Демин В.Ф., Сон Д.В., Саранчуков
А.В., Демин В.В., Мальченко Т.Д.
Карагандинский
государственный технический университет
Влияние
угла падения пласта и глубины анкерования боковых пород на устойчивость горной выработки
Опыт применения профилей большего
типоразмера и увеличения плотности установки крепи показывает, что при
значительном увеличении металлоемкости выработок и соответственно трудоемкости
возведения рамной крепи общий эффект получается незначительным. Практика ее
эксплуатации выявила ряд серьезных недостатков, которые приводят к значительным
деформациям выработок: выполаживанию верхняков, выдавливанию в полость сечения
боковых ножек, выходу из строя замковых соединений, незначительной реализации
податливости крепи. При существенном повышении несущей способности крепи в
жестком режиме работы не происходит значительного ее повышения - в
податливом режиме.
В этой связи,
исследование особенностей деформирования породного массива, вокруг
подготовительных выработок с анкерным креплением при различных углах падения
пласта и глубине анкерования, обоснование параметров анкерной крепи и
определение рациональной области ее использования, является актуальной задачей
горного производства.
В представленных исследованиях
аналитическое моделирование выполняется с применением численного метода
конечных элементов. Моделирование
выполнено для условий пластовой конвейерной выработки пласта к10
шахты «Абайская» УД АО «Арселор Миттал Темиртау» при глубине разработки 400 м и мощности пласта 3,8 м .
Рассматривается напряженно-деформированное состояние массива вокруг действующей
выемочной выработки. Задача сводится к плоской. Решение осуществляется в
упругой постановке вследствие сравнительно непродолжительного времени
деформирования горных пород в окрестности подготовительного забоя при его
подвигании. В отличие от известных подходов конкретизируются размеры зон
распространения деформаций с анализом их параметров.
Исследования, произведенные на
математических моделях с использованием программного комплекса ANSYS, позволяют установить влияние
горно–геологических факторов на условия эксплуатации крепей горных выработок.
В программном комплексе ANSYS была построена модель массива
вмещающих горных пород, соответствующая условиям залегания пласта к10.
Было исследовано влияние формы
сечения горной выработки и угла падения угольного пласта на величину
возникающих максимальных напряжений в массиве горных пород при креплении
выработки анкерной крепью.
При сводчатой (арочной) форме
поперечного сечения выемочной выработки нормальные напряжения (
) растут при увеличении угла падения пласта (
) с 
до 
по показательной
функции диапазоне от 10 до 13,5 МПа (рисунок 1,а). Продольные напряжения (
) увеличиваются при от 
до 
в диапазоне от 63,2 до
64,1 МПа, а затем влияние угла падения не проявляется (рисунок 1,б).
Касательные напряжения (
) пропорционально снижается в диапазоне углов падения пласта 
с 50 до 33 МПа, а при 
растут 33 до 37 МПа
(рисунок 1,в).
Причем большие напряжения
возникают по восстанию угольного пласта. Распределение напряжений в зонах
вмещающих боковых пород, окружающих горную выработку, представлены на рисунках
2,а и 2,б.
Для прямоугольной формы
поперечного сечения выемочной выработки максимальные нормальные напряжения растут при 
с 1,2 до 3,5 МПа, а
затем незначительно падает при 
с 3,5 до 3,0 МПа.
Продольные напряжения () увеличиваются с 49 до 53,4 МПа при , а затем резко снижается до 52 МПа при 
. Касательные напряжения () растут по неярко выраженной показательной функции с 18 до
38 МПа при изменении 
. Значения напряжений в зонах, окружающих горную выработку,
представлены на рисунках 2,в и 2,г.
а б
в
Рисунок 1 – Влияние вида формы выработки
и угла падения пласта на
величину максимальных нормальных (а); продольных (б); касательных (в)
напряжений в массиве пород при анкерном креплении выработки:
1 - арочная; 2 - полигональная; 3 –
прямоугольная
При полигональной форме
поперечного сечения горной выработки тенденции изменения напряженно-деформированного
состояния примерно повторяют характер изменения зависимостей при прямоугольной
форме сечения горной выработки. Лишь напряжения выше по величине в
1,5 раза, наоборот ниже на 2 - 3
МПа, а больше в 1,5 - 2,0
раза. Изменение и распределение напряжений в зонах, окружающих горную
выработку, представлены на рисунках 2,ж и
2,з.
а
б
в г
ж
з
а, в, ж – характер изменения; б, г, з – эпюра (при 
) продольных напряжений
Рисунок 2 – Распределение максимальных напряжений
в боковых породах, окружающих выработку с формой
Проведенные исследования
позволяют сделать вывод о предпочтительности применения для условий разработки
пласта к10 шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» прямоугольной формы
сечения выемочных выработок с анкерным креплением вмещающих пород.
Проведены также исследования
напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности
слоя легкообрушающихся пород при разной длине их анкерирования. Исследования
выполнены на примере выработки трапециевидной формы поперечного сечения при
следующих параметрах расчетной схемы: угол падения пласта 15о, его мощность 3,8 м ; глубина разработки 400 м ; сечение
выработки 15,5 м2 ; диаметр анкера
0,022 м .
Исследован характер изменения и
распределения напряжений в кровле, почве и боках выработки. При величине слоя
легкообрушающихся пород от 1,03 до 6,0 м и длине анкера от 2,4 до 5,0 м происходят
следующие изменения напряжений вокруг выработки. Максимальные и
минимальные нормальные напряжения с
ростом длины анкера (с 1,5 до 6 м ) и увеличением
мощности слоя легкообрушающихся пород (например, сложенного аргиллитом) с 1 до 6 м растут в пропорциональной
линейной зависимости (рисунок 3,а).
Изменения напряжений в
рассматриваемом диапазоне в продольной плоскости с ростом длины анкера и
увеличением толщины слоя легкообрушающихся пород имеет следующие тенденции:
растягивающие – уменьшаются, а сжимающие
– имеют скачок при длине анкера 3,0 – 3,5 м и в целом находятся в узком диапазоне (42 - 48 МПа) – рисунок 3,б.
Закономерности изменения
касательных напряжений представлены на (рисунке 3,в) и имеют тенденцию роста
при толщине слоя аргиллита 5 м , а при толщине
слоя аргиллита 1,0 – 3,5 м увеличиваются
при изменении длины анкера с 1,5 до 3,0
(3,5) м, а затем снижается. При этом
увеличение диаметра шпуров (до 0,05 м ) негативно сказывается на
возникающих напряжениях и приводит к их двукратному росту на всем
диапазоне.
а
б
в
Рисунок 3 – Изменение нормальных (а),
поперечных (б) и касательных (г) напряжений в приконтурных породах
подготовительной выработки от длины анкерирования и мощности слоя пород
Проведенные исследования
напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности
слоя легкообрушающихся пород при разной длине анкерирования позволили
установить следующий характер поведения боковых пород по зонам их расположения
(рисунок 4, а, б).
Исследовано влияние управляемости пород кровли (с увеличением
слоя легкообрушающего аргиллита) при
трапециевидной форме поперечного сечения выработки. Параметры расчетной схемы:
угол падения пласта 15о, его мощность 3.8 м ; глубина разработки 400 м ; сечение выработки 15.5 м2 ; длина анкера 3 м , при его диаметре 0.05 м .
а
б
Слой аргиллита
Слой аргиллита
Рисунок 4 – Эпюра распределения (а) и
зависимость и нормальных напряжений (б) во вмещающих породах от глубины их анкерирования
На рисунке 5 показано
распределения продольных напряжений вокруг выработки трапециевидного сечения (в
качестве примера, при слое аргиллита один метр) по длине шпуров. Значительным
напряжениям подвержена только область пород крайних в кровле шпуров, что
требует увеличения их плотности в этой зоне.
Рисунок 5 - Распределения продольных
напряжений вокруг выработки трапециевидного сечения (при слое аргиллита
На рисунке 6 представлено
распределение нормальных и продольных напряжений при слое аргиллита 7,5 м по контуру
горной выработки.
а б
1 – зона весьма неустойчивая; 2 –
зона неустойчивая; 3 – зона неустойчивая; 4 – зона средней устойчивости; в
точке минимума зона устойчивая
Рисунок 6 - Распределения нормальных
(а) и продольных (б) напряжений при слое аргиллита