Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения
Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої виробки аркового перерізу, що закріплено простою конструкцією анкерного кріплення. Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при варіюванні параметру «щільність встановлення анкерів» з метою об...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33551 |
| 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: | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859939967115984896 |
|---|---|
| author | Круковский, А.П. |
| author_facet | Круковский, А.П. |
| citation_txt | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої
виробки аркового перерізу, що закріплено простою конструкцією анкерного кріплення.
Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при варіюванні параметру «щільність встановлення анкерів» з метою обґрунтування межі його підвищення.
The numerical modeling of geomechenical processes around a single arch section mine working, which fixed with the simple design of roof bolting. The change in the distribution of values
of the geomechanical parameters by varying the «density of roof bolting installation» parameter
were analyzed in order to justify the limit of its increasing.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:10:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 622.281.742
Круковский А.П., к. т. н., с.н.с.
(ИГТМ)
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПЛОТНОСТИ УСТАНОВКИ АНКЕРНОЙ
КРЕПИ НА СОСТЯНИЕ ПРИКОНТУРНЫХ ПОРОД ВЫРАБОТКИ
АРОЧНОГО СЕЧЕНИЯ
Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої
виробки аркового перерізу, що закріплено простою конструкцією анкерного кріплення.
Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при варіюванні пара-
метру «щільність встановлення анкерів» з метою обґрунтування межі його підвищення.
THE ANALISIS OF THE EFFECT OF DENSITY OF ROOF BOLTING
INSTALLATION ON THE STATE OF MARGINAL ARCH SECTION
ROCK
The numerical modeling of geomechenical processes around a single arch section mine work-
ing, which fixed with the simple design of roof bolting. The change in the distribution of values
of the geomechanical parameters by varying the «density of roof bolting installation» parameter
were analyzed in order to justify the limit of its increasing.
Регулирование уровня сохранения монолитности массива в более или ме-
нее сложных условиях осуществляется посредством применения различных
типов конструкций АК: простых, усиленных или мощных. Чаще всего на
шахтах Украины применяется простой тип конструкций АК – АКпр, в кото-
рой силовая часть перекрытия сформирована системой анкеров, установлен-
ных в плоскости поперечного сечения выработки. Такая конструкция блоки-
рует развитие смещений только в одном направлении, на их развитие в двух
других главных направлениях не влияет [1]. АКпр используют
- в комбинации с рамной крепью для поддержания неустойчивых пород
кровли путем «подшивки» к основному массиву, свободные смещения кото-
рого не превышают 80 мм;
- как самостоятельная крепь или в комбинированной крепи для ограниче-
ния смещений в выработках вне зоны влияния очистных работ;
- для выемочных штреков, погашаемых вслед за лавой.
Одним из важнейших параметров АК является плотность установки анке-
ров. Известно, что один анкер образует породно-анкерную опору с опреде-
ленной зоной влияния [2]. Чем ближе друг к другу установлены анкера, тем
сильнее взаимодействуют между собой породные опоры, образуя монолитное
перекрытие выработки. Но до какой же степени целесообразно увеличивать
плотность анкерования?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, выполним ряд расчетов напря-
женного состояния одиночной горной выработки, незакрепленной и закреп-
ленной АКпр с различной плотностью установки анкеров.
Рассмотрим выработку арочного поперечного сечения. Такая форма сече-
ния выбрана не случайно. 98 % подготовительных и капитальных выработок
на угольных шахтах Украины имеют арочную форму сечения, так как прак-
тика показала, что выработки этой формы более устойчивы и лучше сохра-
няются при повторном использовании. Проведем расчет для случая, когда
глубина проведения выработки – 260 м. Поперечное сечение выработки соот-
ветствует рамной крепи КШПУ-11,7. Угольный пласт имеет мощность 1,0 м,
вмещающие породы – аргиллит. Для расчетов были взяты физико-
механические свойства, типичные для шахт Западного Донбасса, табл. 1. Они
характеризуются повышенной прочностью угля и низкой прочностью вме-
щающих пород.
Таблица 1 – Свойства пород, использующиеся при расчете
Порода
Модуль
упругости,
Е, МПа
Коэфициент
Пуассона,
Сцепление,
С, МПа
Угол внут-
реннего
трения, ,
о
Прочность
на растяж.,
р , МПа
Аргиллит 1,1*10
4
0,26 2,1 28,5 -2
Уголь 1,33*10
4
0,26 8,7 40 -1
Расчетная схема к решению задачи показана на рисунке 1.
Рис. 1 – Расчетная схема одиночной горной выработки арочного сечения
Задача решается методом конечных элементов в объемной, упруго-
пластической постановке. На рис. 2 представлено распределение параметров
Q, Р и зоны неупругих деформаций вокруг одиночной незакрепленной горной
выработки, в поперечных сечениях.
В горных породах в непосредственной близости от контура выработки ми-
нимальная компонента напряжений становится близкой к нулевому значе-
нию, изолиния а – Р = 0,1, рис. 2. Разрушение приконтурного массива в таких
условиях происходит посредством разделения его на отдельные слабо взаи-
модействующие блоки и требует на свое развитие минимальных затрат энер-
гии. Поэтому для поддержания самопроизвольного развития разрушения гор-
ных пород все дальше вглубь приконтурного массива, как правило, достаточ-
но работы упругих деформаций, вызванных перераспределением компонент
напряжений всесторонне сжатых горных пород.
а – Р = 0,1; b – Р = 0,2; c – Р = 0,4; d – Р = 0,6
Рис. 2 – Распределение значений параметров Q, изолинии параметра Р, зоны неупругих
деформаций вокруг незакрепленной горной выработки арочного поперечного сечения
Зона самопроизвольного развития разрушения, изолиния b, довольно
плотно прилегает к контуру выработки в ее округлой части и отходит от кон-
тура на расстояние до пятой части ширины выработки на прямолинейных
участках боков и почвы. Она полностью включает в себя области в боках вы-
работки, где 0,8 < Q < 1,2, области неупругих деформаций, и рассекает прак-
тически посередине области повышенной разнокомпонентности 1,2 < Q < 1,6.
Развитие разрушения в этой области для незакрепленной выработки начина-
ется в глубине призабойной части массива трещинами, которые развиваются
параллельно изолинии а.
С удалением от контура выработки в зоне, ограниченной изолинией с
(Р = 0,4; рис. 2), минимальная компонента напряжений возрастает до 0,4,
поэтому все большая часть упругой энергии сжатых горных пород расходует-
ся не на развитие разрушения, а на трение между блоками, отдельностями и
берегами трещин. Здесь минимальной компонентой напряжений достигается
пороговое значение, происходит блокирование самопроизвольного режима
разрушения. Система «зона нарушенных горных пород – зона ненарушенных
горных пород» приходит в равновесное состояние.
а)
б)
в)
а) 5 анкеров; б) 7 анкеров; в) 10 анкеров
Рис. 3 – Схема установки конструкции АКпр
Для незакрепленной выработки усилия, прижимающие блоки друг к другу
в своде выработки, незначительны, и сцепление между ними низкое, поэтому
нарушенные горные породы в своде обрушения с отходом забоя под действи-
ем собственного веса приобретают возможность смещений в выработку. В ре-
зультате таких смещений происходит разрыхление горных пород свода и
снижение действующей здесь минимальной компоненты напряжений. Таким
образом, нарушается равновесное состояние системы «зона нарушенных гор-
ных пород – зона ненарушенных горных пород», возникает возможность раз-
вития разрушения вглубь массива, т.е. в ту часть массива, в которой первона-
чально величины минимальной компоненты напряжений достаточны для
блокирования разрушения. Горная выработка в результате именно такого
сценария развития процесса разрушения становится неустойчивой.
Внизу, на практически вертикальных участках боков выработки арочного
поперечного сечения зона самопроизвольного разрушения пород, ограничен-
ная изолинией b (Р = 0,2; рис. 2), также, как правило, формируется до обна-
жения ее забоем и первоначально представляет собой линзу сползания, тол-
щина которой составляет порядка трети высоты выработки. Сдвижение раз-
рушенных горных пород этой зоны провоцирует дальнейшее развитие само-
произвольного разрушения вглубь массива.
Далее рассмотрим ту же горную выработку, в таких же горно-
геологических условиях, закрепленную конструкциями АКпр с различным
количеством анкеров. Схемы установки анкеров показаны на рис. 3.
На рис. 4 представлено распределение параметров Q и Р вокруг выработ-
ки, закрепленной простыми конструкциями АК, состоящими из 5 анкеров, и
зоны неупругих деформаций в поперечных сечениях выработки.
При сравнении рис. 2 и 4 видно, что область неупругих деформаций в
кровле выработки с АКпр уменьшилась, изолиния а здесь практически исче-
зает, изолиния b, Р = 0,2 остается только в областях между анкерами,
Можно заметить, что зона нарушенных, с повышенной трещиноватостью
пород, 1,2 < Q < 1,6, претерпела незначительные изменения – уменьшившись
немного возле анкеров, она слегка расширилась в боках выработки. Образо-
ванная в кровле породно-анкерная плита опирается на незакрепленные бока
выработки, вызывая их скорейшее разрушение. О неустойчивости боков го-
ворит и увеличившаяся зона, ограниченная изолинией а, в которой Р < 0,1.
Область повышенной разнокомпонентности с расслоившихся пород, Q >
1,2, в выработке с АКпр уменьшается, из одной связанной области, охваты-
вающей выработку, превращается в три, разорванные под нижними анкерами.
Представленная схема из 5 анкеров в основном противодействует верти-
кальным смещениям в кровле выработки. При этом максимально нагружены
центральный анкер А1 и два крайних А3. В них нагрузка примерно одинакова
и достигает 90% их несущей способности. При таком расположении анкеров
взаимодействие между ними минимально. Каждый анкер работает самостоя-
тельно.
1)
2)
3)
а – Р = 0,1; b – Р = 0,2; c – Р = 0,4; d – Р = 0,6
1) распределение значений параметра Q, изолинии параметра Р; 2) зоны неупругих
деформаций; 3) распределение значений параметра Q в кровле, продольное сечение
Рис. 4 – Распределение геомеханических параметров, АКпр 5 анкеров
В продольном сечении хорошо видны породно-анкерные опоры, сформи-
рованные вокруг каждого анкера.
Таким образом, установка пяти анкеров в кровле выработки приводит:
- к образованию в кровле простейшего породно-анкерного перекрытия;
- к разрушению горных пород в боках выработки и их обрушению в штрек
в результате давления перекрытия на незакрепленные, разгруженные бока
выработки.
На рис. 5 представлено распределение параметров Q и Р вокруг выработ-
ки, закрепленной простыми конструкциями АК, состоящими из 7 анкеров, и
зоны неупругих деформаций в поперечных сечениях выработки.
При установке дополнительно двух боковых анкеров заметно значитель-
ное улучшение состояния боков выработки. Перекрытие, образованное из уп-
рочненных с помощью пяти анкеров пород кровли, лежит на боковых опорах,
значение параметра Р в которых заметно возрастает по сравнению с преды-
дущим случаем. При этом изолиния а в окрестности бокового анкера вплот-
ную подходит к поверхности боков выработки, что говорит о приостановке
процесса разгрузки пород от горного давления, замедления расслоения, раз-
рушения и высыпания их в выработку.
1)
2)
3)
а – Р = 0,1; b – Р = 0,2; c – Р = 0,4; d – Р = 0,6
1) распределение значений параметра Q, изолинии параметра Р; 2) зоны неупругих
деформаций; 3) распределение значений параметра Q в кровле, продольное сечение
Рис. 5 – Распределение геомеханических параметров, АКпр 7 анкеров
Кроме этого область нарушенных пород, 1,2 < Q < 1,6, значительно
уменьшается по занимаемой площади в боках выработки и разрывается уже
на семь независимых частей, что благоприятно скажется на состоянии при-
контурных пород.
Установка анкеров в борта выработки препятствует их разрушению и по-
вышает устойчивость выработки в целом. Но нагрузка в анкерах, установлен-
ных в кровле, по прежнему высока. Расстояние между ними, особенно между
их донными концами, не позволяет им взаимодействовать. Как и в предыду-
щей схеме, каждый анкер работает самостоятельно. Сформированные вокруг
каждого анкера опоры имеют возможность смещаться относительно друг
друга. По-прежнему сохраняется опасность перегрузки отдельных анкеров,
их разрушение и, как следствие, потеря устойчивости выработки.
Распределение параметров Q и Р вокруг выработки, закрепленной про-
стыми конструкциями АК, состоящими из 10 анкеров, и зоны неупругих де-
формаций в поперечных сечениях выработки показаны на рис. 6.
1)
2)
3)
а – Р = 0,1; b – Р = 0,2; c – Р = 0,4; d – Р = 0,6
1) распределение значений параметра Q, изолинии параметра Р; 2) зоны неупругих
деформаций; 3) распределение значений параметра Q в кровле, продольное сечение
Рис. 6 – Распределение геомеханических параметров, АКпр 10 анкеров
Повышение плотности установки анкеров приводит к увеличению взаимо-
действия между ними – область Q > 0,8 в кровле сокращается, изолинии а и b
плотнее прижимаются к контуру выработки. Сопротивление смещениям в на-
правлении установленным анкерам увеличивается.
Состояние боков выработки, рис. 6, незначительно изменилось в лучшую
сторону, т.к. область нарушенных пород, где 1,2 < Q < 1,6, в них практически
исчезает. Но изолиния а, Р < 0,1, своего положения не изменила, и зона неуп-
ругих деформаций в приконтурной области кровли, между анкерами немного
увеличивается из-за близости их расположения.
Видно, что по сравнению со случаем АКпр 7 анкеров напряжения в цен-
тральных анкерах (А1-А3) уменьшаются. Это связано с перераспределением
нагрузки на большее количество анкеров в кровле. Вместе с тем нагрузка в
крайних анкерах осталась на высоком уровне. Они расположены на границе
кровля-борт выработки. И нагрузка от породно-анкерного перекрытия пере-
дается в этом месте на борта выработки.
Построим зависимость изменения состояния приконтурных пород выра-
ботки от увеличения плотности установки анкеров в простой конструкции
АК. Для этого рассчитаем средние значения параметров Q и Р в заанкерован-
ной области для случаев, количество анкеров Na = 3; 5; 7; 10, 11; 13 и 15 анке-
ров, а расстояние между рядами – 0,8 и 1,0 м. Плотность установки анкеров
рассчитывается по формуле: = Na/S (S – площадь поверхности установки ан-
керов). Полученные зависимости представлены на рис. 7.
а)
б)
а) Зависимость параметр Q от плотности установки анкеров; б) Зависимость параметр
P от плотности установки анкеров
Рис. 7 – Зависимость изменения среднего значения параметров Q и Р в заанкерованной
области от плотности установки АКпр
Полученные кривые хорошо аппроксимируются квадратичными зависимо-
стями вида:
Q = 0,047d
2
– 0,182d + 1,924;
P = – 0,037d
2
+ 0,193d + 0,514.
Таким образом, при дальнейшем увеличении плотности установки АКпр
состояние приконтурного массива не улучшается, значение параметров Q и Р
в заанкерованной области не изменяется в благоприятную сторону, рис. 7, зо-
на неупругих деформаций в приконтурной области между анкерами увеличи-
вается. При этом, как известно из практических наблюдений, чрезмерная
плотность АК влечет за собой ряд негативных последствий:
- при слишком частом бурении шпуров наступает эффект «перфорации»
массива, заключающийся в ослаблении массива;
- повышается риск возникновения трещин между анкерами;
- экономическая нецелесообразность;
- повышение трудоемкости технологии и понижение темпов проходки вы-
работки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СОУ 10.1.05411357.010:2008. Система забезпечення надійного та безпечного функціонування гірни-
чих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги. – К.: Мінвуглепром України, 2008. – 83 с.
2. Булат А. Ф., Виноградов В. В. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт / Ин-т
геотехнической механики НАН Украины – Днепропетровск, 2002. – 372 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33551 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:10:43Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Круковский, А.П. 2012-05-28T16:30:32Z 2012-05-28T16:30:32Z 2011 Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33551 622.281.742 Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої виробки аркового перерізу, що закріплено простою конструкцією анкерного кріплення. Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при варіюванні параметру «щільність встановлення анкерів» з метою обґрунтування межі його підвищення. The numerical modeling of geomechenical processes around a single arch section mine working, which fixed with the simple design of roof bolting. The change in the distribution of values of the geomechanical parameters by varying the «density of roof bolting installation» parameter were analyzed in order to justify the limit of its increasing. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения The analisis of the effect of density of roof bolting installation on the state of marginal arch section rock Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения Круковский, А.П. |
| title | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения |
| title_alt | The analisis of the effect of density of roof bolting installation on the state of marginal arch section rock |
| title_full | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения |
| title_fullStr | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения |
| title_full_unstemmed | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения |
| title_short | Анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения |
| title_sort | анализ влияния плотности установки анкерной крепи на состяние приконтурных пород выработки арочного сечения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33551 |
| work_keys_str_mv | AT krukovskiiap analizvliâniâplotnostiustanovkiankernoikrepinasostânieprikonturnyhporodvyrabotkiaročnogosečeniâ AT krukovskiiap theanalisisoftheeffectofdensityofroofboltinginstallationonthestateofmarginalarchsectionrock |