Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии
Рассмотрен алгоритм расчета анкерной крепи в породах, склонных к ползучести. Определены зависимости натяжения анкеров от основных факторов. Выполнена оценка эффективности использования анкеров с ограниченной податливостью. Определена область применения анкерной крепи в различных породах. The algorit...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2007
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31436 |
| 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: | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии / С.В. Борщевский, В.В. Левит, М.С. Плешко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 101-110. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860211950480261120 |
|---|---|
| author | Борщевский, С.В. Левит, В.В. Плешко, М.С. |
| author_facet | Борщевский, С.В. Левит, В.В. Плешко, М.С. |
| citation_txt | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии / С.В. Борщевский, В.В. Левит, М.С. Плешко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 101-110. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Рассмотрен алгоритм расчета анкерной крепи в породах, склонных к ползучести. Определены зависимости натяжения анкеров от основных факторов. Выполнена оценка эффективности использования анкеров с ограниченной податливостью. Определена область применения анкерной крепи в различных породах.
The algorithm of calculation of anchor fasten is considered in breeds, inclined to the creep. Dependences of pull of anchors are certain on basic factors. The estimation of efficiency of the use of anchors is executed with the limited pliability. An application of anchor fasten domain is certain in different breeds.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:14:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
"Геотехническая механика" 101
УДК. 622.25.(06)
С.В. Борщевский, В.В. Левит, М.С. Плешко
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ С
ПОРОДНЫМ МАССИВОМ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО
СТВОЛА ПО ПОТОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Рассмотрен алгоритм расчета анкерной крепи в породах, склонных к ползучести.
Определены зависимости натяжения анкеров от основных факторов. Выполнена оцен-
ка эффективности использования анкеров с ограниченной податливостью. Определена
область применения анкерной крепи в различных породах.
RESEARCH OF INTERACTION ANCHOR PROP WITH BREEDS BY
VERTICAL SHAFT SINKING ON LINE TECHNOLOGY
The algorithm of calculation of anchor fasten is considered in breeds, inclined to the
creep. Dependences of pull of anchors are certain on basic factors. The estimation of
efficiency of the use of anchors is executed with the limited pliability. An application of
anchor fasten domain is certain in different breeds.
Поиск и разработка эффективных направлений сокращения продолжитель-
ности строительства вертикальных стволов, снижения расходов материально-
технических ресурсов является актуальной научно-технической проблемой,
имеющей особо важное народно-хозяйственное значение в связи с острой необ-
ходимостью реконструкции и развития угольной промышленности Украины.
Наиболее перспективным направлением является разработка поточных техно-
логических схем проходки, но для этого необходимы исследования взаимодей-
ствия системы «анкер – крепь – породный массив».
Рассмотрим взаимодействие анкерной крепи с породным массивом, прояв-
ляющим свойства ползучести, в призабойной зоне ствола.
Используем теорию линейной наследственной ползучести, предложенной
Л.Больцманом и развитой В. Вольтерра.
Ползучесть пород описывается интегральным уравнением Вольтера второго
рода
( ) ( ) ( )∫ ⋅−+=
t
dttL
EE
t
0
0 ,
1 τστσε (1)
где σ(t), ε(t) – напряжения и деформации в момент времени t;
τ – время, предшествующее моменту времени t;
L(t - τ) – функция влияния (ядро ползучести).
При постоянных напряжениях из уравнения (1) получаем
( ) ( ) .1
0
0
+= ∫
t
dL
E
t ττσε (2)
102 Выпуск № 73
Академик Ж.С. Ержанов показал, что деформирование горных пород до оп-
ределенного уровня нагружения соответствует уравнению (1) с ядром типа
Абеля
( ) ,
1
1
1
0
−
⋅+=
−
α
δσε
αt
E
t (3)
где δ, α – характеристики ползучести, получаемые экспериментально.
Академик Работнов Ю.Н. показал, что задачу теории линейной наследст-
венной ползучести можно формально рассматривать как задачу теории упруго-
сти, в которой вместо упругих постоянных необходимо использовать времен-
ные операторы с ядром ползучести. Тогда уравнение (2) можно представить в
виде
( ) ,0
E
t
σε = (4)
где E – временный оператор.
Проф. Линьковым А.М. и д.т.н. Амусиным Б.З. доказано, что в задачах ме-
ханики подземных сооружений, в которых граничные условия и объемные си-
лы являются независящими от времени, операторные выражения для упругих
постоянных можно заменить алгебраическими выражениями, соответствующи-
ми ядру интегрального уравнения (метод переменных модулей).
На основании изложенного уравнение ползучести (3) приобретает вид:
( ) ( ) ,10 Ф
E
t += σε (5)
где Ф – функция ползучести:
.
1
1
1
−
⋅+=
−
α
δ αt
Ф (6)
Временные функции для модуля деформации, модуля сдвига и коэффициен-
та Пуассона имеют вид:
;
1 Ф
E
Et +
= (7)
( )
;
12
3
1
ν+
+
=
Ф
G
Gt (8)
"Геотехническая механика" 103
.
1
5,0
5,0
Ф
t +
−−= νν (9)
По мере отхода забоя ствола изменение напряженно-деформированного со-
стояния массива описывается выражением Нλγα * . Коэффициент α
*, учиты-
вающий отставание рассматриваемой точки от забоя, может быть определен из
соотношения
,3,1exp1
0
0*
−=−=
∞ r
l
u
uα (10)
где u0 – начальные смещения массива;
u∞ - полные смещения массива;
l – расстояние рассматриваемой точки до забоя ствола;
r0 – радиус ствола вчерне;
Отсюда получим
.3,1exp1~
0
0
−−==
∞ r
l
u
u
u
(11)
Доля приращения общего коэффициента α
* на каждый момент времени t,
определяющий расстояние l, составит
( ) ( ) .~€~€ 1
*
ii tutu −=∆ +α (12)
Тогда общее значение коэффициента α* можно выразить в виде
.
1
** ∑∆=
n
αα (13)
Для определения натяжения анкеров, вызванного перемещением массива,
воспользуемся аналитическим методом расчета крепи, разработанным
Д.И. Колиным [1].
Натяжение анкеров равно:
,
1 aa
r
aa KB
BF
+
∆= (14)
∆r – относительные радиальные смещения точек массива при неподкреплен-
ной выработке, соответствующих концам анкеров;
Ва – характеристика жесткости анкера
104 Выпуск № 73
,
l
AE
В aa
а = (15)
Eа – модуль упругости материала анкера;
Аа – площадь поперечного сечения анкера;
l – длина анкера;
Ка – коэффициент взаимного влияния анкеров
,4 ijiia KKK += (16)
Kii – коэффициент влияния усилий Fa, приложенных к массиву на концах i-
го анкера, на относительные смещения пород на концах данного (i-го анкера);
Kij – коэффициент влияния усилий Fa, приложенных к массиву на концах со-
седних j-х анкеров, на относительные смещения пород на концах i-го анкера.
Радиальные смещения поверхности ствола будут обусловлены движением
забоя и ползучестью пород.
В каждый момент времени t, соответствующий определенному времени
проходческого цикла и положению забоя, относительные смещения составят
'''
rnrnrn ∆+∆=∆ ; (17)
'
ri∆ – доля относительных смещений точек массива, соответствующих кон-
цам анкеров, вызванных удалением забоя от рассматриваемого сечения ствола,
приходящуюся на каждую заходку
t
rn Gl
l
Hr
21
*
0
' αλγ ∆⋅
+
=∆ ; (18)
'
ri∆ – доля относительных смещений точек массива, соответствующих кон-
цам анкеров, вызванных ползучестью пород, за период равный продолжитель-
ности проходческого цикла
,
11
21 1
*
0
''
−⋅⋅
+
=∆
−tntn
rn GGl
l
Hr
αλγ (19)
где 0/ rll = .
Коэффициенты влияния в каждые рассматриваемые моменты времени и по-
ложения забоя равны
"Геотехническая механика" 105
( ) ( ) ( ) ( ) ;
12
1
14
1
5,0
12
1
21
2
1
2*
*
*
*
*
2
2
−
−⋅
−
+−+
−
+−−−=
l
l
l
l
l
r
l
lG
K
tn
tn
tn
s
tn
tn
ii ν
ν
ππ
νν (20)
( ) ( )
,
1
1
18
43
1
2
1
2'
'
2
+
−⋅
−
−+−=
l
l
lG
K
tn
tn
tn
tn
ij ν
ν
π
ν
(21)
где rs – радиус опорной шайбы;
l*=l/lz;
lz – длина закрепляемой части анкера;
l’=l/aij;
аij – расстояние от j-го анкера до рассматриваемого.
На основании рассмотренного алгоритма выполнено исследование взаимо-
действия анкерной крепи с породным массивом в призабойной зоне при сле-
дующих исходных условиях: породный массив представлен аргиллитами: Е=1 -
5⋅103 МПа; ν=0,36, α=0,71; δ=0,008 с-0,29. Глубина ствола Н=500 - 1000 м; γ=0,02
МН/м3; r0=3,25 - 4,75 м. Продолжительность проходческого цикла Tц=24, 30, 36,
42 ч, шаг заходки lз=4,0 м, отставание постоянной крепи от забоя – 25 м. Пара-
метры анкерной крепи: l=2,0 м; Аа=2,01; 2,54; 3,14; 3,8; 4,52 см2; Еа=2,1⋅105
МПа; аij=1,0 м; rs=5 см; lz=50 см.
В результате выполнения расчетов определялась величина натяжения анке-
ров от момента установки до начала возведения постоянной крепи. Таким обра-
зом, рассматривались 7 проходческих заходок и период времени 7 - 12,25 сут, в
зависимости от продолжительности цикла.
На рис. 1 приведена динамика увеличения натяжения анкеров от первой до
седьмой заходки крепи в момент времени окончания 30-часового проходческо-
го цикла. Варьируемые параметры составили: Е=5⋅103 МПа; Н=800 м; r0=3,25 м;
Аа=4,52 см2.
На рис. 2 - 6 рассмотрены зависимости величины натяжения анкеров после
выполнения 7 проходческих циклов с момента установки рассматриваемого ан-
кера от варьируемых параметров.
Анализ представленных зависимостей показывает, что основными влияю-
щими параметрами, определяющими величину полного натяжения анкера, яв-
ляются глубина ствола, модуль деформации пород и площадь поперечного се-
чения анкера.
106 Выпуск № 73
Рис. 1. – Динамика увеличения натяжения анкера по мере подвигания забоя
Зависимость Fa(Н) имеет линейный характер, Fa(Аа) – параболический, зави-
симость Fa(Е) с высокой степенью точности представляется в виде степенной
функции.
Остальные варьируемые параметры не оказывают значительного влияния на
величину натяжения анкера, и их влияние имеет не ярко выраженный парабо-
лический характер.
100,0
125,0
150,0
175,0
200,0
225,0
250,0
275,0
300,0
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
Н, м
F,кН
Рис. 2. – Зависимость полного натяжения анкера от глубины участка
(Е=5⋅103 МПа; r0=3,25 м; Аа=4,52 см2; tц=24 ч).
"Геотехническая механика" 107
200
250
300
350
400
450
500
550
600
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
E, МПа.103
F, кН
Рис. 3. – Зависимость полного натяжения анкера от модуля деформации массива
(Н=800 м; r0=3,25 м; Аа=4,52 см2; tц=24 ч)
150
175
200
225
250
275
300
325
350
2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5
А а , см2
F, кН
Рис. 4. – Зависимость полного натяжения анкера от площади
поперечного сечения анкера
(Е=5⋅103 МПа; Н=800 м; r0=3,25 м; tц=24 ч)
230
235
240
245
250
255
260
265
270
24 27 30 33 36 39 42
t ц , ч
F, кН
Рис. 5. – Зависимость полного натяжения анкера от продолжительности цикла
(Е=5⋅103 МПа; Н=800 м; r0=3,25 м; Аа=4,52 см2)
108 Выпуск № 73
230
235
240
245
250
255
260
265
270
275
280
3,25 3,5 3,75 4 4,25
r 0, ч
F, кН
Рис. 6. – Зависимость полного натяжения анкера от радиуса ствола вчерне
(Е=5⋅103 МПа; Н=800 м; Аа=4,52 см2; tц=24 ч)
В целом количественный анализ полученных данных показывает, что в
большом диапазоне рассмотренных условий величина натяжения превышает
максимальную расчетную нагрузку на принятый тип анкера [2]:
,max уpст mRSP ⋅⋅= (22)
где Sст – площадь стержня, м2;
Rр – расчетное сопротивление материала стержня растяжению, для арма-
турной стали класса А-I, Rр =210 МПа; для класса А-II –
Rр =270 МПа, А-III – Rр =340 МПа;
mу – коэффициент условий работы, в сухих скважинах mу=0,9; во влаж-
ных mу=0,7 - 0,8.
В связи с этим рассмотрим возможность увеличения области применения
анкерной крепи путем обеспечения ограниченной податливости анкеров.
Для этого определим величину полного натяжения анкеров, обладающих
ограниченной радиальной податливостью в пределах pa=5 – 30 мм, при сле-
дующих значениях варьируемых параметров: Е=2,5⋅103 МПа; r0=3,75 м;
Аа=2,01 см2; tц=24 ч.
Расчет натяжения анкеров производится по приведенному выше алгоритму,
с вступлением в работу анкеров после исчерпания податливости.
Снижение величины натяжения при применении податливых анкеров соста-
вит Fотн=Fa.р/Fа, где Fa.р – величина натяжения податливого анкера, Fа – вели-
чина натяжения жесткого анкера в аналогичных условиях.
На рис. 7 представлена полученная зависимость параметра Fотн от величины
податливости анкера.
Анализ полученных результатов показывает, что зависимость параметра
Fотн от величины податливости анкера имеет параболический характер, и в це-
лом включение податливого элемента в конструкцию штанги является эффек-
тивным способом по увеличению области применения анкеров.
"Геотехническая механика" 109
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3
р а , см
F отн
Рис. 7. – Зависимость параметра Fотн от величины податливости анкера
В то же время необходимо отметить, что в общем случае снижение натяже-
ния анкера уменьшает величину упрочнения армированного массива, поэтому
использование податливых конструкций анкеров должно обеспечить величину
параметра Fa, близкую к максимальной несущей способности.
Так автором была определена максимальная область применения жестких
анкеров в трех типах пород (табл. 1), для анкерной крепи с наиболее часто при-
меняемыми на практике параметрами: l=1,8 - 2,2 м; Аа=3,14 см2 (диаметр
стержня 20 мм); lz=100 см, тип используемой арматурной стали – АII, AIII. Диа-
метр ствола в свету составил 6,5 м
Таблица 1. – Реологические характеристики пород
№
п/п
Наименование
пород
Коэффициент
Пуассона
α δ, сα-1
1 Аргиллиты 0,36 0,710 0,008
2 Алевролиты 0,34 0,726 0,0094
3 Песчаники 0,31 0,670 0,0021
Область применения представлена в виде графиков на рис. 8 - 10.
Из графиков видно, что склонность пород к ползучести в значительной сте-
пени определяет область применения анкеров. Если в песчаниках практически
во всем диапазоне горно-геологических условий можно осуществлять крепле-
ние жесткими конструкциями анкеров, то в склонных к ползучести аргиллитах
и алевролитах в широкой области возникает необходимость использования по-
датливых конструкций.
Окончательное определение необходимой податливости анкеров в породах,
склонных к ползучести, должно производиться по результатам натурных изме-
рений значений радиальных перемещений в забое ствола, предварительный
подбор возможен по рассмотренному выше алгоритму.
110 Выпуск № 73
AII
АIII
350
450
550
650
750
850
950
1050
1150
1250
1350
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Е 0, МПа.10-3
Н , м
Рис. 8. – Максимальная область применения жестких анкеров в аргиллитах
AII
АIII
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Е0, МПа
.
10
-3
Н , м
Рис. 9. – Максимальная область применения жестких анкеров в алевролитах
AII
АIII
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
Е 0, МПа
.
10
-3
Н , м
Рис. 10. – Максимальная область применения жестких анкеров в песчаниках
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Н.С. Булычев. Механика подземных сооружений. Учеб. Для вузов. – М.: Недра, 1994.-382 с.
2. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи /ВНИМИ,
ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. − М.: Стройиздат. − 1983. − 272 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31436 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:14:24Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Борщевский, С.В. Левит, В.В. Плешко, М.С. 2012-03-08T21:45:53Z 2012-03-08T21:45:53Z 2007 Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии / С.В. Борщевский, В.В. Левит, М.С. Плешко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 101-110. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31436 622.25.(06) Рассмотрен алгоритм расчета анкерной крепи в породах, склонных к ползучести. Определены зависимости натяжения анкеров от основных факторов. Выполнена оценка эффективности использования анкеров с ограниченной податливостью. Определена область применения анкерной крепи в различных породах. The algorithm of calculation of anchor fasten is considered in breeds, inclined to the creep. Dependences of pull of anchors are certain on basic factors. The estimation of efficiency of the use of anchors is executed with the limited pliability. An application of anchor fasten domain is certain in different breeds. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України Геотехническая механика Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии Research of interaction anchor prop with breeds by vertical shaft sinking on line technology Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии Борщевский, С.В. Левит, В.В. Плешко, М.С. |
| title | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии |
| title_alt | Research of interaction anchor prop with breeds by vertical shaft sinking on line technology |
| title_full | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии |
| title_fullStr | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии |
| title_full_unstemmed | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии |
| title_short | Исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии |
| title_sort | исследование взаимодействия анкерной крепи с породным массивом при проходке вертикального ствола по поточной технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31436 |
| work_keys_str_mv | AT borŝevskiisv issledovanievzaimodeistviâankernoikrepisporodnymmassivompriprohodkevertikalʹnogostvolapopotočnoitehnologii AT levitvv issledovanievzaimodeistviâankernoikrepisporodnymmassivompriprohodkevertikalʹnogostvolapopotočnoitehnologii AT pleškoms issledovanievzaimodeistviâankernoikrepisporodnymmassivompriprohodkevertikalʹnogostvolapopotočnoitehnologii AT borŝevskiisv researchofinteractionanchorpropwithbreedsbyverticalshaftsinkingonlinetechnology AT levitvv researchofinteractionanchorpropwithbreedsbyverticalshaftsinkingonlinetechnology AT pleškoms researchofinteractionanchorpropwithbreedsbyverticalshaftsinkingonlinetechnology |