепи изменяет характер деформации приконтурного массива горных пород. В данной работе предлагается иной подход к решению этой задачи, поз- воляющий не только обойти вышеуказанные сложности, но и по-новому взглянуть на сущность происходящих в призабойной зоне выработки геоме- ханических процессов и использовать его для управления устойчивостью вмещающего массива. Суть этого подхода заключается в том, что на момент включения жесткой (бетонной, железобетонной, комбинированной на осно- ве анкерных систем и т.д.) крепи в работу, система крепь–массив становится консервативной, тем самым в ней выполняется закон сохранения энергии. Учет баланса энергии системы с учетом разрушения породы приконтурной зоны выработки позволяет получить необходимые параметры крепи. Изложение результатов Рассмотрим процесс изменения состояния системы крепь–массив при проведении выработки и установке крепи. При проведении выработки в призабойной зоне происходит разрушение пород за счет образования кон- центрации напряжений и, следовательно, образуется зона неупругих дефор- маций (ЗНД), которая развивается по мере отхода забоя от рассматриваемо- го сечения. На достаточном удалении от него эта зона становится стацио- нарной, поскольку влияние забоя стремится к нулю. Таким образом, при продвижении забоя идет процесс диссипации энергии из породного кольца, охватывающего ЗНД. В случае возведения в выработке жесткой крепи (комбинированные крепи на основе анкерных систем можно считать таковыми) она принимает на себя роль энергоприемника, который компенсирует потерю энергии. Происходит также изменение энергетического состояния и упругой части массива (вне зоны) за счет перераспределения напряжений при развитии неупругих областей. В последующих рассуждениях воспользуемся такими обозначениями: r1, r2 – радиус выработки в свету и вчерне соответственно; rЗ – радиус ЗНД; Ek, Em – модуль упругости крепи и массива соответственно; k, m – коэффициенты Пуассона; Wk – энергия породного кольца (r2, r3); Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 90 Wp – энергия жесткой крепи; Wу – энергия упругой части массива горной породы (вне ЗНД); 1 – индекс, который относится к энергетике массива при развитии ЗНД; 2 – индекс, который обозначает условное энергетическое состояние в случае сохранения упругости всего массива и тех же деформационных ха- рактеристик;  – относительная часть энергии, потерянная до установки крепи. Изменение энергии массива можно записать в виде (2) (1) (2) (1) y yk kW W W W W     . (1) На тот момент, когда жесткая постоянная крепь, возведенная в выработ- ке, включится в работу, рассеется часть энергии W. Тогда, принимая допу- щение, что система крепь–массив консервативна, можно записать: ξp pW W W   , (2) где pW – энергия массива при отпоре Р. Это значит, что напряженно-деформированное состояние крепи непо- средственно связано величиной диссипации энергии до ее установки и фи- зико-механическими характеристиками массива, что позволяет обойтись без диаграммы Р–U. Для определения величины W воспользуемся известной формулой упру- гой энергии 1 σ ε 2 ij ij ij W d    , (3) где  – область, занятая материалом. Тогда энергия жесткого кольца крепи будет иметь вид       1 2π 2 2 2 2 22 2 12 2 2 10 1 π ε σ 1 ν 1 ν 2 r p ij ij k k kr P r W r drdy r r E r r              . (4) Для подсчета Wp воспользуемся формулой Ляме     2 22 2 2 1 1 22 2 1 1 ( ) 2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 σr P P r rP r Pr r r r r r        , (5) где Р2 и Р1 – внешняя и внутренняя нагрузки на кольцо соответственно; r – текущий радиус. В рассматриваемом случае Р2 = Р; Р1 = 0. Аналогично определим энергию породного кольца (r2; r3) в упругом со- стоянии:        2 2 2 3 2 2(2) 2 2 м 2 3 π 1 ν σ 1 ν σmk m r r r W P E r            , (6) Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 91 где  – напряжение на бесконечности в осисимметричной задаче. В нашем случае σ γH . Энергию упругой части массива при 3r r во втором состоянии легко найти, воспользовавшись известными решениями о распределении напря- жений в пластине с круглым отверстием: ( ) 2 σ σ σr Q r     , (7) где Q – внутренний отпор. Поскольку радиус выработки вчерне равен r2, то 3 2 2 2 2 2 2 3 3 σ σ 1r r r r r Q P r r            . (8) Тогда     2 2 (2) 24 2 3 π σ 1 ν 1 ν σm m m m m P r W d E Er        . (9) Для того чтобы оценить энергетическое состояние массива при развитии ЗНД, воспользуемся представлением о приконтурном породном массиве как об упругопластичной среде, в которой выполняется условие Кулона–Мора     2 22 2σ σ 4τ sin ρ σ 2 ρr r r Kctg       . (10) Следует отметить, что это условие выбрано для упрощения расчетов и не окажет существенного влияния на конечный результат, поскольку при опре- делении энергетического состояния наиболее важными параметрами оказы- ваются сцепление горной породы и уровень напряжений на упруго- пластичной границе. Радиус ЗНД равен [1]:   1 α 3 σ ctgρ 1 sinρ ctgρ K r P K        . (11) Распределение напряжений в пластичной области имеет вид       α α σ ctgρ ctgρ, σ ctgρ α 1 ctgρ, r P K r K P K r K          (12) откуда найдем   3 σ σ 1 sinρ cosρr r r K    , (13) Таким образом, учитывая (7), (9) и (13), получаем     2(1) 2 2 3 π 1 ν 1 ν σ sinρ cosρ σ m m y m m W K r d E E         . (14) Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 92 Для решения уравнения (2) необходимо получить значение величины (1) kW , т.е. энергию породного кольца ЗНД. Для этого воспользуемся разрабо- танной выше двухуровневой моделью формирования ЗНД. В процессе обра- зования этой зоны порода разбивается системой трещин на отдельные блоки (куски). При этом, несмотря на то, что зона вокруг выработки получает не- обратимые (неупругие) деформации, каждый из блоков представляет собой упругое тело (так ведут себя образцы породы, отобранные из ЗНД). Пласти- ческая деформация реализуется путем перемещений по линии скольжения (системам трещин). Такой подход дает возможность оценить энергетику об- разования пластической зоны как упругого тела, напряженное состояние ко- торого эквивалентно напряжениям в ЗНД, т.е. использовать формулу (12). Следовательно, (1) пл1 σ ε 2 ij ijk ij W d     . (15) После преобразований получим                     2(1) 2 2α 2 3 2α 22 α 2 23 3 α 2 22 π ctgρ α 2 α 1 1 ν 2 2 1 ν α 2 ctgρ ctgρ 2 α 1 2 ctgρ 1 ν α 2 mk m m m W P K E rr P K K rr r rr K r rr                       (16) или            22 (1) 2 2 3 22 2 2 2 2 2 2 3 2 3 22 α 2 α 1 1 ν ασπ α 1 α 2 α 1 ν ασ 1 ν , α α 2 α α m c c k m m c c c c m R R W r r E R R R R r r r r                                  (17) где cR – граница прочности породы на одноосное сжатие. Тогда уравнение (2) примет вид                 0 2 2 2 2 2 22 2 2 12 2 2 1 2 22 3 32 2 2 2 1 ν 1 ν 2ν 1 ξ σ ξασ 1 ν σ 1 ν 2 1 ν σ , α 2 k k m mk p c m m m P r r r r EE r r r rR P P r                               (18) где индексы p и 0 относятся соответственно к режимам после и до возведе- ния крепи. Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 93 В выражении (18) фигурирует величина  – относительная часть энергии, потерянная до установки крепи, которая зависит от величины отставания возводимой крепи от забоя и радиуса выработки. Для ее определения ис- пользуем энергетический подход. В пройденной выработке (отсутствует за- бой) упругие смещения стенок можно рассчитать по формуле   2 1 ν σm m f r E      . (19) Согласно теореме Кастильяно внутренняя энергия упругого тела равна половине работы внешней силы на перемещениях. Тогда дефицит энергии при деформации стенок выработки определится из выражения     2 0 2π σr f f d    (20) и должен компенсироваться работой, которая происходит при деформации забоя:   22π 0 0 ρψ σ r s ds  , (21) где  ψ s – смещения забоя. Обозначая    1( )f f f  , можно составить уравнение       11 1 0 1 ρψ f f z dz s ds     . (22) Дифференцируя по (22) и заменив  U f , получим  1 ψU U U U   (23) или     0 ψ 1 r U U r dU U   , (24) где ℓ(r) – функция, обратная f1(ℓ). Для вычисления (24) необходимо знать величину (r), которую можно найти, используя превращение Ханкеля     22 2 2 2 02 22 2 2 , σ 1 ν π ψ 1 1 1 ; ;2; , 2 2 2 m m E r r r r r E Rr F r r r r                      (25) где Е – полный эллиптический интеграл второго рода; F – гипергеометриче- ская функция Гаусса. Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 94 Таким образом, вычисляя (24) с условием (25), получаем искомую кривую деформации стенок ствола. Отсюда в соответствии с теоремой Кастильяно величина  = f1(ℓ). На рис. 1 приведена кривая дисси- пации энергии до установки крепи для разных коэффициентов Пуассона () и технологического параметра отстава- ния установки крепи от забоя (ℓ/r). Как видно из представленных на рис. 1 графиков, при  = 0,3, в случае включения в работу жесткой крепи с отставанием от забоя на радиус выработки (ℓ = r), происходит диссипация до 88% упругой энергии (диссипация 100% запасенной упругой энергии про- изойдет при отставании от забоя на 2,3r). С целью проверки сходимости полученного теоретического решения и данных натурных наблюдений познакомимся с результатами шахтных наблюдений за смещениями контура в выработках различного назначения в зоне влияния проходческого забоя. Так, в стволе №3 шахты «Кочегарка» диаметром в свету 6,5 м во время его углубки с 1120 до 1250 м была заложена контурная замерная станция, которая состояла из четырех реперов, установленных на расстоянии 0,5 м от забоя по линии простирания и вкрест простирания пласта (рис. 2). Крепь ствола железобетонная, толщиной 0,5 м, высота заходки бетониро- вания 3 м. Станция была заложена на глубине 1167 м на контакте слоев пес- чаника и глинистого сланца. Было проведено 4 серии замеров по мере уда- ления забоя от замерной станции до 4,4 м, результаты которых вместе с рас- четными данными по предложенной модели представлены на рис. 3. Рис. 2. Схема наблюдательной станции в стволе №3 шахты «Кочегарка» Рис. 1. Функция влияния забоя ствола: 1 –  = 0,3, 2 – 0,4, 3 – 0,5 Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 95 При выполнении расчетов была проведена тарировка по конечным значениям замеренных смещений стенок ствола. Как видно из графи- ков, расхождение расчетных и фак- тических данных не превышает 12%, что, на наш взгляд, свидетельствует об удовлетворительной сходимости расчетного метода для получения коэффициента . В настоящее время одним из наиболее перспективных направле- ний повышения устойчивости гори- зонтальных и наклонных горных вы- работок является усиление традици- онной рамной крепи анкерами, кото- рые дают возможность использовать природную прочность пород, вовлекая массив в совместную работу с крепью. Используемые для крепления вырабо- ток рамно-анкерные системы представляют собой жесткие несущие конструк- ции в виде породно-анкерной оболочки, внутренняя поверхность которой и ра- бочее пространство выработки разделены поддерживающей рамной крепью. Опыт применения комбинированного крепления [5] показывает, что эффектив- ность его использования зависит от степени реализации деформационных про- цессов во вмещающем выработку породном массиве на момент выполнения работ по усилению крепи. Проанализируем выполненные авторами натурные наблюдения, проведенные в выработках, управление устойчивостью массива в которых осуществлялось рамно-анкерными системами при различных времен- ных и пространственных параметрах установки усиливающей анкерной крепи с использованием предложенного выше энергетического подхода. Шахтные исследования проводили в двух подготовительных выработках шахты «Добропольская»: конвейерном штреке 5-й северной лавы и конвей- ерном штреке 5-й южной лавы пласта 0 4m . Комплексные станции устанавли- вали в забое выработок, при этом усиление основной крепи (в забое уста- навливали рамы) анкерами производили с различным отставанием во време- ни после выемки породы. Контрольные замерные станции устанавливали на участках выработок, закрепленных только рамной крепью. Так как на шахте «Добропольская» наблюдения проводили в одних и тех же горно-геологических условиях и полученные результаты близки, то в ка- честве примера рассмотрим данные наблюдений на замерных станциях, за- ложенных в 5-м южном конвейерном штреке пласта 0 4m . Контрольный уча- сток в выработке занимал первые пять пикетов. Выкопировка из плана гор- ных выработок с указанием мест установки замерных станций приведена на рис. 4, а схема замерной станции – на рис. 5. Рис. 3. Результаты расчетов и натурных наблюдений по смещению стенок ствола № 3 при проходке:  – 1-1,  – 2-2; ■ – расчетные смещения 1-1,  – расчетные смещения 2-2 Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 96 Рис. 4. Выкопировка из плана горных выработок по пласту 0 4m Выработка проводилась по пласту в породах прочностью на одноосное сжатие от 15 до 45 МПа с двусторон- ней подрывкой. Максимальная высо- та нижней подрывки 1,7 м; средняя мощность пласта 1,2 м; угол залега- ния 10; глубина заложения выра- ботки 700 м. Сечение арочное, высо- та в проходке 3,44 м, ширина 5,12 м, проектная длина 1275 м. Проходка велась комбайном 1П110, средняя скорость проведения 110 м/мес. Часть выработки (первые 5 пикетов) была закреплена металлической рам- ной податливой крепью с плотно- стью установки 2 рамы/м. Остальная часть выработки была закреплена комбинированной рамно-анкерной крепью с плотностью 1,25 рамы/м. Усиливающую анкерную крепь в месте заложения комплексных замер- ных станций устанавливали с различным отставанием от забоя (0, 3, 5 и 10 м), что соответствует разрыву во времени между установкой анкерной крепи и выемкой породы в забое 0; 0,68; 1,14 и 2,27 сут. Анкеры устанавливали в кровлю выработки между рамами, под металлическую W-образную полосу длиной 3,2 м. В полосе по шаблону в соответствии с расстоянием между ан- керами были сделаны отверстия, через которые забуривались анкерные штанги. При помощи опорных плит полосу прижимали к породам кровли. Рис. 5. Схема замерной станции Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 97 Расстояние между рядами анкеров по длине выработки составляло 0,8 м, в ряду – 1,0 м. В кровлю устанавлива- ли четыре анкера. Расстояние от крайнего анкера в кровле до стенки выработки составляло 0,9 м, длина анкерных штанг, устанавливаемых между рамами крепи, – 2,4 м. В ка- честве затяжки применяли деревян- ные распилы. Данные наблюдений представле- ны в виде графиков смещений глу- бинных реперов и изменения коэффициента разрыхления kр на участках скважины между реперами в зависимости от времени установки анкерной крепи после выемки породы в забое на 5, 20, 50, 80 и 220-е сутки наблюде- ний (рис. 6–7). На рис. 6 показан график изменения размера зоны разрушенных пород (ЗРП) во времени на контрольной замерной станции. Как видно из графика, к моменту возведения усиливающей анкерной крепи с отставанием 0, 3, 5 и 10 м от забоя вокруг выработки образовалась ЗРП с размером соответствен- но 0; 0,28; 0,44 и 1,3 м (теоретические значения коэффициента ξ составили соответственно 0,14 – 0,2; 0,91; 0,97 и 1,0). Анализ графиков (рис. 7,I) показывает, что на 5-е сутки наблюдений на контрольной замерной станции смещения кровли выработки составили 32 мм. По графику изменения kр видно, что поврежден участок 0–0,45 м с макси- мальным значением kр =1,040. При этом фронт разрушения двигался от кон- тура в глубь массива. По мере удаления от этого участка смещения контура затухали. Размер ЗНД в кровле превышал 7,0 м. На станции, где установка анкеров производилась сразу же после выемки породы в забое, смещения со стороны кровли составили 20 мм (ξ = 0,14–0,2). При этом скрепленная анкерами оболочка (участок скважины 0–2,1 м) сме- щалась единым блоком без разрушения (максимальное значение kp не пре- вышало 1,003). Отметим, что состояние участка 2,1–3,0 м близко к предель- ному и в дальнейшем там пройдут необратимые деформации. Аналогичные выводы можно сделать при анализе остальных станций, в которых усиление рамной крепи анкерной производилось с отставанием 3, 5 и 10 м. Смещения кровли выработки на станциях составили соответственно 22, 26 и 28 мм (ξ = 0,91; 0,97 и 1,0 соответственно). При этом на участках скважины между контуром и 2-м репером (0–0,5 м) происходит интенсивное разрыхление приконтурного массива. Причем чем больший разрыв в отста- вании между выемкой породы и последующим анкерованием, тем выше степень разрыхления приконтурного участка: max рk = 1,008; 1,015 и 1,028 со- ответственно. Рис. 6. Изменение размера ЗРП во вре- мени на контрольной замерной станции Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 98 I а б II а б III а б IV а б Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 99 V а б Рис. 7. Смещения глубинных реперов в кровле выработки (а) и изменения kр (б): I – на 5-е сутки наблюдений; II – на 20-е сутки наблюдений; III – на 50-е сутки наблюдений; IV – на 80-е сутки наблюдений; V – на 220-е сутки наблюдений; ◊ – рамы; □ – 2,27 сут; ▲ – 1,14 сут;  – 0,68 сут; ● – 0 сут На 20-е сутки наблюдений (рис. 7, II) на контрольной замерной станции и станциях с комбинированной крепью, смещения кровли составили 116, 62, 71, 82 и 107 мм. При этом размер ЗРП, сформировавшейся вокруг выработ- ки, достиг значений 1,35; 0,45; 0,7; 0,85 и 0,75 м соответственно, в то время как размер ЗНД в кровле остался неизменным. Анализ натурных наблюде- ний позволяет сделать следующие выводы об особенностях деформирования вмещающего выработку массива: а) на контрольном участке наблюдался дальнейший рост ЗРП от контура в глубь массива до 1,35 м, max рk = 1,065; б) на участке, где анкерная крепь устанавливалась сразу же после выемки породы, разрушение пород происходило сразу анкерами (2,25–2,70 м), max рk = = 1,046. Скрепленная же анкерами оболочка сохранила целостность max рk = = 1,030; в) на замерной станции, установленной в месте, где анкерная крепь воз- водилась с разрывом во времени 0,64 сут (3 м), наблюдалось интенсивное деформирование в приконтурной части породного массива (0–0,4 м), max рk = = 1,032. Однако основные разрушения происходили за пределами скреплен- ной анкерами оболочки (2,25–2,65 м), max рk = 1,051; г) аналогичные результаты при возрастании степени нарушенности вме- щающего массива были получены и на двух других замерных станциях, где разрыв составлял соответственно 1,14 и 2,27 сут. (5 и 10 м отставания). Так, фронт интенсивного деформирования продвинулся от контура выра- ботки до 0,45 и 0,65 м при max рk = 1,034 и 1,036. За пределами укрепленной анкерами оболочки max рk = 1,055 и 1,060 соответственно. Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 100 На 50-е сутки наблюдений (рис. 7,III) смещения кровли составили 179, 122, 131, 145 и 166 мм. Размер ЗНД на всех станциях превышал 7,0 м. Раз- мер ЗРП, сформировавшейся вокруг выработки, составил 2,65; 1,55; 1,3; 1,05 и 1,1 м соответственно. При этом отмечены следующие особенности деформирования вмещаю- щего выработку массива: а) на контрольном участке наблюдался дальнейший рост ЗРП от контура в глубь массива (нарушен участок 0–2,65 м), max рk = 1,098; б) на участке, где анкерная крепь устанавливалась сразу же после выемки породы (нарушен участок 2,15–3,70 м), max рk = 1,074. Скрепленная же анке- рами оболочка сохранила целостность; в) на замерной станции, установленной в месте, где анкерная крепь воз- водилась с разрывом во времени 0,64 сут. (3 м) наблюдалось частичное раз- рушение приконтурной части породного массива (0–0,5 м) с max рk = 1,035. При этом основные нарушения локализовались за пределами скрепленной анкерами оболочки (2,05–3,35 м), max рk = 1,078; г) аналогичные результаты были получены в двух других замерных стан- циях, с той разницей, что размер разрушившейся приконтурной части пород- ного массива, а также степень нарушенности породного массива увеличились (0–0,7 и 0–1,25 м) при max рk = 1,045 и 1,048 соответственно. За пределами укрепленной анкерами оболочки max рk = 1,082 и 1,084 соответственно. На 80-е сутки наблюдений (рис.7, IV) на контрольной замерной станции и станциях с комбинированной крепью смещения кровли выработки состави- ли соответственно 237, 145, 161, 175 и 221 мм. Размер ЗНД на всех станциях превышал 7,0 м. Размер ЗРП, сформировавшейся вокруг выработки, в пре- делах замерных станций составил соответственно 2,9; 1,3; 1,7; 2,0 и 3,9 м. Данные по процессу деформирования следующие: а) на контрольном участке наблюдался дальнейший рост ЗРП от контура в глубь массива (0–2,9 м), max рk = 1,121; б) на участке, где анкерная крепь устанавливалась сразу же после выемки породы (нарушен участок 2,05–3,35 м), max рk = 1,087. Породно-анкерная оболочка устойчива; в) на замерных станциях, установленных в местах, где анкерная крепь возводилась с отставанием 3 и 5 м, наблюдалось частичное разрушение при- контурной части породного массива (0–0,6 и 0–0,75 м) с max рk = 1,037 и 1,050 соответственно. Основные нарушения происходили за пределами скрепленной анкерами оболочки (2,15–3,85 м и 1,85–3,85 м) с max рk = 1,092 и 1,100 соответственно; Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 101 г) при отставании 10 м приконтурный массив, укрепленный анкерами, был разрушен полностью, при незначительном (до 7 %) уменьшении смеще- ния кровли. Кроме того, основные нарушения приурочены к участку масси- ва, расположенному за породно-анкерной оболочкой. Так, если в интервале 0–1,8 м max рk ≤ 1,057, то на участке 1,8–4,0 м max рk = 1,113. На момент окончания наблюдений (рис. 7, V) смещения кровли выработ- ки составили 307, 204, 229, 241 и 280 мм. Размер ЗНД на всех станциях пре- вышал 7,0 м. Размер ЗРП, сформировавшейся вокруг выработки, в пределах замерных станций составил 3,45; 2,3; 2,0; 2,05 и 3,8 м соответственно при следующих итоговых результатах: а) на контрольном участке наблюдался дальнейший рост ЗРП от контура в глубь массива (0–3,45 м), max рk = 1,136; б) на участке, где анкерная крепь устанавливалась сразу же после выемки породы (ξ = 0,14–0,2), нарушена только часть приконтурного массива, рас- положенная за анкерами (1,95–4,25 м), max рk = 1,112; в) на участках, где анкерная крепь возводилась с отставанием 3 и 5 м (ξ = = 0,91 и 0,97), имело место частичное разрушение приконтурной части по- родного массива (0–0,85 и 0–1,05 м) с max рk = 1,043 и 1,053 соответственно. Основные разрушения происходили за пределами породно-анкерной обо- лочки (1,9–3,9 м) с max рk = 1,119 и 1,122 соответственно; г) при отставании 10 м (ξ = 1,0) приконтурный массив был полностью нару- шен. Однако основные разрушения произошли не на контуре выработки, а за пределами укрепленной анкерами области: в интервале 0–1,8 м max рk ≤ 1,070, за его пределами (1,8–4,0 м) max рk = 1,131. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы. Максимальный технический эффект (уменьшение смещений кровли) до- стигается в случае, когда усиление рамной крепи анкерами производится сразу же после выемки породы в забое (ξ = 0,14–0,2). При этом скрепленная анкерами оболочка не разрушается и воспринимает нагрузки со стороны вмещающего массива, выполняя роль крепи. Фронт разрушения переносится за ее пределы. Смещения кровли в этом случае уменьшаются приблизитель- но на треть по сравнению с выработкой, закрепленной только рамной кре- пью. Понижается также общая степень нарушенности вмещающего массива, в частности, суммарный размер ЗРП уменьшается на 50%. При усилении рамной крепи анкерами в случае, когда размер ЗРП, сфор- мировавшейся к моменту анкерования, не превышает половины глубины последнего, что соответствует отставанию 5 м (ξ = 0,97), установлены сле- дующие особенности деформирования вмещающего массива. Сразу же по- сле установки рам в забое (после выемки породы) начинается развитие ЗРП Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 102 от контура в глубь массива. Благодаря своевременной установке анкеров по- является возможность этот процесс замедлить, а затем и остановить. Пород- но-анкерная оболочка сохраняет целостность. Смещения кровли уменьша- ются на 20%. При большем разрыве во времени между выемкой породы и установкой анкеров (ξ = 1,0) полностью остановить развитие ЗРП от контура в глубь массива не удается. Скрепленная анкерами оболочка разрушается полно- стью, а смещения контура выработки с комбинированной рамно-анкерной крепью приближаются к смещениям контура выработки, закрепленной в аналогичных условиях только рамными конструкциями крепи. Выводы Проведенные шахтные исследования деформирования массива, вмещаю- щего выработки с жестким железобетонным и комбинированным рамно- анкерным креплением, в зависимости от времени включения крепи в работу позволили сделать следующие выводы. 1. Использование энергетического подхода при проектировании жестких конструкций крепи в выработках позволяет более просто, с высокой степе- нью достоверности, определять технические и технологические параметры крепи, обеспечивающие устойчивость поддерживаемых выработок. 2. При возведении железобетонной крепи в стволах с отставанием от за- боя 3,5 м (ξ = 0,9) устойчивое состояние крепи обеспечивается при диссипа- ции до 90% запасенной упругой энергии из призабойной зоны массива. 3. Наиболее рационально применять рамно-анкерные системы для управ- ления устойчивостью вмещающего массива, устанавливая усиливающую анкерную крепь с отставанием от забоя не более (0,16–0,23)r. Это позволит за счет недопущения рассеяния упругой энергии из укрепляемой анкерами области пород (ξ ≤ 0,2–0,4) не только уменьшить плотность установки рам, но и снизить смещения кровли до 66% по сравнению с участками вырабо- ток, закрепленных только рамной крепью. 4. Применение рамно-анкерных систем позволяет уменьшить общую сте- пень нарушенности вмещающего массива, в частности, максимальное зна- чение коэффициента разрыхления пород уменьшается на величину до 0,024, а среднее – на 0,015 по сравнению с выработками, закрепленными только рамной крепью. 5. При своевременном применении рамно-анкерных конструкций крепи «сшитый» анкерами участок (0–2,2 м) не разрушался (в его пределах мак- симальное значение kр составило 1,013, что не превышает предельных зна- чений). Разрушение массива происходит за его пределами – в интервале 1,95–4,25 м. 6. Использование рамно-анкерных систем крепления (усиление анкерами производится с отставанием на 5 м от забоя, ξ = 0,97) позволило при непол- ной диссипации запасенной упругой энергии из скрепляемой анкерами ча- Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 103 сти массива замедлить, а затем и остановить начавшееся после выемки по- роды развитие деформационных процессов от контура в глубь массива. При этом размер разрушившейся приконтурной части породного массива не пре- вышал половины глубины анкерования (0–1,05 м). Основные повреждения благодаря установке анкеров происходили за пределами скрепленной анке- рами оболочки. Размер ЗРП сократился на 41%, среднее значение kр умень- шилось на величину до 0,011, а максимальное – на 0,017 по сравнению с вы- работками, закрепленными в аналогичных условиях только рамной крепью. 7. Применение рамно-анкерных систем с отставанием 5–10 м от забоя (когда произошла полная диссипация запасенной упругой энергии из скреп- ляемого анкерами части массива, ξ = 1,0) не позволяет полностью остано- вить начавшееся развитие ЗРП от контура. Скрепленная анкерами оболочка разрушается полностью. Однако благодаря установке анкеров степень нарушенности приконтурного массива на участке 0–2,1 м существенно меньше, чем в выработках, закрепленных только рамной крепью. Так, если на контрольном участке kр составил 1,094, то на участке с комбинированной крепью, в котором анкеры устанавливались с отставанием 10 м, – 1,058. 8. Использование рамно-анкерных систем с отставанием от забоя более 10 м (при ξ =1,0) нецелесообразно. В этом случае вследствие разрушения приконтурного массива на значительную глубину до включения крепи в ра- боту смещения пород кровли приближаются к смещениям в выработках, за- крепленных только рамной крепью, поддерживаемых в аналогичных усло- виях. 1. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных вы- работок на угольных шахтах СССР. – ВНИМИ, 1986. – 222 с. 2. Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке уголь- ных пластов на шахтах. Методические указания : КД 12.01.01.201-98: Утв. Ми- нуглепромом Украины 25.06.98. – Донецк: УкрНИМИ, 1998. – 154 с. 3. СОУ 10.1.05411357.010:2008. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие техни- ческие требования. – 89 с. 4. Протосеня А.Г. К определяющим уравнениям состояния при деформировании горных пород в запредельной области / А.Г. Протосеня, А.Н. Ставрогин, А.К. Чер- ников, В.Г. Тарасов // Физико-технические проблемы разработки полезных ис- копаемых. – 1981. – № 3. – С. 33–43. 5. Новиков А.О. Обоснование предельных сроков применения дополнительных мероприятий, направленных на повышение устойчивости горных выработок / А.О. Новиков, Ю.А. Петренко, И.Н. Шестопалов, А.В. Резник // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Гірничо-гео- логічна» / Редкол.: Башков Є.О. (голова) та ін. – Вип. 16(206). – Донецьк, ДВНЗ «ДонНТУ», 2012. – С. 179–184. Физико-технические проблемы горного производства 2013, вып. 16 104 В.А. Дрібан,О.О. Новіков, І.М. Шестопалов ПРО УПРАВЛІННЯ СТІЙКІСТЮ МАСИВУ РАМНО-АНКЕРНИМИ СИСТЕМАМИ У статті для аналізу геомеханічних процесів, що відбуваються у привибійній зоні вміщуючого виробку масиву, та обґрунтування параметрів жорсткого кріплення (у тому числі й рамно-анкерних систем) запропоновано використати енергетичний підхід. Наведено результати шахтних інструментальних спостережень у вертикаль- ній та горизонтальній гірничих виробках, які підтверджують правомірність цього підходу Ключові слова: рамно-анкерні системи, кріплення, управління станом масиву, енер- гетичний підхід V.A. Driban, A.O. Novikov, I.N. Shestopalov ON THE CONTROL OF STRATA STABILITY USING FRAME-ANCHOR SYSTEMS Energy approach for the analysis of geomechanical processes in the working area of the roadway-enclosing strata and justification of rigid support parameters (including frame- anchor systems) are proposed. The outcomes of underground instrumental observations in vertical and horizontal mine workings are described that confirm competence of such ap- proach. Keywords: frame-anchor systems, lining, control of strata stability, energy approach

Об управлении устойчивостью массива рамно-анкерными системами

Репозитарії

Схожі ресурси