УДК 622.831 (075)
Риб С.В.,
Никитина А.М., Борзых Д.М.
Сибирский государственный индустриальный университет
г. Новокузнецк, Россия
Исследование влияния
анкеров в кровле горных выработок, проводимых в условиях дизъюнктивных
и пликативных нарушений по 1-му слою пласта III, на характер распределения
напряжений
Основной проблемой в безопасном поддержании горных
выработок, находящихся под влиянием горно-геологических нарушений, является
низкий уровень исследований, направленных на установление закономерностей
изменения геомеханических параметров в
неоднородном углепородном массиве до и после крепления горных выработок
анкерной крепью.
В этой связи необходимо изучить влияние основных
природных и техногенных процессов на проявления горного давления в зонах геологических
нарушений с учетом изменения параметров анкерной крепи в горной выработке.
В качестве объекта исследований рассматриваются
закономерности распределения напряжений в породах кровли горной выработки.
Для установления закономерностей изменения геомеханических
параметров пород в неоднородном углепородном массиве было
проведено математическое моделирование численным методом конечных элементов [1].
Этот метод реализуется с помощью
программного обеспечения, адаптированного авторами настоящей работы для
решения поставленных задач. Адаптированный к задачам настоящей работы пакет
программ FRMKERIB предназначен для моделирования процессов изменения
смещений, напряжений и деформаций под влиянием природных полей напряжений и
горных выработок в углепородном массиве. Авторские компьютерные программы
выполнены на языке Фортран 90 в среде программирования Microsoft Developer
Studio.
Для численного
эксперимента использовались горно-геологические условия пласта III.
Пласт сложного строения, общей
мощностью 8,81-9,89 м. (средняя 9,14 м.) Марка угля ОС. Угол падения пласта 3-10 град, коэффициент крепости
изменяется от 0,2 до 1,4. В
ходе работ были выявлены многочисленные мелкоамплитудные нарушения. Амплитуда
нарушений не имеет четких границ и
изменяется в среднем от 0,2 до 5,0 м. Преобладающее простирание плоскости
сместителя СВ-ЮЗ. Нарушения с амплитудой 2-3 м часто трассируют субпараллельные нарушения с амплитудой 0,2-0,9 м.
Основная кровля пласта
представлена песчаником общей мощностью 17,5 м. Глубина расположения выработки по пласту III - 400м. Ширина горной выработки 6 м, высота
4 м.
Пакет программ FRMKERIB состоит из четырёх
программ и трёх файлов исходных данных. Для каждого породного слоя или пласта
ввод исходных данных по геологической скважине осуществляется из файла Mkeckw.dat с преобразованием в файл Mke100.dat
с помощью программы Mke2d101.for,
в котором затем корректировались
исходные данные: форма и размеры горной выработки, параметры анкерной крепи
(размеры скважины для стержня анкера, длина закрепления стержня химическим
составом, диаметр стержня, количество анкеров) и др. Параметры анкерной крепи,
принимаемые в модели [2]: сталеполимерный анкер, диаметр стержня 20 мм, диаметр
скважины 30 мм, длина химического закрепления 0,5 м, длина анкера 2,4 м. Cхема расположения
анкеров представлена на рисунке 1 (расстояние между анкерами в ряду составляло
– 1,0 м).
За
начало координат принята точка пересечения вертикальной оси выработки с кровлей
отрабатываемого пласта. Автоматическая дискретизация массива производится в
несколько этапов с выделением вначале четырёхугольных зон по напластованиям с
последующим делением на треугольники с помощью программы Mke2d103.for .
Для оценки качества дискретизации модели на
конечные элементы в программе SURFER можно посмотреть
результаты счета. На рисунке 1 приведены
фрагменты дискретизации модели на
конечные элементы. В средней части модели размеры конечных элементов приняты с
длиной стороны треугольника, равной 10 мм, поэтому на этих рисунках они не
отобразились в масштабе. В программах расчета параметров НДС все конечные
элементы, независимо от размеров, используются.
Рисунок
1 - Схема дискретизации фрагмента модели на конечные элементы
(выработка
расположена в верхнем слое пласта)
Вычисление напряжений, деформаций и смещений
осуществляется в программе Mke2d117.for.
В этой же программе задавалась растягивающая нагрузка на стержни анкеров и
сжимающая на опорные шайбы.
Программа Mke2dsur.for содержит комплекс подпрограмм для расчёта линейных и
нелинейных полных вертикальных, горизонтальных и касательных напряжений,
вертикальных и горизонтальных смещений, вертикальных и горизонтальных
деформаций и др. с формированием файла выходных данных m6.dat для пакета
программ SURFER. В SURFER осуществляется
обработка и визуализация результатов
расчёта.
Было рассмотрено 5 вариантов модели:
- незакреплённая горная выработка,
расположенная в кровле пласта;
- незакреплённая горная выработка,
расположенная на расстоянии 1,8 м от кровли
пласта;
- выработка, расположенная в кровле пласта
(6 анкеров в кровле, длина анкера 2,4
м);
- выработка, расположенная на расстоянии 1,8
м от кровли пласта (6 анкеров в кровле,
длина анкера 2,4 м);
- выработка, расположенная на расстоянии 1,8
м от кровли пласта (6 анкеров в кровле,
длина анкера 3,5 м).
Выявлялись закономерности распределения вертикальных и
горизонтальных напряжений в
углепородном массиве. Исследовалось влияние анкеров в кровле горной выработки на характер распределения напряжений.
Для визуализации и обобщения результатов
расчётов программно осуществлялся ввод из файлов координат точек и расчётных
значений параметров, затем
производилась их обработка с построением трёхмерных карт в виде изолиний с
помощью программы SURFER (рисунки 2,3).
Учитывая множество расчетных вариантов, особенности моделей и большое
количество получаемых по каждому конечному элементу напряжений результаты были
систематизированы в таблицы.
При сравнении расчётных параметров за базовые
варианты приняты модели массива с горной выработкой без крепления (рисунок 2) .
По результатам математического моделирования
численным методом конечных элементов установлены закономерности распределения напряжений
в породах кровли горной выработки и разработаны рекомендации:
1. Установленные анкеры приводят к формированию
в кровле выработки несущей опорной плиты, в пределах которой вертикальные
напряжения близки к нулю, а прочность пород почти не меняется. Однако выше
упрочненной породней плиты формируется зона ослабленных пород в пределах
которой возможно обрушение с вывалом упрочненных пород и выше их, что
подтверждается результатами проведенных ранее исследований в работе [3].
2. Для безопасного поддержания горных выработок
в работоспособном состоянии необходимо соблюдать следующие параметры крепления:
- в нормальных условиях, вне зон влияния
горно-геологического нарушения крепление осуществляется при помощи
сталеполимерных анкеров А20В длиной не менее 2,4 м с шагом крепления 1,2 м.
Согласно действующему паспорту крепления горных выработок [4].
Вариант 1
Рисунок 2 - Изолинии распределения отношения остаточной прочности
горных пород к исходной в окрестности незакреплённой горной выработки
- в условиях влияния горно-геологического
нарушения с амплитудой (разрыхленной породой в кровле) до 1,0 м крепление
осуществляется при помощи сталеполимерных анкеров А20В длиной не менее 2,4 м с
шагом крепления 1 м. В кровле устанавливается 6 анкеров. В качестве опорного
элемента допустимо применение подхватов металлических типа швеллер 8(10) или
СВП. Кровля и бока выработки перетягиваются решетчатой затяжкой типа ЗР.
Вариант 3
Рисунок 3 - Изолинии
распределения отношения остаточной прочности
горных пород к исходной в окрестности
горной выработки, закреплённой
6
анкерами (длина анкера 2,4 м)
- в условиях дизъюнктивных и пликативных
нарушений с амплитудой (разрыхленной
породой в кровле) от 1,0 м до 1,5 м крепление осуществляется при помощи
сталеполимерных анкеров А20В длиной не менее 2,4 м с шагом крепления 1 м. В
кровле устанавливается 8 анкеров. В качестве опорного элемента допустимо
применение подхватов металлических типа швеллер 8(10) или СВП. Крайние анкеры в
кровле выработки возможно устанавливать под шайбы габаритным размером не менее
180х180х5 мм. Кровля и бока выработки перетягивается решетчатой затяжкой типа
ЗР.
- в условиях дизъюнктивных и пликативных
нарушений с амплитудой (разрыхленной
породой в кровле) от 1,5 м до 2,0 м крепление осуществляется при помощи
сталеполимерных анкеров А20В длиной не менее 2,4 м с шагом крепления 0,8 м. В
кровле устанавливается 8 анкеров. В качестве опорного элемента допустимо
применение подхватов металлических типа швеллер 8(10) или СВП. Крайние анкеры в
кровле выработки возможно устанавливать под шайбы габаритным размером не менее
180х180х5 мм. Кровля и бока выработки перетягивается решетчатой затяжкой типа
ЗР.
- в условиях дизъюнктивных и пликативных
нарушений с амплитудой (разрыхленной
породой в кровле) от 2,0 м до 2,5 м крепление осуществляется при помощи
сталеполимерных анкеров А20В длиной не менее 3,0 м с шагом крепления 0,8 м. В
кровле устанавливается 8 анкеров. В качестве опорного элемента допустимо
применение подхватов металлических типа швеллер 8(10) или СВП. Крайние анкеры в
кровле выработки возможно устанавливать под шайбы габаритным размером не менее
180х180х5 мм. Кровля и бока выработки перетягивается решетчатой затяжкой типа
ЗР.
- в условиях дизъюнктивных и пликативных
нарушений с амплитудой (разрыхленной породой
в кровле) от 2,5 м до 3,0 м крепление осуществляется при помощи сталеполимерных
анкеров А20В длиной не менее 3,5 м с шагом крепления 1 м. В кровле
устанавливается 8 анкеров. В качестве опорного элемента допустимо применение
подхватов металлических типа швеллер 8(10) или СВП. Крайние анкеры в кровле
выработки возможно устанавливать под шайбы габаритным размером не менее
180х180х5 мм. Кровля и бока выработки перетягивается решетчатой затяжкой типа
ЗР.
- в условиях дизъюнктивных и пликативных
нарушениях с амплитудой (разрыхленной
породой в кровле) более 3,0 м осуществлять крепление горных выработок при
помощи анкерной крепи, без дополнительных мер усиления крепи и упрочнения
приконтурного массива не допустимо.
Амплитуда и зона
влияния горно-геологического нарушения определяется геологом шахты.
3.В случае когда фактическая ширина горных
выработок будет составлять 5,5 м, крепление кровли выработки возможно
осуществлять на один анкер меньше в отличие от условий при ширине 6,0 м, с
соблюдением всех параметров указанных выше.
4. Во всех рассмотренных случаях
горно-геологического нарушения, крепление боков выработки необходимо
осуществлять на анкеры длиной не менее 1,8 м, с шагом крепления 1м. В качестве
основной крепи боков допустимо применение стеклопластиковых анкеров типа АСВШ. Анкеры
устанавливаются под опорные шайбы габаритным размером не менее 180х180х5мм или
отрезки из СВП.
5.Закрепление анкерных стержней в шпуре следует
осуществлять:
- в кровле выработки на две ампулы длиной не
менее 400 мм;
- в боках выработки на одну ампулу длиной не
менее 400 мм;
6.Для
контроля за расслоениями пород кровли в горных выработках проходящих через
горно-геологическое нарушение необходима установка индикаторов смещения кровли. Установку контрольного датчика смещения кровли
следует выполнить на метр выше длины анкерных стержней.
7. Для
постоянного контроля за смещениями заанкерованной толщи пород в зоне
пересечения нарушений, силами производственного участка, а также технической
службой шахты должен осуществляться визуальный контроль за смещениями кровли
выработки по индикаторам смещения
установленных в кровле выработки с анкерным креплением, с
периодичностью:
- в зоне
влияния опорного давления не реже одного раза сутки;
- вне зоны
влияния опорного давления не реже одного раза в месяц;
8.В
случае проявлении горного давления и фиксации смещений по индикаторам смещения
кровли до 50 мм необходимо дополнительное усиление крепи и приконтурного
массива. Дополнительное усиление возможно при помощи упрочнения кровли и боков
выработки, так же возможно усиление крепи при помощи анкеров глубокого
заложения.
9.Упрочнение
приконтурного массива горной выработки возможно методом нагнетания композиционных и
химических составов (смол);
10.Нагнетание
состава необходимо осуществлять при помощи инъекционных скважин пробуренных
между анкерами основного крепления (анкерами А20В);
11.
В качестве крепи усиление возможно применение анкеров глубокого с несущей
способностью одного анкера не менее 210 кН.
12. Параметры крепи
усиления, химический состав смол, сетка упрочнения и глубина инъекционных
шпуров выбирается службами шахты;
13. В целях увеличения
эффективности обеспечения безопасности горных работ на участках с
горно-геологическими нарушениями, необходимо осуществлять мониторинг анкерной
крепи путем испытаний закрепления анкерных стержней в шпуре.
Библиографический список
1.
Фадеев А.Б. Метод
конечных элементов в геомеханике
[Текст] / А.Б. Фадеев. – М.: Недра, 1987. – 221 с.
2.
Ремезов А.В. Анкерное
крепление на шахтах Кузбасса и
дальнейшее его развитие: учебное пособие [Текст] / А.В. Ремезов, В.Г Харитонов,
В.П. Мазикин / - Кемерово : Кузбассвузиздат, 2005.- 471 с.
3.
Никитина
А.М. К вопросу определения закономерностей распределения напряжений в породах
кровли горной выработки, закрепленной по различным схемам анкерования [Текст] /
А.М. Никитина, С.В. Риб, Д.М. Борзых // Наукоемкие технологии разработки и
использования минеральных ресурсов. Труды Международной научно-практ. конф. - Новокузнецк: СибГИУ, 2012. – С. 80-84.
4. Правила безопасности в
угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05 – М.: ФГУП «Научно-технический центр
по безопасности Госгортехнадзора России», 2004.-296с.