Стендовые испытания узла соединения составного анкера

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 288-293 : НАУКИ о ЗЕМЛЕ

УДК 622.283

Стендовые испытания узла соединения составного анкера *

Ю.М. Погудин, В.А. Зуев, И.В. Янко, В.И. Сарычев

Аннотация. Приведены результаты стендовых испытаний конструкции узла составной анкерной крепи на примере нескольких опытных образцов.

Ключевые слова: анкерная крепь, составной анкер, узел соединения, опытный образец, стендовые испытания.

На шахтах Печорского угольного бассейна накоплен большой опыт крепления подготовительных выработок анкерной крепью. В промышленных объемах анкерная крепь замкового типа ЭС-2М начала применяться с 1967 года, и уже за 10 первых лет ею было закреплено около 280 км выработок. Однако практические результаты, а также исследования работоспособности этих анкеров в различных горно-геологических условиях показали, что они достаточно эффективны лишь в выработках, не подверженных влиянию очистных работ.

Кроме того, на основных рабочих угольных пластах Воркутинского месторождения (Мощном, Тройном, Четвертом и Пятом со средней мощностью 4,0; 2,5; 1,5 и 1,0 м соответственно) и Интинского месторождения (Десятом и Одиннадцатом мощностью по 2,5 м каждый) испытывались замковые анкера типа ШК-1М, АК-8, АД-1 и т.п., а также анкера с закреплением стержня по всей длине шпура составами, изготовленными на базе эпоксидной смолы с отвердителем БТФ5-1, и винтовые анкерные стержни. Для бурения шпуров использовались установки УПА-2 конструкции ПечорНИИпроекта. Длина устанавливаемых анкеров составляла 1,8 м.

Наибольшая протяженность пройденных с применением анкерной крепи выработок отмечена в Печорском угольном бассейне в 1972 году и достигла 25 км, что составляло около 14 % от общего объема проходки. Затем применение анкерного крепления начало постепенно снижаться, и в 1984 году анкерами было закреплено всего 3,2 км выработок.

* Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (проект № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (проект № 02.740.11.0319).

С 1995 года возобновились работы по внедрению анкерного крепления, что связано с использованием импортного оборудования, в частности, пневматических буровых установок типа «Gopher» и «Wombat», а также расходных материалов германской фирмы «CarboTech». Длина анкеров составляла, в основном, 2,2 м.

В настоящее время в связи с усложнением горно-геологических условий и увеличением глубины разработки пластов существенно увеличились зоны опорного давления и интенсивность его проявления, а соответственно возросли и области опасных деформаций пород в кровле и боках выработок, охрана которых осуществляется как по бесцеликовой схеме, так с помощью межстолбовых целиков угля. Как следствие, возникла необходимость в увеличении длины анкерных стержней, устанавливаемых в кровлю выработок, до размеров, необходимых и достаточных для расположения верхних замков анкеров в зоне упругих или упруго-пластических деформаций, т.е. за пределами зоны активного сдвижения боковых пород. Однако применение анкеров большей длины связано с ограничениями, накладываемыми размерами поперечного сечения выработки, в частности, ее высоты. К тому же практическая реализация по установке удлиненных анкеров затрудняется и конструктивными особенностями используемого при проведении и креплении выработок современного проходческого оборудования.

Исходя из этого, была предложена составная анкерная крепь, представляющая собой комплект анкерных стержней, выполненных из проката винтового профиля типа А20В [1] и разработана конструкция узла соединения стержней между собой (рис. 1). Замковой (соединительной) частью являются технологические зубья, способствующие многократному наращиванию идентично изготовленных анкерных стержней на требуемую высоту шпура. При этом стержни с зубчатыми торцами могут выполняться различной длины — исходя из технологических требований при проведении выработки и конкретной геомеханической ситуации.

Замковая часть составного анкера помещается в трубчатую муфту. Внешний диаметр муфты выбирается, основываясь на принципе минимизации зазоров между стенками шпура и телом анкера для более эффективного перемешивания скрепляющего состава ампул, лучшей его адгезии к объектам склеивания и увеличения протяженности длины закрепления тела анкера в шпуре. Данный процесс особо важен при необходимости увеличения несущей способности составного анкера путем скрепления химическим составом ампул двух и более стержней, соединенных в замковой части трубчатой муфтой.

Для определения несущей способности опытных образцов узла соединения составной анкерной крепи и критериев проектирования данной анкерной системы в различных гетехнологических и геомеханических ситуациях были проведены экспериментальные лабораторные исследования. Стендовым испытаниям на машине УММ-50 были подвергнуты несколько образцов составной анкерной крепи:

Рис. 1. Конструкция узла соединения составного анкера: 1 — нижний стержень составного анкера; 2 — верхний стержень составного анкера; 3 — технологические зубья замковой части составного анкера;

4 — трубчатая муфта; 5 — стопор

образец 1 — стержень анкера целиковый;

образец 2 — составной комплект анкера из двух стержней с зубцами высотой Ь = 8 мм, посаженный замковой частью в соединительную муфту без заполнения скрепляющим составом;

образец 3 — составной комплект анкера из двух стержней с зубцами высотой Ь = 12 мм, посаженный замковой частью в соединительную муфту без заполнения скрепляющим составом;

образец 4 — составной комплект анкера из двух стержней с зубцами высотой Ь = 8 мм, посаженный замковой частью в соединительную муфту и скрепленный внутри муфты полимерным составом;

образец 5 — составной комплект анкера из двух стержней с зубцами высотой Ь = 12 мм, посаженный замковой частью в соединительную муфту и скрепленный внутри муфты полимерным составом.

В таблице приведены результаты испытаний, а на рис. 2 — графики лабораторных исследований испытуемых образцов.

Как показали результаты проведенных испытаний, на образцах был зафиксирован незначительный изгиб зубчатого участка стержней в соединительной муфте, а разрыв образцов произошел в области наименьшего сечения тела стержня между третьим зубцом и телом полного сечения. Основываясь на результатах, представленных в таблице, необходимо отметить, что

Таблица 1

Результаты стендовых испытаний

№ образца Усилие при пределе текучести Ртек , кН Разрушающая нагрузка Рразр, кН Предел текучести а тек, кН/мм2 Врем. сопротивление авр, кН/мм2

1 16,0 19,5 52,5 64,8

2 7,3 8,4 22,6 2

3 7,5 8,9 23,6 29,2

4 9,4 10,2 27,1 33,5

5 9,6 10,8 28,2 35,4

Р, кН

СМЕЩЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ АНКЕРОВ ОТНОСИТЕЛЬНО ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСИ ЗАМКОВОЙ ЧАСТИ

Рис. 2. Результаты испытаний узла соединения образцов 1-5

разработанная конструкция составного анкера по разрушающей нагрузке в 1,8 раз ниже аналогичного показателя образца из целикового стержня. Однако полученная при проведении стендовых испытаний величина разрывного усилия (Рразр до 10,8 кН) и усилия при пределе текучести (Ртек до 9,6 кН) составных анкеров, выполненных из стержней винтового профиля, превышает регламентированное расчетное значение несущей способности стандартного

анкера диаметром 20 мм (Жа = 75 кН) [2], которое является базовым при проектировании паспортов крепления подготовительных выработок в условиях шахты «Воргашорская».

В дальнейшем для оценки фактической несущей способности предлагаемой конструкции узла соединения составного анкера целесообразно провести шахтные испытания, что позволит с учетом результатов стендовых испытаний уточнить расчетную несущую способность крепи выработки.

Список литературы

1. Пат. 2311535. Анкерная крепь для горных выработок/ Ю.М. Погудин (Россия),

Опубл. в Б.И. №33, 2007. 4 с.

2. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах

России /ОАО «НИИ горной геомеханики и маркш. дела» (МНЦ ВНИМИ), Рук.

К.А. Ардашев. СПб., 2000. 70 с.

Погудин Юрий Михайлович, к.т.н., доцент, кафедра горного дела, Ворку-тинский институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного горного института (Технического университета).

Зуев Владимир Александрович, к.т.н., доцент, кафедра горного дела, Воркутинский институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного горного института (Технического университета).

Янко Игорь Владимирович, горный инженер, начальник технического отдела, ЗАО «Шахта «Воргашорская», Воркута.

Сарычев Владимир Иванович (sarychevy@mail.ru), д.т.н., профессор, кафедра геотехнологий и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет..

Laboratory tests of joined knot of compound pivot

Yu.M. Pogudin, V.A. Zuev, I.V. Janko, V.I. Sarychev

Abstract. In this article bench tests results of compound roof bolting knot design at example of a few experiment models are resulted.

Keywords: bolting support, compound pivot, joined knot, experimental model, laboratory tests.

Pogudin Yuri, candidate of technical sciences, associate professor, department of mine affair, Workout institute (branch) of St.Petersburg State Mining Institute (Technical University).

Zuev Vladimir, candidate of technical sciences, associate professor, department of mine affair, Workout institute (branch) of St.Petersburg State Mining Institute (Technical University).

Janko Igor, mining engineer, head of technical department, Shat Joint-Stock Company «Mine «Vorgashorskay», Vorkouta.

Sarychev Vladimir (sarychevy@mail.ru), doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.

Поступила 15.10.2009