Определение проявлений горного давления в породах вокруг выработки с анкерной крепью аналитическим  и экспериментальным методами

Демин В.Ф., Сон Д.В., Демин В.В., Мальченко Т.Д., Немова Н.А.

Карагандинский государственный технический университет

Определение проявлений горного давления в породах вокруг выработки с анкерной крепью аналитическим и экспериментальным методами

Проведено исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород с помощью программы ANSYS вокруг одиночных выработок в условиях шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» при технологической схеме проведения выемочной выработки (рисунок 1) – конвейерного штрека 31к₁₂-ю при глубине разработки 390 м и геологической мощности пласта к₁₂, равной 6 м.

На рисунке 2 представлена расчетная схема поставленной задачи. Граничные условия: на линии АВ отсутствуют перемещения и ; на линиях AD и BC отсутствует перемещение ; на линию DC действует нагрузка МПа. Размер слоев пород выбран согласно горно-геологического паспорта. Рассмотрена выработка прямоугольного сечения площадью 15 м² (ширина 5 м и высота 3 м).

На рисунке 3 показана модель, представленная конечными элементами. Конечный элемента представлен в виде равностороннего треугольника с размером стороны 0,2 – 0,3 м.

Установлены следующие значения вертикальных перемещений: мм, мм, мм, соответствующих исследуемым точкам 4, 6, 5 рисунка 3. Распределение характера вертикальных перемещений в массиве боковых пород представлено на рисунке 4.

Рисунок 1 – Технологическая схема проведения конвейерного штрека 31к₁₂-ю шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау»:

а и б – продольный и поперечный разрезы; в – поперечное сечение

Рисунок 2 – Расчетная схема модели приконтурных пород вокруг горной выработки

Рисунок 3 – Модель массива пород вокруг выработки, разбитая на конечные элементы

Рисунок 4 – Эпюра вертикальных перемещений боковых пород

Характер распределения вертикальных напряжений ()в массиве приконтурных пород в исследуемых точках 1, 2, 3 (см. рисунок 2), представляется зависимостью, представленной на рисунке 5.

Рисунок 5 – Нормальные напряжения в массиве приконтурных пород

Нормальные напряжения в области боковых стоек выработки симметричны и имеют следующие значения в кровле МПа, в боках МПа и в почве МПа. На рисунке 6 приведено характер распределения вертикальных напряжений .

а б

Рисунок 6 – Эпюры нормальных напряжений: а – общая картина; б – в окрестностях выработки

Эта же задача рассмотрена с учетом крепления анкерами кровли выработки. Длина анкеров 2,4 м, диаметр - 0,022 м. Расположения анкеров в кровле – вертикальное или близкое к нему.

В результате произведенных расчетов получены следующие значение вертикальных перемещений: мм, мм, мм, соответствующих точкам 4, 6, 5 рисунка 1. Распределение характера нормальных перемещений приведено на рисунке 7.

Рисунок 7 – Вертикальные перемещения при креплении анкерами кровли выработки

Изменение вертикальных напряжений () в точках 1, 2, 3 иллюстрируются зависимостью, представленной на рисунке 8.

Рисунок 8 – Изменение вертикальных напряжений при креплении анкерами кровли выработки

Значения нормальных напряжений у боковых стоек выработки симметричны и имеют следующие значения: в кровле МПа, в боку МПа, в почве МПа. На рисунке 9 приведена эпюра вертикальных напряжений .

Рисунок 9 – Эпюра вертикальных напряжений в окрестностях выработки

На рисунке 10 приведено распределение вертикальных напряжений в анкерах расположенных в кровле.

Рисунок 10 – Эпюра нормальных напряжений по длине анкеров

Проведенные исследования показывают, что перемещения в обеих задачах – без- и с анкерным креплением в кровле выработки в боках и почве остаются без изменения. Расчетные перемещения по паспорту проведения и крепления забоя конвейерного штрека 31к₁₂-ю шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» составляют мм, мм, мм. Сравнивая данные значения с данными, полученными численным методом, можно заключить следующие:

- погрешность вычисления перемещений в кровле между численным и аналитическим методом около 2 %;

- погрешность вычисления перемещений в боках между численным и аналитическим методом около 6 %;

- перемещения в почве, полученные аналитическим путем в 2,8 раза больше перемещений, полученных численным методом.

Из зависимостей 5 и 8 следует, что в условиях закрепления кровли выработки анкерами напряжение по модулю уменьшилось.

Рассматривая распределения нормальных напряжений в случае, когда кровля не закреплена анкерами, проверим задачу на прочность каждого слоя (расположение слоев показано на рисунке 2):

- песчаник МПа < (МПа);

- алевролит в зоне кровли выработки МПа< (МПа);

- аргиллит в зоне кровли выработки МПа< (МПа);

- уголь в зоне кровли выработки МПа< (МПа);

Проверяя на прочность те же слои для случая, когда кровля закреплена анкерами:

- песчаник МПа < (МПа);

- алевролит МПа < (МПа);

аргиллит в зоне кровли выработки МПа < (МПа);

- уголь в зоне кровли выработки МПа < (МПа);

Из выше изложенного следует, что сжимающие напряжения уменьшаются. Рассмотрим характер изменения сжимающих напряжений (рисунок 11).

Рисунок 11 – Эпюра сжимающих напряжений

Из рисунка 11 следует, что в кровле и в почве породы весьма неустойчивы, в боках породы – наоборот достаточно устойчивы. Анкера в кровле работают на сжатие. В анкерах, направленных под углом к кровле возникают максимальные растягивающие напряжения. Максимальное напряжение располагается в точке соединения с кровлей и достигает значения 74,3 МПа. Максимальные сжимающие значения напряжений так же возникают в анкере, установленном под углом к кровле и принимает значение 160 МПа.

Сравнение расчетных и экспериментальных параметров позволило установить, что погрешность аналитического вычисления перемещений в кровле составляет лишь 2, в боках 6 %.

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.