VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Крепление горных выработок в мерзлых породах отличается тем, что несущая способность их существенно зависит от температурного режима. Особенно это проявляется при проходке выработок в дисперсных мерзлых породах. При оттаивании таких пород прочность их резко снижается, поэтому к видам крепи в выработках предъявляются особые требования. Прежде всего - постоянство несущей способности крепи при изменении температурного режима пород в пределах деятельного слоя[1,2,3].

Авторами был предложен новый тип анкерной крепи для горных выработок, пройденных в высокольдистых мерзлых дисперсных породах. Принцип действия нового анкера основан на эффекте «раскрытия» замка анкера в предварительно надрезанной части трубы, и вдавливания «лепестков» в оттаявший массив вокруг замка за счет размещенного в замковой части расширяющегося при твердении с выделением большого количества тепла вещества [4]. Естественно, что эффективность такого анкера будет зависеть от скорости и глубины оттаивания пород вокруг замковой части.

Целью настоящей работы является определение области рационального использования новой анкерной крепи в различных геокриологических зонах. Задача состоит в том, чтобы определить радиус оттаивания пород вокруг замка т.е область изменения свойств пород (разупрочнения) в которую могут быть вдавлены «лепестки» анкера. Если оттаивание происходит на небольшую величину, то раскрытие происходит на небольшой угол и прочность закрепления анкера в породе будет незначительна. Сделаем следующее естественное, известное из опытов использования невзрывчатого разрушающего состава НРС допущение, что максимальное усилие на замковую часть анкера будет достаточно при максимальной температуре нагрева состава. В принципе, такое допущение не является критическим и может быть сформулирована постановка задачи и в более общем виде, т.е максимальное давление на стенки трубы в замковой части достигается через часов, которое не зависит от температуры состава. Как показывает опыт использования НРС, общая зависимость изменения температуры от времени имеет такой вид, что на участке достижения максимальной температуры она может быть представлена в виде простой параболы.

Общая математическая формулировка задачи имеет вид, при условии, что распространение тепла в породах происходит в сферической системе координат и квазистационарый профиль температуры [3]

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

где − коэффициент теплопроводности талых пород, Вт/м·К ; S − глубина ореола оттаивания, м; − радиус шпура, м; − плотность мерзлых пород ,; L − скрытая теплота плавления льда, ; W − льдистость пород, доли единиц; − температура плавления льда, ; R − координата, м; − время, с; T − температура гонных пород, ;

t − температура НРС, .

Используя новые безразмерные переменные, задача была сведена к безразмерному виду, а решение получено в виде трансцендентного уравнения относительно искомого параметра S

(7)

Где:

;;.

Искомый параметр может быть найден численно, графически или аналитически с помощью поиска вещественного корня по формуле Джеронимо Кардано [ 5]. В этом случае параметр S может быть найден в явном виде

(8)

Где: (9)

Причем:;;

Контрольный пример расчета выполнен для следующих характерных данных.

,W=0,3;, L=,=800;

Используя формулу (8) найдем безразмерный радиус протаивания . Зная который легко определить размерное значение

Этого вполне достаточно для раскрытия замка анкера.

Для определения рациональной области использования анкерной крепи были проведены многовариантные расчеты, которые представлены в виде графиков. Пример графического преставления показан на рисунках 1 и 2.

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

Рис.1

Изменение размера ореола оттаивания в зависимости от температуры НРС.

0100090000030202000002008a01000000008a01000026060f000a03574d464301000000000001000f0a0000000001000000e802000000000000e8020000010000006c00000000000000000000002c0000007100000000000000000000005a1a0000ba1f000020454d4600000100e80200000e000000020000000000000000000000000000005e130000681b0000d200000029010000000000000000000000000000ef33030028880400160000000c000000180000000a00000010000000000000000000000009000000100000003c0600007e070000250000000c0000000e000080120000000c000000010000005200000070010000010000009cffffff00000000000000000000000090010000000000cc04400012540069006d006500730020004e0065007700200052006f006d0061006e000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000006135093000000000040000000000ae309e3509300000000047169001cc0002020603050405020304877a0020000000800800000000000000ff01000000000000540069006d00650073002000000065007700200052006f006d0061006e000000000000001233093050ebae30283114000100000000000000c847110022b50230c84711004c6eaf30e04711006476000800000000250000000c00000001000000180000000c00000000000002540000005400000000000000000000002c0000007100000001000000dd89874039768740000000005a000000010000004c0000000400000000000000000000003a0600007f0700005000000020002c002d00000046000000280000001c0000004744494302000000ffffffffffffffff3e0600007f070000000000004600000014000000080000004744494303000000250000000c0000000e0000800e000000140000000000000010000000140000000400000003010800050000000b0200000000050000000c02fd00d100040000002e0118001c000000fb020200010000000000bc02000000cc0102022253797374656d0000000000000000000000000000000000000000000000000000040000002d01000004000000020101001c000000fb02f3ff0000000000009001000000cc0440001254696d6573204e657720526f6d616e0000000000000000000000000000000000040000002d010100050000000902000000020d000000320a0c0000000100040000000000d200fd00200a0600040000002d010000030000000000

Рис.2

Изменение размера ореола оттаивания в зависимости от времени при постоянной льдистости.

Как показал анализ полученных данных, область применения нового вида крепи достаточно большая и перекрывает почти все известные геокриологические условия разработки месторождений полезных ископаемых. Дальнейшие исследования в данном направлении должны быть сконцентрированы на экспериментальной проверке надежности нового вида анкерной крепи на конкретных горных объектах.

Приложение

Принципиальная схема анкера

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

1-анкер; 2-шпур; 3-втулка; 4-капсула с РТМ; 5-разрезы;6-диск; 7-стержень;8-заглушка;

ЛИТЕРАТУРА

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики.- М. :Недра, 1968.-256 с.

2. Скуба В.Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. - Новосибирск: Наука, 1974. - 118 с.

3. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера.- Новосибирск: Наука, 2000.- 305 с.

4.Сахно И.Г., Касьян Н.Н., Мокриенко В.Н. «Опыт разрушения горных пород НРС в условиях шахты «Щеголевская Глубокая» Вісті Донецького гірничого інституту. 2011., № 1, С. 15–22

5. Формула Кардано, - [электронный ресурс]. - Режим доступа: URL http://ru.math.wikia.com/wiki

(дата обращения 01.11.2013).

Код для цитирования: Скопировать