Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок
Установлены закономерности управления состоянием крепежных систем выемочных выработок в зоне влияния очистных работ на базе регулирования процессов сдвижения заанкерованных приконтурных пород и нагружения рамно-анкерной крепи посредством выбора ресурсосберегающих режимов работы анкеров постоянного...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137481 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, А.В. Вивчаренко, Р.Н. Свистун, А.В. Малыхин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 119. — С. 213-226. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-137481 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1374812018-06-18T03:05:40Z Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок Бондаренко, В.И. Ковалевская, И.А. Вивчаренко, А.В. Свистун, Р.Н. Малыхин, А.В. Установлены закономерности управления состоянием крепежных систем выемочных выработок в зоне влияния очистных работ на базе регулирования процессов сдвижения заанкерованных приконтурных пород и нагружения рамно-анкерной крепи посредством выбора ресурсосберегающих режимов работы анкеров постоянного сопротивления. Получен комплекс расчетных выражений по прогнозированию всех компонент эпюры нагрузки по контуру выработки. Выполнен комплекс исследований по определению внутренних усилий в раме в зависимости от ее размеров, компонент эпюры нагрузки и параметров установки анкеров. Получены соотношения связи рациональных параметров установки анкеров с горно-геологическими и горнотехническими условиями поддержания выемочных выработок в зоне влияния очистных работ. Выявленные закономерности положены в основу инженерного метода расчета ресурсосберегающих параметров рамно-анкерной крепи. Шахтными исследованиями установлена стабильная закономерность снижения сближений кровли и почвы выработки на 25-33%, ее боков – на 54-65%, что уменьшило потерю сечения в зоне опорного давления на 26,5-37,0%. Для повышения устойчивости выемочных выработок подтверждена целесообразность применения разработанных рекомендаций по дифференцированному усилению рамной крепи анкерами с регулируемой деформационно-силовой характеристикой. Встановлені закономірності керування станом кріпильних систем виїмкових виробок у зоні впливу очисних робіт на базі регулювання процесів зрушення заанкерованих приконтурних порід і навантаження рамно-анкерного кріплення за допомогою вибору ресурсозберігаючих режимів роботи анкерів постійного опору. Отримано комплекс розрахункових виразів з прогнозування усіх компонент епюри навантаження по контуру виробки. Виконаний комплекс досліджень з визначення внутрішніх зусиль у рамі залежно від її розмірів, компонент епюри навантаження і параметрів установлення анкерів. Отримані співвідношення зв'язку раціональних параметрів установлення анкерів з гірничо-геологічними й гірничотехнічними умовами підтримки виїмкових виробок у зоні впливу очисних робіт. Виявлені закономірності покладені в основу інженерного методу розрахунку ресурсозберігаючих параметрів рамно-анкерного кріплення. Шахтними дослідженнями встановлена стабільна закономірність зниження зближень покрівлі й підошви виробки на 25-33%, її боків – на 54-65%, що зменшило втрату перерізу в зоні опорного тиску на 26,5-37,0%. Для підвищення стійкості виїмкових виробок підтверджена доцільність застосування розроблених рекомендацій з диференційованого посилення рамного кріплення анкерами з регульованою деформаційно- силовою характеристикою. The established control regularities of condition mine workings support system in the zone of influence stope working on the basis of controlling displacement processes of end-anchored marginal rock and loading frame-bolting support by means of choosing resource-saving regime of anchors working constant resistance are defended. The complex calculated expressions by forecasting all components of load intensity diagram, along of the mine working contour have been derived. The researches for determination the internal forces in the frame depending on its size, component of load intensity diagram and anchors installation parameters were carried out. A correlation constraint rational parameters of anchors installations with geological and mining conditions supporting mine working in the stope influence zone are derived. The revealed regularities are the basis for an engineering method of calculation of resource-saving parameters frame-bolting support. The mine researches established stability regularity of reduce roof and floor convergence mine working by 25-33%, and sides by 54-65% that reduced cross-section loss in the zone of abutment pressure by 26,5-37,0%. For improving stability of mine workings confirmed the feasibility of the developed recommendations on differential strengthening frame support by anchors with adjustable force deformation characteristic. 2014 Article Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, А.В. Вивчаренко, Р.Н. Свистун, А.В. Малыхин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 119. — С. 213-226. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137481 622.281.74.001.24 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 |
Установлены закономерности управления состоянием крепежных систем
выемочных выработок в зоне влияния очистных работ на базе регулирования процессов
сдвижения заанкерованных приконтурных пород и нагружения рамно-анкерной крепи посредством выбора ресурсосберегающих режимов работы анкеров постоянного сопротивления. Получен комплекс расчетных выражений по прогнозированию всех компонент эпюры
нагрузки по контуру выработки. Выполнен комплекс исследований по определению внутренних усилий в раме в зависимости от ее размеров, компонент эпюры нагрузки и параметров установки анкеров. Получены соотношения связи рациональных параметров установки
анкеров с горно-геологическими и горнотехническими условиями поддержания выемочных
выработок в зоне влияния очистных работ. Выявленные закономерности положены в основу
инженерного метода расчета ресурсосберегающих параметров рамно-анкерной крепи. Шахтными исследованиями установлена стабильная закономерность снижения сближений кровли
и почвы выработки на 25-33%, ее боков – на 54-65%, что уменьшило потерю сечения в зоне
опорного давления на 26,5-37,0%. Для повышения устойчивости выемочных выработок подтверждена целесообразность применения разработанных рекомендаций по дифференцированному усилению рамной крепи анкерами с регулируемой деформационно-силовой характеристикой. |
| format |
Article |
| author |
Бондаренко, В.И. Ковалевская, И.А. Вивчаренко, А.В. Свистун, Р.Н. Малыхин, А.В. |
| spellingShingle |
Бондаренко, В.И. Ковалевская, И.А. Вивчаренко, А.В. Свистун, Р.Н. Малыхин, А.В. Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Бондаренко, В.И. Ковалевская, И.А. Вивчаренко, А.В. Свистун, Р.Н. Малыхин, А.В. |
| author_sort |
Бондаренко, В.И. |
| title |
Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок |
| title_short |
Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок |
| title_full |
Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок |
| title_fullStr |
Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок |
| title_full_unstemmed |
Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок |
| title_sort |
расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137481 |
| citation_txt |
Расчет параметров рамно-анкерной крепи выемочных выработок / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, А.В. Вивчаренко, Р.Н. Свистун, А.В. Малыхин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 119. — С. 213-226. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT bondarenkovi rasčetparametrovramnoankernojkrepivyemočnyhvyrabotok AT kovalevskaâia rasčetparametrovramnoankernojkrepivyemočnyhvyrabotok AT vivčarenkoav rasčetparametrovramnoankernojkrepivyemočnyhvyrabotok AT svistunrn rasčetparametrovramnoankernojkrepivyemočnyhvyrabotok AT malyhinav rasčetparametrovramnoankernojkrepivyemočnyhvyrabotok |
| first_indexed |
2025-07-10T03:54:45Z |
| last_indexed |
2025-07-10T03:54:45Z |
| _version_ |
1837230657683587072 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
213
УДК 622.281.74.001.24
Бондаренко В.И., д-р техн. наук, профессор,
Ковалевская И.А., д-р техн. наук, профессор
(ГВУЗ «НГУ»)
Вивчаренко А.В., канд. техн. наук
(Департамент реструктуризации угольной
Промышленности Министерства энергетики
и угольной промышленности Украины)
Свистун Р.Н., инженер
(ООО «Мокрянский каменный карьер №3»
Малыхин А.В., инженер
(Шевченковская районная госадминистрация г. Киева)
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАМНО-АНКЕРНОЙ КРЕПИ
ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК
Бондаренко В.І., д-р техн. наук, професор,
Ковалевська І.А., д-р техн. наук, професор
(ДВНЗ «НГУ»)
Вівчаренко О.В., канд. техн. наук
(Департамент реструктуризації вугільної
Промисловості Міністерства енергетики
та вугільної промисловості України)
Свистун Р.М., інженер
(ТОВ «Мокрянський кам’яний кар’єр №3»
Малихін О.В., інженер
(Шевченківська районна держадміністрація м. Києва)
РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ РАМНО-АНКЕРНОГО КРІПЛЕННЯ
ВИЇМКОВИХ ВИРОБОК
Bondarenko V.І., D.Sc. (Tech), professor,
Kovalevskaya І.А., D.Sc. (Tech), professor
(SHEE “NMU”)
Vivcharenko A.V., Ph.D. (Tech)
(Department of Coal Industry Restructuring
Ministry of Energy and Coal Industry of Ukraine)
Svistun R.N., M.S (Tech)
(LLC “Mokryanskiy stone quarry №3”)
Malykhin A.V., M.S (Tech)
(Shevchenko district state administration in Kyiv)
CALCULATION OF FRAME-ANCHORING WORKINGS
Аннотация. Установлены закономерности управления состоянием крепежных систем
выемочных выработок в зоне влияния очистных работ на базе регулирования процессов
сдвижения заанкерованных приконтурных пород и нагружения рамно-анкерной крепи по-
________________________________________________________________________________
© В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, А.В. Вивчаренко, Р.Н. Свистун, А.В. Малыхин, 2014
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
214
средством выбора ресурсосберегающих режимов работы анкеров постоянного сопротивле-
ния. Получен комплекс расчетных выражений по прогнозированию всех компонент эпюры
нагрузки по контуру выработки. Выполнен комплекс исследований по определению внут-
ренних усилий в раме в зависимости от ее размеров, компонент эпюры нагрузки и парамет-
ров установки анкеров. Получены соотношения связи рациональных параметров установки
анкеров с горно-геологическими и горнотехническими условиями поддержания выемочных
выработок в зоне влияния очистных работ. Выявленные закономерности положены в основу
инженерного метода расчета ресурсосберегающих параметров рамно-анкерной крепи. Шахт-
ными исследованиями установлена стабильная закономерность снижения сближений кровли
и почвы выработки на 25-33%, ее боков – на 54-65%, что уменьшило потерю сечения в зоне
опорного давления на 26,5-37,0%. Для повышения устойчивости выемочных выработок под-
тверждена целесообразность применения разработанных рекомендаций по дифференциро-
ванному усилению рамной крепи анкерами с регулируемой деформационно-силовой харак-
теристикой.
Ключевые слова: горный массив, выемочная выработка, устойчивость, влияние очист-
ных работ, рамно-анкерная крепь, параметры, расчет, ресурсосбережение.
Состояние вопроса. Актуальность проблемы поддержания выемочных вы-
работок, например, на шахтах Западного Донбасса возрастает по ряду факто-
ров, основными из которых являются следующие. Во-первых, углевмещающая
толща сложена слабыми слоистыми породами с практически отсутствием сцеп-
ления по поверхностям контактов литологических разностей, что существенно
интенсифицирует проявления горного давления. Во-вторых, разрабатываемые
угольные пласты характеризуются повышенными прочностными свойствами по
отношению к породам непосредственной кровли и почвы угольного пласта, что
обуславливает известную специфику формирования нагрузки на крепежную
систему, выражающуюся в повышенном боковом давлении и пучении почвы,
особенно, в зоне опорного давления впереди очистного забоя. В-третьих, на
большинстве шахт Западного Донбасса достигнуты достаточно высокие скоро-
сти подвигания очистных забоев, что, с одной стороны, требует повышенного
внимания к эксплуатационному состоянию выемочных выработок, а, с другой,
– изыскание резервов сокращения затрат на поддержание из-за возрастающих
объемов их проведения. В этой связи для угольной промышленности Украины
является актуальной задача поддержания выемочных выработок за счет управ-
ления состоянием их крепежной системы в соответствии с характером проявле-
ний горного давления в зоне влияния очистных работ при сохранении макси-
мальной несущей способности на базе установленных закономерностей регули-
рования деформационно-силовых параметров ее элементов.
Изученный опыт поддержания выемочных выработок на шахтах Западного
Донбасса и накопленные к настоящему времени исследования в этой области
ведения горных работ определили приоритетное, на наш взгляд, направление –
использования рамно-анкерной крепи с пространственно-податливыми связями
как крепежной системы, наиболее полно адаптирующейся к характеру проявле-
ний горного давления, изменяющегося по мере приближения очистного забоя.
В понятие «адаптация» мы вкладываем смысл высоких потенциальных воз-
можностей конструкции по регулированию ее сопротивления в соответствии с
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
215
меняющейся горно-геологической ситуацией в окрестности выемочных выра-
боток с одновременным приближением к состоянию равнопрочности грузоне-
сущих элементов, что тождественно двум позициям: достижение максимальной
несущей способности при неизменных затратах, либо экономия ресурсов при
сохранении несущей способности на прежнем уровне. Поэтому основное на-
правление исследований состоит в раскрытии этих потенциальных возможно-
стей на базе установленного комплекса закономерностей взаимодействия эле-
ментов рамно-анкерной крепи между собой и со вмещающим породным масси-
вом.
Основная часть. Анализ существующих подходов к расчету параметров
крепежных систем выемочных выработок, поддерживаемых, в том числе, в зоне
активного влияния очистных работ, отдал предпочтение нормативной методике
по СОУ 10.1.00185790.011:2007 [1], которая обладает общностью и достаточ-
ной надежностью прогнозируемых результатов, с одной стороны, и удобна для
последующих расчетов внутренних усилий в рамной крепи в совокупности с
критериями оптимизации ее НДС, с другой стороны. Ее наиболее существен-
ный недостаток заключается в игнорировании объективно наблюдаемого факта
более активных проявлений горного давления со стороны рабочего борта вы-
емочной выработки при приближении очистного забоя (рис. 1), который выра-
жается в формировании асимметричной нагрузки ( )θq на рамно-анкерную
крепь.
q(θ)
Uzy
θ(z, y)
Y
Z
Рисунок 1 – Схема развития проявлений горного давления по контуру θ(z, y) выемочной вы-
работки в процессе приближения очистного забоя: Uzy – перемещение контура,
q(θ) – нагрузка на крепежную систему; в начале зоны опорного давления;
посредине участка опорного давления; перед очистным забоем
Прогноз асимметричного нагружения крепи выполнен путем определения
размеров области разупрочнения приконтурных пород с учетом зоны опорного
давления впереди приближающейся лавы и базируется на следующих положе-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
216
ниях: высота свода предельного равновесия растет с приближением очистного
забоя и определяется по [1]; в боках выработки ширина области разупрочнения
прямо пропорциональна величине перемещений контура выработки с преиму-
щественным развитием со стороны рабочего борта; площадь свода предельного
равновесия в кровле остается неизменной (по отношению к нормативной мето-
дике [1]), но сам свод вытянут в сторону отрабатываемого выемочного участка.
При этом произведена дифференциация ширины области разупрочнения более
крепкого угля и менее крепких пород непосредственной кровли и почвы, что
характерно для условий Западного Донбасса.
Указанные положения позволили получить достаточно компактные выра-
жения по описанию контура области предельного равновесия пород;
– линия свода (в полярных координатах) аппроксимирована тремя членами
тригонометрического ряда
( ) ( )maxсв sinacosasinar θθθθθ +±+= 321 , (1)
коэффициенты 1a , 2a , 3a которого связаны простыми соотношениями с на-
званными нами «базовыми» точками контура, определяемыми по нормативной
методике [1]; угловая координата maxθ расположения максимума высоты свода
изменяется в ограниченном диапазоне 18,5-20,0º (установлено по результатам
вычислительного анализа) и принята постоянной =maxθ 20º;
– ширина области предельного равновесия пород для рабочего pв2 и нерабо-
чего нв2 бортов выработки рассчитывается по выражениям
21
21
22 2
2
KK
KKUв бp
⋅
−
= ;
1
2
2 2K
Uв
б
н = , (2)
где бU2 – сближение боков выработки в зоне опорного давления; 1K и 2K – эм-
пирические коэффициенты для участков выработки, соответственно вне зоны
влияния очистных работ и в зоне опорного давления; все параметры определя-
ются по [1];
– дифференциация ширины разупрочнения угля, пород непосредственной
кровли и почвы угольного пласта осуществляется использованием в расчетных
выражениях бU2 соответствующих значений сопротивления сжатию указанных
литологических разностей.
Вторая задача по определению области неустойчивых пород в зоне влияния
очистных работ реализована на базе классического метода статики сыпучей
среды с использованием разработок [2, 3] по определению коэффициента ус-
тойчивости призм скольжения внутри области разупрочнения и расчету нагруз-
ки jq по j -му участку контура выработки из условия предельного равновесия
j -ой призмы сползания
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
217
1=
+
сд
jqуд
M
MM
, (3)
где удM и сдM – моменты от действия удерживающих и сдвигающих усилий
по j -му участку контура;
jqM – момент от действия минимально достаточной
реакции jq крепежной системы.
Алгоритм расчетов пояснен схемами на рис. 2, на которых отражено семей-
ство произвольных линий скольжения. Контур выработки разбивается на ко-
нечное число участков jδ , крайние точки j′ которых служат началом линий
скольжения, простирающихся до границы области предельного равновесия,
разбитой на ряд сегментов, степень устойчивости которых обуславливает на-
грузку на крепежную систему в соответствии с условием (1). Выбор положения
j -ой линии скольжения из возможных вариантов (например, от точки j′ до то-
чек j ′′ , 1j ′′ , 2j ′′ и т.д. на рис. 2, б) осуществлен по критерию минимального зна-
чения коэффициента устойчивости min
усK – этой линии скольжения соответству-
ет максимальная нагрузка jq на данном участке jδ . Обобщение кусочно-
линейной нагрузки jq по контуру выработки в виде определенной эпюры ( )θq
осуществлено с помощью тригонометрического ряда.
В соответствии с разработанной методикой проведен комплекс расчетов по
определению всех составляющих нагрузки на крепежную систему, которая
включает следующие параметры: вq – вертикальная нагрузка в замке свода;
бq – боковая нагрузка со стороны нерабочего борта выработки по контакту
угольного пласта и непосредственной кровли; K – показатель асимметрии на-
грузки в кровле выработки; ( )1бq – боковая нагрузка со стороны угольного пла-
ста в нерабочем борту выработки; ( )2бq – боковая нагрузка со стороны уголь-
ного пласта в рабочем борту выработки; ( )3бq – боковая нагрузка по глубине
подрывки непосредственной почвы со стороны рабочего борта выработки. Для
перечисленных шести параметров нагружения рамно-анкерной крепи с исполь-
зованием методов корреляционно-дисперсионного анализа результатов расче-
тов получены следующие уравнения регрессии
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
218
( )( )
( ) ( )[ ]
( )( )
( ) ( )( )
( ) ( )( )( )
( ) ( )( ) ⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
−+=
+−+=
+−=
+−=
−−−=
−+=
−
,,,h,h,q
;m,,,,h,,q
;m,,,,h,q
;B,,tg,h,K
;h,exp,,hq
;tg,B,,h,q
,,
бб
yy
,
б
yy
,
б
,
б
,
б
в
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
012075032536
4085001801121613
55080020051211
1502507601812
3010160830156
401150250518
70
2
90
3
80
22
60
21
1850
2
420
2
2
(4)
где 2h – высота свода предельного равновесия в зоне опорного давления, м, оп-
ределяется по [1]; B – ширина выработки в проходке, м; бh – глубина подрыв-
ки почвы пласта, м; ym – мощность угольного пласта, м; yϕ и ϕ – углы внут-
реннего трения угольного пласта и вмещающих пород.
Рисунок 2 – Схемы к определению эпюры нагрузки q (θ ) на крепежную систему (а)
и выбору линии скольжения с минимальным коэффициентом min
усK устойчивости (б)
а)
б)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
219
Система выражений (4) явилась основой для решения задачи по определе-
нию внутренних усилий в рамной крепи с учетом реакции анкеров через про-
странственно-податливые связи. При этом была использована известная ап-
проксимация (незамкнутая круглоцилиндрическая) реальной формы наиболее
применяемых крепей серий КШПУ и КМП-А3, обоснованная в работах [2, 3]
как обладающая вполне допустимой погрешностью и позволяющая произвести
последующую оптимизацию внутренних усилий в раме аналитическими мето-
дами строительной механики. При построении расчетной схемы рамно-
анкерной крепи также использованы результаты исследований [4] по обоснова-
нию наиболее эффективного конструктивного решения (при противодействии
повышенным боковым нагрузкам) – установки по два боковых анкера со сторо-
ны рабочего и нерабочего бортов выработки и их механические связи со стой-
ками рамы пространственно-подаливыми узлами в единую грузонесущую кон-
струкцию. В процессе многовариантных расчетов такой рамно-анкерной крепи
методами строительной механики выявлено 9 участков ее контура, где возмож-
но появление максимумов изгибающего момента nM ( 91,...,n = ). Для определе-
ния каждого из них составлена система уравнений, численный анализ которой
позволил установить закономерности связи каждого максимума nM со всеми
составляющими нагрузки по формулам (4) и параметрами установки боковых
анкеров: iN – реакция воздействия i -го анкера ( 41,...,i = ) на раму, iNθ – угло-
вая координата размещения анкера (по ней определяется высота установки ан-
кера iy от почвы выработки). Фрагменты этих закономерностей для относи-
тельных значений
rq
M
в
n
⋅
максимумов изгибающего момента ( B,r 50= ) приведе-
ны на рис. 3.
Выявление полного набора закономерностей связи максимумов изгибающе-
го момента в любой точке контура рамы с параметрами нагружения крепежной
системы и установки боковых анкеров позволило минимизировать nM на осно-
ве существующих принципов оптимизации параметров рамно-анкерной крепи
[3]. Снижение максимумов nM тождественно повышению несущей способно-
сти рамно-анкерной крепи при неизменных ее параметрах, либо сокращению
металлоемкости при сохранении на постоянном уровне несущей способности –
оба направления отвечают стратегии ресурсосбережения при поддержании вы-
емочных выработок. В результате получены закономерности связи рациональ-
ных параметров iNθ и iN установки боковых анкеров с размерами выработки и
эпюрой нагрузки на крепежную систему. Эти закономерности доведены до
уровня оперативного практического использования путем построения комплек-
са расчетных номограмм, часть которых приведена на рис. 4 (определение па-
раметров 1N и 1Nθ установки нижнего анкера со стороны нерабочего борта вы-
работки).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
220
А) б)
В) г)
Рисунок 3 – Связь максимумов изгибающего момента в рамной крепи
с параметрами: а) вб q/q ; б) ( ) вб q/q 3 ; в) вq/N1 ; г) 1Nθ
rq
M
в
n , м2
1Nθ ,
град
rq
M
в
n , м2
вq
N1 , м2
( )
в
б
q
q 3
rq
M
в
n , м2
rq
M
в
n , м2
в
б
q
q
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
221
Рисунок 4 – Номограммы для расчета требуемой реакции (а) и координаты установки (б)
нижнего анкера со стороны нерабочего борта выработки
б)
а)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
222
Для реализации условий ресурсосберегающего поддержания выемочных
выработок путем регулирования режима работы боковых анкеров сформулиро-
ван ряд требований и выбрана наиболее эффективная конструкция податливого
анкера с распорным эластичным замком, работающего практически в режиме
постоянного и регулируемого сопротивления согласно исследованиям [4].
Усовершенствован метод расчета параметров анкера постоянного сопротив-
ления, который выполняется по заданной величине реакции iN сопротивления
и охватывает все его конструктивные элементы. В качестве технологического
параметра рассчитывается величина регулируемого момента распора pM эла-
стичного замка анкера, соответствующая требуемой реакции iN
( )
( )
i
сж
maxp
ip N
Ф
M
NM
σ
= , (5)
где ( ) ( ) ( )
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
++⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
+
−=
−
1
1
1
1
1
1
1
22
2
7301811
2
fвa
ad
tf,f,
ad
tdавM сжmaxp σ ;
( ) ( ) ⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−−−= 2
1
21
2
1
2 09401357
ddE
Gl,expdd
G
Efd,Ф
шП
ш
П
трш ;
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
−
−= 22
2
1
2
1 8250
ав
ddl,l ш ;
сжσ – сопротивление породных стенок шпура одноосному сжатию; в и а – на-
ружный и внутренний радиус эластичных втулок; шd и 1d – диаметр шпура и
несущего стержня анкера; t и 1f – шаг резьбового соединения и коэффициент
трения в нем; трf – коэффициент трения материала эластичного замка по поро-
де; l – длина эластичного замка; ПE – модуль деформации породы; G – мо-
дуль сдвига материала эластичного замка. В итоге получены все необходимые
соотношения не только для выбора параметров анкеров с распорным эластич-
ным замком, но и зависимость для управления режимом работы анкеров по-
средством регулирования крутящего момента в процессе их установки и экс-
плуатации, что оформлено в соответствующий инженерный метод расчета.
Для обоснования достоверности методов расчета нагрузки на крепежную
систему и выбора параметров установки боковых анкеров с целью повышения
устойчивости выемочных выработок был проведен комплекс шахтных исследо-
ваний многоцелевого назначения по проверке основных выводов и рекоменда-
ций. По разработанной методике отобраны два выемочных участка на шахтах
ПАО «ДТЭК Павлоградуголь». Для получения объективной информации ис-
следования проведены на трех участках в обеих выработках длиной не менее 80
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
223
м.
Закономерности развития проявлений горного давления установлены по раз-
ности замеров расстояний iy и iz между произвольным сечением выработки на
некотором удалении X от очистного забоя и «нулевым» сечением отсчета. Ре-
зультаты замеров подтверждают стабильность снижения сближений кровли и
почвы на 25-33%, а боков выемочных выработок – на 54-65%. Это позволяет
снизить потери сечения на 26,5-37,0% и повысить надежность выполнения тех-
нологических операций в пределах выемочного участка.
Таким образом, по результатам шахтных исследований, включающих ком-
плексный анализ ряда показателей, подтверждена целесообразность применения
(для повышения устойчивости выемочных выработок) разработанных рекомен-
даций по дифференцированному усилению рамной крепи боковыми анкерами с
регулируемой деформационно-силовой характеристикой, что максимально огра-
ничивает негативное влияние опорного давления на крепежную систему впереди
очистного забоя.
Выводы. Развиты представления об образовании области предельного со-
стояния приконтурных пород, характеризующейся не только асимметрией
формы, но и резкими изменениями координат границы области, как наиболее
адекватно отвечающей реальным геомеханическим процессам в зоне опорного
давления впереди очистного забоя. Не нарушая принципов руководящих нор-
мативных документов по прогнозированию проявлений горного давления, уч-
тено дифференцированное разупрочнение близлежащих пород (по контуру вы-
работки), которое отражено в разработанном методе расчета размеров области
предельного равновесия вокруг выемочной выработки в зоне опорного давле-
ния.
Комплекс многовариантных расчетов по определению параметров эпюры
нагружения рамно-анкерной крепи акцентирует внимание на следующих ре-
зультатах:
– доказано формирование существенно асимметричной нагрузки на крепеж-
ную систему не только в кровле, но и в боках выработки, что обуславливает
резкое снижение несущей способности традиционных конструкций рамных по-
датливых крепей (в основном серий КШПУ и КМП-А3), наиболее широко при-
меняемых для поддержания выемочных выработок;
– если в кровле асимметричная составляющая нагрузки достигает 35-50% от
вертикальной нагрузки в замке свода, то в боках выработки нагрузка со сторо-
ны ее рабочего борта в 2-3 раза и более превышает таковую со стороны нерабо-
чего борта; такая асимметрия нагружения требует соответствующих мероприя-
тий по усилению крепежной системы со стороны приближающегося очистного
забоя;
– боковая нагрузка со стороны рабочего борта выработки зачастую превы-
шает вертикальную нагрузку в замке ее свода; такая эпюра нагружения не соот-
ветствует конструктивным особенностям рамных податливых крепей, слабо со-
противляющихся боковым нагрузкам и нуждающимся в усилении в боковом
направлении;
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
224
– для аргументированного выбора параметров средств усиления крепежной
системы получены зависимости связи составляющих нагрузки по всему конту-
ру крепи с геомеханическими и горнотехническими характеристиками поддер-
жания выемочной выработки.
Выявлен комплекс закономерностей связи максимумов изгибающего мо-
мента в рамной крепи как с параметрами нагрузки со стороны породного мас-
сива, так и с параметрами установки боковых анкеров, которые на базе крите-
риев минимизации НДС рамы позволили установить рациональные соотноше-
ния конструктивных параметров рамно-анкерной крепи в зависимости от эпю-
ры ее нагружения. В результате создан инженерный метод расчета параметров
рамно-анкерной крепи, позволяющего оперативно и с достаточной для практи-
ки степенью точности определить: координаты установки боковых анкеров по
контуру выработки; необходимую реакцию каждого анкера, дифференцирован-
ное воздействие которых на определенных участках контура рамы посредством
механических связей снижает максимальный изгибающий момент в раме до
минимально возможного значения, что линейно связано с повышением несу-
щей способности рамно-анкерной крепи и позволяет увеличивать шаг ее уста-
новки либо применять более легкий тип СВП.
Обоснована наиболее эффективная конструкция и разработана методика
расчета параметров податливого анкера с распорным эластичным замком, кото-
рый благодаря своей работе в режиме постоянного сопротивления обеспечивает
возможность регулировки процесса адаптации эпюры отпора рамно-анкерной
крепи к характеру проявлений горного давления в соответствии с меняющейся
горно-геологической ситуацией поддержания выемочных выработок в зоне
влияния очистных работ.
Шахтные исследования закономерностей развития перемещений породного
контура выемочных выработок по мере подхода очистного забоя подтвердили
преимущества разработанного метода дифференцированного усиления рамной
крепи с помощью анкеров постоянного сопротивления и пространственно-
податливыми их связями. Для разных горно-геологических и горнотехнических
условий ведения очистных работ выявлены однотипные закономерности: огра-
ничение сближений кровли и почвы на 25-33%; уменьшение сближений боков
на 54-65%; потеря сечения штреков снизилась на 26,5-37%.
_______________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Підготовчі виробки на пологих пластах. Вибір кріплення, способів і засобів охорони: СОУ
10.1.00185790.011:2007. – К.: Мінвуглепром України, 2007. – 113 с. – (Нормативний документ Мінву-
глепрому України. Стандарт).
2. Симанович, Г.А. Управление режимами взаимодействия породного массива с крепью горных
выработок на основе регулирования ее деформационно-силовой характеристикой: дис. ... д-ра техн.
наук: 05.15.11: утв. 14.05.93 / Г.А. Симанович – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 1993. – 408 с.
3. Ковалевская, И.А. Геомеханика управления устойчивостью пространственной системы «мас-
сив – упрочненные породы – крепь подземных выработок»: дис. ... д-ра техн. наук: 05.15.11: защище-
на 18.06.04: утв. 09.02.05 / И.А. Ковалевская – Днепропетровск: НГУ, 2004. – 349 с.
4. Ковалевская, И.А. Взаимодействие анкерной и комбинированной крепей с породным массивом и
разработка метода расчета их рациональных параметров: дис. ... канд. техн. наук: 05.15.11: утв.
25.03.95 / И.А. Ковалевская – Днепропетровск: НГУ, 1995. – 200 с.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
225
REFERENCES
1. Ministry of Coal Industry of Ukraine (2007), JMA 10.1.00185790.011:2007. Development openings
on flat seams. Selecting of supporting, ways and means of protection, Kiev, UA.
2. Simanovich, G.A. (1993), «Operating of regime interaction rock mass with the support of mining
working on the base of regulation deformation force characteristic», D.Sc. Thesis, Physical processes of min-
ing enterprise, M.S. Poljakov Institute of Mechanics under NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, Ukraine.
3. Kovalevskaya I.A. (2004), «Geomechanics spatial stability control system “mass-strengthening rock”,
D. Sc. Thesis, Physical processes of mining enterprise, National Mining University, Dnepropetrovsk,
Ukraine.
4. Kovalevskaya I.A. (1995), «Interaction anchor and combined supports with the rock mass and devel-
oping method of calculation of rational parameters», Ph.D. Thesis, Physical processes of mining enterprise,
Dnepropetrovsk, Ukraine.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторах
Бондаренко Владимир Ильич – заведующий кафедрой подземной разработки месторождений,
доктор технических наук, профессор ГВУЗ «Национальный горный университет», Днепропетровск,
Украина. v_domna@yahoo.com
Ковалевская Ирина Анатольевна – доктор технических наук, профессор кафедры подземной
разработки месторождений ГВУЗ «Национальный горный университет», Днепропетровск, Украина.
kovalevska_i@yahoo.com
Вивчаренко Александр Васильевич – кандидат технических наук, директор департамента рест-
руктуризации угольной промышленности Министерства энергетики и угольной промышленности
Украины, г. Киев, Украина. alexandr.vivcharenko@mev.energy.gov.ua
Свистун Руслан Николаевич – горный инженер, директор ООО «Мокрянский каменный карьер
№3», г. Запорожье, Украина. svistun_ruslan@mail.ru
Малыхин Александр Владимирович – горный инженер, заместитель председателя Шевченков-
ской районной государственной администрации г. Киева, Украина. o.malihin@shev.gov.ua
About the authors
Bondarenko Vladimir Il’ich – Head of the Underground mining department, Doctor of Technical Sci-
ence (D.Sc.(Tech), professor SHEE “National Mining University”, Dnepropetrovsk, Ukraine.
v_domna@yahoo.com
Kovalevskaya Irina Anatol’evna - Doctor of Technical Science (D. Sc. (Tech), Professor of the Under-
ground mining department SHEE “National Mining University”, Dnepropetrovsk, Ukraine. kovalevs-
ka_i@yahoo.com
Vivcharenko Aleksandr Vasil’evich – Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Director of Department
of coal industry restructuring ministry of energy and coal industry of Ukraine, Kiev, Ukraine. alex-
andr.vivcharenko @ mev.energy.gov.ua
Svistun Ruslan Nikolaevich – M.S.(Tech.), Director of “Mokryanskiy stone quarry #3”, Zaporozhye,
Ukraine. svistun_ruslan@mail.ru
Malykhin Aleksandr Vladimirovich – , M.S.(Tech.), Vice-Chairman of the Shevchenko district state
administration in Kyiv, Ukraine. o.malihin@shev.gov.ua
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація. Встановлені закономірності керування станом кріпильних систем виїмкових
виробок у зоні впливу очисних робіт на базі регулювання процесів зрушення заанкерованих
приконтурних порід і навантаження рамно-анкерного кріплення за допомогою вибору ресур-
созберігаючих режимів роботи анкерів постійного опору. Отримано комплекс розрахункових
виразів з прогнозування усіх компонент епюри навантаження по контуру виробки. Викона-
ний комплекс досліджень з визначення внутрішніх зусиль у рамі залежно від її розмірів,
компонент епюри навантаження і параметрів установлення анкерів. Отримані співвідношен-
ня зв'язку раціональних параметрів установлення анкерів з гірничо-геологічними й гірничо-
технічними умовами підтримки виїмкових виробок у зоні впливу очисних робіт. Виявлені
закономірності покладені в основу інженерного методу розрахунку ресурсозберігаючих па-
раметрів рамно-анкерного кріплення. Шахтними дослідженнями встановлена стабільна зако-
mailto:v_domna@yahoo.com�
mailto:kovalevska_i@yahoo.com�
mailto:alexandr.vivcharenko@mev.energy.gov.ua�
mailto:svistun_ruslan@mail.ru�
mailto:o.malihin@shev.gov.ua�
mailto:v_domna@yahoo.com�
mailto:kovalevska_i@yahoo.com�
mailto:kovalevska_i@yahoo.com�
mailto:svistun_ruslan@mail.ru�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №119
226
номірність зниження зближень покрівлі й підошви виробки на 25-33%, її боків – на 54-65%,
що зменшило втрату перерізу в зоні опорного тиску на 26,5-37,0%. Для підвищення стійкості
виїмкових виробок підтверджена доцільність застосування розроблених рекомендацій з ди-
ференційованого посилення рамного кріплення анкерами з регульованою деформаційно-
силовою характеристикою.
Ключові слова: гірський масив, виїмкова виробка, стійкість, вплив очисних робіт, рам-
но-анкерне кріплення, параметри, розрахунок, ресурсозбереження.
Abstract. The established control regularities of condition mine workings support system in the
zone of influence stope working on the basis of controlling displacement processes of end-anchored
marginal rock and loading frame-bolting support by means of choosing resource-saving regime of
anchors working constant resistance are defended. The complex calculated expressions by forecast-
ing all components of load intensity diagram, along of the mine working contour have been derived.
The researches for determination the internal forces in the frame depending on its size, component
of load intensity diagram and anchors installation parameters were carried out. A correlation con-
straint rational parameters of anchors installations with geological and mining conditions supporting
mine working in the stope influence zone are derived. The revealed regularities are the basis for an
engineering method of calculation of resource-saving parameters frame-bolting support. The mine
researches established stability regularity of reduce roof and floor convergence mine working by
25-33%, and sides by 54-65% that reduced cross-section loss in the zone of abutment pressure by
26,5-37,0%. For improving stability of mine workings confirmed the feasibility of the developed
recommendations on differential strengthening frame support by anchors with adjustable force de-
formation characteristic.
Keywords: massif, mine working, stability, influence of stope working, frame-bolting support,
parameters, calculation, resource-saving.
Статья поступила в редакцию 3.09.2014
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук А.П. Круковским
|