Studies of new nonadhesive anchoring

Purpose is to develop anchoring with nonadhesive high-strength roof bolting in terms of large pre-destructive deformations and its testing under laboratory conditions. Methods. Laboratory studies of hydration hardening of self-extending mixtures, carried out with the use of digital microscope Bresser LCD 40-1600x, have determined the features of hydration of the modified mixtures. The developed mixture, testing by means of unevenly-component three-axial pressure (UCTAP), has determined its strength within post-hydration period, elasticity module, and deformation module. Bench tests concerning anchor fastening by means of self-expending mixtures as well as anchor glue Cement KL have helped perform comparative analysis of adhesive technique to hold anchors fixed and nonadhesive one. Underground on-site research to fasten anchors while Franciszek Karol chamber strengthening in the context of Wieliczka mine made it possible to determine dynamics of anchor loading. Findings. It has been grounded experimentally that adding of Sika BV 3M ingredient to self-extending mixture results in up to 30% intensification of its strength limit on uniaxial compression. It has also been grounded experimentally that maximum effort to fasten anchor bolts by means of self-extending mixtures, excesses efforts for those bolts fastened with the help of resins more than twice. Analysis of operation mode of such anchors means that the action of anchor – fastener – rock system is close to that by modern energy absorbing bolts. Originality. A new concept of anchor fixation at the expense of their fastening by means of self-extending mixtures throughout the hole length has been formulated. During the hardening process, 30 – 50 MPa pressure is developed making it possible to intensify maximum fastening effort being more than two times higher to compare with adhesive technique. Moreover, constant resistance is provided in the process of the anchor bolts displacement within a hole; the resistance is similar to that provided by adhesive technique. Practical implications. The obtained results, having sufficient practical accuracy, can be used for the development of new anchoring in the context of large deformations of a stope boundary. If the parameters are substantiated theoretically and bench testing is passed, the proposed anchoring technique can be implemented in the stopes of coal mines, ore mines as well as nonmetallic ones. That favours the increase in load bearing capacity of the anchorage and rock support in terms of their elastic deformation.Мета. Розробка анкерної системи з неадгезійним закріпленням болтів, яка має високу несучу здатність при великих предруйнівних деформаціях та її тестування в лабораторних умовах. Методика. Лабораторними дослідженнями гідратаційного твердіння сумішей, що саморозширюються, методом мікроскопії за допомогою цифрового мікроскопа Bresser LCD 40-1600x встановлено особливості протікання гідратації модифікованих сумішей. Тестуванням розробленої суміші на установці нерівно компонентного тривісного стиску (УНКТС) визначено її міцність у постгідратаційний період, модуль пружності, модуль деформації. Стендові дослідження зусилля закріплення анкерів сумішами, що саморозширюються, і анкерним клеєм Cement KL дозволили виконати порівняльний аналіз адгезійного та неадгезійного способів фіксації анкерів. Шахтні польові дослідження зусилля закріплення анкерів при укріпленні камери Franciszek Karol в умовах шахти “Величка” дозволили встановити динаміку навантаження анкерів. Результати. Експериментально доведено, що введення домішки Sika BV 3M у склад суміші, що саморозширюється, при гідратації підвищує межу її міцності на одноосьовий стиск до 30%. Експериментально доведено, що максимальне зусилля закріплення анкерних болтів сумішами, що розширюються, перевищує зусилля для болтів, закріплених смолами, більше, ніж у два рази. Аналіз режиму роботи таких анкерів свідчить, що система “анкер – закріплювач – порода” має механізм роботи близький до сучасних енерго-абсорбуючих болтів. Наукова новизна. Сформульована нова концепція фіксації анкерів за рахунок затиснення їх по всій довжині шпуру сумішами, що розширюються у процесі твердіння й створюють тиски 30 – 50 МПа, що дозволяє підвищити максимальне зусилля закріплення, порівняно з адгезійним способом, більше, ніж у 2 рази при забезпеченні постійного опору при переміщенні анкерних болтів у шпурі не менше, ніж адгезійним способом. Практична значимість. Отримані результати, з достатньою для практичного застосування точністю, можуть використовуватися для розробки нових способів анкерного кріплення при великих деформаціях контуру виробки. Запропонований спосіб анкерного кріплення, за умови теоретичного обґрунтування параметрів та стендової перевірки, може бути реалізований в гірничих виробках вугільних, рудних і нерудних шахт. Це сприяє підвищенню несучої здатності кріплення та підтриманню порід при їх запружному деформуванні.Цель. Разработка анкерной системы с неадгезионным закреплением болтов, которая имеет высокую несущую способность при больших предразрушающих деформациях и ее тестирование в лабораторных условиях. Методика. Исследованиями гидратационного твердения саморасширяющихся смесей методом микроскопии установлены особенности протекания гидратации модифицированных смесей. Тестированием разработанной смеси на установке неравнокомпонентного трехосного сжатия определены ее прочность в постгидрата-ционный период, модуль упругости, модуль деформации. Стендовые исследования усилия закрепления анкеров саморасширяющимися смесями и анкерным клеем Cement KL позволили выполнить сравнительный анализ адгезионного и неадгезионного способов фиксации анкеров. Результаты. Экспериментально доказано, что введение добавки Sika BV 3M в состав саморасширяющейся при гидратации смеси повышает предел ее прочности на одноосное сжатие до 30%. Экспериментально доказано, что максимальное усилие закрепления анкерных болтов саморасширяющимися смесями превышает усилия для болтов, закрепленных смолами, больше, чем в два раза. Анализ режима работы таких анкеров свидетельствует, что система “анкер – закрепитель – порода” имеет механизм работы, близкий к современным энерго- абсорбирующим болтам. Научная новизна. Сформулирована новая концепция фиксации анкеров за счет зажатия их по всей длине шпура саморасширяющимися смесями, которые в процессе твердения создают давления 30 – 50 МПа, что позволяет повысить максимальное усилие закрепления, по сравнению с адгезионным способом, более, чем в 2 раза при обеспечении постоянного сопротивления при перемещении анкерных болтов в шпуре не менее, чем при адгезионном закреплении. Практическая значимость. Полученные результаты, с достаточной для практического применения точностью, могут использоваться для разработки новых способов анкерного крепления при больших деформациях контура выработки. Предложенный способ анкерного крепления, при условии теоретического обоснования параметров и стендовой проверки, может быть реализован в горных выработках угольных, рудных и нерудных шахт. Это способствует повышению несущей способности крепи и поддержанию пород при их заупругом деформировании.The authors of the paper express appreciation to the employees of ZGRiW “AMC” Company, operating at the territory of Kopalnia Soli “Wieliczka”, for the research support and materials provided

Laboratory studies of a high-strength roof bolting by means of self-extending mixtures

Purpose is to analyze parameters of a new method to fasten roof bolts with the help of nonadhesive mixtures extending while hardening along with the development of high expansion pressures. Methods. The research, concerning forces applied while fastening roof bolts by means of self-extending mixtures, has been carried out under full-scale laboratory conditions using pressing-in method. Rock mass was simulated by means of concrete in plastic and metal forms, and steel pipes. The latter simulated ultimate rigidness conditions. Roof bolts were simulated by means of reinforcement steel fragments. In the context of the research, bolt diameters varied from 8 to 32 mm, and borehole diameters varied from 26 to 43 mm. Hydraulic 50-ton press was used for the tests. The testing results were applied to obtain regressive dependences of bolt fastening efforts in terms of different ratios between roof bolt diameter, borehole diameter, and incapsulation depth. Mine experiments concerning efforts to fasten Rockbolt System AG roof bolts of J64-27 type to strengthen chamber 1 of level 3 in Velychka mine were performed using a method of static bolt extraction. Hydraulic extraction device was equipped by ZEPWN CL 18T sensor and CL 162z-DW recorder. Findings. It has been proved experimentally that operation mechanism of the roof bolts, fastened by means of self-extending mixtures during hydration hardening, is close to the modern energy absorbing bolts. Bolt diameter-borehole diameter ratio range, when ultimate effort of bolt fastening by means of extending mixtures is achieved, has been determined. Functional connection between the efforts to fasten roof bolts, using extending mixtures, and diameters of borehole and the roof bolt has been identified as well as linear connection between incapsulation depth and bearing capacity of the roof bolt. Originality. A new concept to fasten roof bolts with the help of nonadhesive technique owing to their quazistatic compression between borehole walls, taking place as a result of hydration self-extension of mixtures which can achieve 30 – 50 MPa pressures under the conditions of zero deformations, has been developed. Regularities in the variation of efforts to fasten bolts, using the technique, depending upon roof bolt – fastening mixture – rock mass system geometry have been determined. Practical implications. The results can be used to calculate parameters of roof bolting with high bearing capacity under the conditions of large deformations. The proposed fastening method may be implemented in mine workings.Мета. Дослідження параметрів нового способу закріплення анкерних болтів неадгезійними сумішами, які при твердінні розширюються з розвитком високих тисків розширення. Методика. Дослідження зусилля закріплення анкерів сумішами, що саморозширюються, були проведені в лабораторних умовах у натуральному масштабі методом вдавлювання. Породний масив моделювався бетоном, залитим у пластикову та металеву опалубку, і сталевими трубами. Останні моделювали умови максимальної жорсткості. Анкерні болти імітувались відрізками арматурної сталі. В дослідженнях змінювали діаметр болтів від 8 до 32 мм, діаметр шпурів – від 26 до 43 мм. Тестування проводилося на гідравлічному 50-тонному пресі. Результати тестування були використані для отримання регресійних залежностей зусилля закріплення анкерів при різних співвідношеннях діаметру анкера та діаметру шпуру і глибині інкапсуляції. Шахтні польові дослідження зусилля закріплення анкерів Rockbolt System AG типу J64-27 при укріпленні камери 1 горизонту 3 ш. Величка (Польща) проводились методом статичного витягування болтів. Гідравлічний прилад для витягування було обладнано датчиком ZEPWN CL 18T і реєстратором CL 162z-DW. Результати. Експериментально доведено, що анкерні болти, закріплені сумішами, що саморозширюються при гідратаційному твердінні, мають механізм роботи, близький до сучасних енерго-абсорбуючих болтів. Визначено діапазон співвідношення діаметра анкеру до діаметра шпуру, в якому досягається максимальне зусилля закріплення болтів сумішами, що розширюються. Встановлено функціональний зв’язок між зусиллям закріплення анкерів сумішами, що розширюються, і діаметрами шпуру та анкера. Встановлено лінійний зв’язок між глибиною інкапсуляції й несучою здатністю анкера. Наукова новизна. Розвинута нова концепція закріплення анкерних болтів неадгезійним способом за рахунок квазістатичного затиснення їх між стінками шпуру, яке відбувається у результаті гідратаційного саморозширення сумішей, що здатні досягати тисків 30 – 50 МПа в умовах нульових деформацій. Встановлено закономірності змінення зусилля закріплення болтів наведеним способом від геометричних параметрів системи “анкер – закріплююча суміш – масив”. Практична значимість. Результати можуть використовуватися для розрахунку параметрів анкерного кріплення з високою несучою здатністю в умовах великих деформацій контуру виробки. Запропонований спосіб кріплення може бути реалізований у гірничих виробках шахт.Цель. Исследование параметров нового способа закрепления анкерных болтов неадгезионными смесями, которые при твердении расширяются с развитием высоких давлений расширения. Методика. Исследования усилия закрепления анкеров расширяющимися смесями были проведены в лабораторных условиях в натуральном масштабе методом вдавливания. Породный массив моделировался бетоном, залитым в пластиковую и металлическую опалубку, и стальными трубами. Последние моделировали условия максимальной жесткости. Анкерные болты имитировались отрезками арматурной стали. В исследованиях изменяли диаметр болтов от 8 до 32 мм, диаметр шпуров – от 26 до 43 мм. Тестирование проводилось на гидравлическом 50-тонном прессе Результаты тестирования были использованы для получения регрессионных зависимостей усилия закрепления анкеров при различных соотношениях диаметра анкера и диаметра шпура и глубине инкапсуляции. Шахтные полевые исследования усилия закрепления анкеров Rockbolt System AG типа J64-27 при укреплении камеры 1 горизонта 3 ш. Величка (Польша) проводились методом статического вытягивания болтов. Гидравлический прибор был оборудован датчиком ZEPWN CL 18T и регистратором CL 162z-DW. Результаты. Экспериментально доказано, что анкерные болты, закрепленные расширяющимися при гидратационном твердении смесями, имеют механизм работы, близкий к современным энерго-абсорбирующим болтам. Определен диапазон соотношения диаметра анкера к диаметру шпура, при котором достигается максимальное усилие закрепления болтов расширяющимися смесями. Установлена функциональная связь между усилием закрепления анкеров расширяющимися смесями и диаметрами шпура и анкера. Установлена линейная связь между глубиной инкапсуляции и несущей способностью анкера. Научная новизна. Развита новая концепция закрепления анкерных болтов неадгезионным способом за счет квазистатического зажатия их между стенками шпура, которое происходит в результате гидратационного саморасширения смесей, которые могут достигать давлений 30 – 50 МПа в условиях нулевых деформаций. Установлены закономерности изменения усилия закрепления болтов приведенным способом от геометрических параметров системы “анкер – закрепляющая смесь – массив”. Практическая значимость. Результаты могут использоваться для расчета параметров анкерного крепления с высокой несущей способностью в условиях больших деформаций контура выработки. Предложенный способ крепления может быть реализован в горных выработках шахт.The authors of the paper express appreciation to the employees of ZGRiW “AMC” Company, operating at the territory of Kopalnia Soli “Wieliczka”, for the research in-site support and materials provided

Analyzing kinetics of deformation of boundary rocks of mine workings

Purpose is to analyze nature of rock deformation and to estimate experimentally state of mine workings being supported under the conditions of areas disturbed by coal mining. Methods. The studies involved field instrumental observations within measuring points equipped with contour benchmarks. Express method was applied to determine height and width of the mine working; typical supported areas were designed; and photographs were taken. The research was conducted in a belt roadway and ventilation raise of western longwall 11 (c18 seam of MM “Pivdennodonbaske No. 1”), and in their connections with the longwall. Findings. It has been determined that the longwall effect in the mine working, being supported repeatedly, is 80 – 60 m in front of a stope; vertical convergence within the area is more than 1 m; floor rise share is almost 76%; and share rate is more than 3 mm/day. It has been specified that local destruction of anchor fitting as well as almost 70% of deformation of frame support is observed within the zone of the longwall affect. It has been identified that potential inrush area from the belt roadway is between supports 3 and 9 of a face zone support; i.e. distance from the seam edge is more than 2.4 m. It has been proved that the use of rigid protective structures is not efficient in the context of soft floor rocks since the protective structures function like dies. Condition of the belt roadway, being constructed and supported behind the longwall, is satisfactory; boundary deformations are within the range of the support flexibility. Originality. Regularities concerning deformation of boundaries of mine workings under the conditions of unstable wall rocks of c18 seam (MM “Pivdennodonbaske No. 1”), when the mine workings are being constructed and supported behind a stope to be used repeatedly for following longwall, have been determined. Regularities of the process when rocks are forced out into a mine working cavity remained after protective structure, being constructed along a mine working at the boundary of the worked-out area, have been identified as well as regularities of vertical convergence rocks within terminal sites of the longwall. Practical implications. The findings can be used to develop measures and means for the stability of development mine workings under the conditions of unstable wall rocks and measures to prevent their fall within the tail longwall sites.Мета. Аналіз характеру деформування гірських порід та експериментальна оцінка стану гірничих виробок, що підтримуються в зоні впливу очисних робіт із виймання вугілля. Методика. Дослідження проведено методом натурних інструментальних спостережень на вимірних станціях, обладнаних контурними реперами. Проведені виміри висоти і ширини виробки експрес-методом, в характерних ділянках підтримання накреслено ескізи та зроблено світлини. Дослідження проведено в конвеєрній і вентиляційній виробках 11-ої західної лави пласта с18 ДП “Шахтоуправління “Південнодонбаське №1” та їх сполученнях з лавою. Результати. Встановлено, що зона впливу лави у виробці, що підтримується, повторно становить 80 – 60 м перед вибоєм, вертикальна конвергенція в цій зоні більше 1 м, доля підняття підошви близько 76%, швидкість зсувів більше 3 мм/добу. Виявлено, що в зоні впливу лави спостерігається локальне руйнування анкерної фурнітури та близько 70% деформування елементів рамного кріплення. На кінцевій ділянці лави з боку конвеєрної виробки встановлено, що ймовірна область вивалів порід знаходиться між 3-ою та 9-ою стійками привибійного кріплення, тобто на відстані від кромки пласта більше, ніж 2.4 м. Доведено, що застосування жорстких охоронних споруд в умовах слабких порід підошви без додаткових заходів неефективне, оскільки охоронні конструкції працюють як штампи. Стан конвеєрної виробки, що проводиться та підтримується за лавою, задовільний, деформації контуру знаходяться в межах піддатливості кріплення. Наукова новизна. Встановлені закономірності деформування контуру гірничих виробок в умовах нестійких бічних порід пласта с18 ДП “Шахтоуправління “Південнодонбаське №1”, що проводяться та підтримуються позаду очисного вибою та в подальшому використовується повторно для наступної лави. Встановлені закономірності видавлювання порід у порожнину виробки з-під охоронних конструкцій, що споруджуються уздовж виробки на межі з виробленим простором та закономірності вертикальної конвергенції порід на кінцевих ділянках лави. Практичне значення. Використання результатів дослідження є основою для розробки способів та засобів забезпечення стійкості підготовчих виробок в умовах нестійких бічних порід, а також засобів запобігання їх обваленням на кінцевих ділянках лав.Цель. Анализ характера деформирования горных пород и экспериментальная оценка состояния горных выработок, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ по выемке угля. Методика. Исследование проведено методом натурных инструментальных наблюдений на измерительных станциях, оборудованных контурными реперами. Проведены измерения высоты и ширины выработки экспресс-методом, в характерных участках поддержания начерчены эскизы и сделаны фотографии. Исследование проведено в конвейерной и вентиляционной выработках 11 западной лавы пласта с18 ГП “Шахтоуправление “Южнодонбасское №1” и их сопряжениях с лавой. Результаты. Установлено, что зона влияния лавы в выработке, поддерживаемой повторно, составляет 80 – 60 м перед забоем, вертикальная конвергенция в этой зоне более 1 м, доля поднятия подошвы около 76%, скорость смещений более 3 мм/сутки. Выявлено, что в зоне влияния лавы наблюдается локальное разрушение анкерной фурнитуры и около 70% деформации элементов рамного крепления. На конечном участке лавы со стороны конвейерной выработки установлено, что вероятная область вывалов пород находится между 3-й и 9-й стойками призабойной крепи, то есть на расстоянии от кромки пласта больше, чем 2.4 м. Доказано, что применение жестких охранных сооружений в условиях слабых пород почвы без дополнительных мер неэффективно, поскольку охранные конструкции работают как штампы. Состояние конвейерной выработки, проводимой и поддерживаемой за лавой, удовлетворительное, деформации контура находятся в пределах податливости крепи. Научная новизна. Установлены закономерности деформирования контура горных выработок в условиях неустойчивых боковых пород пласта с18 ГП “Шахтоуправление “Южнодонбасское №1”, проводимых и поддерживаемых позади очистного забоя и в повторно используемых для последующей лавы. Установлены закономерности выдавливания пород в полость выработки из-под охранных конструкций, сооружаемых вдоль выработки на границе с выработанным пространством и закономерности вертикальной конвергенции пород на концевых участках лавы. Практическое значение. Использование результатов исследования является основой для разработки способов и средств обеспечения устойчивости подготовительных выработок в условиях неустойчивых боковых пород, а также средств предотвращения их обрушения на концевых участках лав.The study was a part of “Analysis of rock shift kinetics within development mine workings to work out measures aimed at their safe operation” research (State registration 0117U004317)

Equations of Mathematical Physics and Compositions of Brownian and Cauchy processes

We consider different types of processes obtained by composing Brownian motion $B(t)$, fractional Brownian motion $B_{H}(t)$ and Cauchy processes $C(t)$ in different manners. We study also multidimensional iterated processes in $\mathbb{R}^{d},$ like, for example, $\left( B_{1}(|C(t)|),...,B_{d}(|C(t)|)\right)$ and $\left( C_{1}(|C(t)|),...,C_{d}(|C(t)|)\right) ,$ deriving the corresponding partial differential equations satisfied by their joint distribution. We show that many important partial differential equations, like wave equation, equation of vibration of rods, higher-order heat equation, are satisfied by the laws of the iterated processes considered in the work. Similarly we prove that some processes like $C(|B_{1}(|B_{2}(...|B_{n+1}(t)|...)|)|)$ are governed by fractional diffusion equations.Comment: 22 page

Spectral densities related to some fractional stochastic differential equations

In this paper we consider fractional higher-order stochastic differential equations of the form X(t) where E(t) is a Gaussian white noise. We obtain explicitly the covariance functions and the spectral densities of the stochastic processes satisfying the above equation