Обґрунтування параметрів системи кріплення виробок сталеполімерними та канатними анкерами

Abstract

Захищаються виявлені нові закономірності керування синтезом процесів зміцнення порід покрівлі виїмкових виробок комбінованими анкерними системами відповідно до встановлених закономірностей досягнення максимуму опору вантажонесучими елементами. Встановлено, що в прилеглих породах покрівлі за допомогою комбінації канатних і сталеполімерних анкерів формується армопородна плита, висока вантажонесуча здатність якої досягається за рахунок збереження горизонтальних зусиль розпору, що знижує концентрації усіх компонент напружень до рівня, багаторазово нижчого міцнісних характеристик літотипів. Встановлено зниження напруженості верхняка і стояків рамного кріплення завдяки активному опору сталеполімерних і канатних анкерів процесам зрушення вуглевміщуючого масиву. Обґрунтовано критерій оцінки рівня опору анкерів у складі комбінованої анкерної системи, який використаний для встановлення найбільш впливових геомеханічних факторів у частині ступеня навантаженості системи: глибина розміщення виробки, середній розрахунковий опір стисненню прилеглого масиву порід, відношення розрахункового опору стисненню порід безпосередньої покрівлі до її потужності. Встановлено закономірності ступеня навантаженості анкерів у складі комбінованої анкерної системи від основних впливних геомеханічних факторів. Виявлено закономірність збільшення реакції опору сталеполімерних анкерів у міру зміни координат їх установлення в напрямку периферійних ділянок верхняка рамного кріплення. Отримано розрахункові вирази, що визначають усі необхідні параметри зміцнення покрівлі виїмкових виробок як комбінованою анкерною системою. Розроблено й затверджено ПАТ «ДТЕК Павлоградвугілля» і ДВНЗ «Національний гірничий університет» «Методику розрахунків кріпильної системи дільничних виробок шахт Західного Донбасу», що дозволяє реалізувати ресурсозберігаючі умови підтримання виїмкових виробок, які повторно використовуються. Фактичний економічний ефект по двом шахтам склав 41,8 млн грн.

Защищаются вновь выявленные закономерности управления синтезом процессов упрочнения пород кровли выемочных выработок комбинированными анкерными системами в соответствии с установленными закономерностями достижения максимума сопротивления грузонесущими элементами в зоне стабилизации проявлений горного давления в слоистом массиве слабых пород для создания условий повторного использования выработок. Установлено, что в близлежащих породах кровли посредством комбинации канатных и сталеполимерных анкеров формируется армопородная плита, высокая грузонесущая способность которой достигается за счет сохранения горизонтальных усилий распора даже в условиях разбиения слоев кровли на породные блоки. За счет образования распорной системы в кровле снижаются концентрации всех компонент напряжений до уровня, многократно ниже прочностных характеристик литотипов, а появление растягивающих вертикальных и горизонтальных напряжений носит исключительно локальный характер. Поэтому мощная армопородная плита в кровле предохраняет крепежную систему выемочной выработки от чрезмерного вертикального горного давления. Установлено снижение напряженности верхняка и стоек рамной крепи при использовании в кровле комбинированной анкерной системы, которое обосновано восприятием части вертикального горного давления армопородной плитой, сформированной в кровле благодаря активному сопротивлению сталеполимерных и канатных анкеров процессам сдвижения углевмещающего массива. Выявлено, что повышенная загруженность элементов комбинированной анкерной системы защищает рамную крепь от чрезмерного горного давления, что способствует снижению потерь сечения выемочной выработки. Обоснован критерий оценки уровня сопротивления анкеров в составе комбинированной анкерной системы, который использован для установления наиболее влияющих геомеханических факторов в части степени нагруженности системы: глубина размещения выработки, среднее расчетное сопротивление сжатию близлежащего массива пород, отношение расчетного сопротивления сжатию пород непосредственной кровли к ее мощности. Установлены закономерности степени нагруженности анкеров в составе комбинированной анкерной системы от основных влияющих геомеханических факторов. Доказана градация уровня сопротивления анкеров проявлениям горного давления: максимум противодействия создают канатные анкера, установленные со стороны выработанного пространства; минимум – сталеполимерные анкера. Выявлена закономерность увеличения реакции сопротивления сталеполимерных анкеров по мере изменения координат их установки в направлении периферийных участков верхняка рамной крепи. Полученные закономерности являются основой для поиска рациональных параметров комбинированной анкерной системы с конечной целью разработки методики выбора ее параметров в зависимости от горно-геологических условий поддержания выемочной выработки. Получены расчетные выражения, определяющие все необходимые параметры упрочнения кровли выемочных выработок как комбинированной анкерной системой: координаты установки анкеров, углы их наклона, диаметр несущего стержня и длину анкера. Также обоснована граница областей целесообразного применения сталеполимерных анкеров. Разработана и утверждена ПАО «ДТЭК Павлоградуголь» и ГВУЗ «Национальный горный университет» «Методика расчета крепежной системы участковых выработок шахт Западного Донбасса», позволяющая реализовать ресурсосберегающие условия поддержания повторно используемых выемочных выработок. Фактический экономический эффект по двум шахтам составил 41,8 млн грн.

The revealed regularities of maintaining synthesis processes of strengthening the roof of extraction mine working according to estimated regularities maximum resistance achieve of load-bearing elements have been defended. It is established that in surrounded roof rocks by means of a combination of a rope and resin-grouted roof bolts are formed the reinforced plate which high load-carrying capacity is achieved by maintaining the horizontal force thrust that reduces a concentrations of all components of strains up to the level of multiple lower of lithotype strengthening characteristics. The strength reduction of set caps and legs of frame supports because of active resistance of resin-grouted and rope anchors by the processes of shifting coal-bearing massif is determined. The criteria of estimation the level of resistance anchors as part of combined anchored system that is used for determination the most influential geomechanical factors with regard to degree of loading system: depth of mine working place, average calculated resistance to pressure of surrounding rocks, relation of calculated resistance to pressure of immediate mine roof to its thickness is substantiated. The regularities of a degree of anchor loading within combined anchored system as of the main influenced geomechanical factors are determined. The regular pattern of increasing the reaction of pressure resin-grouted bolts in the course of coordinate variation their installation in the direction of peripheral areas of a set cap of frame support is established. The calculated expressions that define the necessary parameters of strengthening the roof of extraction mine workings as a combined anchored system are received. “Methodology of calculation the support system of excavations for Western Donbas mines” is designed and approved by PJSC “DTEK Pavlogradvyhillia” and SHEI “National Mining University”. It allows realizing resource-saving conditions of supporting of extraction mine workings that are reused. The actual economic effect for two mines is 41,8 mln. UAH.