РАСЧЕТ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРИКОНТУРНЫХ ПОРОДАХ ВОКРУГ ВЫРАБОТКИ С АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ0

Проведенные исследования позволили определить степень влияния горно-технических условий разработки на смещения в приконтурных породах  при различных видах крепи  в выемочных выработках. Выявленные закономерности деформаций могут быть использованы при расчетах проявлений горного давления при проведении выработок при различных горнотехнических условиях эксплуатации.

Ключевые слова: горные выработки, исследование деформационных процессов, параметры крепления, геомеханические процессы, анкерная крепь, проявления горного давления, технологические схемы, устойчивость породных обнажений, дефектность горных выработок, горнотехнические факторы, схемы развития горных работ, технология, напряженно-деформированного состояние, угле-породный массив, контуры горных выработок, параметры крепления, конвергенция.

Исследовано напряженно-деформированное состояние массива горных пород с использованием программно-методического комплекса ANSYS вокруг выработок в условиях шахты «Абайская» Карагандинского угольного бассейна при технологической схеме проведения оконтуривающей выемочный столб выработки – конвейерного штрека 31к12-ю с прямоугольным сечением, площадью 15 м2 (ширина 5,0 и высота 3,0 м) при глубине разработки 390 м и геологической мощности пласта к12, равной 6м.

На Рисунке 1, а представлена расчетная схема модели с граничными условиями: на линии АВ отсутствуют перемещения U x и U y ; на линиях AD и BC отсутствует перемещение U x ; на линию DC действует нагрузка gH = 8,72 МПа; на Рисунке 1,б–модель, представленная конечными элементами в виде равностороннего треугольника с размером стороны 0,2–0,3 м.

Численным моделированием определены вертикальные перемещения: кровли –U кр. = 108 мм, почвы – U ï÷ . = 68 мм и боков –U б. = 89 мм, по исследуемым точкам 4, 6, 5 Рисунка 1,а контуров выработки согласно распределению вертикальных перемещений в массиве боковых пород представлено на Рисунке 2,а с распределением вертикальных напряжений ( s y ) в массиве приконтурных пород в кровле выработки в точках 1, 2, 3 (см. Рисунок 1,а), представляется зависимостью Рисунка 2,в.

Нормальные    напряжения     имеют     следующие     значения:     в     кровле s y  = -65,33, в     боках s y  = -29,78, в почве s y = -69,57 МПа.

При креплении кровли выработки анкерами при их длине 2,4  м  (с вертикальным  расположением) и диаметре 0,022 м, вертикальные перемещения: Uêð. = 108, Uï÷ . = 67, Uá. = 89 мм, соответствующих  точкам 4, 6, 5 Рисунка 1,б с распределением нормальных перемещений по параболической зависимости.

Нормальные  напряжения  при  этом  имеют  следующие  значения:  в  кровле s y  = -60,22, в  боках   y  = -29,26 и в почве s y = -68,83 МПа.

Расчетные перемещения по паспорту проведения и крепления забоя конвейерного штрека 31к12-ю шахты «Абайская» Карагандинского угольного бассейна составляют Uêð.  = 106,6, U пч. = 187 , U б. = 84,08 мм. Сравнивая данные значения с данными, полученными численным методом, можно заключить следующее, что погрешность вычисления перемещений: в кровле между численным и аналитическим методом около 2%; в боках между численным и аналитическим методом около 6%; в почве, полученные аналитическим путем в 2,8 раза больше перемещений, полученных численным методом.

Рассматривая распределения нормальных напряжений s y в случае, когда кровля не закреплена анкерами, проверяется прочность каждого слоя:     песчаник s y  = 14,3 МПа <   сж ( 30 < s сж < 150 МПа); алевролит в зоне кровли выработки s y = 14,3 МПа

Проверяя на прочность те же слои для случая, когда кровля закреплена анкерами: песчаник s y = 29,7 МПа <       сж ( 30 < s сж < 150 МПа); алевролит s y = 29,7 МПа <     сж ( 30 < s сж < 95 МПа); аргиллит в зоне кровли выработки s y = 3,68 МПа < s сж (12 < s сж < 70 МПа); уголь в зоне кровли выработки s y = 3,68 МПа < s сж (13 < s сж < 30 МПа).

Выявленные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля вмещающих породных массивов в зависимости от горно-геологических факторов позволят в конкретных условиях эксплуатации устанавливать рациональные параметры крепления боковых пород для повышения устойчивости подготовительных горных выработок.

На базе произведенных исследований рекомендуется способ крепления  подготовительной горной выработки в зонах с неравномерным горным давлением. На Рисунке 4 представлен общий вид технологической хемы предлагаемого способа. Сущность его состоит в применении в угловых анкерах элементов податливости, чем компенсируются растягивающие и сжимающие напряжения в углах контура выработки.

Влияния угла наклона анкера на напряженно-деформированного состояния массива горных пород с выработкой

Рассмотрена выработка, закрепленная анкерами для исследования изменений напряжений в массиве горных пород в зависимости от угла наклона анкеров в кровле. Расчетные параметры: длина анкера 2,4 м; диаметр 0,022 м; сечение выработки 17,5 м2; глубина разработки gH =8,7 МПа.

Во вмещающих породах подготовительной выработки наблюдается деформированное состояния приконтурного массива горных пород, которое не всегда возможно снизить анкерами стандартной длины (1-го уровня) - Рисунок 5. При поддержании на границе с выработанным пространством важным является угол наклона анкеров глубокого заложения, чтобы они не попали в область обрушения пород кровли за лавой.

Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля вмещающих породных  массивов  в зависимости от  горно-геологических факторов, позволяющих в  конкретных условиях эксплуатации устанавливать рациональные параметры крепления боковых пород для повышения устойчивости подготовительных горных выработок.

Получены эмпирические зависимости изменения максимальных нормальных напряжений в зависимости от изменения длины анкера.

Получены эмпирические зависимости изменения максимального нормального напряжения от угла наклона анкера, для выработки прямоугольного сечения. При изменении угла наклона анкеров изменяются нормальные напряжения   по   оси   «у»    и   касательные   напряжения.   Минимальные   напряжения   возникают   когда a = b = 75 - 82o .  Зависимости  максимальных  нормальных  по  оси  «у»  и  касательных  напряжений  в зависимости от угла наклона анкера – Рисунок 6:

Проведены исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности слоя легкообрушающихся пород при разной длине анкерирования, которые позволили установить характер поведения боковых пород по зонам их расположения (Рисунок 7, а, б).