МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПОРОТНІКОВ В’ячеслав Вікторович

УДК 622.28:624.046

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗМІЦНЕННЯ ТРУБЧАСТИМИ АНКЕРАМИ СЛАБКИХ ПРИКОНТУРНИХ ПОРІД

ПІДЗЕМНИХ ВИРОБОК

Спеціальність: 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого

виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: | доктор технічних наук, доцент, професор
кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

КОВАЛЕВСЬКА

Ірина

Анатоліївна

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор, завідувач
кафедри транспортних систем і технологій Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) | ШИРІН

Леонід

Никифорович

кандидат технічних наук, директор шахтоуправління ім. Героїв Космосу ВАТ "Павлоградвугілля" Міністерства палива і енергетики України (м. Павлоград)

КУКЛІН

Володимир

Юрійович

Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин

Захист відбудеться 19.05.2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при
Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки
України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,
тел.(0562)47-24-11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий 18.04.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

кандидат технічних наук, доцент В.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Забезпечення стійкості підземних гірничих виробок ресурсозберігаючими технологіями зміцнення приконтурних порід анкерним кріпленням є важливим і актуальним напрямком підвищення ефективності роботи вугільних шахт. Особливого значення ця проблема набуває при спорудженні й експлуатації підземних виробок у слабких гірських породах, які характеризуються інтенсивним розвитком зсувів породного контуру і навантажень на кріплення, що породжує надмірні матеріальні і трудові витрати. У цих умовах ресурсозберігаюче анкерне кріплення повинно мати високу реакцію опору протягом тривалого періоду її піддатливості. Серед великого різноманіття сучасних конструкцій анкерів ефективним режимом постійно високого опору (при піддатливості 200...500 мм і більш) найбільшою мірою володіють трубчасті анкери, у тому числі і за рахунок зміцнення матеріалу несучого елемента (металевої труби) при їх установленні енергією вибуху. Однак при зміцненні слабких гірських порід спостерігається істотна невідповідність високої міцності на розрив несучого елемента і низької міцності його закріплення в шпурі через незадовільний режим взаємодії існуючих конструкцій трубчастих анкерів (під осьовим навантаженням) з породними стінками шпуру. Тому керування параметрами взаємодії системи "трубчастий анкер-стінки шпуру" у слабких гірських породах для досягнення високоефективного режиму постійного опору трубчастого анкера є актуальною науково-технічною задачею підвищення стійкості гірничих виробок шляхом оптимізації напружено-деформованого стану зазначеної системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національного гірничого університету відповідно до "Положення концепції наукової, науково-технічної та інноваційної політики в системі вищої освіти України", ухваленого колегією Міністерства від 28 березня 2001 року, планом держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України: тема
ГП-335 "Геомеханічні основи ресурсозбереження при зміцненні масиву навколо виробки беззамковим анкерним кріпленням", № держреєстрації 0104U000777; тема ГП-302 "Наукові основи геотехнології безлюдного виймання вугільних пластів", № держреєстрації 0103U001273; тема ГП-346 "Наукові основи геомеханіки зміцнення слабких порід навколо гірничих виробок", № держреєстрації 0105U000500, що відповідають координаційному плану Міністерства освіти і науки України фундаментального напрямку "Гірничі науки".

Мета роботи – підвищення стійкості підтримуваних підземних виробок у слабких породах на базі установлення закономірностей щодо оптимізації параметрів силової взаємодії трубчастих анкерів з породними стінками шпуру.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні задачі:

- обґрунтувати вихідні геомеханічні параметри ефективного зміцнення слабких порід анкерами і механізм його досягнення в удосконаленій конструкції трубчастих анкерів другої модифікації (ТА2);

- визначити і дослідити напружено-деформований стан системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру";

- розробити аналітичну модель оптимізації параметрів силової взаємодії системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру";

- провести лабораторні дослідження з вибору раціональних складів заповнювача внутрішньої порожнини трубчастого анкера ТА2 і шахтні випробування режимів його роботи;

- створити інженерну методику вибору раціональних параметрів трубчастих анкерів ТА2 і впровадити результати роботи в нормативно-технічну документацію.

Ідея роботи – керування параметрами взаємодії геомеханічної системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру" шляхом регулювання механічними властивостями матеріалу заповнювача внутрішньої порожнини анкера.

Об'єкт досліджень – геомеханічна система "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру".

Предмет досліджень – силова взаємодія елементів геомеханічної системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру".

Методи досліджень – поставлена мета досягнута на основі комплексного підходу, що включає: аналіз і узагальнення сучасних досліджень процесів взаємодії кріплення підземних гірничих виробок з породним масивом і методів вибору раціональних параметрів зміцнення приконтурних порід анкерами; аналітичні дослідження напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру" методами механіки твердого тіла, що деформується; експериментальні лабораторні та шахтні дослідження параметрів трубчастих анкерів з використанням методів планування багатофакторного експерименту і кореляційно-дисперсійного аналізу його результатів.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Максимальна реакція опору трубчастого анкера ТА2 у піддатливому режимі досягається при модулі деформації заповнювача, що не розширюється, не нижче граничного значення, що визначається за лінійним зв'язком з коефіцієнтом Пуассона заповнювача і степеневою залежністю від співвідношення внутрішнього і зовнішнього діаметрів металевої труби, а також відношення модуля пружності трубної заготовки до модуля деформації стінок шпуру. Урахування цієї закономірності дозволяє у слабких породах реалізувати високоефективний режим постійного опору трубчастого анкера ТА2 при одночасному зниженні його металоємності до 30-50%.

2. При жорсткості заповнювача, що не розширюється, нижче граничного значення максимальна реакція опору трубчастого анкера ТА2 забезпечується заповнювачем, у складі якого процентний вміст портландцементу, що розширюється, нелінійно залежить від величини необхідного початкового тиску на контакті заповнювача з металевою трубою і лінійно – від піщано-цементного відношення сухої суміші. Це дозволило в слабких породах підвищити несучу здатність трубчастого анкера ТА2 у 1,7...3,6 рази.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше розкритий механізм силової взаємодії елементів системи "заповнювач-металева труба-стінки шпуру", що забезпечує досягнення високоефективного режиму постійно максимального опору трубчастого анкера ТА2 протягом усього періоду його піддатливості при роботі в слабких гірських породах.

2. Створена нова методика розрахунку напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру", що враховує реальну епюру розподілу зсувів породного масиву за довжиною анкера і вплив заповнювача на внутрішню поверхню металевої труби.

3. Вперше сформульовані критерії оптимізації напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру", на основі яких установлені взаємозв'язки механічних і геометричних параметрів системи, що забезпечують максимальну реакцію анкера ТА2 у режимі піддатливості.

4. Вперше встановлені закономірності зміни механічних характеристик матеріалу заповнювача, що враховують процентний вміст портландцементу, що розширюється, і визначені залежності для вибору раціональних складів суміші, що твердіє, які забезпечують цілісність заповнювача протягом усього періоду роботи анкера ТА2.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлена: коректною постановкою задач і використанням фундаментальних положень механіки твердого тіла, що деформується, при аналітичних дослідженнях напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру"; використанням апробованих методів проведення лабораторних і шахтних експериментів, кореляційно-дисперсійного аналізу їх результатів, контролем точності і похибки вимірювальної апаратури; задовільною збіжністю результатів аналітичних та експериментальних досліджень – розбіжність розрахункових і експериментальних значень реакції опору трубчастого анкера ТА2 (при раціональних параметрах його заповнювача) не перевищувала 10%.

Наукове значення роботи полягає у розкритті механізму регулювання процесу взаємодії трубчастого анкера ТА2 зі слабкими породними стінками шпуру, що відбивається у встановленні закономірностей зміни поля напруг у системі "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру" залежно від механічних і геометричних параметрів її елементів.

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні вихідних геомеханічних параметрів ефективного зміцнення анкерами слабких гірських порід; в експериментальному встановленні зв'язку механічних характеристик заповнювача з піщано-цементного каменю з параметрами складу сухої суміші протягом всього часу його твердіння; у розробці науково обґрунтованої інженерної методики з вибору раціональних параметрів трубчастих анкерів ТА2 для зміцнення слабких гірських порід.

Реалізація результатів роботи. Основні положення роботи використані при розробці: методики розрахунку вихідних параметрів проявів гірського тиску у виробках, проведених у слабких гірських породах; графічної методики розрахунку необхідних раціональних параметрів анкера; інженерної методики розрахунку параметрів трубчастого анкера ТА2 (розглянуто і схвалено на наукових семінарах НГУ, 2003-2006), робочої документації кріплення виїмкових штреків шахт ВАТ "Павлоградвугілля".

Особистий внесок здобувача полягає: в аналізі й узагальненні сучасних досліджень по зміцненню приконтурних порід підземних гірничих виробок анкерним кріпленням; формулюванні мети й ідеї роботи, постановці задач дослідження; визначенні геомеханічних вимог до конструкцій анкерного кріплення для слабких гірських порід; обґрунтуванні й описі механізму взаємодії удосконаленої конструкції трубчастих анкерів ТА2 зі слабкими породами; визначенні й оптимізації напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-стінки шпуру"; проведенні лабораторних і шахтних досліджень; створенні інженерної методики вибору раціональних параметрів трубчастих анкерів ТА2.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних симпозіумах "Неделя горняка – 2004" (Москва, 2004) і International Mining Forum New Technologies in Underground Mining Safety in Mines”, Szkola Ekspluatacji Podziemnej (Краков-Щирк, 2004, 2005), на науково-технічній конференції "Застосування анкерних систем для кріплення підготовчих виробок в умовах Західного Донбасу" (Павлоград, 1999), на технічних радах ВАТ "Павлоградвугілля", "Селідоввугілля" та наукових семінарах НГУ (2003-2006).

Публікації. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи викладені в монографії, 6 статтях у фахових науково-технічних журналах і 3 доповідях у матеріалах міжнародних симпозіумів.

Структура та обсяг дисертації

Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаних джерел із 177 найменувань на 15 сторінках; містить 126 сторінок машинописного тексту, 43 рисунки, таблицю і додаток на 5 сторінках; загальний обсяг роботи – 189 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Світовий досвід розвитку гірничодобувної промисловості, вітчизняні дослідження процесів анкерного зміцнення приконтурного гірського масиву, у тому числі і слабких гірських порід Західного Донбасу, підкреслюють безсумнівну актуальність (як у даний час, так і на перспективу) застосування анкерного кріплення для ефективної і ресурсозберігаючої підтримки гірничих виробок.

Значний внесок у розвиток теорії і практики анкерного кріплення підземних гірничих виробок внесли вітчизняні і зарубіжні вчені і фахівці: Бондаренко В.І., Бузило В.І., Булат А.Ф., Виноградов В.В., Друцко В.П., Заславський Ю.З., Зборщик М.П., Ковалевська І.А., Колоколов О.В., Кузьменко О.М., Куклін В.Ю., Мельников М.І., Перепелиця В.Г., Петренко В.Д., Піньковський Г.С., Рахутін В.С., Савостьянов О.В., Семевський В.Н., Симанович Г.А., Тимофєєв О.В., Усаченко Б.М., Халимендик Ю.М., Шашенко О.М., Широков А.П., Ширін Л.Н. та інші.

Аналіз сучасних теорій взаємодії кріплення з породним масивом і існуючих рекомендацій з вибору раціональних параметрів анкерів дає підставу стверджувати, що в умовах слабких гірських порід (у тому числі шахт Західного району Донбасу) анкерне кріплення повинне мати постійно високу реакцію опору протягом усього тривалого режиму піддатливості. Такий високоефективний режим роботи можливо реалізувати, на наш погляд, у конструкціях беззамкових анкерів, де постійно високий опір у процесі піддатливості забезпечується силами тертя за всією поверхнею контакту несучого елемента анкера з породними стінками шпуру. Дослідження роботи залізобетонних і сталеполімерних анкерів указують на істотне падіння (у 2...5 разів) опору при їх піддатливості більш 50...100 мм. Існуючі конструкції трубчастих анкерів, встановлюваних енергією вибуху заряду вибухової речовини (ВР), володіють необхідними потенційними можливостями, але через незадовільний режим їх взаємодії зі слабкими породними стінками шпуру спостерігається втрата контакту на частині поверхні і, як наслідок, зниження реакції опору в слабких породах. Тому пропонується наукове обґрунтування технічного рішення з керування процесом взаємодії системи "трубчастий анкер ТА2-породні стінки шпуру" за рахунок регулювання механічних характеристик матеріалу заповнювача внутрішньої порожнини анкера в напрямку досягнення його максимальної реакції опору в слабких гірських породах.

Послідовність і взаємозв'язок виконання досліджень найбільш повно відображає структурно-логічна схема (рис.1) реалізації мети й основних задач дисертації, сформульованих у характеристиці роботи.

Для обґрунтованого прийняття технічних рішень з підвищення ефективності зміцнення слабких порід трубчастими анкерами були оцінені геомеханічні параметри прогнозованих проявів гірського тиску відповідно до діючих нормативних методик (див. рис.1, блок 1). Установлено, що для умов шахт Західного Донбасу анкер повинний мати піддатливість у 200...500 мм і більш.

Виходячи із сучасних геомеханічних уявлень про взаємодію гірського масиву з кріпленням виробки, отримано вираз з розрахунку радіуса зони граничної рівноваги

, (1)

де – прогнозований зсув покрівлі виробки; і – радіус склепіння і глибина закладення виробки; , , і – відповідно межа міцності на одноосьовий стиск, модуль деформації, коефіцієнт Пуассона і середньозважена об'ємна вага порід.

Формула (1) потрібна для визначення необхідної реакції, координат установлення й активної довжини анкера за методикою
д.т.н. І.А. Ковалевської, відповідно до якої для умов шахт Західного Донбасу побудований комплекс номограм для оперативного виконання розрахунків. Установлено, що анкер повинний мати реакцію опору в піддатливому режимі до 150...250 кН.

Дослідження процесів взаємодії трубчастого анкера ТА1 (рис.2, б) у слабких породах на основі існуючих і доповнених автором уявлень про механізм взаємодії системи "трубчастий анкер-породні стінки шпуру" показали (друга задача блоку 1 на рис.1) її яскраво виражену нерівноміцність.

Рис.2. – Конструкція спорядженої вибуховою речовиною

трубної заготовки (а), трубчастого анкера ТА1 (б) і

трубчастого анкера ТА2 (в):

1 – шпур; 2 – трубна заготовка; 3 – глиняна пробка;

4 – детонувальний шнур ДША чи ДШВ; 5 – електродетонатор;

6 – електропровода; 7 – заповнювач (пісок, вода);

8 – матеріал, що розширюється при твердінні

На рис.3 наведений діапазон зміни міцності закріплення трубчастого анкера ТА1 стосовно його міцності на розрив в інтервалі зміни тривалої міцності слабких порід на стиск для умов шахт Західного Донбасу ( і – внутрішній діаметр трубчастого анкера і діаметр шпуру). Як бачимо, потенційно високі можливості трубчастого анкера ТА1, який застосовується при зміцненні міцних і середньої міцності гірських порід, розкриті усього в інтервалі від 3-5 до 30-40%. Для нейтралізації цього негативного явища пропонується примусове обмеження поперечних деформацій звуження металевої труби (при осьовому навантаженні) за допомогою матеріалу, що твердіє та вводиться в її внутрішню порожнину після установлення в шпурі вибуховим способом.

Даний принцип примусового обмеження потребує дослідження й оптимізації механічних процесів взаємодії удосконаленої конструкції трубчастого анкера ТА2 (рис.2, в), який являє собою триєдину систему "матеріал, що твердіє-металева труба-породні стінки шпуру", що й увійшло в задачі блоку 2 структурно-логічної схеми (див. рис. 1).

Для дослідження напружено-деформованого стану (НДС) зазначеної триєдиної системи за основу автором був прийнятий метод розрахунку беззамкових анкерів, розвитий у роботах проф. Симановича Г.А.

Стосовно до конструкції трубчастого анкера ТА2 розрахункова схема його силової взаємодії з породними стінками шпуру наведена у вигляді тришарового циліндра: внутрішній суцільний циліндр імітує заповнювач з механічними характеристиками – модуль деформації , коефіцієнт Пуассона , межа міцності на стиск і розтягання ; другий шар імітує металеву трубу (модуль пружності , коефіцієнт Пуассона і границя текучості ); третій шар – породні стінки шпуру (модуль деформації , коефіцієнт Пуассона , межа міцності на стиск і розтягання ).

У створеній моделі розрахунку НДС системи "трубчастий анкер-породні стінки шпуру" відбиті особливості деформування конструкції ТА2: наявність заповнювача внутрішньої порожнини металевої труби, можливість його розриву в поперечному перерізі, коли осьові напруги перевищать межу міцності на розтягання ; взаємовпливний зв'язок дотичних напружень на контакті "анкер-порода" і осьових напруг у металевій трубі та заповнювачі в режимі піддатливості трубчастого анкера ТА2.

Для вирішення задачі використаний метод послідовних наближень у комбінації з різними способами розв’язання класичних диференціальних рівнянь у циліндричних координатах для окремих шарів тришарового циліндра. Отримані вирази для визначення всіх компонент поля напруг системи, які не наведені через обмежений обсяг автореферату.

Дослідження зв'язку поля напруг у системі "трубчастий анкер-породні стінки шпуру" з геометричними і механічними параметрами її елементів дозволили установити умови досягнення рівноміцності анкера ТА2, коли його ослаблення контакту з породними стінками шпуру цілком виключено. Якщо співвідношення параметрів системи такі, що досягнення необхідної жорсткості (модуля деформації ) заповнювача (на основі сумішей, що твердіють,) дуже важко, то необхідно створювати початковий тиск на контакті "заповнювач-металева труба" за рахунок об'ємного розширення заповнювача при його тужавінні.

Установлені взаємозв'язки компонентів поля напруг з параметрами системи використані при оптимізації її НДС у напрямку забезпечення рівноміцності трубчастого анкера ТА2, що тотожно досягненню його максимально можливої реакції опору в конкретних гірничо-геологічних умовах. На основі чисельного дослідження виявлених закономірностей із застосуванням методів кореляційно-дисперсійного аналізу отримані рівняння регресії, що є базою для вибору раціональних механічних характеристик заповнювача.

Головний критерій оптимізації – умова рівноміцності анкера ТА2 – має два варіанти залежно від його розрахункової активної довжини : при – виключення ослаблення контакту анкера з породними стінками шпуру; при – обмеження ослаблення контакту,

де , (2)

– коефіцієнт тертя металу по породі; – коефіцієнт зміцнення металу при установленні анкера ТА2 енергією вибуху заряду ВР.

Тому отримані дві групи кореляційних залежностей:

- при

, МПа; (3)

, МПа; (4)

- при

, МПа; (5)

, (6)

де

. (7)

Чисельний аналіз величини мінімально необхідного початкового тиску показав, що він не перевищує, як правило, 40...50 МПа і цілком порівняний з міцнісними характеристиками піщано-цементного каменю на основі портландцементу загальнобудівельного призначення. Початковий тиск виникає завдяки збільшенню в об’ємі при твердінні піщано-цементної суміші з домішкою портландцементу, що розширюється, (РПЦ). Зв'язок з коефіцієнтом об'ємного розширення заповнювача визначається за умови плоскої деформації його поперечного перерізу.

, %. (8)

Виконані дослідження блоку 2 структурно-логічної схеми (див. рис.1) є базою для проведення лабораторних і шахтних досліджень параметрів трубчастого анкера ТА2 у завершальному блоці 3.

Задача лабораторних досліджень зразків піщано-цементного каменю з домішкою РПЦ виконана в два етапи. На першому – визначений коефіцієнт об'ємного розширення в часі твердіння залежно від відсоткового вмісту портландцементу, що розширюється, (РПЦ) і звичайного портландцементу, піщано-цементного відношення сухої суміші (рис.4). Установлено, що величина в діапазоні до 0,4% цілком забезпечує необхідну величину початкового тиску , що досягається введенням РПЦ не більш 30 % при піщано-цементному відношенні. На другому етапі визначені в часі t міцнісні і деформаційні і характеристики заповнювача з піщано-цементного каменю при РПЦ 30% і (графіки не наведені через обмежений обсяг автореферату). За даними залежностями побудовані рівняння регресії параметрів , , і для обґрунтованого вибору раціонального складу піщано-цементної суміші, що твердіє

, %; (9)

, МПа; (10)

, МПа; (11)

. (12)

Виявлено, що інтенсивність росту в часі міцності на стиск вище інтенсивності росту (визначального початковий тиск ), що забезпечує цілісність заповнювача протягом усього періоду набирання міцності. При цьому встановлена область припустимого відсоткового вмісту РПЦ, при якій заповнювач гарантовано зберігає цілісність

, %. (13)

У результаті спільного розв’язання виразу (8) і рівнянь регресії (9), (11) і (12) отриманий вираз для розрахунку необхідного вмісту РПЦ, що забезпечує максимальну реакцію опору трубчастого анкера ТА2

, %. (14)

Відповідно до структурно-логічної схеми (див. рис.1, блок 3) шахтні випробування трубчастих анкерів переслідують дві основні цілі: по-перше, експериментальне підтвердження підвищеної реакції ТА2 у порівнянні з ТА1 у слабких гірських породах; по-друге, якісна і кількісна експериментальна оцінка закономірностей зв'язку реакції опору анкера ТА2 у піддатливому режимі роботи з параметрами його конструкції.

Проведені виміри реакції опору трубчастих анкерів ТА1 і ТА2 залежно від величини їх піддатливості в кількості 12 штук кожного типорозміру трубної заготовки зі сталі Ст10 (зовнішній діаметр мм, товщина стінки мм, 3 мм і 4 мм) при різному складі піщано-цементної суміші заповнювача (чи при відсутності заповнювача – анкер ТА1). Фрагменти результатів вимірів показані на рис.5 і 6, через які можна зробити наступні висновки.

По-перше, деформаційно-силова характеристика анкерів ТА1 і ТА2 близька до найбільш ефективного режиму роботи постійного опору – коливання реакції в процесі піддатливості не виходять, як правило за межі ± 5-7% від середнього значення.

По-друге, у слабких породах реакція анкера ТА2 при раціональних параметрах заповнювача істотно вище реакції анкера ТА1: для першого типорозміру – у 2,95 рази; для другого типорозміру – у 3,61 рази; для третього типорозміру – більш, ніж у 3,6 рази.

По-третє, установлена задовільна відповідність експериментальних і розрахункових даних щодо визначення реакції трубчастого анкера ТА2: у переважній кількості вимірів відхилення не перевищували 10%. Крім того, має місце якісна відповідність (експерименту і розрахунку) тенденцій зміни реакції анкера ТА2 у слабких породах залежно від параметрів заповнювача, що вказує на високий ступінь вірогідності розробленої моделі взаємодії системи "трубчастий анкер-породні стінки шпуру".

Заключним етапом виконання задач структурно-логічної схеми (див. рис.1) з’явилося створення інженерної методики розрахунку раціональних параметрів трубчастого анкера ТА2, що дозволяє за групою номограм оперативно зробити всі необхідні обчислення.

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, надано рішення науково-технічної задачі обґрунтування підвищення ефективності зміцнення слабких приконтурних порід підземних гірничих виробок трубчастим анкерним кріпленням на базі закономірностей регулювання напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-породні стінки шпуру", що забезпечує піддатливий режим роботи анкера зі стабільною максимально можливою реакцією опору гірському тиску.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Установлено, що в слабких гірських породах, які характеризуються інтенсивним розвитком зсувів породного контуру виробки
(500...1000 мм і більш) і навантаженням на її кріплення (до 300...500 кПа), анкери повинні мати постійно високу реакцію опору до 150...250 кН протягом усього періоду їх піддатливості до 200...500 мм, іноді більш. Таким вимогам найбільшою мірою відповідають конструкції трубчастих анкерів, деформаційно-силова характеристика яких близька до режиму постійного опору при значних потенційних можливостях зміцненого вибухом матеріалу анкера.

2. Установлена невідповідність високої міцності на розрив існуючих конструкцій трубчастих анкерів і міцності їх закріплення в шпурі, що обумовлено ефектом поперечного звуження анкера під осьовим навантаженням і ослаблення контакту з породними стінками шпуру. Для нейтралізації даного негативного ефекту науково обґрунтований метод керування процесом взаємодії системи "трубчастий анкер ТА2-породні стінки шпуру" за допомогою регульованих механічних характеристик матеріалу заповнювача внутрішньої порожнини анкера, що побудований на базі комплексу аналітичних і експериментальних лабораторних і шахтних досліджень.

3. Розроблена нова методика розрахунку напружено-деформованого стану системи "трубчастий анкер ТА2-породні стінки шпуру", що враховує наявність заповнювача та його впливу на поле напруг у системі.

4. Відповідно до комплексу нових критеріїв оптимізації поля напруг у системі "трубчастий анкер ТА2-породні стінки шпуру" вперше створена аналітична методика розрахунку раціональних параметрів системи, що забезпечує максимально можливу реакцію опору трубчастого анкера ТА2. Чисельний аналіз розрахункових виразів показав, що для слабких гірських порід достатньо розвитку тиску на внутрішню поверхню металевої труби до 40 МПа, який може бути реалізований заповнювачем на основі піщано-цементного розчину з домішкою портландцементу, що розширюється, (РПЦ).

5. Лабораторними дослідженнями механічних характеристик піщано-цементного каменю, отриманими на основі найбільш широко застосовуваного портландцементу загальнобудівельного призначення марки
ПЦ II/Б-Ш-400, установлений діапазон необхідного вмісту РПЦ до 30% від загальної ваги портландцементу, що забезпечує максимальну реакцію трубчастого анкера ТА2 у слабких породах.

6. Кореляційно-дисперсійний аналіз результатів лабораторних досліджень дозволив установити зв'язок складу піщано-цементного каменю з його механічними характеристиками (коефіцієнт об'ємного розширення, межа міцності на одноосьовий стиск, модуль деформації і коефіцієнт Пуассона ) у часі твердіння. Дуже інтенсивне зростання параметрів , і в першу добу твердіння забезпечує активну роботу анкера ТА2 відразу після його установлення. Співвідношення функцій, і таке, що забезпечується цілісність заповнювача протягом усього періоду його твердіння. На основі виявлених закономірностей розроблена методика вибору раціональних складів суміші заповнювача, що твердіє, анкера ТА2.

7. Шахтні дослідження деформаційно-силової характеристики трубчастого анкера ТА2 показали її адекватність найбільш ефективному в слабких породах режиму постійного опору з коливаннями реакції ±5-7% у процесі піддатливості. Підтверджена доцільність застосування заповнювача в конструкції анкера ТА2: його реакція опору в слабких породах зросла в 2...3 рази (іноді більш) у порівнянні з аналогічними розмірами анкера ТА1 (без заповнювача). Установлена задовільна для практики відповідність (як правило, не більш 10%) експериментальних і розрахункових значень реакції анкера ТА2, що враховано в інженерній методиці поправковим коефіцієнтом.

8. На базі виконаних досліджень розроблена інженерна методика вибору раціональних параметрів трубчастого анкера ТА2 для зміцнення слабких приконтурних гірських порід, яка дозволяє оперативно за допомогою комплексу номограм зробити всі необхідні розрахунки, починаючи від параметрів проявів гірського тиску і закінчуючи вибором складу суміші заповнювача, що твердіє, анкера ТА2. Методика розглянута і затверджена ВАТ "Павлоградвугілля". Фактичний економічний ефект від підвищення стійкості виробок, пройдених у слабких породах зі зміцненням сполучень з лавами трубчастими анкерами ТА2, склав до 40-50 грн на погонний метр.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Теория и практика применения трубчатой анкерной крепи /В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Поротников. – Днепропетровск: Системные технологии, 2005. – 321 с.

2. Разработка и геомеханика взаимодействия новой конструкции трубчатого анкера в слабых породах /В.И. Бондаренко, Г.А. Симанович, И.А. Ковалевская, В.В. Поротников //Науковий вісник НГУ. – 2003. – №7. – С. 3-5.

3. Поротников В.В. Анализ режимов работы анкерной крепи в слабых горных породах Западного Донбасса //Науковий вісник НГУ. – 2004. – №2. – С.10-12.

4. Симанович Г.А., Ковалевская И.А., Поротников В.В. Критерии выбора и расчета рациональных конструкций крепи горных выработок //Сб. научн. тр. НГУ. – 2004. – №17, том 2. – С.75-76.

5. Определение параметров проявлений горного давления в выработках шахт Западного ДонбассаВ.И. Бондаренко, Г.А. Симанович, И.А. Ковалевская, В.В. Поротников //Науковий вісник НГУ. – 2004. – №6. –
С.6-8.

6. Графический метод расчета требуемых параметров упрочнения анкерами слабых горных пород /В.И. Бондаренко, Г.А. Симанович, И.А. Ковалевская, В.В. Поротников //Науковий вісник НГУ. – 2004. – №9. – С.3-6.

7. Ковалевская И.А., Поротников В.В., Фомичев В.В. Анализ подходов к разработке методов расчета параметров упрочнения вмещающих горную выработку слабых пород анкерами //Науковий вісник НГУ. –
2005. – №8. – С.7-8.

8. Обоснование упрочнения слабых пород трубчатыми анкерами ТА2 /В.И.Бондаренко, Г.А.Симанович, И.А.Ковалевская, В.В.Поротников //Горный инфомационно-аналитический бюллетень. – 2004. – №12. – С.160-161.

9. The effectiveness of support of weak ruck with TA2 tubular anchors /V.I.G.A.I.A.V.V.// International Mining Forum New Technologies in Underground Mining Safety in Mines. – 2004. – Р.43-46.

10.of tensely-deformed conditions of the system ''anchor-breed" / I.A.V.V./International Mining Forum New Technologies in Underground Mining Safety in Mines. – 2005. – Р.71-75.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] – написання розділів 7, 8, 9 і 10; [2, 6, 7, 9, 10] – аналіз механізму взаємодії трубчастих анкерів з породними стінками шпуру; [4] – формулювання геомеханічних критеріїв вибору ефективних конструкцій кріплення; [5, 8] – чисельний аналіз сучасних методик прогнозу проявів гірського тиску і розрахунку анкерного кріплення.

АНОТАЦІЯ

Поротніков В.В. "Обґрунтування параметрів зміцнення трубчастими анкерами слабких приконтурних порід підземних виробок". – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва". Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена питанню підвищення ефективності зміцнення слабких гірських порід анкерним кріпленням. Захищаються встановлені закономірності керування параметрами силової взаємодії трубчастих анкерів ТА2 з породними стінками шпуру шляхом регулювання механічних характеристик матеріалу заповнювача внутрішньої порожнини металевої труби. На основі розробленого методу розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) системи "трубчастий анкер-стінки шпуру" встановлені нові закономірності зв'язку поля напружень у системі з механічними характеристиками заповнювача. Сформульовані критерії оптимізації НДС системи та виявлені залежності щодо розрахунку необхідних параметрів заповнювача, які забезпечують досягнення високоефективного режиму роботи анкера ТА2 у слабких гірських породах. Здійснене наукове обґрунтування доцільності застосування у ролі заповнювача піщано-цементної суміші з додаванням портландцементу, що розширюється, (РПЦ) на основі експериментально встановлених залежностей механічних характеристик заповнювача від складу суміші та розроблений метод вибору її раціональної рецептури. Розроблена інженерна методика розрахунку раціональних параметрів анкера ТА2 і комплекс номограм щодо оперативного виконання обчислювань. Основний зміст роботи відображений у монографії, 6 статтях та 3 доповідях на міжнародних симпозіумах і конференціях.

Ключові слова: гірнича виробка, стійкість, слабкі гірські породи, трубчастий анкер, зміцнення, параметри, заповнювач, розрахунок.

АННОТАЦИЯ

Поротников В.В. "Обоснование параметров упрочнения трубчатыми анкерами слабых приконтурних пород подземных выработок". – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.15.11 – "Физические процессы горного производства". Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена вопросу повышения эффективности упрочнения слабых горных пород анкерной крепью. Доказано, что достижение режима работы постоянно высокого сопротивления (до 150...250 кН) на протяжении всего периода податливости (200...500 мм и более) наиболее полно реализуется в усовершенствованной конструкции трубчатого анкера ТА2 с заполнителем внутренней полости металлической трубы. На основе комплекса исследований получено соотношение для определения радиуса зоны предельного равновесия вокруг выработки, формирующей нагрузки на крепь и разработаны номограммы для оперативного расчета основных рациональных параметров упрочнения для условий шахт Западного Донбасса. Обоснованы механизм силового взаимодействия анкера ТА2 со слабыми породными стенками шпура и принципы управления его параметрами путем регулирования механических характеристик заполнителя. На основе разработанного метода расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) системы "трубчатый анкер-стенки шпура" установлены новые закономерности связи поля напряжений в системе с механическими характеристиками заполнителя. Сформулированы критерии оптимизации НДС системы и выявлены зависимости по расчету требуемых параметров заполнителя, обеспечивающих достижение высокоэффективного режима работы анкера ТА2 в слабых горных породах. Выполнено научное обоснование целесообразности применения в качестве заполнителя песчано-цементной смеси с добавкой расширяющегося портландцемента (РПЦ). На основе экспериментально установленных зависимостей механических характеристик заполнителя от процентного содержания РПЦ разработан метод выбора рациональных рецептур песчано-цементной смеси материала заполнителя. Проведен комплекс шахтных исследований деформационно-силовой характеристики конструкций трубчатых анкеров, который подтвердил адекватность реальным условиям предложенной модели взаимодействия анкера ТА2 со слабыми горными породами. Разработана инженерная методика расчета рациональных параметров анкера ТА2 и комплекс номограмм для оперативного выполнения расчетов. Основное содержание работы отражено в монографии, 6 статьях и 3 докладах на международных симпозиумах и конференциях.

Ключевые слова: горная выработка, устойчивость, слабые горные породы, трубчатый анкер, упрочнение, заполнитель, параметры, расчет.

SUMMARY

Porotnikov V.V. “Substantiation of strengthening parameters by tubular anchors of weak rocks of underground working” – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on specialties: 05.15.11 - "Physical processes of mining". National Mining University, Dnipropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to the question of increase of strengthening efficiency of weak rocks by anchor fastening. The established laws of management in parameters of power interaction of tubular anchors TA2 with rock walls of bolt hole are protected by regulation of mechanical characteristics of a material of a filler of internal emptiness of a metal pipe. On the basis of the developed method of calculation of tensely - deformed conditions (TDC) of system "tubular anchor - walls of hole" are established new laws of field of pressure communication in system with mechanical characteristics of a filler. Criteria of TDC optimization of system are formulated and dependences by calculation of necessary parameters of filler, which provide achievement of a highly effective operating mode of anchor TA2 in weak rocks, are revealed. The scientific substantiation of expediency application is carried out as a filler of the sand-cement mix with addition extending Portland cement (EPC), on a basis of experimentally established dependences of mechanical characteristics of a filler from structure of a mix and the developed method of a choose of its rational compounding. The lead complex of mine researches of the tension power characteristic of tubular anchors that confirms adequacy to real conditions of the offered model of interaction of anchor TA2 with weak rocks. The developed design procedure of rational parameters of anchor TA2 and a complex schedule concerning operative calculation performance. The basis of work displayed in one monograph, six articles and 3 report on the international symposiums and conferences.

Key words: mining workings, stability, weak rock massive, tubular anchor, strengthening, parameters, calculation.