Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью
Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої 
 виробки тривалого терміну використання, що проводиться із застосуванням рамного та 
 двох видів анкерно-рамного кріплення, у тривимірній пружно-пластичній постановці. 
 Проаналізовано зміну розп...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33586 |
| 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: | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860124922450280448 |
|---|---|
| author | Круковский, А.П. |
| author_facet | Круковский, А.П. |
| citation_txt | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої 
виробки тривалого терміну використання, що проводиться із застосуванням рамного та 
двох видів анкерно-рамного кріплення, у тривимірній пружно-пластичній постановці. 
Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при утворенні у покрівлі виробки породно-анкерного перекриття. Доведено можливість заміни профілю, з якого 
зроблено рами, на полегшений.
The research of changes of stress-strain state of solid rocks edge around the mine working 
with anchor-frame support was executed. Solution of unsteady problem of geomechanic is found 
with finite element method. The article was presented the distribution of fields of geomechanical 
parameters with different types frame support.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:41:12Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 622.281.6
А.П. Круковский, к. т. н., с.н.с.
(ИГТМ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ
КРЕПИ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩЕГО
МАССИВА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЫРАБОТКИ С АНКЕРНО-РАМНОЙ
КРЕПЬЮ
Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої
виробки тривалого терміну використання, що проводиться із застосуванням рамного та
двох видів анкерно-рамного кріплення, у тривимірній пружно-пластичній постановці.
Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при утворенні у покрі-
влі виробки породно-анкерного перекриття. Доведено можливість заміни профілю, з якого
зроблено рами, на полегшений.
INVESTIGATION OF THE EFFECT DECREASING OF METAL
CONSUMPTION ON STRESS STATE OF SOLID EDGE OF MINE
WORKING WITH ANCHOR-FRAME SUPPORT
The research of changes of stress-strain state of solid rocks edge around the mine working
with anchor-frame support was executed. Solution of unsteady problem of geomechanic is found
with finite element method. The article was presented the distribution of fields of geomechanical
parameters with different types frame support.
Затраты на крепление горных выработок являются одной из основных ста-
тей расходов при подземной разработке полезных ископаемых. При этом
проведение ремонтных работ для восстановления разрушенной крепи часто
требует намного больше времени и средств, чем начальная установка. Поэто-
му эффективность разработки угольных месторождений в значительной мере
связана с проблемой обеспечения устойчивости подготовительных вырабо-
ток. В связи с этим снижение затрат на крепление горных выработок и одно-
временно поддержание их в устойчивом состоянии в течение всего срока
службы является актуальной задачей.
В настоящее время наиболее эффективным средством управления горным
давлением является анкерная крепь (АК) с полимерным закреплением. Мас-
штабы применения анкеров достигли значительных объемов. Так на шахтах
ПАО «Павлоградуголь» и ПАО «Краснодонуголь» объемы проводимых вы-
работок с анкерной и анкерно-рамной крепью достигли 50-80%, а общая про-
тяженность за последние три года превысила 200 км.
В мире еще не накоплено достаточно опыта поддержания выработок дли-
тельного срока службы с чисто анкерной крепью. Поэтому одним из направ-
лений сохранения капитальных горных выработок в устойчивом состоянии
является комбинированное применение анкеров с рамной крепью. При этом
анкера выступают как основная крепь, и схема их установки должна преду-
сматривать минимизацию смещений приконтурных пород. Таким требовани-
ям удовлетворяет разработанная в ИГТМ НАН Украины технология силового
анкерного крепления. Она предусматривает применение усиленных и мощ-
ных конструкций схем установки анкерной крепи. Благодаря такому подходу
нагрузки на рамы значительно снижаются, и появляется возможность приме-
нения рам из СВП меньшего типоразмера, снижаются затраты на проведение
и безремонтное поддержание выработки, а также повышаются темпы ее про-
ведения.
Конструкция АК определяется схемой размещения и параметрами анке-
ров. При установке анкеров с наклоном не только на борт, но и вперед на за-
бой и назад формируется мощная конструкция анкерной крепи (АКпт) [1].
Она блокирует развитие трещин во всех трех возможных направлениях. Кон-
струкция АКпт сохраняет наивысший для применения АК уровень монолит-
ности приконтурных пород. Это позволяет максимально поднять эффектив-
ность, надежность и безопасность выработок с АК в качестве самостоятель-
ной или комбинированной.
В качестве примера рассмотрим проведение конвейерного штрека пласта
С6 панели № 2 шахты «Юбилейная» ПАО «Павлоградуголь». Традиционно
выработки длительного срока службы на этой шахте проводились с примене-
нием рамной крепи из спецпрофиля СВП-27 с шагом установки 0,5 м. Но да-
же такая плотная установка рам не позволяла поддерживать выработки в ус-
тойчивом состоянии. Для повышения их устойчивости и уменьшения метал-
лоемкости крепи в Институте геотехнической механики были разработаны
рекомендации по проведению выработок с применением анкерно-рамной
крепи. Анкерные системы, устанавливаемые по схемам АКпт, в этой крепи
играют роль основного грузонесущего элемента, металлические рамы выпол-
няют вспомогательную роль.
В конвейерном штреке рамы КШПУ-11,7 из взаимозаменяемого спецпро-
филя СВП-22 и анкера устанавливались с шагом 1 м. Кровля и бока выработ-
ки затягивались металлической сеткой. Общее состояние конвейерного штре-
ка показало эффективность предложенных схем и позволило рассмотреть во-
прос о дальнейшем снижении металлоемкости крепи. На экспериментальном
участке устанавливалась облегченная крепь КШПУ-11,7 из взаимозаменяемо-
го спецпрофиля СВП-19. Длина экспериментального участка выработки со-
ставила 160 м.
Относительно горно-геологических условий проведения выработки можно
отметить следующее. Для аргиллитов и алевролитов как кровли, так и почвы
пласта характерна невысокая прочность на сжатие и особенно на растяжение.
Данные породы обладают явно выраженной слоистостью с чередованием
слойков разной мощности. В связи с этим породы характеризуются весьма
значительной анизотропией прочностных свойств и склонностью к расслое-
нию. Традиционно для условий Западного Донбасса уголь обладает достаточ-
но высокой прочностью по сравнению с вмещающими породами, но вместе с
тем он хрупкий.
Проведем расчет геомеханических параметров для трех случаев, когда вы-
работка закреплена:
1) рамной крепью из спецпрофиля СВП-27 c шагом установки рам 0,5 м;
2) анкерно-рамной крепью, с рамами из спецпрофиля СВП-22 в соответст-
вии со схемой представленной на рис. 1 (шаг установки анкеров и рам 1 м);
3) анкерно-рамной крепью, с рамами из спецпрофиля СВП-19 и такой же
схемой установки анкеров (шаг установки анкеров и рам 1 м).
Рис. 1 – Схема установки АКпт в различных сечениях
Задача решается с применением метода конечных элементов в объемной,
упруго-пластической постановке. Основные свойства горных пород для рас-
сматриваемого участка представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики горных пород
№ Порода
Мощ-
ность, м
Прочность на
одноосное
сжатие, сж ,
МПа
Модуль уп-
ругости, Е,
МПа
Прочность
на растяже-
ние, р ,
МПа
1 уголь пласт
С6
1
0,1 30 0,3310
4
2
2 аргиллит 0,7 7 1,110
4
1,3
3 алевролит 2,8 7 1,010
4
1,1
4 аргиллит 4,0 7 1,110
4
1,3
5 алевролит 1,2 7 1,010
4
1,1
6 аргиллит 0,8 7 1,110
4
1,3
7 уголь пласт
С6
1,1 37 0,3310
4
1,4
8 аргиллит 2,0 7 1,110
4
1,3
9 алевролит 2,2 7 1,010
4
1,1
Расчетная схема к решению задачи показана на рисунке 2.
Рис. 2 – Расчетная схема к решению задачи
Для оценки степени разнокомпонентности поля напряжений будем ис-
пользовать параметры 31 HQ и ;3 HP где Н – высота выше-
лежащих горных пород; – их средняя плотность; 1 и 3 – максимальная и
минимальная компоненты главных напряжений [2].
На рисунке 3 показаны распределения значений параметров Q, Р и зоны
неупругих деформаций для выработки, закрепленной рамной крепью СВП-27
c шагом установки рам 0,5 м.
а) б)
а) значения параметров Р и Q; б) зона неупругих деформаций (черный цвет)
Рис. 3 – Распределение геомеханических параметров для выработки,
закрепленной рамной крепью из спецпрофиля СВП-27
В горных породах в непосредственной близости от контура выработки ми-
нимальная компонента напряжений становится близкой к нулевому значе-
нию. Разрушение приконтурного массива в таких условиях происходит по-
средством разделения его на отдельные слабо взаимодействующие блоки и
требует на свое развитие минимальных затрат энергии. Области нарушенных,
с повышенной трещиноватостью пород, где 1,2 < Q < 1,6, рис. 3 а, располо-
жены в кровле и боках выработки и повторяют контур зоны неупругих де-
формаций, рисунке 3 б. Из-за незначительного отпора рамной крепи значение
параметра P, определяющеего величину приведенной минимальной компо-
ненты главных напряжений, в приконтурной области близко к 0, а непосред-
ственно на контуре отрицательно. Видно, что зона неупругих деформаций
распространяется в аргиллите над и под угольным пластом, который имеет
более высокую прочность по сравнению с вмещающими породами.
Для выработки с рамной крепью усилия, прижимающие блоки друг к другу в
своде выработки, незначительны, и сцепление между ними низкое, поэтому на-
рушенные горные породы в своде обрушения с отходом забоя под действием
собственного веса приобретают возможность смещений в выработку. В результа-
те таких смещений происходит разрыхление горных пород свода и снижение
действующей здесь минимальной компоненты напряжений.
На рисунке 4 показаны распределения значений параметров Q, Р и зоны не-
упругих деформаций для выработки, закрепленной анкерно-рамной крепью. Ра-
мы изготовлены из спецпрофиля СВП-22, анкерное крепление соответствует схе-
ме, представленной на рис. 1. Шаг установки анкеров и рам 1 м.
а) значения параметров Q и Р; б) зона неупругих деформаций
Рис. 4 – Распределение геомеханических параметров для выработки,
закрепленной анкерно-рамной крепью (рамы из спецпрофиля СВП-22)
Можно видеть, что в кровле выработки при помощи системы анкеров сфор-
мировано перекрытие, значение параметра Q в котором не превышает 0,4. Гор-
ные породы в перекрытии сохранены в нетронутом, монолитном состоянии.
Площадь области нарушенных пород, в которой 1,2 < Q < 1,6, значительно
уменьшилась по сравнению с рисунке 3. Параметр P в области воздействия анке-
ров на горные породы кровли имеет значение более 0,2. Зона неупругих дефор-
маций в кровле практически исчезла и заметно сократилась в боках выработки.
Распределения значений параметров Р и Q и зоны неупругих деформаций для
выработки, закрепленной анкерно-рамной крепью, с рамами СВП-19 и такой же
схемой АК, как в предыдущем случае, показаны на рисунке 5. Шаг установки ан-
керов и рам 1 м. Видно, что так же, как и на рисунке 4, зоны неупругих деформа-
ций, развивающиеся в породах боков выработки, не распространяются на пород-
но-анкерное перекрытие кровли. Можно сказать, что оно находится в упругом
напряженном состоянии. То есть, анкерная крепь сохраняет вмещающие породы
в ненарушенном, монолитном состоянии, со значениями параметра Q, характер-
ными для нетронутого массива, и практически не позволяет развиваться неупру-
гим деформациям.
Наклон крайних анкеров на борта выработки увеличивает ширину породно-
анкерного перекрытия, дает ему возможность опереться на бока и предотвращает
его опускание внутрь выработки. Боковые анкера (БА) устанавливаются в борта
выработки для образования опоры конструкции анкерного крепления для вос-
приятия и передачи нагрузки на основание и уменьшения нагрузки на горные по-
роды в боках выработки.
В случае анкерно-рамной крепи с рамами СВП-19 анкера нагружены немного
больше, рисунке 5, чем при анкерно-рамной крепи с рамами СВП-22, рисунке 4,
в связи с уменьшением жесткости рамной крепи.
а) значения параметров Q и Р; б) зона неупругих деформаций
Рис. 5 – Распределение геомеханических параметров для выработки,
закрепленной анкерно-рамной крепью (рамы из спецпрофиля СВП-19)
В целом же напряженное состояние вмещающих пород в этих двух случаях
практически не отличается, что говорит о возможности использования рам СВП-
19 вместо СВП-22 без потери качества крепления, но с заметной экономией мате-
риала.
Практические наблюдения за состоянием экспериментального участка кон-
вейерного штрека пласта С6 панели № 2 шахты «Юбилейная» ОАО «Павлоград-
уголь» с облегченной рамной крепью показали:
- наличие следов резцов исполнительного органа на поверхности боков и
кровли выработки говорит о сохранении монолитности вмещающих пород;
- показания контурных индикаторов и маркшейдерские замеры свидетельст-
вуют о минимальных смещениях боков (до 5 мм) и отсутствии смещения кровли
и пучения почвы выработки;
- отсутствуют деформации анкерных шайб и гаек, замков на рамной крепи,
что означает нормальную работу крепи, которая находится в неперегруженном
состоянии;
- большинство металлических рам не вступают в контакт с породным конту-
ром выработки, т.е. не нагружаются.
В результате проведенных теоретических исследований и практических на-
блюдений установлено следующее.
1) Применение конструкций АК понижает значение параметра Q и увеличи-
вает значение параметра Р в заанкерованной области. Это говорит о снижении
степени разнокомпонентности напряжений в породно-анкерном перекрытии и
разгрузки минимальной компоненты поля напряжений, т.е. о приближении со-
стояния пород кровли к состоянию всестороннего сжатия, характерному для не-
тронутого массива.
2) Применение конструкций АКпт с облегченной рамной крепью из СВП-19
не вызывает ухудшения состояния породно-анкерного перекрытия в кровле вы-
работки по сравнению с анкерно-рамной крепью с рамами из СВП-22, так как
значения параметров Q и Р здесь практически не изменяются, размер зоны неуп-
ругих деформаций не возрастает.
3) Экспериментальные наблюдения подтвердили возможность применения
облегченной крепи, так как при этом сохраняется монолитность вмещающих по-
род, смещения боков минимальны (до 5 мм), отсутствуют смещение кровли и пу-
чение почвы выработки; отсутствуют деформации анкерных шайб и гаек, замков
на рамной крепи, большинство металлических рам не вступают в контакт с по-
родным контуром выработки.
4) Экономический эффект при использовании АКпт с облегченной рамной
крепью достигается не только за счет уменьшения металлоемкости арочных кре-
пей, но и за счет уменьшения трудозатрат на ее транспортирование и возведение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СОУ 10.1.05411357.010:2008. Система забезпечення надійного та безпечного функ-ціонування гірни-
чих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги. – К.: Мінвуглепром України, 2008. – 83 с.
2. Круковский А.П. Формирование породной опоры с применением анкера высокой несущей способно-
сти // Геотехническая механика: Сб. научн. тр./НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск, 2005. – № 55. – С.
82-91.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33586 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:41:12Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Круковский, А.П. 2012-05-28T17:53:25Z 2012-05-28T17:53:25Z 2011 Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33586 622.281.6 Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів навколо одиночної гірничої 
 виробки тривалого терміну використання, що проводиться із застосуванням рамного та 
 двох видів анкерно-рамного кріплення, у тривимірній пружно-пластичній постановці. 
 Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних параметрів при утворенні у покрівлі виробки породно-анкерного перекриття. Доведено можливість заміни профілю, з якого 
 зроблено рами, на полегшений. The research of changes of stress-strain state of solid rocks edge around the mine working 
 with anchor-frame support was executed. Solution of unsteady problem of geomechanic is found 
 with finite element method. The article was presented the distribution of fields of geomechanical 
 parameters with different types frame support. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью Investigation of the effect decreasing of metal consumption on stress state of solid edge of mine working with anchor-frame support Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью Круковский, А.П. |
| title | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью |
| title_alt | Investigation of the effect decreasing of metal consumption on stress state of solid edge of mine working with anchor-frame support |
| title_full | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью |
| title_fullStr | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью |
| title_full_unstemmed | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью |
| title_short | Исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью |
| title_sort | исследование влияния снижения металлоемкости крепи на напряженное состояние вмещающего массива при проведении выработки с анкерно-рамной крепью |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33586 |
| work_keys_str_mv | AT krukovskiiap issledovanievliâniâsniženiâmetalloemkostikrepinanaprâžennoesostoânievmeŝaûŝegomassivapriprovedeniivyrabotkisankernoramnoikrepʹû AT krukovskiiap investigationoftheeffectdecreasingofmetalconsumptiononstressstateofsolidedgeofmineworkingwithanchorframesupport |