Расчет параметров крепления выработок при наличии в тонкослоистых, трещиноватых породах кровли глинистых прослоев

УДК 622.281.74

В.Т. Преслер

Расчет параметров крепления выработок при наличии в тонкослоистых, трещиноватых породах кровли

глинистых прослоев

Представлено компьютеризированное методическое обеспечение анкерного крепления выработок, проводимых в угольных пластах, при наличии в тонкослоистых, трещиноватых породах ее кровли глинистых прослоев. Оно базируется на теории сводообразования. Расчет анкерного крепления выработок в этих условиях реализован в виде самостоятельного программного модуля в среде широко известного программного средства Microsoft Excel.

Ключевые слова: АНКЕРНОЕ КРЕПЛЕНИЕ ВЫРАБОТОК, СВОДЫ ДАВЛЕНИЯ И ВЫВАЛООБ-РАЗОВАНИЯ

Для тонкослоистых, трещиноватых пород с низкой прочностью Яс<20 МПа при наличии прослоев глины, угля, конгломератов с глинистым цементом в условиях обводненности вышележащих пород характерна шатровая форма свода разрушения. Для обеспечения устойчивости подработанных пород кровли в этих условиях целесообразна двухуровневая схема анкерного крепления с применением канатных анкеров ампульного и ампульно-нагнетательного способов закрепления. При определении их параметров сопротивление сжатию упрочненных пород рассчитывается по формуле Ясу=Яс-ку (здесь Яс - расчетное сопротивление не упрочненных пород одноосному сжатию, МПа, ку -коэффициент упрочнения пород; задается в паспортах упрочняющих материалов или принимается по таблице 1).

Таблица 1 - Коэффициент упрочнения пород кровли ку

Упрочняющий материал

Тип кровли/f Цементные Беведол- Геофлекс,

составы беведан шахтизол

I /2,5-3 1,1 1,3

IV /1 1,15

I /3-4 1,3 1,4

IV /2 1,25

III /2,5-3 1,1 1,25

III /3-4 1,3 1,35

Выработка рассматривается как частный случай неполной подработки пород кровли, когда на земной поверхности не образуется плоское дно мульды сдвижения. На небольших глубинах скальный

массив может выходить на дневную поверхность или под наносы небольшой мощности, где подвергается процессам выветривания. Возможность применения анкерного крепления при неполной подработке пород кровли и шатровой форме свода давления определяется экспериментальным путем. В случаях заполнения трещин между отдельностями скального массива глиной (размер отдельностей <0,1x0,2x0,1 м) упрочнение путем нагнетания закрепляющих материалов, по опыту шахты «Котин-ская», не обеспечивает устойчивости выработок.

Испытание прочности закрепления анкера на заданной глубине позволяет установить возможность применения анкерного крепления. В породах с низкой крепостью, в переходной зоне под наносами и в наносах анкеры имеют низкую прочность закрепления (5-60% расчетной). Это подтверждает опыт оценки прочности закрепления сталеполимерных и канатных анкеров в разрезной печи лавы 5202 шахты «Котинская» длиной 200 м. Глубина залегания пласта на сопряжении с конвейерным штреком равнялась 80 м, а на сопряжении с вентиляционным штреком 20...28 м. В вентиляционном штреке и разрезной печи на интервале 12 м по падению пласта канатные анкеры имели прочность закрепления менее 50 кН. На вентиляционном штреке сталеполимерные анкеры А20В длиной 2,3 м имели прочность закрепления менее 30 кН.

При испытании прочности закрепления канатных анкеров с несущей способностью 380 кН в искусственной скважине в шпуре с бетонными стенками не удалось достичь расчетной несущей способности для бетона с низкой прочностью менее 16 МПа. На прочность закрепления анкеров влияет рельеф поверхности шпура, длина анкера, зона закрепления, время, прошедшее с момента установки анкера. Элементами крепления выработок в таких условиях являются анкеры первого и второго уровней, а также индивидуальная стоечная крепь усиления.

Для отмеченных выше условий проведения выработок отсутствуют инженерные методы расчета геомеханического состояния приконтурного массива. Поэтому для расчета параметров свода давления (эффективный пролет В, м, максимальная высота У, м), который в данном случае ограничивается сводом разрушения шатровой формы, используются призма сползания Цимбаревича и углы давления пород кровли. С учетом этого запишем:

В = Ь + Сл + Св у =

сова

0,5 • В • tg(3, Тл = 3

В • • Тл ^ 3 , Сл = с

+ ^(2 ' где Ь - ширина выработки, м; а- угол падения пласта, град.;

Ил, Ив - соответственно высота лежачего и висячего боков выработки, м;

сл, св - соответственно ширина призмы сползания в лежачем и висячем боках выработки, м, рассчитываемая по формуле [1] с(И) = И  tg(45 -р/2) , здесь р- угол внутреннего трения, град, рассчитывается по зависимости, полученной в результате аппроксимации эмпирических данных [2] р = -0,0455 • /13 + 0,61 • /2 - 0,793 • /1 + 38,286 , где /1 - средневзвешенная крепость пород непосредственной кровли;

Тл - код направления выемки, определяющий используемые углы давления ((,7=1, 2, 3, рассчитываемые по эмпирической зависимости [3] для пород основной кровли с крепостью /=/2:

70 -1,16/ - 0,016/2 - 0,02/ -а- 0,3 - а, у = 1 70 -1,16/ - 0,016/2 + 0,03/ -а + 0,4 - а, у = 2 70 -1,16/ - 0,016/2, у = 3

где а- угол падения пласта, град.

Величина Тл=1 задает направление по простиранию пласта, Тл=2 - под острым углом к простиранию пласта, Тл=1 - по падению (восстанию) пласта.

В соответствии с определенными параметрами свода разрушения рассчитываются длины анкеров в направлении висячего и лежачего боков выработки (рисунок 2):

I =

(

Ь

ан

Г

Св + Гв

Л

, Nк, Ип

Ь

ан

СОВ в tgp3 + tgв __( -а)+^а N ьл

совв tg(p2 -а) + tgв к п

с + г

в в

Iл =

и

Сл + Гл - +а)- ^а

совв tg(p1 + а) + tgв'

Nк, К

(

Ь„

с + г

л л

Л

, Nк, Ьп

Тл = 3 , Тл Ф 3

Тл Ф 3 Тл = 3

совв tgp3 + tgв где ЬП - величина присечки в месте установки анкера, м;

Nк - несущая способность анкера второго уровня, тс;

в- угол наклона анкера к горизонту, град;

гл, гв - расстояния от хвостовиков канатных анкеров соответственно до лежачего и висячего боков выработки, м.

Для выработок шириной не более 5 м принимается г<1,2 м. В широких выработках более 5 м максимальное удаление хвостовика анкера от борта г не должно превышать 3,5 м. Срединные анкеры попадают в зону сдвижения и не учитываются в расчетах. Недостающая реакция отпора компенсируется дополнительно устанавливаемой стоечной крепью усиления или органным рядом. Для расчета длин анкеров используется функция вида:

Ьан((,N,Ип) = I + 0,15 + 0,05 - (1 + N)- Ип.

Параметры нагрузки на крепь: площадь сечения контура свода 8, м2; погонная Q, тс/п.м, и удельная Р, тс/м2, нагрузка на крепь рассчитываются по формулам:

8 = ^ - 8п; Q = г- 8 - Qy; р = |

где 8П - площадь присечки пород в кровле пласта, м2; Qу - погонное сопротивление стоечной крепи, тс/п.м. Достаточность несущей способности крепи определяется по критерию:

ДQ = п - N к - Q,

где п - эффективное число канатных анкеров, шт./п.м, используемое для усиления крепления пород кровли, определяется в зависимости от ширины выработки согласно таблице 2. Если Л()>0, то рассчитанное крепление выработки достаточно, в противном случае необходимо увеличить сопротивление стоечной крепи (число стоек) до величины, обеспечивающей положительное значение критерия.

Таблица 2 - Число канатных анкеров для усиления крепления пород кровли выработки

Ширина выработки 3,5 4 5 5,5 7 8 9 10 11 12

Максимальное число канатных анкеров усиления 1 2 2 3 5 5 6 7 7 7

Модель (1)-(5) оформлена как самостоятельный программный модуль (модуль 14) в рамках программного комплекса по расчету анкерных крепей усиления, реализованного в среде широко известного средства Microsoft Excel. Данный модуль представлен на рисунке 1. Он отражает пример расчета параметров крепления выработки шириной 5 м с ориентацией выемки по простиранию. Расстояния от хвостовиков канатных анкеров до боков выработки не одинаковы, но не превышают 1,2 м. Поскольку число анкеров на погонный метр равно 2, то в направлении висячего бока не используется второй ряд анкеров, поэтому полагается гв*=0. Из приведенного расчета видно, что достаточная несущая способность крепи обеспечивается при сопротивлении стоечной крепи QY, равной 70 тс/п.м.

В резюме модуля приведены число канатных анкеров и их длины в направлении висячего и лежачего боков выработки. Эти длины в зависимости от рассчитанных значений округляются до ближайшего целого либо до его половины.

- Модуль 14. Расчет параметров канатных анкеров для крепления выработок при наличии в тонкослойных, трещиноватых породах кровли глинистых конгломератовых прослоев

Исходные данные

Плотность пород кровли тс/м 3 Y 2,5 IP X л X X та Ч Ч о ш m 5 a град. Угол падения пласта

Ширина выработки м b 5 75 в град. Угол навдона канатного анкера к горизонту

Высоты лежачего и висячего боков выработки м h л h в 3,2 3,9 1,1 1,3 f 1 f2 ус ед. Средневзвешенная крепость пород непосредственной и основной кровли

Расстояния от хвостовиков одного ряда анкеров до лежачего бока и двух рядов анкеров до висячего бока выработки м r л r в r в * 1,1 0,6 0 1,5 0,3 S п h п 2 м м Площадь присечки пород в кровле пласта и величина присечки в месте установки анкера

70 Q у тс/п.м Погонное сопротивление стоечной крепи

Несущая способность анкеров 1-го и 2-го уровней тс Nс NK 10 21 1 Направление выемки Тл =(1, 2, 3) По простиранию пласта

Параметры свода давления, нагрузки на крепь, анкеров и другие расчетные данные

Ширины призмы сползания в боках выработки м c л c в 1,56 1,90 ftU Расчетные данные W 38 Pfi) град. Угол внутреннего трения

67 71 68 V\f2) Vbf2) Vbf2) град. Углы давления Крепление выработки обеспечивает достаточное сопротивление

Эффективная ширина подработки м B 8,5

Максимальная высота и площадь сечения контура свода давления м 2 м Y S 10,9 44,8

2 n шт/пм Эффективное число анкеров

Погонная и удельная нагрузки на крепь тс/пм тс/м1 Q P 41,9 8,4 5,4 4,7 0,0 l л l в 1 в * м Длина анкеров второго уровня в направлении лежачего и висячего боков выработки

Значение критерия достаточности крепления тс/п м AQ 0,1

Резюме. К проекту принимаются анкеры второго уровня в количестве 2 шт/пм длиной 5,5 м в направлении лежачего бока, 4,5 и 0 м в направлении висячего бока.

Рисунок 1 - Программный модуль по расчету параметров крепления выработок, проводимых в тонкослоистых, трещиноватых породах с глинистыми прослоями

На рисунке 2 приведена возможная схема расстановки анкеров в выработке согласно результатам расчета их параметров модулем 14.

Рисунок 2 - Схема расстановки канатных анкеров для выработки шириной 5 м

При использовании сталеполимерной анкерной крепи первого уровня ее анкеры должны иметь длину не менее 3 м. В боках выработки первый ряд анкеров должен закрепляться головной частью в породах кровли, а нижние анкеры - за призмой сползания. В зависимости от назначения выработки лавный рабочий борт должен закрепляться полимерными, деревянными или другими разрушаемыми комбайном анкерами.

Широкие выработки проводятся путем расширения разрезной печи. При ее проведении параметры анкеров глубокого заложения должны соответствовать параметрам широкой выработки, рассматриваемой как одиночная выработка. Схема размещения анкеров в разрезной печи является частью их размещения в широкой выработке. В широкой выработке длины анкеров двух (трех) крайних рядов со стороны висячего и лежачего боков рассчитываются согласно формулам (2) и (3). Эта же длина принимается и для анкеров в разрезной печи. Для анкеров в срединной части выработки принимается та же длина, что и для анкеров в направлении висячего бока, однако в расчетах они не учитываются, поскольку попадают в зону сдвижения. Недостающая реакция отпора, как и ранее, компенсируется стоечной крепью усиления органного либо рассредоточенного типа. До расширения разрезной печи срединные анкеры широкой выработки, а для разрезной печи они крайние у борта должны

быть уже установлены и закреплены. При этом наряду с ампульным способом закрепления необходимо использовать и полное заполнение шпура посредством ампульно-нагнетательного способа закрепления.

На рисунке 3 представлен пример расчета параметров усиления крепления канатными анкерами монтажной камеры шириной 9 м в условиях, аналогичных предыдущему примеру. Согласно исходным данным рассчитаны длины анкеров второго ряда в направлении висячего и лежащего боков выработки и третьего ряда в направлении висячего ее бока. Для первых рядов эти длины соответственно равны 4=/л=4,5 м. По сравнению с предыдущим случаем для обеспечения достаточности крепи выработки в целом приходится увеличить сопротивление стоечной крепи усиления QУ до 122 тс/п.м, т.е. в 1,7 раза.

Модуль 14. Расчет параметров канатных анкеров для крепления выработок

при наличии в тонкослойных, трещиноватых породах кровли глинистых конгломератовых прослоев

Исходные данные

Плотность пород кровли тс/м3 У 2,5 5 а град. Угол падения пласта

Ширина выработки м ь 9 => 75 в град. Угол наклона канатного анкера к горизонту

Высоты лежачего и висячего боков выработки м к л к в 3,2 3,9 X .0 £ £ 1,1 1,3 /1 /2 ус ед. Средневзвешенная крепость пород непосредственной и основной кровли

Расстояния от хвостовиков одного ряда г л 1,2 ч 1,5 S П 2 м Площадь присечки пород в кровле пласта и

анкеров до лежачего бока и двух рядов анкеров м Г в 1,2 ч о 0,3 к п м величина присечки в месте установки анкера

до висячего бока выработки Г в . 2,5 т 122 О У тс/п.м Погонное сопротивление стоечной крепи

Несущая способность анкеров 1-го и 2-го уровней тс N с N к 10 21 1 Направление выемки Тл =(1, 2, 3) По простиранию пласта

Параметры свода давления, нагрузки на крепь, анкеров и другие расчетные данные

Ширины призмы сползания в боках выработки м с л 1,56 § 38 Р(Г 1) град. Угол внутреннего трения

с в 1,90 0> 67 фМ2) Углы давления Крепление выработки

Эффективная ширина подработки м В 12,5 X X 71 ф2(/2) град. обеспечивает достаточное

Максимальная высота и площадь сечения м У 16,1 и о> 68 фъ(/2) сопротивление

контура свода давления 2 м S 98,9 .0 X 6 п шт/п.м Эффективное число анкеров

Погонная и удельная нагрузки на крепь тс/п.м тСм 2 О р 125,2 13,9 0> г и га а. 5,6 5,6 1 л 1 в м Длина анкеров второго уровня в направлении

Значение критерия достаточности крепления тс/п.м АО 0,8 <= 7,5 1 в *

Резюме. К проекту принимаются анкеры второго уровня в количестве 6 шт/п.м длиной

5,5 м в направлении лежачего бока, 5,5 и 7Л м в направлении висячего бока.

Рисунок 3 - Схема расстановки канатных анкеров для расширяемой выработки от 5 до 9 м

На рисунке 4 для данной расширяемой выработки от 5 до 9 м приведена возможная схема расстановки канатных анкеров.

АК15Н

Рудстой

l=7,5 м

Рисунок 4 - Схема расстановки канатных анкеров в расширяемой выработке от 5 до 9 м

Таким образом, разработана компьютеризированная методика расчета параметров анкерного крепления выработок, проводимых в вышеотмеченных условиях. Методика не имеет аналогов и в силу простоты освоения может широко применяться на угольных шахтах. Она обеспечивает расчет как параметров канатных анкеров усиления, так и компенсационный отпор стоечной крепи усиления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Цимбаревич, П.М. Механика горных пород / П.М. Цимбаревич. -М.: Углетехиздат, 1948.

-184 с.

2 Штумпф, Г.Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: справочник /Г.Г. Штумпф, Ю.А. Рыжков, Ю.А. Шаламанов, А.И. Петров. -М.: Недра, 1978. -304 с.

3 Петухов, И.М. Теория защитных пластов /И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров, И.А. Фельдман. -М.: Недра, 1976. -224 с.

CALCULATION OF OPENING SUPPORT PARAMETERS AT PRESENCE OF CLAY INTERLAYERS IN THIN-LAYER FISSURE ROOF ROCKS

V.T. Presler, V.Ye. Anufriev, N.V. Cherdantsev

Computerized methodical software of opening headed through coal seams anchor supporting when clay inter-layers are present in thin-layer fissure rock of it's roof is presented. It is based on the theory of arch roof formation. Calculation of opening anchor support is realized in the form of an independent program module in Microsoft Excel environment.

Key words: OPENING ANCHOR SUPPORT, ARCHES OF STRESS AND INRUSHES

Преслер Вильгельм Теобальдович Tел. (3842) 45-20-61 Ануфриев Виктор Евгеньевич E-mail: anufrve@mail.ru Черданцев Николай Васильевич E-mail:cherdantsevnv@icc.kemsc.ru