Laboratory studies of a high-strength roof bolting by means of self-extending mixtures

Abstract

Purpose is to analyze parameters of a new method to fasten roof bolts with the help of nonadhesive mixtures extending while hardening along with the development of high expansion pressures. Methods. The research, concerning forces applied while fastening roof bolts by means of self-extending mixtures, has been carried out under full-scale laboratory conditions using pressing-in method. Rock mass was simulated by means of concrete in plastic and metal forms, and steel pipes. The latter simulated ultimate rigidness conditions. Roof bolts were simulated by means of reinforcement steel fragments. In the context of the research, bolt diameters varied from 8 to 32 mm, and borehole diameters varied from 26 to 43 mm. Hydraulic 50-ton press was used for the tests. The testing results were applied to obtain regressive dependences of bolt fastening efforts in terms of different ratios between roof bolt diameter, borehole diameter, and incapsulation depth. Mine experiments concerning efforts to fasten Rockbolt System AG roof bolts of J64-27 type to strengthen chamber 1 of level 3 in Velychka mine were performed using a method of static bolt extraction. Hydraulic extraction device was equipped by ZEPWN CL 18T sensor and CL 162z-DW recorder. Findings. It has been proved experimentally that operation mechanism of the roof bolts, fastened by means of self-extending mixtures during hydration hardening, is close to the modern energy absorbing bolts. Bolt diameter-borehole diameter ratio range, when ultimate effort of bolt fastening by means of extending mixtures is achieved, has been determined. Functional connection between the efforts to fasten roof bolts, using extending mixtures, and diameters of borehole and the roof bolt has been identified as well as linear connection between incapsulation depth and bearing capacity of the roof bolt. Originality. A new concept to fasten roof bolts with the help of nonadhesive technique owing to their quazistatic compression between borehole walls, taking place as a result of hydration self-extension of mixtures which can achieve 30 – 50 MPa pressures under the conditions of zero deformations, has been developed. Regularities in the variation of efforts to fasten bolts, using the technique, depending upon roof bolt – fastening mixture – rock mass system geometry have been determined. Practical implications. The results can be used to calculate parameters of roof bolting with high bearing capacity under the conditions of large deformations. The proposed fastening method may be implemented in mine workings.

Мета. Дослідження параметрів нового способу закріплення анкерних болтів неадгезійними сумішами, які при твердінні розширюються з розвитком високих тисків розширення. Методика. Дослідження зусилля закріплення анкерів сумішами, що саморозширюються, були проведені в лабораторних умовах у натуральному масштабі методом вдавлювання. Породний масив моделювався бетоном, залитим у пластикову та металеву опалубку, і сталевими трубами. Останні моделювали умови максимальної жорсткості. Анкерні болти імітувались відрізками арматурної сталі. В дослідженнях змінювали діаметр болтів від 8 до 32 мм, діаметр шпурів – від 26 до 43 мм. Тестування проводилося на гідравлічному 50-тонному пресі. Результати тестування були використані для отримання регресійних залежностей зусилля закріплення анкерів при різних співвідношеннях діаметру анкера та діаметру шпуру і глибині інкапсуляції. Шахтні польові дослідження зусилля закріплення анкерів Rockbolt System AG типу J64-27 при укріпленні камери 1 горизонту 3 ш. Величка (Польща) проводились методом статичного витягування болтів. Гідравлічний прилад для витягування було обладнано датчиком ZEPWN CL 18T і реєстратором CL 162z-DW. Результати. Експериментально доведено, що анкерні болти, закріплені сумішами, що саморозширюються при гідратаційному твердінні, мають механізм роботи, близький до сучасних енерго-абсорбуючих болтів. Визначено діапазон співвідношення діаметра анкеру до діаметра шпуру, в якому досягається максимальне зусилля закріплення болтів сумішами, що розширюються. Встановлено функціональний зв’язок між зусиллям закріплення анкерів сумішами, що розширюються, і діаметрами шпуру та анкера. Встановлено лінійний зв’язок між глибиною інкапсуляції й несучою здатністю анкера. Наукова новизна. Розвинута нова концепція закріплення анкерних болтів неадгезійним способом за рахунок квазістатичного затиснення їх між стінками шпуру, яке відбувається у результаті гідратаційного саморозширення сумішей, що здатні досягати тисків 30 – 50 МПа в умовах нульових деформацій. Встановлено закономірності змінення зусилля закріплення болтів наведеним способом від геометричних параметрів системи “анкер – закріплююча суміш – масив”. Практична значимість. Результати можуть використовуватися для розрахунку параметрів анкерного кріплення з високою несучою здатністю в умовах великих деформацій контуру виробки. Запропонований спосіб кріплення може бути реалізований у гірничих виробках шахт.

Цель. Исследование параметров нового способа закрепления анкерных болтов неадгезионными смесями, которые при твердении расширяются с развитием высоких давлений расширения. Методика. Исследования усилия закрепления анкеров расширяющимися смесями были проведены в лабораторных условиях в натуральном масштабе методом вдавливания. Породный массив моделировался бетоном, залитым в пластиковую и металлическую опалубку, и стальными трубами. Последние моделировали условия максимальной жесткости. Анкерные болты имитировались отрезками арматурной стали. В исследованиях изменяли диаметр болтов от 8 до 32 мм, диаметр шпуров – от 26 до 43 мм. Тестирование проводилось на гидравлическом 50-тонном прессе Результаты тестирования были использованы для получения регрессионных зависимостей усилия закрепления анкеров при различных соотношениях диаметра анкера и диаметра шпура и глубине инкапсуляции. Шахтные полевые исследования усилия закрепления анкеров Rockbolt System AG типа J64-27 при укреплении камеры 1 горизонта 3 ш. Величка (Польша) проводились методом статического вытягивания болтов. Гидравлический прибор был оборудован датчиком ZEPWN CL 18T и регистратором CL 162z-DW. Результаты. Экспериментально доказано, что анкерные болты, закрепленные расширяющимися при гидратационном твердении смесями, имеют механизм работы, близкий к современным энерго-абсорбирующим болтам. Определен диапазон соотношения диаметра анкера к диаметру шпура, при котором достигается максимальное усилие закрепления болтов расширяющимися смесями. Установлена функциональная связь между усилием закрепления анкеров расширяющимися смесями и диаметрами шпура и анкера. Установлена линейная связь между глубиной инкапсуляции и несущей способностью анкера. Научная новизна. Развита новая концепция закрепления анкерных болтов неадгезионным способом за счет квазистатического зажатия их между стенками шпура, которое происходит в результате гидратационного саморасширения смесей, которые могут достигать давлений 30 – 50 МПа в условиях нулевых деформаций. Установлены закономерности изменения усилия закрепления болтов приведенным способом от геометрических параметров системы “анкер – закрепляющая смесь – массив”. Практическая значимость. Результаты могут использоваться для расчета параметров анкерного крепления с высокой несущей способностью в условиях больших деформаций контура выработки. Предложенный способ крепления может быть реализован в горных выработках шахт.