Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки
У статті розглянуто особливості формування опорного перекриття у покрівлі виробки, яке утворюється анкерами високої несучої здатності. Розглянуто вплив міцності встановлення анкерів на параметри опорного перекриття. Виконано аналіз отриманих результатів та сформульовані рекомендації, які необхідно в...
Збережено в:
| Дата: | 2004 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2004
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87326 |
| 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: | Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 239-250. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-87326 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-873262015-10-18T03:02:33Z Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки Круковский, А.П. У статті розглянуто особливості формування опорного перекриття у покрівлі виробки, яке утворюється анкерами високої несучої здатності. Розглянуто вплив міцності встановлення анкерів на параметри опорного перекриття. Виконано аналіз отриманих результатів та сформульовані рекомендації, які необхідно використовувати при встановленні анкерів та проектуванні паспортів кріплення гірничої виробки. In the article research formation of abutment overlapping in a roof with anchors of high bearing capacity. The influence of a roof-bolt strength setting on parameters of abutment overlapping surveyed. The analysis of obtained results is executed and recommendations which are necessary for taking into account at projection of support patterns of mine workings are formulated. 2004 Article Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 239-250. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87326 622.281.74 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
У статті розглянуто особливості формування опорного перекриття у покрівлі виробки, яке утворюється анкерами високої несучої здатності. Розглянуто вплив міцності встановлення анкерів на параметри опорного перекриття. Виконано аналіз отриманих результатів та сформульовані рекомендації, які необхідно використовувати при встановленні анкерів та проектуванні паспортів кріплення гірничої виробки. |
| format |
Article |
| author |
Круковский, А.П. |
| spellingShingle |
Круковский, А.П. Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Круковский, А.П. |
| author_sort |
Круковский, А.П. |
| title |
Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки |
| title_short |
Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки |
| title_full |
Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки |
| title_fullStr |
Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки |
| title_full_unstemmed |
Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки |
| title_sort |
влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2004 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87326 |
| citation_txt |
Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 239-250. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT krukovskijap vliâniepročnostizakrepleniâankerovnaformirovanienesuŝegoperekrytiâvkrovlegornojvyrabotki |
| first_indexed |
2025-07-06T14:54:56Z |
| last_indexed |
2025-07-06T14:54:56Z |
| _version_ |
1836909800334557184 |
| fulltext |
239
УДК 622.281.74
А.П. Круковский
ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРОВ
НА ФОРМИРОВАНИЕ НЕСУЩЕГО ПЕРЕКРЫТИЯ
В КРОВЛЕ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ
У статті розглянуто особливості формування опорного перекриття у покрівлі виробки,
яке утворюється анкерами високої несучої здатності. Розглянуто вплив міцності встановлен-
ня анкерів на параметри опорного перекриття. Виконано аналіз отриманих результатів та
сформульовані рекомендації, які необхідно використовувати при встановленні анкерів та
проектуванні паспортів кріплення гірничої виробки.
THE INFLUENCE OF STRENGTH OF ANCHORS FIXING ON ABUTMENT
OVERLAPPING FORMATION IN ROOF OF EXCAVATION
In the article research formation of abutment overlapping in a roof with anchors of high bearing
capacity. The influence of a roof-bolt strength setting on parameters of abutment overlapping sur-
veyed. The analysis of obtained results is executed and recommendations which are necessary for
taking into account at projection of support patterns of mine workings are formulated.
В настоящее время на шахтах Украины все в больших масштабах применя-
ются анкера нового поколения. Основное их отличие от ранее применяемых ан-
керов состоит в том, что полимерный закрепитель в широком спектре горно-
геологических условий обеспечивает прочность закрепления штанги в шпуре
большую, чем разрывная прочность (от 250 до 500 кН) самой стальной штанги.
Опыт применения таких анкеров показал их высокую эффективность, сме-
щения породного контура выемочных штреков с момента возведения крепи в
проходческом забое и вплоть до окна лавы в условиях пород II-IV категорий
устойчивости удается удержать на уровне 20-50 мм.
На базе известных теорий работы анкеров [1, 2, 3], которые учитывают
только такие параметры крепи, как длина и несущая способность анкеров,
плотность их установки, не представляется возможным дать объяснения на-
блюдаемому на практике столь существенному повышению устойчивости гор-
ной выработки. Кроме того, любые расчетные оценки плотности установки ан-
керов, необходимой для удержания смещений в пределах нормативных требо-
ваний в условиях пород III-IV категорий устойчивости, дают неприемлемую
для практики величину – 2,5-5 анкеров на квадратный метр обнажения. Уста-
новка такого количества анкеров в проходческом забое неприемлема из-за рез-
кого падения темпов проведения выработок. О выполнении этих работ за пре-
делами проходческого забоя не может быть и речи, поскольку даже при не-
большом отставании крепления от забоя, как показала практика, сводятся на
нет все преимущества анкерной крепи.
В этой связи, для поиска путей сокращения затрат и расширения области
применения анкерной крепи крайне важно более глубоко изучить и понять роль
и механизмы влияния ее основных параметров на характер и интенсивность
развития процесса смещений пород в выработку.
Основными факторами, определяющими устойчивость системы «крепь-
240
массив горных пород», являются:
– горно-геологические условия заложения и эксплуатации выработки (кате-
гория устойчивости вмещающих пород, устойчивость породного обнажения в
забое выработки, слоистость и др.),
– горнотехнические условия проведения и эксплуатации выработки (шири-
на, высота и форма поперечного сечения выработки, назначение, темпы прове-
дения выработки, отставание места установки крепи от груди забоя, близость
очистных работ и др.),
– параметры крепления (деформационно-силовые характеристики).
В зависимости от конкретных условий проведения и эксплуатации горных
выработок во вмещающем породном массиве возникает и с различной интен-
сивностью развивается процесс их разрушения, который, как правило, проис-
ходит с разупрочнением и разрыхлением приконтурных пород. Размеры облас-
ти разрушения, степень потери несущей способности пород в ней полностью
определяют величину смещения породного контура, а значит и устойчивость
выработки [4].
Проведенными многочисленными исследованиями показано, что конструк-
ции податливой рамной металлической крепи горных выработок не способны
предотвращать обрушение нарушенных приконтурных пород. Пропорциональ-
но создаваемому ими отпору они только ограничивают величину разрыхления.
Для любого в малейшей степени значимого воздействия пород на процесс их
разупрочнения, а значит и на величину зоны разрушения пород вокруг выра-
ботки, создаваемый ими отпор должен быть увеличен в десятки, сотни и даже в
тысячи раз, что не реально. Никакие технические решения по данному виду
крепи, с помощью которых в тяжелых условиях можно было бы значимо
уменьшить зону разрушенных пород, не могут дать столь существенных поло-
жительных результатов, как анкерная крепь.
Проведенными тестовыми испытаниями на выдергивание закрепленного ан-
кера установлено, что современные полимерные закрепители штанг дают проч-
ность на выдергивание от 2 до 20 кН/cм. Такие значения показателя прочности
закрепления штанг в шпуре обеспечивают превышение суммарной прочности
закрепления штанги над разрывной прочностью самой стальной штанги.
Вместе с тем современными теориями работы анкерной крепи совершенно
проигнорировано наличие такого фактора и не изучена его роль в формирова-
нии грузонесущей способности крепи, неясно, как сказывается на работоспо-
собности крепи такой разброс прочности закрепления анкера, и до каких значе-
ний целесообразно его повышать.
В связи с этим появилось такое понятие, как качество закрепления анкеров.
И опыт применения показал, что в выработках, имевших смещения контура
200-300 мм, с качественной установкой анкерной крепи эти смещения не пре-
вышали 25 мм.
На выбор количества анкеров влияет десяток факторов. Среди них катего-
рия устойчивости приконтурных пород, ширина выработки, слоистость, форма
выработки и т.д. Но благодаря каким факторам происходит простое монотон-
241
ное увеличение характеристик, а какие факторы приводят к качественному из-
менению поведения приконтурных пород? Например, из-за каких параметров
приконтурные породы третьей категории устойчивости, с установкой анкеров,
постепенно начинают переходить во вторую, а затем в первую? Если взять
плотность анкеров, то можно сказать, что этот фактор относительный. Так, для
ряда случаев, исходя из расчетов, необходимо устанавливать анкера с расстоя-
нием между ними 0,5 м, а это 4 анкера/м2 на квадратный метр. На это пойдет
большое количество металла и трудозатрат. Это нереально. Технически разум-
ный предел, когда между анкерами расстояние 0,7 м, что соответствует плотно-
сти 2 анкера/м2.
Одним из основных параметров анкерной крепи является прочность закреп-
ления его основного элемента – анкерной штанги в шпуре. Наряду с прочност-
ными характеристиками элементов крепи она оказывает существенное влияние
на несущую способность создаваемого с ее помощью перекрытия, поскольку
без обеспечения достаточной прочности закрепления анкер не только не будет
воспринимать нагрузку со стороны массива, но таким образом, не будет полно-
стью использоваться прочностной потенциал анкерного стержня.
Таким блокирующим фактором является качество закрепления (Рзак), опре-
деляющим сдвиговую прочность закрепителя. Так, технологически удобно по-
ставить высокого качества анкера с плотностью 1 анкер/м2. Это было бы иде-
ально. Такой анкер, с высоким качеством закрепления, гарантирует перевод
приконтурных пород в первую категорию устойчивости. Но об этом нигде не
говорится. Расчеты показывают, что это возможно. Постепенно с повышением
качества закрепления анкеров, приконтурные породы горной выработки пере-
водятся на более высокие категории устойчивости. Параметр качества закреп-
ления выступает решающим фактором анкерного крепления. При высоком ка-
честве закрепления плотность анкеров значительно уменьшается.
Благодаря высокому качеству закрепления снимается влияние других фак-
торов, таких как слоистость, категория приконтурных пород, фактор времени и
многие другие. И гарантируется, что выработка будет устойчива и сохранит
свою форму.
Одним из основных параметров, влияющих на работоспособность анкерной
крепи, является прочность закрепления анкерных штанг. Поэтому этот пара-
метр необходимо учитывать при расчете анкерной крепи нового поколения.
Рассмотрим влияние различных факторов на прочность закрепления анкер-
ных штанг и формирование грузонесущего перекрытия в кровле выработки. К
таким факторам относятся как сами элементы анкерной крепи, так и параметры
приконтурных пород горного массива и элементы технологии установки анкер-
ных систем.
Важным условием прочного закрепления анкера в шпуре является время его
установки. Анкера должны быть установлены после образования обнажения
возможно быстрее и ближе к забою. При установке анкерной штанги с началь-
ным натяжением в неразрыхленную породу, она сразу же включается в работу
и сохраняет монолитное состояние закрепляемых ею горных пород. Если же
242
данное условие не выполняется, и анкер закрепляется в разрыхленной и рас-
слоившейся горной породе, то в кровле выработке не формируется грузонесу-
щее перекрытие. В данном случае анкерная штанга просто сшивает разрыхлен-
ные слои или подвешивает их к верхним, более прочным слоям, в зависимости
от геологического строения приконтурного массива.
В горных выработках с шириной от 2,5 м до 7 м опоры, созданные анкерами,
эффективно взаимодействуют, и создается перекрытие, если смещение кровли не
превышает 20-30 мм. В зависимости от категории устойчивости количество анке-
ров в ряду должно быть увеличено для соблюдения этого критерия.
Для быстрого и прочного закрепления анкеров требуется более совершен-
ные полимерные закрепители. Эффективность таких закрепителей, как отмеча-
лось выше, зависит от комплексного взаимодействия многих параметров. Так,
качественный полимер способен обеспечить сопротивление до 3 кН и более на
1 мм длины закрепления [6]. Однако рассматривать изолированно сам закрепи-
тель не имеет смысла. Поэтому, чтобы оценить прочность закрепления, и изу-
чить совместную работу анкерной штанг и полимерного закрепителя, на прак-
тике при помощи специального домкрата проводят испытания на выдергивание
анкера, закрепленного в шпуре. Это может быть как полное выдергивание 30 см
образца, так и нагружение реального анкера для получения характеристик за-
крепления. Полученные при таких испытаниях данные в дальнейшем исполь-
зуются для моделирования и расчетов анкерных систем.
Прочность закрепления Рзак определяется прочностью полимерного закре-
пителя на сдвиг и изменяется от 0,5 до 5 кН/мм.
Для исследования влияния прочности закрепления анкерных штанг на фор-
мирование несущего перекрытия в кровле горной выработки проведем вычис-
лительный эксперимент. Моделирование проведем с применением численных
методов расчета [7].
Наиболее универсальным численным методом решения геомеханических
задач является метод конечных элементов [8, 9], который позволяет учитывать
форму поперечного сечения горных выработок, сложные граничные условия и
разнообразные свойства геоматериалов. Суть данного метода состоит в мини-
мизации полной потенциальной энергии, выраженной через конечное число уз-
ловых параметров, что приводит к замене системы дифференциальных уравне-
ний системой обыкновенных алгебраических уравнений.
Все внешние и внутренние силы, граничные и начальные условия приводят-
ся к узлам. Отсутствие перемещений в каком-либо направлении учитывается
заданием жестких связей.
Расчетная схема представлена на рис 1. Задача решается в плоской упруго-
пластической постановке. Для характеристики прочностных свойств горных
пород применяется пластическая модель на основе теории прочности Кулона –
Мора.
Размер исследуемой прямоугольной области горного массива: 60 х 60 м, на
краях которой заданы граничные условия, запрещающие их перемещения в
перпендикулярных направлениях. Расчеты проводились с двумя вариантами
243
глубин расположения выработки. Для первого варианта начальное напряжение
в горном массиве σо =20 МПа, что соответствует глубине заложения выработки
равной H=800м. Для второго σо =25 МПа (глубина H=1000м). Материал масси-
ва – изотропная среда с параметрами: Eм=2*105 МПа, υм =0,2, ост
сжσ = 20 МПа.
В центре области расположена выработка прямоугольной формы 4,5 х 3 м. В
кровле выработки установлены анкера. Параметры анкера: Еа = 204 ГПа, диа-
метр 22 мм.
Рис. 1 - Расчетная схема задачи.
При разбиении исследуемой области на конечные элементы горный массив
с проведенной в нем выработкой аппроксимируется трехузловыми треуголь-
ными конечными элементами. Анкера аппроксимируются двухузловыми
стержневыми конечными элементами. Причем для моделирования многоточеч-
ного взаимодействия анкера с горным массивом, каждый анкер разбивается на
несколько, последовательно расположенных, стержневых конечных элементов,
контактирующих с конечными элементами массива в узловых точках.
Для оценки режима разрушения горных пород вблизи выработки и оценки
ее устойчивости наиболее информативным показателем является отношение
разности наибольших (σ1) и наименьших (σ3) главных напряжений к напряже-
ниям, вызванным весом вышележащей толщи горных пород, характеризующее
возможность возникновения разрушения:
,31
H
Q
γ
σσ −
= (1)
244
где h – высота вышележащей толщи горных пород; γ - ее удельный вес.
И отношение наименьших (σ3) главных напряжений к напряжениям, вы-
званным весом вышележащей толщи горных пород, характеризующее возмож-
ный режим разрушения:
.3
H
P
γ
σ
= (2)
Анкерная крепь представляет собой пространственную систему закреплен-
ных в шпурах анкерных штанг. Основная задача при установке в приконтурный
массив системы анкеров - добиться такой их плотности размещения, при кото-
рой созданные анкерами опоры максимально эффективно взаимодействовали
между собой. И при этом совместно с другими элементами крепи препятство-
вать смещению приконтурного массива внутрь горной выработки, повышая, та-
ким образом, ее устойчивость.
Вначале рассмотрим влияние параметров одиночного анкера, закрепленного
в шпуре по всей длине затвердевшим полимерным композитом, на изменения
напряженного состояния в породном массиве, и определим условия формиро-
вания вокруг него породной опоры.
Сопоставление результатов расчета напряжений в горных породах приза-
бойной части выработки без анкеров и с одним анкером показало, что с уста-
новкой анкера, некоторый объем связанных с ним пород кровли выработки
удерживается от смещений. При отходе забоя породы этой области вокруг ан-
кера не разгружаются и остаются в сжатом состоянии. На удалении от анкерной
штанги развитие процессов в породном массиве происходит аналогично выра-
боткой без анкера. Из полученных результатов следует, что чем больше размер
этой области, тем более сильное влияние анкера на устойчивость выработки.
На рис. 2 представлены результаты вычислительных экспериментов, в кото-
рых прочность закрепления одиночного анкера изменялась от 1 до 4 кН/мм.
Также были проведены вычислительные эксперименты с различными дли-
нами анкерной штанги при фиксированной прочности ее закрепления.
Анализ данных, полученных из вычислительных экспериментов, показыва-
ет, что радиус опоры при малой длине штанги линейно зависит от прочности
закрепления, а с увеличением зависимость становится степенной. Исходя из та-
кого характера зависимости выбран вид аппроксимирующей функции:
1*
2
8,1
4
1 +⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −
+=
S
L
a
в
d
a
P
baR ,
где a, b – параметры аппроксимации, определяющие влияние свойств прикон-
турных пород горного массива, а = 7,5; b = 14; aP - прочность закрепления ан-
245
керной штанги; aL - длина анкерной штанги; d – параметр аппроксимации, d =
0,1; S - параметр аппроксимации, зависящий от прочности полимерного закре-
пителя, изменяется от 0,2 до 0,6 .
Q
0,4
0,8
1,2
1,6
a
b
c
d
P
0
0,2
0,4
0,6
Q
0,4
0,8
1,2
1,6
a
b
c
d
P
0
0,2
0,4
0,6
Q
0,4
0,8
1,2
1,6
a
b
c
d
P
0
0,2
0,4
0,6
Q
0,4
0,8
1,2
1,6
a
b
c
d
P
0
0,2
0,4
0,6
а) б)
в) г)
а) Pзак=1 кН/мм, б) Pзак=2 кН/мм, в) Pзак=3 кН/мм, г) Pзак=4 кН/мм
Рис 2 - Распределение параметров Q и Р вокруг горной выработки с одним анкером, закреп-
ленным в шпуре с различной прочностью
На основании приведенной зависимости радиуса породной опоры от длины
и прочности закрепления анкерной штанги в шпуре определены условия ее
формирования.
Таким образом, горные породы в окрестности анкерной штанги приобрета-
ют свойства опоры, если в них после ее установки сохраняется упругое напря-
женно-деформированное состояние, практически неизменное относительно не-
тронутого массива, что достигается установкой штанг длиной более 1,85 м при
прочности их закрепления более 1 кН/мм. При этом радиус опоры является сте-
пенной функцией с основанием, функционально зависящим от прочности за-
крепления анкера в шпуре, и показателем – от его длины
Для определения влияния прочности закрепления анкеров на формирование
опорного перекрытия на основании представленной расчетной схемы проведен
ряд расчетов для двух вариантов глубины расположения выработки, и с уста-
новкой в кровле выработки анкеров стандартной длины закрепления la=2,25м
(полная длина равна 2,4м) в количестве от 5 до 9, что соответствует плотности
установки от 0,5 до 1 анк./м в одном ряду. Прочность закрепления анкеров со-
ставляла 0,5 кН/мм, 1,5 кН/мм, 2,0 кН/мм и 4,0 кН/мм. На рис. 3 представлено
распределение параметров Q и P вокруг горной выработки расположенной на
246
глубине 800 м.
P ,5kH/зак=0 мм P ,5kH/зак=1 мм
P ,0kH/зак=2 мм P ,0kH/зак=4 мм
Рис. 3 - Распределение параметров Q и P вокруг горной выработки при различной
прочности закрепления анкеров
Для оценки состояния, в котором находятся горные породы, в механике
горных пород применяется параметр Лоде-Надаи, вычисляемый по формуле:
31
3122
σσ
σσσ
μσ −
−−
= . (3)
Значение его изменяется от -1 до 1, и он характеризует вид напряженного
состояния. Так, при 1=σμ реализуется обобщенное сжатие, при 0=σμ - обоб-
щенный сдвиг, а при 1−=σμ - обобщенное растяжение. На рис. 4 представлено
распределение параметра Лоде-Надаи вокруг одиночной незакрепленной выра-
ботки.
Из представленной схемы (рис. 4-б) видно, что приконтурный массив нахо-
дится в состоянии обобщенного растяжения, и в этой области параметр
1−=σμ . Минимальная компонента главных напряжений (параметр P) имеет
значение близкое к нулю (рис. 4-а). Поэтому при невысокой прочности горных
пород, в приконтурной зоне, где выполняется условие [2]
247
сжσσ 15,03 < , (4)
происходит их разупрочнение и разрыхление. Данное значение минималь-
ной компоненты главных напряжений является пороговым. Превышение его
блокирует возможность возникновения разрушения.
а) параметров Q и P, б) параметра Лоде-Надаи, в) области неупругих деформаций
Рис. 4 - Распределение вокруг одиночной незакрепленной горной выработки
По мере удаления от контура выработки в глубину массива минимальная
компонента главных напряжений возрастает. Условие (4) перестает выполнять-
ся и возможность возникновения разупрочнения в этой области блокируется.
Увеличивается и значение параметра Лоде-Надаи. Горные породы массива в
этой области находятся в состоянии обобщенного сдвига.
Затем, по мере удаления в глубину массива, параметр Лоде-Надаи продол-
жает увеличиваться, и на расстоянии, где влияние выработки не сказывается, он
равен 1. Величина минимальной компоненты главных напряжений достигает
своего максимального значения (P=1). Здесь, в зоне "нетронутого" массива гор-
ные породы находятся в состоянии обобщенного сжатия.
При установке анкеров картина распределения параметра Лоде-Надаи меня-
ется. На рис. 5 приведено распределение этого параметра в зависимости от
прочности закрепления анкеров и их количества.
248
а) б)
в) г)
μσ
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
P ,5kH/зак=0 мм P ,5kH/зак=1 мм
P ,0kH/зак=2 мм P ,0kH/зак=4 мм
Рис. 5 - Распределение параметра Лоде-Надаи вокруг горной выработки
при различной прочности закрепления анкеров
Если прочность закрепления анкерных штанг в кровле недостаточная, на-
пример Рзак=0,5 кН/мм (рис.5-а), то породы кровли по-прежнему остаются в со-
стоянии обобщенного растяжения. Если воздействие анкеров, при такой проч-
ности закрепления, не создает условия, чтобы величина минимальной компо-
ненты главных напряжений в приконтурных породах превысила значение, оп-
ределенное в (4), то возможность возникновения разупрочнения и разрушения
остается. Анкера в таком случае будут просто подвешивать разрушенные гор-
ные породы приконтурного массива кровли к вышележащим слоям.
При большей прочности закрепления анкеров эффект образования грузонесу-
щего перекрытия усиливается. Состояние пород в кровле выработки при своевре-
менной установке анкеров и прочности закрепления 1,5 кН/мм (рис.5-б) характе-
ризуется как обобщенный сдвиг со значением 1,06,0 ≤≤− σμ . Величина мини-
мальной компоненты главных напряжений (рис. 4-б) блокирует возможность воз-
никновения разупрочнения и разрушения. Далее, при прочности закрепления ан-
керов 2,0 кН/мм (рис.5-в), состояние пород также характеризуется как обобщен-
ный сдвиг, но уже со значением 3,052,0 ≤≤− σμ . Величина минимальной компо-
ненты главных напряжений имеет более высокое значение (рис. 4-в).
249
С увеличением плотности анкеров значения параметра Лоде-Надаи (рис. 5-г)
и минимальной компоненты главных напряжений (рис. 4-г) возрастают еще
больше. Так, появляются даже отдельные области со значением параметра σμ ,
близким к 1, что соответствует состоянию обобщенного сжатия. Такое состоя-
ние близко к естественному состоянию пород в горном массиве, не подвержен-
ном влиянию горных работ.
Таким образом, качество сформированного грузонесущего перекрытия при
качественной установке анкеров характеризуется видом напряженного состоя-
ния ( σμ ) и значением минимальной компоненты главных напряжений (пара-
метр P).
На основании проведенных исследований можно прийти к выводу, что если
прочность закрепления анкеров недостаточна, то опорно-анкерное перекрытие
не будет сформировано, даже с учетом того, что несущая способность анкер-
ных штанг будет большой.
Включение в работу штанги с высокой несущей способностью напрямую
зависит от прочности ее закрепления, Если прочность закрепления меньше
1 кН/мм, то штанга не может быть нагружена до своих рабочих нагрузок.
Штанга включается в работу только при прочности ее закрепления свыше этого
порогового значения, и работоспособность ее возрастает в степенной зависимо-
сти от этого показателя, достигая максимума при прочности закрепления
5 кН/мм. Поскольку существующие полимерные закрепители могут обеспе-
чить прочность закрепления не более 3 кН/мм, целесообразно разработчикам
провести исследования и найти рецептуры, которые позволят достигнуть проч-
ности закрепления 5 кН/мм.
Таким образом, совокупность опор формирует породно-анкерное перекрытие,
если они способны ограничить смещения пород в выработку в промежутке ме-
жду ними величиной не больше 20 -30 мм, что для широкого спектра горно-
геологических условий проведения горных выработок достигается применени-
ем системы анкерных штанг несущей способности 300 – 900 кН и длиной 2,4 –
3 м с плотностью 1 – 2,5 анкера/м2 и прочностью закрепления не менее 3 – 5
кН/мм. Минимальное количество анкеров, при котором создается породно-
анкерное перекрытие, достигается, если прочность их закрепления в шпуре не
менее 5 кН/мм, и прежде всего определяется их прочностью на разрыв, при
этом для условий с ожидаемыми смещениями пород от 300 до 1000 мм, проч-
ность анкеров должна быть от 300 до 950 кН
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мельников Н.И. Анкерная крепь. - М.: Недра, 1980. - 252 с.
2. Luo J., Haycocks M., Karmis M.,Westman E. A critical overview of U.S. rock bolting practices // Third
International Symposium Roofbolting in Mining, Aachen, 1998, pp.13-34.
3. Peng S. Coal mine ground control.− Wiley, 1986. – 452 p.
4. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок – К.: Наук.
думка, 1989. – 192 с.
5. Булат А.Ф., Виноградов В.В. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт. − Днепро-
петровск, 2002. − 372 с.
6. Campoli A. Variables affecting polyester resin anchorage performance with United States roof bolting systems //
250
4-th International Symposium “Roofbolting in Mining”, Aachen, 2001, pp.19-28.
7. Jing L. A reviewof techniques, advances and outstanding issues in numerical modelling for rock mechanics and
rock engineering // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. – 2003. № 40, pp. 283-353.
8. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method. – Butterworth-Heinemann, 2000. – 690 p.
9. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. – М. Недра, 1987. – 224 с.
УДК 622.838
А.В. Ведмедев
КОЭФФИЦИЕНТ ФОРМЫ В РАСЧЁТАХ ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Розглянуті розподіли нормальних напружень і характер руйнування в ціликах різномані-
тної форми. Приведені і узагальнені вирази коефіцієнтів форми різних авторів. Проаналізо-
вані деякі параметри камерно-стовпової системи розробки в залежності від різних виразів
коефіцієнтів форми.
SHAPE FACTOR FOR UNDERGROUND CONSTRUCTIONS DESIGNS
Normal stresses distributions and failure mode in various form pillars are considered. Shape
factor expressions of different authors are given and generalized. Some room-and-pillar system pa-
rameters depending on various shape factor expressions are analyzed.
Изучение проявлений горного давления на шахтах, разрабатывающих мощ-
ные пласты полезного ископаемого, включает исследование влияния формы на
прочностные характеристики опорных целиков для получения или корректи-
ровки исходных данных, необходимых при выборе рациональных параметров
камерно-столбовой системы разработки.
Вопросами изучения зависимости несущей способности от формы целиков
занималось множество исследователей, в работах которых были получены са-
мые разнообразные эмпирические зависимости. Во всех этих выражениях ко-
эффициента формы прослеживается следующая наблюдаемая в лабораторных
условиях закономерность: с увеличением высоты образцов прочность уменьша-
ется и, наоборот, с увеличением ширины образцов прочность увеличивается.
Многими исследователями [1, 2] давно установлено, что при испытании
хрупких образцов горных пород в классе напряжений σ1> 0, σ2=σ3=0 в их объ-
еме возникает неравномерное напряженное состояние, анализ и математиче-
ское описание которого затруднено из-за целого ряда причин [3].
Авторами работы [4] в результате моделирования методом фотоупругости
были получены распределения напряжений в моделях целиков. Когда целик
однороден и составляет одно целое с потолочиной, то при нагрузках он дефор-
мируется как в продольном, так и поперечном направлениях. Перемещение це-
лика в поперечном направлении сдерживается потолочиной. В результате в це-
лике у контакта с потолочиной образуется клиновидная область всестороннего
сжатия, являющаяся наиболее устойчивой частью целика.
Наибольшей абсолютной величины сжимающие напряжения σy достигают в
точках контакта, расположенных вблизи углов камер на контактах целика с бо-
|