Снижение затрат на анкерное крепление СЗА за счет увеличения несущей способности анкерной крепи

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Северо-восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
Горный институт
Кафедра Горного дела
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
на тему: Снижение затрат на анкерное крепление СЗА за счет увеличения
несущей способности анкерной крепи
Выполнил: ст. гр. ПР-18
Семенов Иван Андреевич
Руководитель: Петров А.Н.
зав.каф.ГД
YKT 2023 г.

2.

Введение
Актуальность:Крепление и обеспечение безопасности подземных
горных выработок представляет собой один из наиболее ответственных и
ресурсоемких технологических процессов в горной промышленности.
Неправильный выбор применяемой крепи с недостаточной несущей
способностью приводит к риску возникновения неожиданных обрушений,
увеличивает вероятность разрушения горных выработок и, следовательно,
приводит к неожиданным простоям на шахте. С другой стороны,
использование крепи с излишней несущей способностью приводит к
значительному увеличению капитальных затрат, а, следовательно, к
существенному снижению прибыли компании.

3.

Цель работы: Cнизить затраты на анкерное крепление СЗА за счет увеличения
несущей способности анкерной крепи
Задачи:
1.Провести анализ применяемых типов анкерных крепей
2.Предложить и обосновать новые способы повышения несущей способности
анкерного крепления
3.Расчет несущей способности анкерного крепления горных выработок
4.Выполнить сравнительно-экономический расчет для крепления выработок

4.

Крепь анкерная Split Set C-профиля
В настоящее время на руднике «Интернациональный» для крепления горных выработок
используются анкерные крепи с фрикционным закреплением, основным элементом которой являются
фрикционные анкеры. Анкер с С-образным сечением Split-Set , который был разработан в США в1974.г.
Джеймсом Скоттом.
Самозакрепляющаяся анкерная крепь представляет собой систему элементов, состоящую из: полого
металлического цилиндрического стержня –анкера, цилиндрической втулки и опорной плиты,
устанавливаемых по периметру выработки и закрепляющихся за счет упругих свойств металла анкера в
массиве пород.
Технические характеристики
Он представляет собой
полую трубу с прорезью по
всей длине, с сужением в
виде конуса вначале стержня
1 – анкер;
2 – цилиндрическая втулка;
3 – опорная плита.
Конструкция самозакрепляющейся
анкерной крепи:

5.

Принцип работы анкерной крепи с фрикционным закреплением
Принцип действия анкерной крепи с фрикционным закреплением основан на установке фрикционного анкера
определенного диаметра в шпур с меньшим диаметром (рисунок 2, 3). При этом стержень анкера сжимается, что
приводит к появлению распорного усилия стенок стержня анкера на стенки шпура, При последующем нагружении
анкера он удерживается в шпуре за счет силы трения между анкером и породой.
Так как анкер удерживается в шпуре за счет силы трения, то при его работе нагрузку воспринимает не только
непосредственно стержень анкера, но и окружающая его горная порода, Предельная нагрузка для фрикционного анкера
или другими словами его несущая способность - это такая нагрузка, при которой происходит смещение анкера
относительно шпура. Очевидно, что чем больше распорное усилие, создаваемое анкером, тем больше сила трения, а
значит и несущая способность анкерной крепи.
Общий вид фрикционного анкера
с С-образным сечением
Работа анкерной трубчатой фрикционной крепи
Принцип работы самозакрепляющейся
анкерной крепи

6.

Преимущества и недостатки СЗА Split set
Преимущества:
- высокая механизация крепления;
- работа анкера начинается сразу после установки в шпур;
- закрепление анкера происходит по всей длине шпура;
- отсутствие необходимости в дополнительных закрепляющих материалах.
Недостатки:
- при установке в шпур меньшего диаметра возможно жесткое смыкание граней
анкера, что сводит к нулю податливость анкера при сдвижениях массива и может
привести к снижению несущей способности крепи;
- стержень анкера обладает низкой прочностью на изгиб, что при несоосности
анкера со шпуром во время установки часто приводит к неисправимому
повреждению анкера в виде его загиба.

7.

Способы повышения несущей спосбности анкерной крепи
Принцип действия расширяющихся фрикционных анкеров основан на размещении в
стержне анкера после установки композитной смеси, которая со временем расширяется. При
помещении этой смеси в стержень анкера без установки в шпур, его диаметр увеличивается на
11% через 4 дня, и на 19% через 56 дней. Использование такого решения позволяет повысить
несущую способность анкера, однако полная нагрузка на такую крепь возможна только после
достаточно продолжительного времени после установки, что снижает производительность
крепления, также появляется необходимость использования дополнительных материалов, что
отрицательно сказывается на стоимости крепления одного анкера.
Еще одним направлением повышения распорного усилия анкера на стенки шпура
являются различные варианты фрикционного анкера с распорным элементом, который может
выполняться в виде сплошного стержня, полой цельной или разрезной трубы, устанавливающейся
либо после установки анкера, либо соединенной с анкером тем или иным способом и
устанавливающейся совместно с ним . Такое решение позволяет повысить распорное усилие
анкера, однако дополнительный элемент увеличивает металлоемкость анкера, повышает
себестоимость его изготовления и, как следствие, конечную стоимость для потребителя.

8.

Крепь анкерная трубчатая фрикционная типа АТФ W-профиля
Еще одним вариантом решения задачи повышения распорного
усилия, создаваемого фрикционным анкером, является использование
трубчатого фрикционного анкера типа АТФ W профиля, разработанного и
запатентованного компанией ООО «ОКС».
Такой анкер отличается от анкера с С-образным сечением наличием
продольных граней, загнутых внутрь анкера в зоне прорези трубы,
направленных к центру сечения .При установке такого анкера в шпур
меньшего диаметра грани смыкаются между собой, что приводит к
существенному повышению жесткости сечения и увеличению распорного
усилия. Использование такого анкера не требует каких-либо дополнительных
материалов, элементов или дополнительных операций при его установке.
Технические характеристики
Общий вид фрикционного анкера
с W-образным сечением

9.

Преимущества анкера АТФ W- профиля
Уникальная конструкция АТФ W-профиля обладает рядом преимуществ по сравнению со
стандартным анкером АТФ С-профиля:
01 При установке в шпур меньшего диаметра загнутые вовнутрь грани упруго смыкаются и создают
дополнительные распирающие усилия на стенки шпура, что ведет к увеличению прочности закрепления анкера
в шпуре, а соответственно, и несущей способности.
02 При замере несущей способности анкерной крепи АТФ W-профиля в реальных условиях рудников России
нагрузка на анкер достигала 260 кН или 26 тс при отсутствии сдвижения анкера в шпуре.
03 При установке в шпур меньшего диаметра загнутые вовнутрь грани не смыкаются жестко как это может
происходить в случае с анкером АТФ С-профиля, что позволяет сохранять податливость анкерной крепи при
смещениях массива горных пород
04 За счет загнутых вовнутрь граней стержень анкера АТФ W-профиля имеет бо́льшую на 32% прочность на
изгиб, чем анкер АТФ С-профиля, о чем свидетельствует Протокол испытаний №№ 7-1887/2017-И от
14.09.2017г., выданный АО «НЦ ВостНИИ». Это свойство позволяет нивелировать ошибки машиниста СБУ
при установке анкера в шпур и сократить число погнутых при установке анкеров до минимума.

10.

Для оценки распорного усилия фрикционного анкера типа АТФ W-профиля использовалось конечно-элементное
моделирование. На рис. 3 и 4 показаны конечно-элементные модели, использовавшиеся при моделировании установки в шпур
анкеров АТФ С-профиля и АТФ W-профиля. При этом проводилось сопоставление распорного усилия, создаваемого анкером С
профиля с толщиной стенки 3 мм и анкером W-профиля с толщиной стенки 2 мм. Масса 1 м анкера с W-образным сечением на
16 % меньше, чем масса 1 м анкера с С-образным сечением.
Конечно-элементная модель установки в шпур
фрикционного анкера АТФ С-профиля
Конечно-элементная модель установки в шпур
фрикционного анкера АТФ W-профиля
В результате моделирования установлено, что один метр анкера АТФ W-профиля с толщиной стенки 2 мм создает
распорное усилие в 248 кН, а один метр анкера АТФ С-профиля с толщиной стенки 3 мм — 155 кН. Таким образом, несмотря
на то, что рассматриваемый фрикционный анкер с W-образным сечением на 16 % легче, чем анкер с С-образным сечением, он
обеспечивает в 1,6 раза большую несущую способность.
Кречетов А.А. Повышение несущей способности анкерной крепи с фрикционным закреплением при уменьшении ее металлоемкости за
счет применения анкера W-образного профиля // Горный журнал.-2022-№ 9. – С. -47-52 1xxs1khbj0md88v8sdq97vqiy7quanda.pdf (oksib.ru)

11.

Сравнение анкера С-профиля и АТФ W-профиля
Распорное усилие анкеров с W-образным сечением намного выше, чем распорное усилие анкеров с C образным
сечением. Так, для анкера с сечением W2, который имеет на 16% меньшую массу по сравнению с анкером с сечением С3,
распорное усилие на 60% больше. Распорное усилие анкера с сечением W2,5 более чем в 2 раза выше, чем анкера с сечением С3,
при сопоставимой массе этих анкеров. Анкер с сечением W3 при увеличении массы анкера на 22% обеспечивает распорное
усилие более чем в 3 раза большее, чем анкер с сечением С3. Увеличение распорного усилия анкеров с W-образным сечением
достигается за счет контактного взаимодействия загнутых граней, при смыкании которых существенно повышается жесткость
сечения.
Сечение С3 – Split Set (3,0 мм)
Сечение W2,0 – АТФ W (2,0 мм)
Сечение W2,5 – АТФ W (2,5 мм)
Сечение W3,0 – АТФ W (3,0 мм)
Анализ интенсивности напряжений демонстрирует, что минимальные значения напряжений наблюдаются в сечении СЗ для
всех проанализированных модельных сечений и составляют 260 МПа. Максимальная интенсивность напряжений наблюдается в
сечении W2,5 и достигает 311 МПа, в то время как для сечения WЗ интенсивность напряжений снижается до 301 МПа.
Тип анкера
Split-set
АТФ W
АТФ W
АТФ W
Толщина стенки, мм
3,0
2,0
2,5
3,0
Металлоёмкость, %
100
84
100
122
Распорное усилие на 1 м длины, кН
155
248
312
521
Кречетов А.А. Повышение несущей способности анкерной крепи с фрикционным закреплением при уменьшении ее металлоемкости за
счет применения анкера W-образного профиля // Горный журнал.-2022-№ 9. – С. -47-52 1xxs1khbj0md88v8sdq97vqiy7quanda.pdf (oksib.ru)

12.

Исходные данные для расчетов
Спиральный съезд ЭБ №11 в отм -820м/-942м
Горно-геологическая характеристика:
Объемный вес – 2,6 т/м3 , f-6-7 , Ку-III Бальность - 60:65(среднеустойчивые)
1.Доломиты коричневые , бежевые , плотные ,крепкие, пологоволнисто-
тонкослоистые , галитсодержащие , мелко-среднезернистые, битуминозные,
газонасыщенные. Kуст=III(среднеуствойчивые).Опасные по ГДЯ
2.Доломиты глинистые , зеленовато светло-серого цвета , тонкозернистые до
пелитоморфных, в подошве прослоя брекчированные обломками доломитового
материала; трещиноватые , трещины закрытые, ориентировка трещин
хаотичная.Kуст=III( среднеустойчивые)

13.

Расчет устойчивости пород и нагрузок на временную крепь
Расчет крепления временной крепи анкерами 1-го уровня
заложения (типа СЗА) на выработку длиной 10 м и сечением 23,3 м2:
1.Интенсивность трещиноватости определяется по формуле :
σ