Стр.
5
7
7
9
9
16
24
25
27
27
28
29
31
32
33
33
36
41
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Анализ известных технических решений и научных работ в области анкерного креплении в горном деле и постановка задач исследовании
1.1. Сущность анкерного крепления и применение его в технике
1.2. Анализ особенностей применения анкеров для крепления горных выработок
1.2.1. Принцип действия горных анкеров
1.2.2. Классификация и область применения арматурных сталей
1.3. Основные виды современного анкерного крепления горных
N
выработок
1.3.1. Сталеполимерная анкерная крепь
1.3.2. Сталеорганическая анкерная крепь
1.3.3. Анкерная крепь с механическим замком закрепления
1.3.4. Анкерная крепь с неорганическим вяжущим
1.3.5. Бетошіая анкерная крепь
1.3.6. Сталеполимерная анкерная крепь глубокого заложения, ампульного закрепления
1.3.7. Анкерная крепь глубокого заложения, безампулыюго закрепления полимерными смолами
1.3.8. Анкерная крепь глубокого заложения, безампулыюго закрепления цементно-песчаными смесями
1.4. Конструкции опорных элементов
1.5. Обзор известных исследовании в области анкерного крепления горных выработок
1.6. Обоснование современных требовашгїі к горным анкерам и
44
44
53
64
68
74
74
79
79
84
89
93
105
105
117
120
129
постановка задач исследования
Глава 2. Теория поведения стержня анкера при его установке и стационарном нагружении
2.1. Основные схемы нагружения стержней анкеров для крепления горных выработок
2.2. Геометрия искривленных стержней
2.3. Схемы нагружения стержней (статика гибких стержней)
2.4. Вывод уравнения равновесия стержня с учетом его деформаций Глава 3. Решение частных задач нагружения и деформирования горных анкеров
3.1. Обоснование наиболее вероятных ситуаций нагружения горных анкеров
3.2. Применение компьютерного моделирования для определения деформации искривленных стержней при различных схемах нагружения
3.2.1. Возможности компьютерного моделирования и необходимые условия для получения результата
3.2.2. Расчетные уравнения плоской задачи теории упругости
3.2.3. Исходные данные для решения задачи
3.2.4. Применение программы АЫЭУЭ для получения численных значений деформаций
Глава 4. Исследования с цслыо совершенствования основных элементов анкерной крепи
4.1. Совершенствование анкерных стержней
4.2. Совершенствование затяжного устройства анкера
4.3. Экспериментальная проверка прочности известных и вновь разработанных затяжных узлов
4.4. Исследования замкового устройства
4.5. Разработка методики подготовки новых элементов анкерной крепи к серийному производству 136
4.6. Общие выводы по главе 139
Заключение 140
Литература 142
Список опубликованных работ 148
Приложение 150
л
(*
4
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной науки и техники неразрывно связано с разработкой и созданием новых машин, оборудования, которые должны максимально увеличивать производительность труда, способствовать повышению безопасности работ, снижать себестоимость выпускаемой продукции. Особенно это важно в отраслях промышленности, занимающихся добычей полезных ископаемых подземным способом. Основными тенденциями развития машин и оборудования в этих отраслях являются увеличешгс мощности добычного оборудования, повышение скоростей проходки. Для обеспечения выполнения поставленных задач важную роль играет своевременное и надежное крепление горных выработок с помощью анкерной крепи. Одним из основных и наиболее ответственных элементов которой является так называемый горный анкер.
В настоящее время проблема увеличения скорости проходки и в соответствии с этим увеличение скорости возведения крепи и повышение надежности ее элементов является весьма актуальной.
Вопросы совершенствования горных анкеров и их отдельных элементов рассматривались в работах, выполненных Н.И. Мельниковым, А.П. Широковым, В.А. Лидером, В.Е. Ануфриевым, Г.С. Пучиняном, и другими. Однако, анализ работ показал, что все они носят описательный характер. Научного подхода к разрешению указанных вопросов осуществлено не было.
В настоящей диссертации разработаны принципиально новые подходы к изучению и совершенствованию ответственных узлов горных анкеров с научной точки зрения.
Выполненный в настоящем исследовании анализ существующих конструкций горных анкеров позволил утверждать, что для их
совершенствования необходимо систематизировать подход с учетом особенностей их конструкций и следующих основных факторов: замковое устройство анкера представляет собой сложный высоконагруженный элемент соединяющий стержень с горным массивом, осевая линия стержня анкера является не прямолинейной, а пространственно-криволинейной, к затяжному устройству анкера применима теория резьбового соединения.
В настоящей диссертации автором доказано, что стержень анкера необходимо рассматривать как пространственно-криволинейный тонкий стержень. Рассмотрены основные положения теории пространственно-
криволинейных стержней В.А. Светлицкого применительно к горным анкерам.
Большое внимание в исследовании обращено на рассмотрение геометрии пространственно-крішолішейньїх стержней. Показана закономерность изменения параметров и мер пространственно-криволинейных тонких стержней в зависимости от приложенных усилий. Для определения числешплх значений деформаций стержня обоснована возможность
использования компьютерной программы АЫБУБ.
Автору диссертации удалось разработать и довести до практического
применения алгоритм подхода к решению задач, связашіьіх с
совершенствованием ответственных высоконагруженных элементов анкерной крепи горных выработок.
Результаты исследований позволили целенаправленно создать ряд уникальных конструкций основных элементов горного анкера. На основании полученных решений разработаны и внедрены в серийное производство высоконадежные и безопасные узлы анкерной крепи.
Глава 1. Анализ известных технических решений и научных работ в области анкерного крепления в горном деле и постановка задач исследования
1.1. Сущность анкерного крепления и применение его в технике
Понятие анкер происходит от немецкого слова "апкег" - якорь, и обозначает следующее - ’’опора, элемент или деталь закрепления кошт каната или стержня в каком - либо теле” [61, стр. 34].
Анкерные системы находят широкое применение в различных областях техники и промышленности:
- в промышленном и гражданском строительстве применяются анкерные устройства для крепления к прочному основашпо (пол, фундамент, стены, потолок или другие конструкции) различного оборудования, приспособлений, строительных конструкций в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно выполнять сквозное отверстие.
- в добывающей промышленности для крешіеїшя подземных горных выработок, укрепления склонов от оползания.
Таким образом, к понятию "анкер" можно отнести все устройства, закрепляемые каким-либо способом в глухих отверстиях и ирсдназначеїшьіе для восприятия осевой нагрузки, например:
- дюбель-гвозди, закрепляемые в глухих отверстиях, с помощью специальной металлической, деревянной или пластмассовой втулки. К дюбель-гвоздям можно отнести также шурупы, закрепляемые в отверстии путем вворачивания в предварительно установленную в скважине деревянную или пластмассовую втулку (пробку);
- строительные анкерные болты, состоящие из болта или шпильки с резьбой на наружном конце и различных по конструкции деталей,
7
предназначенных для жесткой фиксации конца стержня в глубине глухого отверстия. Применяются также анкерные болты, у которых наружная часть выполнена в виде различных по форме и исполнению колец или крючков для крепления к ним веревок или канатов;
- анкерные фундаментные болты, закрепляемые в отверстиях, пробуренных в фундаменте, с помощью бетонного раствора, или так называемые "закладные" анкеры, устанавливаемые в тело фундамента до его заливки.
- горные анкеры для предотвращения обрушения подземных выработок и склонов.
Размеры анкеров колеблются в значительных пределах. Длина - от нескольких миллиметров до нескольких метров. Диаметр - от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В качестве примеров, среди разнообразия анкерных устройств можно выделить следующие:
- забиваемый металлический дюбель-гвоздь,
- забивной анкер с внутренней резьбой,
- клиновой анкер,
- анкерный болт,
- металлический рамный дюбель,
- анкерный болт с гайкой,
- анкерный болт с потайной головкой,
- анкерный болт с крюком или кольцом,
- анкер - клин,
- потолочный анкер,
- дюбель полипропиленовый,
- дюбель с шурупом для быстрого монтажа,
- анкерные фундаментные болты, предназначенные для крепления к фундаментам различного оборудования, опор ЛЭП и т. д.,
- анкерные устройства для крепления горных выработок и склонов. Размеры стержней этих анкерных устройств варьируются в широких пределах. Так, например, диаметр стержня от 10 до 100 мм, а длина от 300 до 5000 мм и более. Конструкции и способы закрепления таких анкеров имеют множество вариаіггов. Наиболее подробно они рассмотрены в [9].
Одним из основных параметров, характеризующих анкерное устройство, является отношение длины стержня анкера к диаметру отверстия для его установки.
Как правило, у анкеров, применяемых для крепления горных выработок, это соотношение в основном лежит в диапазоне ог 50 до 200 и выше.
Далее будем рассматривать только анкеры для крепления горных выработок.
1.2. Анализ особенностей применения анкеров для крепления горных выработок
1.2.1. Принцип действия горных анкеров
Рассмотрим анкер для крепления горных выработок более подробно.
Важную роль в снижении себестоимости продукции, повышении производительности труда, обеспечении безопасной и ритмичной работы шахт и рудников играет решение проблемы рационального крепления и надежного поддержания выработок.
Широко применяемая рамная крепь, влияющая на многие процессы технологии горного производства, имеет следующие недостатки: высокую материалоемкость, трудность механизированной установки, высокую трудоемкость крепления и поддержания выработок, сложность крепления и транспортирования на поверхности и под землей, большие потери полезного сечения выработок и нерациональное использование строительного
материала, особенно деревянной крепи, которая имеет малый срок службы, низкую устойчивость, недостаточную несущую способность (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Виды деревянной рамной крепи
1. Затяжка.
2. Верхняк.
3. Забутовка.
4. Стойка
5. Лунка для стойки.
Элементы рам - верхняки и стойки изготавливают из круглого леса
диаметром 14-24 см. Затяжка и забутовка из досок или горбыля. Нижние концы стоек упирают в специальные лунки. Для придания крепи податливости, когда это необходимо, нижние концы стоек заостряют. Крепежные рамы обычно бывают прямоугольной (а) или трапециевидной (б) формы (рисунок 1.1). Отмеченные недостатки рамной крепи, возводимой вручную, проявились особенно остро в период широкого внедрения высокопроизводительных проходческих комбайнов, очистных механизированных комплексов и перевода горных работ на более глубокие горизонты. В этих условиях рамная крепь (деревянная, металлическая и др.) стала основным тормозом в увеличении темпов проведения выработок, в осуществлении перехода на подготовку длинных выемочных полей и снижения общих затрат на поддержание выработок особенно в зоне влияния очистных работ и на сопряжениях лав со штреками. Это в свою очередь
а - прямоугольная
б - трапециевидная
сдерживало интенсификацию разработки и затрудняло освоение проектных показателей по добыче угля. Возникла необходимость в создании такой конструкции крепи, которая была бы лишена этих недостатков.
Одним из таких видов крепления является анкерная крепь [9].
Впервые анкерная крепь начала широко применяться в 1947 году, причем практически одновременно в США и в СССР - на угольных шахтах Донбасса. В Кузбассе впервые анкерная крепь была применена в 1954 году на крутых пластах в шахтах Прокопьевска и Киселевска.
Анкерная крепь состоит из системы армирующих элементов, закрепляемых в скважинах, пробуренных по контуру выработки, которые в сочетании с поддерживающими и ограждающими элементами (или без них) предназначены для предотвращения обрушения горных пород за счет их скрепления и подвески к устойчивой части породного массива (рисунок 1.2).
1. Устойчивые породы
2. Анкер
3. Слои неустойчивой горной породы
Рисунок 1.2 - Схема анкерной крепи
Анкерная крепь, установленная с предварительным натяжением, повышает сопротивлеіпіе сдвигу слоев пород относительно друг друга и создает грузонесущую конструкцию в виде породной армированной балки или арки, защемленной между двумя опорами. Современная теория анкерной крени придает важное значение эффекту трения между слоями пород и базируется на следующих положениях:
- слабые породы, залегающие над выработкой, «пришиваются» анкерами к вышележащему слою прочных пород (рисунок 1.2);
ж
неустойчивые трещиноватые породы поддерживаются соединительными элементами анкерной крепи и подвешиваются анкерами к своду естественного равновесия (рисунок 1.3а);
- слабоустойчивые слоистые породы скрепляются между собой и «пришиваются» анкерами к вышележащим прочным породам (рисунок 1.36);
- неустойчивые слоистые породы скрепляются между собой и подвешиваются анкерами к своду естественного равновесия (рисунок 1.3в).
- несколько слоев слаботрещиноватых пород скрепляются между собой анкерами для образования ірузонесущей конструкции в виде балки или арки (рисунок 1.3 г);
- трещиноватые слоистые породы, разрушающиеся при проведении выработки, скрепляются и подвешиваются анкерами к своду естественного равновесия (рисунок 1.3д);
(*
ні к ні ш
0И0ИЯ глтт г/у/у/}. у//лг&л \
/1 . -Г Л у1/
1 - ’'/?/, 'Л
1 Т Т т 'ЦТ
б г д
Рисунок 1.3 - Варианты крепления горных пород с помощью анкеров
Известные принципы классификации анкерной крепи и условия ее
12
применения наиболее подробно изложены в работах [1, 4, 9, 10], рассмотрим только наиболее существенные классификационные признаки анкерной крепи, получившие всеобщее признание.
В мировой практике различают индивидуальные и комплектные анкерные крепи. Индивидуальная анкерная крепь включает установленные в выработке анкеры, не имеющие друг с другом механических связей. Комплектная анкерная крепь содержит поддерживающий кровлю элемент (подхват) в ваде каната, полосы, швеллера и т.п., который связывает два или несколько анкеров в единое целое.
По назначению различают временную и постоянную анкерную крепи. Временная анкерная крепь, как правило, устанавливается в забое проводимой выработки, в дальнейшем не извлекается и зачастую служит не принимаемым в расчет составным грузонесущим злемеїггом постоянной крепи, возводимой с отставанием от забоя. Постоянная анкерная крепь, возводимая в забое или с отставанием от него, применяется самостоятельно и в комбинации с набрызг-бетонной или рамной крепями. Анкеры используются также для различных вспомогательных целей: для крепления шахтного оборудования, подвески кабелей, вентиляциошплх и водопроводных труб, ремонта горных выработок и т. п.
По принципу действия анкеры делятся на активные и пассивные. Активные анкеры устанавливаются в скважинах с предварительным натяжением стержня, что повышает сопротивляемость закрепленного массива прогибу и смещению отдельных слоев относительно друг друга. С повышением предварительного натяжения анкера возрастает устойчивость выработки за счет увеличения сил трения между плоскостями раздела горных пород. Возведеіше пассивных анкеров производится без предварительного натяжения стержня, в результате чего необходимо увеличивать количество анкеров на единицу площади по сравнению с активными анкерами.
Типичными представителями пассивных анкеров являются винтовые,
Г#»
1*1
железобетонные, взрывные, армополимерные и другие анкеры, закрепляемые по всей длине скважины.
Схематично обобщенная конструкция анкерного устройства (горного анкера) представлена на рисунке 1.4.
1. Горный массив.
2. Замковое устройство
3. Стержень анкера с резьбой на наружном конце
6. Сшиваемые слои горных пород
4. Шайба
5. Гайка
т Г
! 1
Рисунок 1.4 - Устройство горного анкера
Как видно из рисунка, основными элементами горного анкера являются замковое устройство 2, стержень 3 и натяжное устройство, состоящее из гайки 5 и шайбы 4.
14
Замковое устройство анкера служит для закрепления стержня в породе, а натяжное устройство (гайка, клин и т. д.) - для создания в стержне анкера предварительного напряжения с целью уменьшения развития деформации горных пород. В анкерах, стержни которых закрепляются с помощью быстротвердеющих смесей по всей длине скважины, замковое устройство, а также предварительное натяжение в стержнях может отсутствовать. Поэтому термин <оатяжное устройство» более правильно.
Замки анкеров, как правило, располагаются либо в устойчивых породах выше контура естественного равновесия, либо в слоях пород, перемещающихся с безопасной скоростью сдвижения, обеспечивая устойчивое состояние горных выработок.
Известные конструкции замковых устройств наиболее полно рассмотрены в [1, 4, 9].
По материалу стержня выделяют деревянные, металлические, железобетонные и полимерные анкеры, а по конструктивному исполнению стержня — канатные, стержневые, комбинированные и стренговые (многопрутковые) анкеры.
Горные анкеры относятся к конструкциям тяжело нагруженным и весьма ответственным. Выход горных анкеров из строя неизбежно приводит к серьёзным авариям и человеческим жертвам. Их прочностные характеристики и конструкции должны удовлетворять необходимым требованиям и гарантировать надежность и безопасность. Поэтому наибольшее применение получили стержни анкеров, изготавливаемые из круглого арматурного металлопроката гладкого или периодического профиля, используемого для армирования железобетонных конструкций.
1.2.2. Классификации и область применении арматурных сталей
Основной задачей арматурных сталей является восприятие растягивающих усилии в различных железобетонных конструкциях, в том числе динамических.
Для армирования железобетонных конструкций применяется арматурная сталь, отвечающая требованиям соответствующих государственных стандартов и технических условий. В зависимости от механических свойств арматура делится на следующие виды и классы.
Стержневая арматура:
а) горячекатаная - гладкая класса А-1; периодического профиля классов А-Н, Ас-И, А-Ш, А-1У, А-У, А-У1;
б) термомеханически и термшюски упрочненная - периодтгческого профиля классов Ат-ШС, АТ-1У, АТ-1 УС, АТ-1УК, АТ-У, АТ-УК, АТ-УСК. АТ-У1, АТ-У1К и АТ-VII;
в) упрочненная вытяжкой - периодического профиля класса А-Ш в.
Проволочная арматура:
г) арматурная холоднотянутая проволока:
обыкновенная - периодического профиля класса Вр-1; высокопрочная -гладкая класса В-Н, периодического профиля класса Вр-П;
<5» д) арматурные канаты - спиральные семипроволочные класса К-7 и
девятнадцатипроволочиые класса К-19.
В железобетонных конструкциях допускается применение упрочненной вытяжкой стержневой арматуры класса А-Шв (с контролем удлинений и напряжений или только удлинений).
В обозначениях горячекатаной стержневой арматуры индекс «с» употребляется для арматурной стали «северного исполнения» например, класс Ас-Н из стали марки 10ГТ.
16
В обозначеігиях термомеханически упрочненной арматуры индекс «С» указывает на возможность стыкования стержней сваркой, а индекс «К» - на повышенную стойкость против коррозионного растрескивания под напряжением.
В дальнейшем для краткости будем использовать следующие термины: «стержень» - для обозначения арматуры любого диаметра, вида и профиля независимо от того, поставляется ли она в прутках или мотках (бухтах); «диаметр» (сі), если не оговорено особо, обозначает номинальный диаметр стержня.
Каждому классу арматуры соответствуют определенные марки арматурной стали с одинаковыми механическими характеристиками, но различным химическим составом. В обозначении марки стали отражается содержание углерода и легирующих добавок. Например, в марке 25Г2С две первые цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента (0,25 %), буква Г — сталь легирована марганцем, цифра 2 - его содержание может достигать 2 %, а буква С - наличие в стали кремния (силиция). Наличие других химических элементов, например, в марках 20ХГ2Ц и 23Х2Г2Т обозначается буквами: X - хром, Т - титан, Ц - цирконий.
Разделение арматурной стали на классы в зависимости от основных механических характеристик, а не марок стали и их химического состава (как это было в старых нормах) наиболее оправдано. Такая система позволяет заранее устанавливать требования к перспективным классам арматуры до разработки соответствующей марки стали или режима упрочнения.
Класс арматурной стали выбирают в зависимости от типа конструкции, наличия предварительного напряжения, а также от условий возведения и эксплуатации строений.
В качестве ненапрягаемой арматуры железобетонных конструкций применяют:
- стержневую - классов А-ІІІ и Ат-ІІІС;
- арматурную проволоку класса Вр-І;
- стержневую - классов А-І, А-ІІ и Ас-П;
- стержневую - классов А-ІУ, АТ-ІУ и АТ-ІУК;
- стержневую - классов А-У, АТ-У, АТ-УК, АТ-УСК, А-УІ, АТ-УІ, АТ-УІК, АТ-УII.
Арматуру классов А-ІІІ, Ат-ІІІС, АТ-ІУС, Вр-І, А-І, А-І1 и Ас-ІІ рекомендуется применять в виде сварных каркасов и сеток.
В конструкциях с ненапрягаемой арматурой, находящихся под давлением газов, жидкостей и сыпучих тел, применяют стержневую арматуру классов А-І, А-ІІ, А-ІІІ и Ат-ШС и арматурную проволоку класса Вр-1.
В качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных конструкций применяют:
- стержневую классов А-У, АТ-У, АТ-УК, АТ-УСК, А-УІ, АТ-УІ, АТ-УІК И АТ-УИ;
- арматурную проволоку классов В-ІІ, Вр-И и арматурные канаты классов К-7 и К-19.
Допускается также применять стержневую арматуру классов А-ІУ, АТ-ІУ, АТ-ІУС, АТ-ІУК и А-Шв.
Прочность и деформативность арматурных сталей характеризуются диаграммой а5 - £3 при растяжетш стали до разрыва (рисунок 1.5).
Для многих горячекатаїшх сталей характерно наличие на диаграмме участка линейной зависимости между напряжениями и деформациями (упругая работа стали) и четко выраженной площадки текучести (рисунок 1.5, а), длина которой зависигг от структуры стали. Для высокопрочных арматуріїьіх сталей (рисунок 1.5, б, в) четкого предела упругости и предела текучести нет, поэтому пользуются понятиями условного предела упругости и условного предела текучести [51].
За условный предел упругости принимают напряжения, при которых возникают начальные остаточные относительные деформации, составляющие 0,02 % участка образца, равного базе измерения.
Если напряжения арматуры с достаточно развитой площадкой текучести достигают значения с8>у, при дальнейшем даже незначительном увеличении нагрузки в растянутой зоне, сопротивление исчерпывается и конструкция разрушается. При этом временное сопротивление стали а5>ь, значительно
превышающее предел текучести, остается неиспользованным (рисунок 1.5, а). Если же если площадка текучести невелика, либо вообще отсутствует (условный предел текучести), интенсивное разрушение конструкции происходит при напряжениях в арматуре ст5у < а5 < о5 ь. В этих условиях область между пределом текучести и временным сопротивлением можно рассматривать как неиспользованные резервы (рисунок 1.5,6). У термически
упрочненных сталей (рисунок 1.5, в), предел текучести а$>у практически приближается к временному сопротивлению о5>ь, и разрушение стали происходит без значительного удлинения.
к
і '■ *1
Рисунок 1.5 - Диаграммы <7, - є, при растяжении арматурной стали
19
'ф.
4 а- с площадкой текучести;
б - без площадки текучести; в - твердой.
Основные виды металлопроката, используемого для изготовления стержней анкеров, приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1.
Виды металлопроката, используемого для изготовления стержней анкеров
Вид арматуры и документы, регламентирующие качество Класс арматуры Марка стали Диаметр, мм Времени ое сопроти вление, ов, МПа, Нормати вное сопроти вление растяже нию, Rsn = СГт МПа
Стержневая горячекатаная гладкая, ГОСТ 5781-82. A-I СтЗспЗ СтЗпсЗ СтЗкпЗ ВСтЗсп2 ВСтЗлс2 ВСтЗкп2 ВСтЗГпс2 6-40 6-40 6-40 6-40 6-40 6-40 6-18 360 235
Стержневая горячекатаная периодического профиля, ГОСТ 5781-82. A-II ВСт5сп2, ВСт5пс2, ВСт5пс2, 18Г2С, 10ГТ. 10-40 10-16 18-40 40-80 10-32 450 295
A-III 35ГС 25Г2С 6-40 6-40 600 390
A-IV 80С 20ХГ2С 10-18 10-22 900 590
A-V 23Х2Г2Т 10-22 1050 785
Стержневая термически упроченная периодического профиля, ГОСТ 10884-81 AT-IV AT-V AT-VI AT-VII 20ГС, 20ГС2, 28С 10ГС2, 08Г2С, 20ГС2 30ХС2 10-25 10-25 10-25 10-25 900 1000 1200 1300 590 785 980 1175
20