ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПУТЕМ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ
Кәденов Жандос Нұрболұлы
магистрант Карагандинского государственного
технического университета
Казахстан, г.Караганда
Научный руководитель: Долгоносов Виктор Николаевич
доктор технических наук, доцент Карагандинского
государственного технического университета
Казахстан, г.Караганда
Соблюдение устойчивости кровли горных выработок является одной из главных задач прикладной геомеханики. Для решения данного вопроса привлекаются самые разнообразные способы управления состоянием приконтурного массива и технические средства для их реализации, среди которых особое место занимают анкерные крепи. Они получают все большее распространение благодаря простой конструкции установки, экономичности, многообразию конструктивных решений и характеристик, позволяющих учесть определенные свойства укрепляемого массива горных пород.
Основное назначение анкерной крепи – сцепление между собой и поддержка с усилием слоев породы и грунтов, а также строительных конструкций. Поэтому, если по каким-то причинам теряется сцепление анкера с породой, либо уменьшается напряжение в анкере, он не выполняет свои функции. [1]
Рисунок 1 – Обрушение слоистой кровли, вызванное превышением
предельных напряжений
На рисунке 1 показано разрушение породы, вызванное превышением предельных напряжений по направлению слоистости. Если бы омоноличенная по всей длине крепь полностью выполняла свои функции и имела прочное сцепление со слоями пород, то она обеспечивала бы повышенную прочность непосредственной кровли и предотвратила бы ее разрушение. По всей видимости, при сдвижении слоев произошло разрушение цементного камня, сцепляющего анкера с породой, что привело к расслоению и снижению прочности.
Важными требованиями для оптимальной работы анкерной крепи являются достаточно высокая прочность ее сцепления с массивом и натяжение при вожмости расслоения в области массива, закрепленным анкером. Отсутствие данных требований приводит к потере несущей способности анкеров, которая может случаться как мгновенно, так и постепенно, а в ряде случаев и без каких-либо визуальных проявлений. Условия, указанные выше, представляют необходимость постоянного контроля качества анкерной крепи.
Задача контроля крепей близка задачам контроля массива пород вокруг выработанного пространства, поэтому здесь будут рассмотрены также и методы контроля заколов на поверхностях обнажений массивов горных пород, строительных конструкций и других технических объектов. При этом суть методов неразрушающего контроля заключается в анализе акустических откликов на воздействие, чаще всего в виде одиночного удара. [2]
Дефектоскопия закрепного пространства позволяет оценивать качество связи крепи (или облицовки) с массивом, крепи с цементным камнем и цементного камня с массивом. Типовыми задачами, решаемыми при дефектоскопии закрепного пространства, являются:
- контроль качества затюбингового пространства при сооружении шахтных стволов и горизонтальных выработок специальными методами;
- контроль качества цементации закрепного пространства вокруг горных выработок;
- контроль процесса заколообразования в потолочине;
- дефектоскопия развивающихся пустот под отводными каналами и другие задачи.
Для решения данного типа задач могут применяться локационные (ультразвуковой, радиоволновой, радиоактивный), гравиметрический и виброакустический методы дефектоскопии. Аппаратура, применяемая при виброакустическом методе дефектоскопии, включает систему возбуждения в виде вибратора, систему приема упругих колебаний, представляющую собой переносной виброщуп на базе пьезоакселерометра и анализирующую систему, состоящую из параллельного спектроанализатора. Частота ударов, создаваемых системой возбуждения, должна быть ниже критической величины, при которой виброимпульсы перекрывают друг друга. Энергия ударов должна быть достаточной для возбуждения в плите изгибных мод. [3]
Рассмотрим, как меняются спектры сигналов откликов при погружении анкера в суглинок. На рисунке 2 представлены формы сигналов и спектров колебательных скоростей при установке анкера в суглинке. Как показали результаты расчета, увеличение длины контакта анкера с массивом пород приводит к смещению вверх частоты максимума амплитуд спектральных составляющих.
Рисунок 2 – Сигнал (а) и его спектр (б) при расчете с нулевого момента времени; на легенде справа - длина контактирующей части
Полученные данные позволили построить график спектра, представленный на рисунке 2(б) и рассчитать зависимость частоты спектрального максимума от глубины погружения анкера. График этой зависимости изображен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимость частоты спектрального максимума f max от глубины к погружения анкера в грунт h
Из него следует, что при увеличении глубины погружения частота максимума также увеличивается (для данных условий больше, чем в 1,7 раза).
Для интерпретации сигналов, регистрируемых при тестировании анкера, необходимо также представлять, как влияет степень связи на амплитуду самих сигналов и спектральных составляющих. При компьютерном моделировании степень связи анкерного болта с массивом может варьироваться с помощью изменения свойств массы, находящейся между ними и служащей для их сцепления между собой. При ухудшении контакта, вызванном, например, появлением трещин, модуль упругости уменьшается, а коэффициент затухания возрастает. Для расчета зададим следующие свойства этой массы: 3,5⸱1010 и 1,0⸱1010 Па для модуля упругости и 5⸱10-5 1/Гц и 5⸱10-2 1/Гц для коэффициента затухания βdK (коэффициент пропорциональности между частотой и затуханием в среде) соответственно. Расчет формы сигналов колебательной скорости, регистрируемых на открытом конце анкера, представлен на рисунке 4. [1]
Рисунок 4 – Формы сигнала при хорошем и плохом контактах анкера с массивом пород
Как следует из приведенных графиков, при ухудшении контакта амплитуда сигнала уменьшается от 0,0086 до 0,0025 м/с, т.е. более чем в три раза. Это говорит о том, что при стабильном размере области контакта амплитуда как самих сигналов, так и их спектральных составляющих могут характеризовать связь анкера с массивом, при этом лучшему контакту будут соответствовать большие амплитуды, а худшему - меньшие. Обобщая данный вывод с предыдущими результатами, можно сказать, что для анкера с хорошим закреплением частота спектрального максимума и его амплитуда будут иметь более высокие значения, чем для анкера с плохим. При проведении физического моделирования, обнаружено, что анкеру с высоким натяжением будут соответствовать как более высокие частоты, так и амплитуды спектральных максимумов акустических откликов на ударное воздействие. При этом частота спектрального максимума при натяжении анкера может доходить до 1700 Гц.
Метод измерения, который основан на анализе амплитуд спектральных составляющих откликов анкеров на воздействие удара и вычислении соответствующих расстояний в пространстве информативных параметров позволяет определять анкера, отличающиеся от основной массы. Учитывая, что большинство анкеров выполняют свои функции, есть вывод, что анкера, имеющие отдельные характеристики, считаются дефектными и требуют повторной проверки, к примеру, измерением выдергивания анкеров. [2]
Список литературы:
1. Баклашов И.В. Геомеханика: Учебник для вузов. Том 1. Основы геомеханики. - М.: МГГУ, 2004;
2. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра, 1980;
3. Блохин Д.И., Одинцев В.Н., Шейнин В.И. Результаты спектрального анализа данных, характеризующих особенности распределения деформаций пород вблизи подземных выработок.//Горный информационный аналитический бюллетень. —2007. - №9.