Исследование нагружений и деформаций горных анкеров как пространственно-криволинейных стержней и совершенствование их элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Мошкин, Николай Викторович

• Мошкин, Николай Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мошкин, Николай Викторович

ВВЕДЕНИЕ

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

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 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. Бетонная анкерная крепь

1.3.6. Сталеполимерная анкерная крепь глубокого заложения, ампулыюго закрепления

1.3.7. Анкерная крепь глубокого заложения, безампульного закрепления полимерными смолами

1.3.8. Анкерная крепь глубокого заложения, безампульного закрепления цементно-песчаными смесями

1.4. Конструкции опорных элементов

1.5. Обзор известных исследований в области анкерного крепления горных выработок

1.6. Обоснование современных требований к горным анкерам и постановка задач исследования

Глава 2. Теория поведения стержня анкера при его установке и 44 стационарном нагружении

2.1. Основные схемы нагружения стержней анкеров для крепления 44 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 н деформирования 74 горных анкеров

3.1. Обоснование наиболее вероятных ситуаций нагружения горных 74 анкеров

3.2. Применение компьютерного моделирования для определения t* деформации искривленных стержней при различных схемах нагружения

3.2.1. Возможности компьютерного моделирования и необходимые 79 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 ANSYS для получения численных 93 (Т, значений деформаций

Глава 4. Исследования с целью совершенствования основных 105 элементов анкерной крепи

4.1. Совершенствование анкерных стержней

4.2. Совершенствование затяжного устройства анкера

4.3. Экспериментальная проверка прочности известных и вновь 120 разработанных затяжных узлов

4.4. Исследования замкового устройства

4.5. Разработка методики подготовки новых элементов анкерной 136 крепи к серийному производству

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нагружений и деформаций горных анкеров как пространственно-криволинейных стержней и совершенствование их элементов»

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 увеличение 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-криволинейных стержней. Показана закономерность изменения параметров и мер пространственно-криволинейных тонких стержней в зависимости от приложенных усилий. Для определения численных значений деформаций стержня обоснована возможность использования компьютерной программы ANSYS.

Автору диссертации удалось разработать и довести до практического применения алгоритм подхода к решению задач, связанных 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.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Мошкин, Николай Викторович

Выводы

- Прочность узла соединения стержня анкера из проката винтового профиля 20-Ав400С и трехступенчатой гайки превышает прочность стержня на разрыв, а у винтового профиля 16-Ав400С и трехступенчатой гайки составляет 130 кН и более, что превышает значение прочности по его технической характеристике, равной 110 кН.

- Скручивание гаек со стержней под действием осевой силы не происходит.

- Соединение стержня анкера с трехступенчатой гайкой можно использовать в качестве резьбового соединения. не допускается.

Всего листов 5

Министерство энергетики РФ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Испытания показали, что прочность соединения узла «стержень-гайка» анкерной крепи АК20 превышает прочность стержня на разрыв. У образцов 1, 2, 3 произошло разрушение стержня, а резьба осталась целой и после снятия нагрузки гайка свободно скрутилась. У образцов 4 и 6 анкерной крепи АК16 произошел срез витков резьбы. У образца 5 анкерной крепи АК16 прочность соединения узла «стержень-гайка» превысила прочность стержня на разрыв.

Геометрические размеры опорных втулок и гаек остались без изменения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мошкин, Николай Викторович, 2004 год

1. Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М., "Недра", 1976, 218 с.

2. Светлицкий В.А. Механика стержней: Статика: Учеб. Пособие. - М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 70 с ; ил.

3. Светлицкий В.А. Механика стержней: Учебник для вузов Т.1. Статика, М.: Высшая школа, 1987.

4. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. М., "Недра", 1981,-381 с.

5. Пономарев Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. - М.: Машиностроение, 1980. - 326 с , ил. - (Б-ка расчетчика).

6. Артоболевский И.И. Теория меха1шзмов и машин: Учеб. Для втузов. — 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физ. - мат. Лит., 1988. -640с.

7. Машнев М.М., Красковский Е.Я., Лебедев П.А. Теория механизмов и машин и детали машин: Учеб. Пособие для студентов немашиностроительных специальностей вузов. — 2-е изд., перераб. и дополн. -Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-е, 1980. -512 с.

8. Пучшшн Г.С, Дворников Л.Т. Расчеты сложнонагруже1шых резьбовых соединений и винтовых механизмов. Фрунзе. 1986. 166 с.

9. Широков А.П., Лидер В.А.., Дзауров М.А.. Анкерная крепь. Справочник. М., "Недра", 1990, - 205 с.

10. Лукьянов В.Г., Грабчак Л.Г., Рогов В.Ф. и др. Проведение горизонтальных горноразведочных выработок скоростным методом: Справочное пособие. М. Недра, 1989.- 324 с.

11. Иванов М.Н. Детали машин. Учебник для студентов высших учебных заведений. - 5-е издание, переработ. — М.: Высш. Шк., 1991. -383 с.

12. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Главная редакция физико- математической литературы издательства "Наука", 1976 г., 608 с.

13. Дарков А.В. Строительная механика. Изд. 7-е, перераб. и доп. Учебник для вузов. М., "Высшая школа", 1976 г., 600 с.

14. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по крепленшо капитальных и подготовительных горных выработок. М. «Недра», 1982. 480 с.

15. Максимов А.П. Горное давление и крепь выработок. М. «Недра», 1973. 288 с.

16. Свердлов Г., Дворников Л.Т., Подборонников Ф. Затяжное устройство анкера. Патент РФ № 2165023. Опубликован 10.04.2001 г. Бюл. №10,

17. Дворников Л.Т., Шмаров А.В., Мошкин Н.В,, Свердлов Г. Замок анкера. Патент РФ № 2166092. Опубликован 27.04.2001 г. Бюл. №12.

18. Дворников Л.Т., Прокушенко СИ., Мошкин Н.В,, Вечужанин Д.С, Бабанов А.П. Стержень анкера. Свидетельство № 29748. Опубликовано 27.05.2003 г. Бюл. №15,

19. Дворников Л.Т., Прокушенко СИ., Мошкин Н.В,, Полынцев Н,А, Затяжное устройство анкера. Патент № 2212540, Опубликован 20,09.2003 г. Бюл. № 26.

20. Двор1шков Л.Т., Прокушенко СИ., Мошкин Н.В., Горный анкер. Патент РФ № 38836. Опубликован 10.07.2004 г. Бюл. №19. 0f

21. Ануфриев A.B., Барковский В.В., Гараев Ю.Д., Майоров А.Е. Технология закрепления анкеров минеральным заполнителем. Горный журнал №2-1999 г.

22. Самородов Б,Н., Марысюк В.П., Наговицын Ю,Н. Опыт крепления горных выработок сталеполимерными анкерами. Горный журнал №4-2001 г.

23. Саламатин А.Г., Яковлев Д.В, Проблемы развития технологии анкерного крепления на шахтах России. Горный журнал №5-2000 г.

24. Решетов Е., Ремезов А.В., Мышляев Б.К. Особенности современной технологии анкерования кровли, применяемой в США. Уголь №12-1999г.

25. Константинова А. Методика расчета параметров анкерной крепи горных выработок. Горный журнал №2-1991 г.

26. ALIMAK BOLTING. "Mining magazine" №1-1984 г.

27. THE SPLIT SET SISTEM. "Mining magazine" №9-1985 r.

28. OUR ГОЕА OF ROCK-BOLTING JAST KEEPS ON SWELLING. "Mining magazine" №12-1984 r.

29. Светлицкий В.A, Механика абсолютно гибких стержней. Под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Изд-во МАИ, 2001. 432 с. ил.

30. Степин П.А. Сопротивление материалов: Учебник для немашиностроительных спец. Вузов. - 8-е изд. - М.: Высш. Шк. 1988. -367 с.

31. Феодосьев В.И. Избрахшые задачи и вопросы по сопротивлению материалов. Издание четвертое. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «На)^а», 1973, 400 стр.

32. Мадатян А. Арматура железобетонных конструкций. М. Воентехлит. 2000, 256 с.

33. Паспорт анкерной крепи А20В.000 ПС. #У

34. Крагельскш! И.В., Коэффициенты трения, Москва, 1962 г,

35. В.Д. Юрченко, О.А. Утиралов, В.И. Магдыч, В.В. Некрасов. Анкерная сталеминеральная крепь типа АСМ. Уголь №1-2003 г.

36. Мирошник А.И. Мы готовы к конструктивному диалогу (О применении винтовой арматуры при производстве СПА). Уголь №4-2003 г.

37. Фридлянов Б. Винтовая арматура. Металлоснабжение и сбыт апрель 2001 г.

38. Инструкция по расчету и применехшю анкерной крепи на угольных шахтах России - СПб.: ВНИМИ, 2000. - 70с.

39. Технические условия на анкер сталеполимерный АСП, 1998.

40. Времеьшая инструкция по расчету и примененшо анкерной крепи на шахтах Кузнецкого бассейна. - Прокопьевск: КузНИУИ, 1996, - 95с.

41. Методическое руководство по применению анкерной крепи на шахтах ЗАО УК «Южкузбассуголь». - Новокузнецк: ЗАО УК «Южкузбассуголь», 2002. 47с., ил.

42. Временная методика расчета и выбора параметров крепей сопряжений подготовительных выработок для шахт ОАО УК «Кузнецкуголь». -Новокузнецк: ОАО УК «Кузнецкуголь», 2001. - 49с.

43. Каретников В.Н. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник / В.Н. Каретников, Б.В. Клейменов, А.Г. Нуждихин. - М.: Недра, 1989. - 571с.

44. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производств и объектов».

45. Правила безопасности в угольных шахтах. Часть 2. - Самара: Самарский дом печати, 1995. - 235с.

46. Указания по рациональному расположеншо, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. - Изд. 4-е, дополненное. Л.:ВНИМИ, 1986., 222с. 1#» :#)

47. М.И. Звонарев, «Анкерная крепь», Авторское свидетельство СССР №10401068, опубликовано 07.09.83г., Бюлл. №33.

48. П.Д. Кийков, Д.И. Корсун, Т.П. Кийкова. «Универсальный распорный анкер». Авторское свидетельство СССР №1164433, опубликовано 30.06.85г., Бюлл. №24.

49. Мадатян А. Технология натяжения арматуры и несущая способность железобетонных конструкций. -М. Стройиздат. 1980, 196 с , ил.

50. Голышев А.Б. и др. Проектирование железобето1шых конструкций.: Справочное пособие, 1990. - 544 с. ил. (Б-ка проектировщика).

51. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М., 1980 г., 976 стр. с илл.

52. Воронков И.М. Курс теоретической механики. М., 1966 г., 596 стр. с илл.

53. Фиников СП. Курс дифференциальной геометрии. М., 1952 г., 343 стр.

54. Погорелов А.Б. Дифференциальная геометрия. М., 1974 г., 176 стр.

55. Прокат периодического профиля с серповидными поперечными ребрами для армирования железобетонных конструкций. Технические условия. ТУ 14-1-5254-94. ЦССМ ОАО ГНЦ РФ ЦНРШчермет. 1997 г.

56. Прокушенко СИ., Дворников Л.Т., Мошкин Н.В., Новые решения элементов анкерной крепи. Региональный наз^но-производственный и социально-экономический журнал «ТЭК и ресурсы Кузбасса». №2/15, 2004 год.

57. Мефоденко Е.В., Лаврик А.Н., Мирошник А.И., Абашев Л.А. Сталеполимер1п>1Й анкер. Свидетельство на полезную модель №10215.

58. Л.Т. Дворников, Г. С Пучинян, СГ. Пучинян. К вопросу о выравнивании нагрузки по виткам резьбы. Известия Академии наук Киргизской ССР. №3, 1983 г.

59. Крайнев А.Ф. Механика машин. Фу1адаментальный словарь. М. ф it* ;«) Машиностроение, 2000, 904 с,ил. 60. Горная энциклопедия. Москва, Советская энциклопедия, 1984 г.

61. Мельников Н.И. Совершенствование и опыт применения анкерной крепи, М, 1977.

62. Мельников Н.И. Анкерная крепь, М, 1980. l * ' Список опубликованных работ

63. Шмаров А.В., Мошкин Н.В. Обоснование нового вида крепления анкерного болта в скважине. Материалы региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». Новокузнецк 2001.-С. 291-292.

64. Дворников Л.Т., Мошкин Н.В. Затяжное устройство и замок анкера. Материалы регионального конкурса «Инновация и изобретения года». Администрация Кемеровской области. Кузбасская торгово-промышленная палата. Областной совет BOPIP. Кемерово 2002.-С. 11.

65. Мошкин Н.В. Совершенствование ответственных узлов анкерного креплехшя. Материалы двенадцатой научно-практической конференции по проблемам механики и машиностроения. Новокузнецк, 2002 г.-С. 213-216.

66. Дворников Л.Т., Мошкин Н.В. Исследование напряженного состояния стержня горной анкерной крепи. Материалы тринадцатой научно-практической конференции по проблемам механики и машиностроения. Новокузнецк, 2003 г.-С. 168-177.

67. Прокушенко СИ., Дворников Л.Т., Мошкин Н.В., Новые решения элементов анкерной крепи. Региональный научно-производственный и социально-экономический журнал «ТЭК и ресурсы Кузбасса». №2/15, 2004 Г0Д.-С. 42-45.

68. Патент РФ № 2166092. Дворников Л.Т., Шмаров А.В., Мошкин Н.В., Свердлов Г. Замок анкера. Опубликован 27.04.2001 г, Бюл. №12.

69. Патент РФ № 2212540. Затяжное устройство анкера. Опубликован 20.09.2003 г. Бюл. № 26.

70. Свидетельство РФ № 29748. Дворников Л.Т., Прокушенко СИ., Мошкин Н.В., Стержень анкера. Опубликовано 27.05.2003 г. Бюл. №15.

71. Патент РФ № 38836. Дворников Л.Т., Прокушенко СИ., Мошкин Н.В., Горный анкер. Опубликован 10.07.2004 г. Бюл. №19.

72. СТЕПЕНИ за {водство шАК врам) тецш юаннох 'ИИ И MAi .дной юкг 200Л» ^ % д 5 5 ^ ^ Генеральный директор В.В. Табачников г. Новокузнецк 11 июня 2004 г. Q. V