Способ обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната
Изобретение относится к технологиям обеспечения опоры горных выработок в шахтах. Способ включает этап А, на котором определяют область повреждения окружающих пород горной выработки и рассчитывают опорную нагрузку, необходимую для этих пород; этап В, на котором приводят оценку оседания кровли горной выработки; этап С, на котором предварительно определяют вспомогательные материалы анкерного болта и крепежного каната для эксплуатационных испытаний анкерного болта и крепежного каната; этап D, на котором определяют длины анкерного болта и крепежного каната, включающий определение длины свободных секций анкерного болта и крепежного каната на подэтапе D1 и определение длины самих анкерного болта и крепежного каната на подэтапе D2; этап Е, на котором выполняют коррекцию прочности анкерного болта и крепежного каната. При неудовлетворительности требований к прочности повторяется этап С. Далее способ включает этап F, на котором определяют интервалы установки анкерных болтов и крепежных канатов, включающий: предварительное определение интервала установки анкерных болтов и вычисление опорной нагрузки на анкерный болт на подэтапе F1, расчет опорной нагрузки, требуемой для крепежного каната, и определение интервала установки крепежных канатов на подэтапе F2, а также проведение проверки рациональности интервалов на подэтапе F3; этап G, на котором устанавливают анкерный болт и крепежный канат. Обеспечивается рациональная конструкция, простота эксплуатации и высокая надежность. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники изобретения
[001] Настоящее изобретение относится к области технологии обеспечения опоры горных выработок в шахтах, а конкретно – к методу обеспечения опоры за счет опорных параметров анкерного болта и крепежного каната, рационально спроектированных по принципу использования синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната.
Уровень техники изобретения
[002] В настоящее время при добыче угольных ресурсов шахтным методом в Китае количество шахтных горных выработок быстро растет. Опоры за счет анкерного болта представляют собой наибольшую долю опор шахтных горных выработок. Однако поскольку опоры за счет одних анкерных болтов не могут соответствовать требованиям к поддержанию окружающих пород в выработках, широко применяются объединенные опоры из анкерных болтов и крепежных канатов. Максимальная несущая способность в конструкции существующих объединенных опор из анкерного болта и крепежного каната достигается за счет применения расчетного усилия анкерного крепления. В практическом проектировании тяжело добиться расчетного усилия анкерного крепления одновременно для анкерного болта и крепежного каната. Следовательно, существует проблема наличия нерациональных расчетных параметров, и потенциал опорных конструкций не раскрывается.
[003] В настоящее время при внутриобъектовом проектировании горных выработок в шахтах после установки анкерного болта и крепежного каната для опоры рабочие части анкерного болта и крепежного каната натягиваются вдоль сдвига кровли, и в пределах опорной области анкерного болта происходит растяжение, приводящее к возникновению деформации растяжения. Кроме того, значение деформации одинаково, и каждое из этих значений равно сдвигу кровли в пределах опорной области анкерного болта. Однако анкерный болт и крепежный канат, используемые в угольной шахте, отличаются по длине и степени вытягивания, а также, как правило, по усилию разрыва. Рабочая часть анкерного болта, как правило, имеет степень вытягивания 15-25 %, а рабочая часть крепежного каната – 3,5-7 %. При увеличении сдвига кровли в пределах опорной области анкерного болта сам анкерный болт или крепежный канат могут оборваться и потерять устойчивость вследствие того, что оседание пород превысит предельное значение натяжения, и фактическая опорная нагрузка опорной системы резко упадет, приведя впоследствии к повреждению опоры целого анкерного болта или крепежного каната из-за резко возросшей нагрузки на опору, превышающей фактическую несущую способность. Таким образом, соединение, поддерживающее рабочую часть анкерного болта и крепежного каната, полностью отказывает, что легко может привести к обрушению крупного участка кровли в выработке. Таким образом, необходимо обеспечить дополнительное усовершенствование существующего метода расчета обеспечения опоры за счет анкерного болта и крепежного каната для полного задействования опорных характеристик анкерного болта и крепежного каната и исключения нерационального проектирования опор.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[004] Для решения технической задачи расчета рациональных параметров обеспечения опоры за счет анкерного болта и крепежного каната, а также для усовершенствования укрепления горной выработки в настоящем изобретении предлагается метод обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната, приведенный далее:
[005] Метод обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната включает в себя следующие этапы.
[006] На этапе А определяют область повреждения окружающих пород горной выработки и рассчитывают опорную нагрузку, необходимую для этих пород, причем область повреждения окружающих пород получают путем теоретических расчетов или внутриобъектовых измерений, а опорную нагрузку – теоретическими расчетами.
[007] На этапе В проводят оценку оседания кровли горной выработки, включая расчет максимального изгиба на основании формулы изгиба балки.
[008] На этапе С проводится предварительная проверка характеристик материалов опоры анкерного болта и крепежного каната; при этом предварительная проверка материалов опоры анкерного болта и крепежного каната проводится на основании материалов опоры смежных шахтных горных выработок, и эти проверки включают в себя вычисление вытягивания и разрушающей нагрузки.
[009] На этапе D определяются длины анкерного болта и крепежного каната в следующей последовательности: на подэтапе D1 определяются длины свободных секций анкерного болта и крепежного каната, а на подэтапе D2 определяются длины самих анкерного болта и крепежного каната.
[0010] На этапе Е выполняется коррекция прочности анкерного болта и крепежного каната. При несоблюдении требований к прочности повторяют этап С. Коррекция прочности включает в себя напряжения на анкерный болт и крепежный канат в условиях максимального оседания кровли горной выработки.
[0011] На этапе F определяют интервалы установки анкерных болтов и крепежных канатов в следующей последовательности: на подэтапе F1 предварительно определяют интервал установки анкерного болта и вычисляют опорную нагрузку на него; на подэтапе F2 вычисляют опорную нагрузку, необходимую для анкерного болта, и определяются интервалы установки крепежного каната; на подэтапе F3 проводится проверка рациональности интервалов установки анкерных болтов и крепежных канатов.
[0012] На этапе G составляют расчетный чертеж опор, анкерный болт и крепежный канат устанавливают в кровлю, измеряют напряжения, воздействующие на них, и контролируют сдвиг кровли.
[0013] Предпочтительно, чтобы область повреждения окружающих пород горной выработки на этапе А была вычислена на основании гипотезы свода обрушения или гипотезы упругопластичной среды и измерена посредством метода скважинного телевизионного обнаружения. Опорную нагрузку P0 рассчитывают на основании гипотезы подвешивания, комплексных гипотез свода или укрепленного свода.
[0014] Предпочтительно, чтобы формула изгиба балки на этапе В имела следующий вид: 
.
[0015] Проводят фактическое измерение веса единицы объема γ породы кровли, модуля упругости E породы кровли, ширины L и толщины m0 горной выработки. Вычисляют оседание кровли горной выработки, т.е., максимальный изгиб ω.
[0016] Предпочтительно, чтобы характеристики анкерного болта и крепежного каната на этапе С были испытаны на растяжение в помещении. Кривую соотношения вытягивания и напряжений анкерного болта и крепежного каната выстраивают посредством испытания на растяжение в помещении.
[0017] Предпочтительно, чтобы длины свободных секций на подэтапе D1 этапа D были вычислены на основании принципа синергической деформации анкерного болта и крепежного каната. Максимальное вытягивание δ1 свободной секции анкерного болта равно максимальному вытягиванию δ2 свободной секции крепежного каната. Длина свободных секций анкерного болта и крепежного каната определяется по формуле с использованием длины свободной секции, оседания кровли горной выработки и максимального вытягивания: δ1=L1×ε1=δ2=L2×ε2=ω. Длины анкерного болта и крепежного каната на подэтапе D2, как правило, определяют следующим образом: для вычисления длины Lb анкерного болта сначала определяют длину Lb0 его крепежной секции и длину Lb1 его открытой секции, а затем вычисляют длину анкерного болта по следующей формуле: Lb= L1+ Lb0+ Lb1. Для вычисления длины Lc крепежного каната сначала определяют длину Lc0 его крепежной секции и длину Lc1 его открытой секции, а затем вычисляют длину крепежного каната по следующей формуле: Lc= L2+ Lc0+ Lc1.
[0018] Более предпочтительно, чтобы значение длины крепежной секции анкерного болта составляло от 0,3 до 0,5 м, а значение длины его открытой секции – от 0,1 до 0,3 м. Значение длины крепежной секции крепежного каната составляет от 1 до 1,5 м, а значение длины его открытой секции – от 0,2 до 0,3 м.
[0019] Предпочтительно, чтобы коррекция прочности анкерного болта и крепежного каната на этапе Е включала в себя соотношение размеров при сопоставлении напряжения F1 на анкерном болте в условиях максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки [F1] на анкерном болте, а также соотношение размеров при сопоставлении напряжения F2 на крепежный канат при условии максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки [F2] на крепежном канате.
[0020] Предпочтительно, чтобы предварительное определение интервала установки на подэтапе F1 этапа F включало в себя определение количества nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки, вычисление опорной нагрузки Pb анкерного болта в соответствии с напряжением F1 на нем при условии максимального оседания кровли горной выработки и фактическом рабочем коэффициенте ηb анкерного болта, что выражается в следующем виде: Pb=ηbnb F1; опорную нагрузку Pc на анкерный канат F2 вычисляют на основании следующей формулы: Pc=P0-Pb. Количество nc крепежных канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки вычисляют по фактическому рабочему коэффициенту ηc анкерного каната и напряжению F2 на нем при условии максимального оседания кровли горной выработки, что выражается в следующем виде:
[0021] Интервал установки крепежных канатов определяют по количеству nc канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки; если количество nc крепежных канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки на подэтапе F3 превышает количество nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки, подэтап F1 повторяют.
[0022] Настоящее изобретение имеет следующие положительные эффекты.
[0023] (1) Посредством метода по настоящему изобретению определяются длины анкерного болта и крепежного каната на основании синергической деформации этих болта и каната для полного задействования их опорных характеристик. Таким образом, предотвращается возникновение явления отказа всей рабочей части опоры вследствие обрыва одного из анкерных болтов и крепежных канатов из-за избыточного натяжения в результате неучтенности разности максимальных значений натяжения анкерного болта и крепежного каната в стандартной конструкции опор. Следовательно, вероятность несрабатывания рабочей части опоры вследствие обрыва и отказа одного из анкерных болтов и крепежных канатов, приводящих к обрушению большого участка кровли, эффективно снижается.
[0024] (2) Максимальная несущая способность анкерного болта и крепежного каната представляет собой фактическое напряжение в случае, если максимальное оседание кровли имеет предельное значение, что измеряется путем испытания, и таким образом происходит полное задействование характеристик анкерного болта и крепежного каната. Таким образом разрешается противоречие, заключающееся в том, что усилия анкерного крепления вычисляются как максимальные значения при проектировании опор анкерного болта и крепежного кабеля, а оба они не могут иметь максимальные значения одновременно в практическом проектировании. Следовательно, опорные параметры анкерного болта и крепежного каната становятся точнее.
[0025] (3) Согласно этому методу получаемые длины анкерного болта и крепежного каната рассчитываются рациональнее, и вследствие этого предотвращается перерасход опорного материала из-за избыточной длины анкерного болта или крепежного каната, а также риск возможного обрушения кровли из-за слишком малой длины анкерного болта или крепежного каната.
[0026] Кроме того, настоящее изобретение обладает такими преимуществами, как простота вычисления, легкость эксплуатации и широкий спектр применения.
Краткое описание чертежей
[0027] ФИГ. 1 – схема процесса, на которой приведен метод обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.
[0028] ФИГ. 2 – расчетный чертеж опор профиля горной выработки согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.
[0029] ФИГ. 3 – расчетный чертеж опор кровли горной выработки согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.
[0030] Обозначение 1 на чертежах относится к анкерному болту, а обозначение 2 – к крепежному канату.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
[0031] Пример 1
[0032] По настоящему изобретению предлагается метод обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната. Как показано на ФИГ. 1-3, метод обеспечения опоры реализуется следующим образом. Как показано на ФИГ. 1, метод обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната включает в себя следующие этапы.
[0033] На этапе А определяют область повреждения окружающих пород горной выработки и рассчитывают опорную нагрузку, необходимую для этих пород, причем область повреждения окружающих пород получают путем теоретических расчетов или внутриобъектовых измерений, а опорную нагрузку – теоретическими расчетами.
[0034] Область повреждения окружающих пород горной выработки на этом этапе вычисляют на основании гипотезы свода обрушения или гипотезы упругопластичной среды и измеряют посредством метода скважинного телевизионного обнаружения. Опорную нагрузку P0 рассчитывают на основании гипотезы подвешивания, комплексных гипотез свода или укрепленного свода.
[0035] На этапе В проводят оценку оседания кровли горной выработки. Максимальный изгиб вычисляют по формуле изгиба балки.
[0036] Формула изгиба балки на этом этапе выражается в следующем виде:
[0037] Проводят фактическое измерение веса единицы объема γ породы кровли, модуля упругости E породы кровли, ширины L и толщины m0 горной выработки. Вычисляют оседание кровли горной выработки, т.е., максимальный изгиб ω.
[0038] На этапе С вспомогательные материалы анкерного болта и крепежного каната предварительно определяются для эксплуатационных испытаний анкерного болта и крепежного каната; при этом вспомогательные материалы анкерного болта и крепежного каната заранее определяются на основания вспомогательных материалов прилегающих горных выработок в шахтах, а эксплуатационные испытания анкерного болта и крепежного каната включают вытягивание и разрушающую нагрузку.
[0039] Эксплуатационные качества анкерного болта и крепежного каната проверяются посредством испытания на натяжение в помещении. Кривая соотношения вытягивания и напряжения на анкерный болт и крепежный канат строится посредством испытания на натяжение в помещении.
[0040] На этапе D определяется длина анкерного болта и крепежного каната.
[0041] Этап D включает следующие подэтапы.
[0042] На подэтапе D1 рассчитывается длина свободной секции анкерного болта и крепежного каната на основании принципа синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната. Максимальное вытягивание δ1 свободной секции анкерного болта равно максимальному вытягиванию δ2 свободной секции крепежного каната. Длина свободных секций анкерного болта и крепежного каната определяется по формуле с использованием длины свободной секции, оседания кровли горной выработки и максимального вытягивания: δ1=L1×ε1=δ2=L2×ε2=ω.
[0043] На подэтапе D2 длина анкерного болта и крепежного кабеля специального рассчитываются следующим образом: для расчета длины Lb анкерного болта, сначала необходимо определить длину Lb0 крепежной секции анкерного болта и длину Lb1 открытой секции анкерного болта, затем длина анкерного болта определяется по формуле: Lb= L1+ Lb0+ Lb1. Для вычисления длины Lc крепежного каната сначала определяют длину Lc0 его крепежной секции и длину Lc1 его открытой секции, а затем вычисляют длину крепежного каната по следующей формуле: Lc= L2+ Lc0+ Lc1. Значение длины крепежной секции анкерного болта составляет от 0,3 до 0,5 м, а значение длины открытой секции анкерного болта – от 0,1 до 0,3 м. Значение длины крепежной секции крепежного каната составляет от 1 до 1,5 м, а значение длины открытой секции крепежного каната – от 0,2 до 0,3 м.
[0044] На этапе Е выполняется коррекция прочности анкерного болта и крепежного каната. При неудовлетворительности требований к прочности повторяют этап С. Коррекция прочности включает в себя напряжения на анкерный болт и крепежный канат в условиях максимального оседания кровли горной выработки.
[0045] Коррекция прочности анкерного болта и крепежного каната на данном этапе включает соотношение размеров при сопоставлении напряжения на анкерном болте F1 в условиях максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки на анкерном болте [F1], и соотношение размеров при сопоставлении напряжения на крепежном канате F2 при условии максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки на анкерном болте [F2].
[0046] Длина анкерного болта и крепежного каната определяется на основании синергической деформации анкерного болта и крепежного каната таким образом, чтобы опорные характеристики анкерного болта и крепежного каната были полностью задействованы. Таким образом, можно исключить вариант отказа всей рабочей части из-за разрыва анкерного болта или крепежного каната, вызванного избыточным натяжением в результате упущения разницы значений максимального натяжения анкерного болта и крепежного каната при стандартной конструкции опор.
[0047] На этапе F определяются интервалы установки анкерного болта и крепежного каната.
[0048] Данный этап включает следующие подэтапы.
[0049] На подэтапе F1 предварительно определяется интервал установки анкерного болта и рассчитывается опорная нагрузка анкерного болта. Предварительное определение интервала установки включает в себя определение количества nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки, вычисление опорной нагрузки Pb анкерного болта в соответствии с напряжением F1 на нем при условии максимального оседания кровли горной выработки и фактическом рабочем коэффициенте ηb анкерного болта, что выражается в следующем виде: Pb=ηbnb F1.
[0050] На подэтапе F2 вычисляется опорная нагрузка, требуемая для крепежного каната, и определяется интервал установки крепежных канатов. Опорная нагрузка Pc крепежного каната вычисляется на основании следующей формулы: Pc=P0-Pb. Количество nc крепежных канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки вычисляют по фактическому рабочему коэффициенту ηc анкерного каната и напряжению F2 на нем при условии максимального оседания кровли горной выработки, что выражается в следующем виде:
[0051] Интервал установки крепежных канатов определяется по количеству nc анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки.
[0052] На подэтапе F3 проводится проверка рациональности интервалов установки анкерных болтов и крепежных канатов. Если количество nc анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки больше количества nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки, подэтап F1 повторяется.
[0053] Максимальная несущая способность анкерного болта и крепежного каната представляет собой фактическое напряжение в случае, если максимальное оседание кровли имеет предельное значение, что измеряется путем испытания, и таким образом происходит полное задействование характеристик анкерного болта и крепежного каната. Таким образом разрешается противоречие, заключающееся в том, что усилия анкерного крепления вычисляются как максимальные значения при проектировании опор анкерного болта и крепежного каната, а оба они не могут иметь максимальные значения одновременно в практическом проектировании. Следовательно, опорные параметры анкерного болта и крепежного каната становятся точнее.
[0054] На этапе G составляют расчетный чертеж опор, анкерный болт и крепежный канат устанавливаю в кровлю, измеряют напряжения, воздействующие на них, и контролируют нагрузку на перекрытие кровли. Таким образом, проверяется опорный эффект и обеспечивается безопасность опор горной выработки. Расчетный чертеж опор составляется в соответствии с результатами расчета на этапах A-F на основании расчетного чертежа профиля горной выработки, упрощая использование при проектировании и строительстве. Согласно этому методу получаемые длины анкерного болта и крепежного каната рассчитываются рациональнее, и вследствие этого предотвращается перерасход опорного материала из-за избыточной длины анкерного болта или крепежного каната, а также риск возможного обрушения кровли из-за слишком малой длины анкерного болта и крепежного каната.
[0055] Пример 2
[0056] Конкретная реализация метода обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната по настоящему изобретению описывается далее вместе с проектным вариантом шахты в данном примере. Шахта включает основной угольный пласт 3-1 со средней толщиной 3,6 м, положение угольного пласта является устойчивым, изменение толщины наблюдается редко. Пласт породы кровли последовательно включает в себя слой песчаного сланца со средней толщиной около 1,4 м, слой мелкозернистого песчаника со средней толщиной около 2,8 м и слой алеврита со средней толщиной около 7 м снизу вверх. В нижней части пробивается вспомогательная транспортировочная горная выработка прямоугольного сечения с размерами 4,6 (ширина) × 3,6 м (высота). Как показано на ФИГ. 1, объединенная опорная конструкция анкерного болта и крепежного каната реализуется на следующих этапах.
[0057] На этапе A определяется область повреждения окружающих пород горной выработки и рассчитывается опорная нагрузка, необходимая для этих пород.
[0058] В соответствии с обстановкой при внутриобъектовом проектировании зона пластической деформации b кровли горной выработки обеспечивается с размером 1,8 м посредством метода скважинного телевизионного обнаружения. На основании гипотезы подвешивания анкерный болт и крепежный канат должны выдерживать вес поврежденных окружающих пород. Таким образом, требуется определение опорной нагрузки P0, требуемой на единицу длины в 1 метр (см. фиг.3) в направлении горной выработки. Предполагается, что коэффициент прочности k – 3, единица веса пород кровли γ – 25 кН/м3, зона пластической деформации b – 1,8 м, ширина горной выработки – 4,6 м. Опорную нагрузку можно рассчитать по формуле: P0=kγbD=3×25×1,8×4,6=621 кН.
[0059] На этапе В проводят оценку оседания кровли горной выработки. Максимальный изгиб, т.е. максимальное оседание кровли горной выработки, рассчитывается по формуле изгиба балки.
[0060] На основании фактических измерений единица веса γ породы кровли – 25 Н/м3, модуль упругости E породы кровли – 455 Па, ширина горной выработки L – 4,6 м и толщина m0 породы кровля – 1,8 м. Вычисляют оседание кровли горной выработки, т.е., максимальный изгиб ω.
[0061] Оседание кровли рассчитывается по формуле изгиба балки: 
=0,237 м. Таким образом, максимальное оседание кровли горной выработки составляет 0,237 м.
[0062] На этапе C проводится предварительная проверка характеристик материалов опоры анкерного болта и крепежного каната. Предварительная проверка характеристик опорных материалов анкерного болта и крепежного каната проводится на основании материалов опоры смежных шахтных горных выработок вместе с фактическими инженерно-техническими методами. Анкерный болт кровли определяется как деформируемый стальной анкерный болт с диаметром 20 мм и крепежный канат – как стальной вантовый крепежный канат с диаметром 17,8 мм. Посредством испытаний на натяжение анкерного болта и крепежного каната получены значения вытягивания и разрушающей нагрузки анкерного болта и крепежного каната: вытягивание ε1 анкерного болта – 18,8 % и разрушающая нагрузка [F1] анкерного болта– 149 кН; вытягивание ε2 крепежного каната – 6,1 % и разрушающая нагрузка [F2] крепежного каната – 348 кН.
[0063] На этапе D определяется длина анкерного болта и крепежного каната.
[0064] Данный этап включает следующие подэтапы.
[0065] На подэтапе D1 определяется длина свободных секций анкерного болта и крепежного каната. Длина свободных секций была рассчитана на основании принципа синергической деформации анкерного болта и крепежного каната. Максимальное вытягивание δ1 свободной секции анкерного болта равно максимальному вытягиванию δ2 свободной секции крепежного каната. Длина свободных секций анкерного болта и крепежного каната определяется по формуле соотношения длины свободной секции, оседания кровли горной выработки и максимального вытягивания: δ1=L1×ε1=δ2=L2×ε2=ω. Таким образом, длина свободной секции анкерного болта рассчитана как 
=1,26 м и анкерный болт с фактической длиной свободной секции 1,4 м выбран, исходя из фактических условий; длина свободной секции крепежного каната рассчитана как 
=4,31 м и крепежный канат с фактической длиной свободной секции 4,4 м выбран, исходя из фактических условий.
[0066] На подэтапе D2 длина анкерного болта и крепежного кабеля специального рассчитываются следующим образом: для расчета длины Lb анкерного болта, сначала необходимо определить длину Lb0 крепежной секции анкерного болта и длину Lb1 открытой секции анкерного болта, затем длина анкерного болта определяется по формуле: Lb= L1+ Lb0+ Lb1. Для вычисления длины Lc крепежного каната сначала определяют длину Lc0 его крепежной секции и длину Lc1 его открытой секции, а затем вычисляют длину крепежного каната по следующей формуле: Lc= L2+ Lc0+ Lc1. Вместе с условиями для установки опор смежных шахтных выработок рассчитана длина анкерного болта как Lb=L1+Lb0+Lb1=1,4+0,4+0,2=2,0 м и длина крепежного каната как Lc=L2+Lc0+Lc1=4,4+1,5+0,3=6,2 м. Значение длины крепежной секции анкерного болта составляет 0,3-0,5 м и значение длины открытой секции анкерного болта составляет 0,1-0,3 м; значение длины крепежной секции крепежного каната составляет 1-1,5 м и значение длины открытой секции крепежного каната составляет 0,2-0,3 м.
[0067] На этапе E определяется прочность анкерного болта и крепежного каната. При несоблюдении требований к прочности повторяют этап С. Коррекция прочности включает в себя напряжения на анкерный болт и крепежный канат в условиях максимального оседания кровли горной выработки.
[0068] Коррекция прочности анкерного болта и крепежного каната на данном этапе включает соотношение размеров при сопоставлении напряжения на анкерном болте F1 в условиях максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки на анкерном болте [F1], и соотношение размеров при сопоставлении напряжения на крепежном канате F2 при условии максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки на анкерном болте [F2]. В случае максимального оседания кровли горной выработки – 0,237 м анкерный болт и крепежный канат соответственно подвергаются натяжению 115 кН и 230 кН, что не превышает разрушающую нагрузку анкерного болта и крепежного каната. При этом, используется подходящая длина анкерного болта и крепежного каната.
[0069] Длина анкерного болта и крепежного каната определяется на основании синергической деформации анкерного болта и крепежного каната таким образом, чтобы опорные характеристики анкерного болта и крепежного каната были полностью задействованы. Таким образом, можно исключить вариант отказа всей рабочей части из-за разрыва анкерного болта или крепежного каната, вызванного избыточным натяжением в результате упущения разницы значений максимального натяжения анкерного болта и крепежного каната при стандартной конструкции опор.
[0070] На этапе F определяются интервалы установки анкерного болта и крепежного каната.
[0071] Данный этап включает следующие подэтапы.
[0072] На подэтапе F1 предварительно определяется интервал установки анкерного болта и рассчитывается опорная нагрузка анкерного болта. В данном примере интервал установки анкерного болта предварительно определяется как 1 × 1 м согласно раннее определенным опорным параметрам шахты. Предварительное определение интервала установки анкерного болта включает определение количества nc анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки как пять. Предполагается, что напряжение на анкерном болте F1 при условии максимального оседания кровли горной выработки принято как 115 кН, фактический рабочий коэффициент ηb анкерного болта – как 0,7. Опорную нагрузку Pb анкерного болта рассчитывают как Pb=ηbnb F1=0,7×5×115=402,5 кН. Таким образом, опорная нагрузка Pb анкерного болта составляет 402,5 кН.
[0073] На подэтапе F2 вычисляется опорная нагрузка, требуемая для крепежного каната, и определяется интервал установки крепежных канатов. Опорная нагрузка Pc крепежного каната вычисляется на основании следующей формулы: Pc=P0-Pb=621-402,5=218,5 кН. Количество nc крепежных канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки вычисляется по фактическому рабочему коэффициенту ηc крепежного каната и напряжению на крепежный канат F2 при условии максимального оседания кровли горной выработки, что выражается как:
=1,36
[0074] Количество nc крепежных канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки принимается 1,5 в соответствии с фактическими условиями. Таким образом, интервал установки крепежных канатов определяется как 1,8 м×2,0 м.
[0075] На подэтапе F3 проводится проверка рациональности интервалов установки анкерных болтов и крепежных канатов. Если количество nc анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки больше количества nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки, подэтап F1 повторяется. Основываясь на результате расчета выше, интервал установки анкерных болтов составляет 1 м×1 м, а интервал установки крепежных канатов составляет 1,8 м×2,0 м. Интервал установки анкерных болтов меньше, чем интервал установки крепежных канатов. Таким образом, расчетные интервалы установки анкерных болтов и крепежных канатов являются удовлетворительными, а расчетные опорные параметры являются рациональными.
[0076] Максимальная несущая способность анкерного болта и крепежного каната представляет собой фактическое напряжение в случае, если максимальное оседание кровли имеет предельное значение, что измеряется путем испытания, и таким образом происходит полное задействование характеристик анкерного болта и крепежного каната. Таким образом разрешается противоречие, заключающееся в том, что усилия анкерного крепления вычисляются как максимальные значения при проектировании опор анкерного болта и крепежного каната, а оба они не могут иметь максимальные значения одновременно в практическом проектировании. Следовательно, опорные параметры анкерного болта и крепежного каната становятся точнее.
[0077] На этапе G составляют расчетный чертеж опор. Окончательное решение в обеспечении опоры для кровли горной выработки заключается в соединении, поддерживающем анкерный болт и крепежный канат в соответствии с результатами расчетов на этапах A-F. Анкерный болт представляет собой деформированный стальной анкерный болт длиной 2,0 м и диаметром 20 мм. Интервал установки анкерных болтов определяется как 1 м×1 м, исходя из размера секции выработки 4,6×3,6 м, а анкерные болты располагаются в прямоугольной форме. Крепежный канат изготавливается из высокопрочных прядей с низкой релаксацией, из предварительно напряженной стали, длиной 6,2 м и диаметром 17,8 мм. Интервал установки крепежных канатов составляет 1,8 м×2,0 м, а расположение предусматривается в прямоугольной форме. Расчетный чертеж опор составляется как показано на ФИГ. 2 и 3 для использования в строительстве.
[0078] После проектирования опор и строительства на площадке производится контроль приложения на анкерный болт максимальной нагрузки в 82 кН и приложения на крепежный канат максимальной нагрузки в 187 кН, а также наличия сдвига кровли на 56 мм. Благодаря удовлетворительному опорному эффекту, отказ рабочей части и обрушение кровли не происходят. Таким образом, отмечается, что длины анкерных болтов и крепежных канатов, рассчитанные в соответствии с методом, являются более рациональными. Таким образом, предотвращается перерасход опорного материала из-за избыточной длины анкерного болта или крепежного каната, а также риск возможного обрушения кровли из-за слишком малой длины анкерного болта или крепежного каната.
[0079] Разумеется, вышеприведенные описания не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается вышеприведенными примерами. Изменения, модификации, дополнения или замены, производимые специалистами в области техники в рамках объема настоящего изобретения, должны входить в объем правовой охраны настоящего изобретения.
1. Способ обеспечения опоры за счет синергического напряжения деформации анкерного болта и крепежного каната, включающий:
этап А, на котором определяют область повреждения окружающих пород горной выработки и рассчитывают опорную нагрузку, необходимую для этих пород, при этом область повреждения окружающих пород получают путем теоретических расчетов или внутриобъектовых измерений, а опорную нагрузку – теоретическими расчетами;
этап В, на котором проводят оценку оседания кровли горной выработки, включающий расчет максимального изгиба на основании формулы изгиба балки;
этап С, на котором проводится предварительная проверка характеристик материалов анкерного болта и крепежного каната с учетом состояния материалов прилегающих шахтных горных выработок, при этом такая проверка включают приложение вытягивающих и разрушающих нагрузок;
этап D, на котором определяют длины анкерного болта и крепежного каната, включающий: подэтап D1, на котором определяют длины свободных секций анкерного болта и крепежного каната, и подэтап D2, на котором определяют длины самих анкерного болта и крепежного каната;
этап Е, на котором определяют значение прочности анкерного болта и крепежного каната, при этом в случае несоблюдения требований к прочности повторяют этап С, а определение значения прочности ведут из условия напряжения на анкерный болт и крепежный канат в условиях максимального оседания кровли горной выработки;
этап F, на котором определяют интервалы установки анкерных болтов и крепежных канатов, включающий: подэтап F1, на котором предварительно определяют интервал установки анкерных болтов и рассчитывают опорную нагрузку анкерного болта; подэтап F2, на котором рассчитывают опорную нагрузку, требуемую для крепежного каната, и определяют интервал установки крепежных канатов; а также подэтап F3, на котором проводят проверку рациональности интервалов установки анкерных болтов и крепежных канатов; а также
этап G, на котором составляют расчетный чертеж опор, устанавливают анкерный болт и крепежный канат в кровлю, измеряют напряжения, воздействующие на них, и контролируют нагрузку на перекрытие кровли.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что область повреждения окружающих пород горной выработки на этапе А измеряют посредством способа скважинного телевизионного обнаружения, а опорную нагрузку P0, требуемую на единицу длины в 1 метр, определяют по формуле:
P0=kγbD,
где k - коэффициент прочности;
γ - единица веса пород кровли, Н/м3;
b – величина зоны пластической деформации, м;
D - ширина горной выработки, м.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формула изгиба балки на этапе В выражается в следующем виде:
,
где γ - вес единицы объема породы кровли, Н/м 3, E - модуль упругости породы кровли, Н/м 2 , L - ширина, м, и m0 - толщина горной выработки, м, фактически измеряемые; ω- оседание кровли горной выработки, м, т.е. максимальный изгиб.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристики анкерного болта и крепежного каната на этапе С испытывают на растяжение в помещении, а кривую соотношения вытягивания и напряжения на анкерный болт и крепежный канат строят посредством испытания на натяжение в помещении.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длины свободных секций на подэтапе D1 этапа D вычисляют на основании принципа синергической деформации анкерного болта и крепежного каната, максимальное вытягивание δ1 свободной секции анкерного болта равно максимальному вытягиванию δ2 свободной секции крепежного каната, а длины свободных секций анкерного болта L1, м, и крепежного каната L2, м, определяют в соответствии с формулой длины свободной секции, оседания кровли горной выработки и максимального вытягивания: δ1=L1×ε1=δ2=L2×ε2=ω, где ε1 - значение вытягивания анкерного болта, ε2 –значение вытягивания крепежного каната; а также
на подэтапе D2 длины анкерного болта и крепежного каната специального рассчитывают следующим образом: для расчета длины Lb, м, анкерного болта сначала определяют длину Lb0, м, крепежной секции анкерного болта и длину Lb1, м, открытой секции анкерного болта, затем длину анкерного болта определяют по формуле: Lb=L1+Lb0+Lb1; для вычисления длины Lc, м, крепежного каната сначала определяют длину Lc0, м, его крепежной секции и длину Lc1, м, его открытой секции, а затем вычисляют длину крепежного каната по следующей формуле: Lc=L2+Lc0+Lc1.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что значение длины крепежной секции анкерного болта составляет от 0,3 до 0,5 м, а значение длины открытой секции анкерного болта – от 0,1 до 0,3 м; значение длины крепежной секции крепежного каната составляет от 1 до 1,5 м, а значение длины его открытой секции – от 0,2 до 0,3 м.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коррекция прочности анкерного болта и крепежного каната на этапе Е включает учет соотношения размеров при сопоставлении напряжения на анкерном болте F1 в условиях максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки на анкерном болте [F1] и учет соотношения размеров при сопоставлении напряжения на крепежном канате F2 в условиях максимального оседания кровли горной выработки и разрушающей нагрузки на анкерном болте [F2].
8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что на этапе F
предварительное определение интервала установки на подэтапе F1 включает в себя определение количества nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки, вычисление опорной нагрузки Pb, Н, анкерного болта в соответствии с напряжением F1, Н, на нем при условии максимального оседания кровли горной выработки и фактическом рабочем коэффициенте ηb анкерного болта, что выражается в следующем виде: Pb=ηbnbF1;
опорную нагрузку Pc, Н, крепежного каната на подэтапе F2 вычисляют на основании следующей формулы: Pc=P0-Pb; количество nc крепежных канатов в рамках единицы длины в направлении горной выработки вычисляют по фактическому рабочему коэффициенту ηc анкерного каната и напряжению F2, Н, на нем при условии максимального оседания кровли горной выработки, что выражается в следующем виде:
,
интервал установки крепежных канатов определяют по количеству nc анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки; а также
если количество nc анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки больше количества nb анкерных болтов в рамках единицы длины в направлении горной выработки на подэтапе F3, подэтап F1 повторяется.
