Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и обобщение состояния сооружения 4 и крепления подземных камер. цель и зада чи исследований 9
1.1. Анализ состояния сооружения камер в выемочных полях угольных пластов на шахтах Кузбасса 9
1.1.1. Общая информация о камерах в выемочных по лях 9
1.1.2. Способы и оборудование, применяемые для сооружения камер 11
1.1.3. Крепление и поддержание камер 20
1.2. Состояние вопроса сооружения камер при подземной разработке полезных ископаемых
2. Результаты исследований геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах и проявлений горного давления в камерах выемочных полей угольных пластов 36
2.1. Исходные замечания 36
2.2. Объекты и методики лабораторных и шахтных исследований 37
2.3. Результаты исследований геомеханических процессов и проявлений горного давления в камерах, проводимых по угольным пластам и не испытывающих влияния очистных работ 40
2.4 Результаты исследований геомеханических процессов и проявлений горного давления в камерах, проводимых в горных породах, не испытывающих влияния очистных работ 53
2.5 Результаты исследований в камерах, проводимых в угле-породных массивах и испытывающих влияния очистных работ 56
2.6 Оценка основных влияющих факторов на геомеханические процессы в массивах пород вокруг камер и проявления в них горного давления 62
3 Технолого-геомеханические решения со оружений камер в выемочных полях уголь ных пластов 75
3.1 Особенности сооружения камер внутри выемочных по лей 75
3.2 Геомеханическое обоснование и выбор рациональной формы камер 76
3.3 Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер комбайновым способом 84
3.4 Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер буровзрывным способом одной заходкой 92
3.5 Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер отдельными заходкамй 97
3.6 Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер сплошным забоем с уступной его разработкой 101
3.7 Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер двумя слоями по высоте в нисходящем порядке 106
3.8. Обоснование технолого-геомеханической и экономической целесообразности взаимоувязки во времени проведения выработок и сооружение камер внутри выемочных полей 111
4. Выбор и обоснование параметров крепи ка мер в выемочных полях угольных пла стов 119
4.1. Оценка работы и эффективности крепления камер металлической рамной и монолитной бетонной крепями 119
4.2. Геомеханическое обоснование условий крепления камер анкерной крепью 123
4.3. Обоснование и выбор параметров анкерной крепи камер 133
4.4. Крепление камер анкерной крепью в сочетании с металлической рамной и обоснование рационального режима их совместной работы 140
4.5. Эффективность крепления камер различными типами крепи 143
4.6. Выводы 146
- Объекты и методики лабораторных и шахтных исследований
- Результаты исследований в камерах, проводимых в угле-породных массивах и испытывающих влияния очистных работ
- Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер буровзрывным способом одной заходкой
- Крепление камер анкерной крепью в сочетании с металлической рамной и обоснование рационального режима их совместной работы
Введение к работе
Актуальность работы, В последние годы повышение эффективности работы угольных шахт Кузбасса в значительной мере обеспечивается отработкой пологих и наклонных пластов выемочными полями протяженностью до 3,0-3,5 км по простиранию идо 1,5-2,0 км по падению и ростом суточной добычи угля из очистного забоя до 7-8 тыс т. В связи с несвоевременной реконструкцией многих шахт бассейна постоянно возрастают объемы добычи угля в уклонных полях пластов. Для обеспечения нормальной и безопасной работы в этих условиях возрастает необходимость в проведении и эксплуатации камер различного назначения в выемочных полях по пластам.
На шахтах Кузбасса проводится ежегодно около 20 камер и эксплуатируется более 150 камер в выемочных полях, из них примерно 51 % составляют камеры для перегрузки угля в бремсбергах и уклонах, 49 % - камеры насосных установок, электроподстанций, подъемных машин и др. Площадь поперечного сечения камер составляет 16-70 м2, длина - 4,5-70,0 м, преобладающая площадь сечения камер приводов ленточных конвейеров 34-50 м2, подъемных машин - 50-60 м2. Из общего объема камер 78-83 % крепят металлической рампой крепью из спецпрофиля СВП-22,27, двутавровых балок и швеллеров. На крепление одного метра камеры расходуется от 0,6 до 2 т металла. Производительность труда по проведению камер буровзрывным способом в подавляющем большинстве не превышает 0,4 м3/чел.-смену, комбайновым- 1,4 м3/чсл.-смену.
Большой расход крепежных материалов, высокая трудоемкость возведения крепи и низкая производительность горнопроходческих работ обусловлены главным образом слабым геомеханическим обеспечением всего комплекса вопросов сооружения, крепления и поддержания камер в выемочных полях угольных пластов, недостаточной изученностью закономерностей геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах и надежности и эффективности работы анкерной и других облегченных типов крепи в камерах, эксплуатируемых вне и в зоне влияния очистных работ. Применяемые технолого-геомехапические решения сооружения камер в выемочных полях несовершенны, малоэффективны.
В этой связи актуальными являются исследования, направленные па гсоме-ханическое обоснование способов и средств сооружения камер в выемочных полях угольных шахт.
Диссертация выполнена на шахтах Кузбасса и в лабораториях Кузбасского государственного технического университета в соответствии с планами научно-исследовательских работ ОАО УК «Кузбассуголь» за 1995-2002 гг.
Цель работы - геомеханическое обоснование способов и средств сооружения камер в выемочных полях угольных шахт, обеспечивающих повышение эффективности их проведения, крепления и поддержания.
Идея работы заключается в использовании устанрв^рных закономерностей проявлений горного давления в камеЬаЛ^іеМУшіиЬуц^лей чгольных пластов под
воздействием горно-подготовительных и очистных работ для геомеханического обоснования сооружений и крепи камер. Задачи исследований:
установить закономерности геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах и проявлений горного давления в камерах, сооружаемых вне и в зоне влияния очистных работ в выемочных полях угольных пластов;
разработать технолого-геомеханические решения сооружения камер в выемочных полях угольных пластов;
обосновать технологические схемы крепления камер в выемочных полях угольных пластов;
выбор и обоснование параметров анкерной крепи и анкерной крепи в сочетании с металлической рамной для камер выемочных полей по угольным пластам.
Методы исследований. Анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта сооружения камер при подземной разработке полезных ископаемых; лабораторные исследования прочностных свойств вмещающих горных пород; инструментальные наблюдения за геомеханическими процессами в камерах с использованием контурных и глубинных реперов; экспериментальные исследования прочности закрепления сталеполимерных анкеров в различных типах пород в шахтных условиях; обработка результатов экспериментов методами математической статистики; технико-экономическое сравнение технических и технологических решений.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
геологические и геомеханические условия проведения, крепления и поддержания камер в выемочных полях угольных пластов Кузбасса характеризуются четырьмя группами: первая - вмещающие породы пластов однородные песчаники или алевролиты мощностью не менее ширины камеры с коэффициентом структурного ослабления К<>0,9 и пределом прочности при сжатии 0,^70 МПа; вторая — вмещающие породы пластов песчаники, алевролиты или их переслаивания мощностью не менее ширины камеры, Кс=0,8, (^=50-70 МПа; третья - кровля и почва пластовразнотипные, Кс=0,4-0,5, (7^=30-50 МПа; четвертая - кровля и почва пластов сильно трещиноватые, тонкослоистые породы, Кс<0,4, Ссж<30 МПа;
технолого-геомехапические решения сооружения камер высотой до 5 м сплошным забоем по высоте и камер высотой 5,1-6,5 м двумя слоями последовательно в нисходящем порядке с делением забоя камеры по высоте с отношением высоты верхнего слоя к высоте нижнего слоя 0,8:1,2 обеспечивают благоприятные геомеханические условия их сооружения, повышение производительности труда на 30-35 % и увеличение скорости проходки на 24-30 %;
на основе геомеханического обоснования предложены технологические схемы проведения камер в различных условиях, обеспечивающие высокие техни-ко-экономическиепоказатели;
- основной областью применения анкерной крепи в качестве самостоятельной в камерах выемочных полей угольных пластов являются камеры, в которых
смещение заанкерованных пород кровли за срок службы не превышает 65 мм, ан-керно-металлической рамной - камеры при смещении пород кровли более 65 мм.
Достоверность и обоснованность положений и рекомендаций подтверждаются:
- обследованием состояния 48 камер и выявлением причин опасных дефор
маций вмещающих пород и крепи;
представительным объемом инструментальных наблюдений в 26 камерах на 14 шахтах, охватывающих типичные горно-геологические и горнотехнические условия Кузбасса;
значительным объемом лабораторных испытаний прочностных свойств углевмещающих горных пород бассейна (испытано более 160 проб пород);
испытанием прочности закрепления сталсполимерных анкеров в типичных боковых породах и угле (более 10 шахтопластов);
- хрономегражными наблюдениями за геомеханическими процессами
проведения камер с применением различного горнопроходческого оборудования
(в 7 камерах).
Научная новизна работы заключается в следующем:
- установлены закономерности геомеханических процессов в углепородных
массивах вокруг камер в выемочных полях угольных пластов, дана оценка влия
ния горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость камер;
установлены закономерности деформаций и смещений пород в камерах в зависимости от их геометрических параметров и способа охраны;
обоснованы технолого-геомеханические условия сооружения камер с различными геометрическими параметрами: площадью поперечного сечения, шириной и высотой;
разработаны технологические схемы крепления при комбайновом и буровзрывном способах проведения с применением горнопроходческого оборудования нового технического уровня;
- установлены параметры анкерной крепи для камер и геомеханические ус
ловия крепления камер анкерной крепью в сочетании с металлической рамной,
сооружаемых в выемочных полях угольных пластов.
Личный вклад автора состоит в:
обследовании состояния камер и установлении причип опасных деформаций вмещающих пород и крепи камер;
выполнении визуальных и инструментальных наблюдений за геомеханическими процессами и проявлениями горного давления в камерах;
испытании в шахтных условиях прочности закрепления сталеполимерных анкеров в породных и угольных массивах;
исследовании в лабораторных условиях прочностных свойств горных пород;
обработке результатов исследований с применением ЭВМ;
разработке технолого-геомеханических решений и технологических схем сооружения и средств крепления камер.
Практическое значение работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:
управлять геомеханическими процессами и проявлениями горного давления в камерах, проводимых и эксплуатируемых вне и в зоне влияния очистных работ;
применить технолого-геомеханические решения сооружения камер в зависимости от их геометрических параметров и расположения в выемочных полях угольных пластов с различными горно-геологическими условиями;
обосновывать прогрессивные технологические схемы крепления камер с применением высокопроизводительного горнопроходческого оборудования;
устанавливать область возможного и эффективного применения анкерной крепи и анкерной крепи в сочетании с металлической рамной и обосновать параметры анкерной крепи и режим активной совместной работы анкерной и рамной крепи.
Реализация работы. Основные результаты исследований и рекомендации используются на шахтах ОАО УК «Кузбассуголь» и в учебном процессе КузГТУ.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты докладывались на научных конференциях КузГТУ (г. Кемерово, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2003 гг.), на научно-техническом совете ОАО УК «Ленинск-уголь» (г. Ленинск-Кузнецкий, 1998), техническом совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора России (г. Кемерово, 1999), ГУ Международной научно-практической конференции (г. Кемерово, 2001), Международной научно-практической конференции, проводимой в рамках выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг-2002» (г. Новокузнецк, 2002).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, включает 5 таблиц, 42 рисунка и список литературы из 126 наименований.
Объекты и методики лабораторных и шахтных исследований
Инструментальные и визуальные наблюдения за механическими процессами в породных и угольных массивах вокруг камер внутри выемочных полей и за состоянием камер и крепи проводились в Анжер-ском (шахтоуправление «Сибирское»), Кемеровском (шахта «Первомайская»), Ленинском (шахты им .Кирова, «Полысаевская, «Егозов-ская», «Октябрьская», «Колмогоровская»), Абашево-Байдаевском (шахты «Абашевская, «Юбилейная»») и Томусинском (шахты им. Ленина и «Усинская») районах Кузбасса. Кроме того, выполнен анализ материалов по камерам, собранным на подавляющем большинстве шахт бассейна. Наблюдения проводились в камерах, пройденных по пластам без присечки и с присечкой боковых пород и по породам, с типичными горно-геологическими и горнотехническими условиями и с типичными геометрическими параметрами. Тип и особенности строения боковых пород пластов угля и породных массивов, по которым проведены и проводятся камеры внутри выемочных полей, изучались непосредственно в натурных условиях, по имеющимся материалам шахтной геолого-маркшейдерской службы и геологоразведочных работ. Выявлялись в выработках вид слоистости и трещиноватости, мощность слоев, расстояние между основными поверхностями ослабления пород, трещинами с помощью рулетки (цена деления 1 мм). Визуально оценивались характер разрушения пород и потери их устойчивости. Исследованиями инженерно-геологических условий в основном были охвачены породы вокруг камер мощностью в пределах 1-1,2 ширины камеры в проходке. Для измерения смещения и расстояния пород (угля) кровли, почвы и боков камер в них закладывались контурные репера длиной 0,3-0,4 м и глубинные реперы длиной до 3 м (в кровлю). Реперы устанавливали в отдельных сечениях по ширине камеры — посредине и со стороны боков. Инструментальные наблюдения в подавляющем большинстве проводились с момента проведения камер, частично во время их эксплуатации, с целью установления деформаций пород и крепи под влиянием очистных работ при последующей отработке столбов в выемочном поле.
Смещения реперов замерялись металлической рулеткой с ценой деления 1 мм, погрешность измерения ± 1 мм. Визуальные наблюдения включали зарисовки состояния пород и крепи, параметры вывалов пород кровли, опасных деформаций крепи и др. Периодичность замеров смещений пород и обследования камер составила от одних-двух суток до 3-4 мес в зависимости от характера и величины деформаций пород (угля). Наиболее часто производились замеры смещения пород в первые два-три месяца после установки реперов и при подходе очистного забоя к камере. В камерах с характерными горно-геологическими условиями отбирались образцы горных пород и исследовались их прочностные свойства на растяжение и сжатие по методике, разработанной М.М. Протодья-коновым (младшим) и B.C. Воябликовым и уточненной Л.И. Вороном [106]. Согласно этой методике предел прочности горных пород на растяжение jp рассчитывается по эмпирической формуле Камера приводных блоков конвейера 1ЛУ-120 для перегрузки угля в уклоне №17 по пласту Бреевскому (шахта «Полысаевская») проведена путем расширения ранее пройденного уклона и подрывки пород кровли пласта площадью сечения в проходке 52 м2, в свету - 46 м2. Длина камеры 6 м, ширина -9 м, высота - 5,8 м. Площадь сечения уклона в про-ходке - 14 м , в свету -12м, способ проходки - комбайновый, крепь металлическая трапециевидная из спецпрофиля СВП-22. Камера сооружена односторонним расширением уклона от 4 до 9 м. Крепь камеры металлическая трапециевидная - стойки и верхняки рам из двутавровых балок № 20, затяжка кровли и боков - железобетонная, шаг установки крепи — 0,8 м. Глубина расположения камеры — 180 м. Способ проведения камеры буровзрывной. В районе сооружения камеры мощность пласта Бреевского 1,8 м, угол падения 7-8. Непосредственная кровля пласта сложена мелкозернистым алевролитом мощностью 1,8-2,1 м с пределом прочности при сжатии 25-32 МПа, непосредственная почва — мелкозернистым песчаником с асж=42-53 МПа, основная кровля - песчаником мелкозернистым мощностью 8,5-9,0 м с о сж=45-53 МПа, уголь полублестящий с 0- =13-15 МПа. Породы непосредственной кровли трещиноватые, преобладающее расстояние между трещинами 0,4-0,6 м. В камере с момента ее проведения в течение двух лет проводились инструментальные и визуальные наблюдения за деформациями пород кровли и боков камеры и проявлениями в ней горного давления, которые показали следующее.
При проходке камеры в средней ее части протяженностью 2,6-3,0 м происходило обрушение пород нижней толщи кровли мощностью до 1,8-2,1 м по мере обнажения, чаще всего в течение 20- 30 минут после обнажения. Вышележащие породы основной кровли сохраняли устойчивое состояние. Отделение непосредственной кровли от основной и ее обрушение произошло по ослабленному контакту между ними. Здесь наблюдались послойные трещины и рассеянные налеты углистых веществ. По данным лабораторных испытаний методом раскалывания образцов [109] сила сцепления пород С по контакту напластования непосредственной и основной кровли камеры на участке обрушения непосредственной кроили составила 0,02-0,2 МПа, в то время как вес обрушенных пород G равнялся G= so6=0,025-2=0,05 МПа, (2.4) где у=0,025 МН/м2 - объемный вес обрушенных пород; в0б=2 м - высота (мощность) вывала пород. Как видно, в рассматриваемых условиях C=0,02-0,03 G=0,05 МПа. На участке, на котором при проходке не происходило обрушения кровли, было заложено 7 реперных пар: 6 - по ширине камеры (посредине и со стороны боков), из них три пары контурных реперов длиной 0,3 м и три пары глубинных реперов длиной 2,5 м в кровлю и 0,3 м в почву и одна пара контурных реперов длиной 0,3 м в бока (породы) посредине высоты камеры. Результаты инструментальных наблюдений приведены на рис.2.1. Из данных рис.2Л следует, что смещение кровли (смещение почвы не отмечалось) как на контуре, так и на глубине 2,5 м, посредине камеры, при прочих равных условиях, в 1,5-1,8 раза больше, чем со стороны боков. Опускание пород кровли происходило с явным расслоением по контакту залегания непосредственной и основной кровли. В течение этого времени происходило довольно существенное раскрытие трещин в породах над уклоном и снижение их прочности. На процесс раскрытия трещин в толще пород непосредственно над уклоном отрицательно сказалось также выемка их буровзрывным способом.
В вывалах пород кровли над постоянной крепью камеры выкладывали костры из отрезков спецпрофиля СВП-17. Аналогичные результаты показали визуальные наблюдения во второй камере для перегрузки угля в этом же уклоне. Она была сооружена на глубине 250 м по тому же проекту, что и выше описанная камера. В ней в процессе проведения происходили также вывалы пород кровли до 1,5-1,8 м и их закладывали по мере возведения постоянной крепи кострами из отрезков спецпрофиля СВП. Выполненные исследования показывают на значительные недостатки, как геомеханические, так и технологические (см.гл. 3 и 4), сооружения камер внутри выемочных полей с первоначальной проходкой выработки и с последующим расширением ее до проектных параметров камеры. При этой технологии проведения камер происходят существенные деформации вмещающих пород, главным образом кровли, вокруг выработок, возникает необходимость крепления выработок с последующим извлечением крепи (рамной) и возведения постоянной крепи камер. Кроме того, работы по извлечению в выработках в процессе сооружения камер в основном довольно опасны. Камера приводной станции конвейера Гварек-1200 на конвейерном уклоне 25-01 по пласту Поленовскому сооружена буровзрывным способом после проведения уклона (шахта им.Кирова). Камера с двумя одно-сторонними нишами, площадь сечения в проходке 63,2 м , в свету — 53,7 м2, ширина в проходке 11,5 м, высота - 5,5 м, общая длина 20 м, глубина расположения 140 м. При проведении камеру крепили металлической трапециевидной крепью из двутавровых балок № 20 с шагом установки рам 0,8 м, затяжка боков и кровли железобетонная. После проходки камеры в ней возводили монолитную бетонную крепь толщиной 0,25 м с замоноличиванием рам.
Результаты исследований в камерах, проводимых в угле-породных массивах и испытывающих влияния очистных работ
Камеры по угольным и породным массивам внутри выемочных полей испытывают влияние очистных работ после их проведения или проводятся в массивах, испытывающих воздействие очистных работ. Камеры как первой группы, так и второй, исходя из времени влияния на них очистных работ охраняются от очистных выработок угольными целиками шириной от 20 до 160 м. Камера приводной станции конвейера 1Л-120 на конвейерном уклоне №25-01 по пласту Поленовскому проведена через 25 лет после отработки соседнего столба (лавы № 47) и охраняется от выработанного пространства целиком угля шириной 60 м (шахта им.Кирова). Площадь сечения камеры в проходке 27,0 м2, в свету - 24,6 м2, ширина в проходке 8,3 м, высота - 3,25 м, длина - 18 м, глубина расположения 230, способ проведения буровзрывной (расширение уклона без подрывки пород кровли). Кровля камеры закреплена сталеполимерньши анкерами длиной 2,2 м и перетянута металлической решетчатой затяжкой с ячейками 50x50 мм, бока по всей высоте покрыты набрызгбетоном толщиной 30-40 мм (рис.2.7). Мощность пласта 1,7 м, угол падения 5-6. Непосредственная кровля и почва пласта в районе уклона 25-01 представлены мелкозернистыми алевролитоми с 0- =47-54 МПа, основная кровля - переслаиваниями мелкозернистых алевролитов и песчаников мощностью 10-14 м с о сж=64-70 МПа. Способ управления кровлей в выработанном пространстве - самопроизвольное обрушение по мере подвигания очистного комплекса.
Для наблюдения за смещением и расслоением пород кровли и отжимом угля в боках в камере была устроена при проходке одна наблюдательная станция из контурных реперов длиной 0,3 м в кровле, почве и боках и глубинных реперов в кровле длиной 3 м. В боках реперы были заложены в угле пласта на высоте 1,5 м от почвы камеры (пласта), в кровле - контурные реперы посредине и на расстоянии 0,4 м от боков камеры; глубинные длиной 3 м - посредине камеры. Кроме того, в качестве реперов в кровле использовались крепежные анкеры (величина их заглубления в породы - 2 м). Реперы были установлены в двух сечениях камеры НЪ расстоянии друг от друга б м. Инструментальные и визуальные наблюдения в камере проводились 2 года. Результаты инструментальных наблюдений в одной из сечений станции приведены на рис.2.8. Из данных рис.2.8 следует, что остаточное опорное давление на целик между выработанным пространством и камерой в уклоне оказывало практически незначительное влияние на смещение пород кровли и почвы и боков в камере и ее устойчивость. Смещение контурных реперов в кровле (кривая 1) у бока со стороны массива угля (камера охранялась с одной стороны массивом угля, с другой, со стороны выработанного пространства, целиком угля шириной 60 м) составила за 16 мес наблюдений с момента проходки всего 12 мм, у бока со стороны выработанного пространства - 16 мм (кривая 2), посредине камеры - 38 мм (кривая 3), т.е. соответственно в 3,2 и 2,4 раза больше, чем со стороны боков камеры. Из сравнения кривых 3 и 4 следует, что смещение пород кровли в интервале 2,7 м между глубинным (кривая 4) и контурным (кривая 3) реперами посредине камеры происходило с расслоением 16 мм (кривая 3 — 38 мм, кривая 4-22 мм). Смещение крепежных анкеров посредине камеры составило 36-38 мм, т.е. оно равнялось смещению глубинного репера, что указывает на то, что расслоение пород кровли выше области закрепления анкеров не происходило, т.е. породы в этом интервале глубины от 2 до 3 м смещались как единая толща.
Графики смещений пород кровли и почвы и угля в боках камеры перегрузки угля в конвейерном уклоне 25-01 по пласту Поленовскому (шахта им.Кирова): 1 - контурных реперов в кровле и почве у бока со стороны массива угля; 2 — то же, со стороны предохранительного целика; 3 - то же, посредине камеры; 4 - кровли и почвы посредине камеры (глубина закладки репера в кровле 3 м, в почву - 0,3 м); 5 - контурных реперов в боках (угольном массиве) Таким образом, расслоение происходило в нижней части кровли вблизи контура камеры, что подтверждалось отслоением и обрушением отдельных плиток и кусочек пород на решетчатую затяжку. В целом же камера находится в нормальном эксплуатационном состоянии. Камера подъемной машины в вентиляционном уклоне по пласту Наддягилевскому была проведена за год до отработки соседнего столба лавой № 1521 с полным обрушением кровли за механизированным комплексом 20КП-70 и охранялась от выработанного пространства целиком угля шириной 30 м (шахта «Колмогоровская»). Длина камеры 6,7 м, ширина в проходке -6 м, высота - 3,9 м, площадь сечения в проходке 19,8 м , в свету —16,1 м , крепь — металлическая арочная из спецпрофиля СВП-27, шаг крепи 0,4 м, затяжка - железобетонная, глубина расположения — 247 м. Мощность пласта в районе камеры 3 м, угол падения 6-8, Кровля и почва пласта сложены мелкозернистым слоистым, трещиноватым алевролитом с стсж=42М5 МПа. Для наблюдения за деформацией пород кровли и почвы в камере под влиянием очистных работ в приближающейся лаве № 1521 к моменту подхода забоя на 70 м в ней посредине были заложены две реперные поры: в кровлю один репер на глубину 3 м, другой - на 0,3 м, в почву - на глубину 0,3 м. Результаты инструментальных (рис.2.9) и визуальных наблюдений в камере под влиянием очистных работ показали следующее.
Влияние очистных работ на камеру отмечалось с 36-37 м и проявлялось довольно слабо до подхода забоя к ней на 16-17 м. В дальнейшем смещение пород резко возросло и на момент подхода лавы к границе предохранительного целика оно составило: реперной пары практически на контуре кровли и почвы 60 мм, (кривая 1, а), реперной пары в кровле на глубине 3 м, в почве 0,3 м - 22 мм (кривая 2, а). Следовательно, под воздействием опорного давления передней зоны в интервале 0,3-3 м произошло расслоение пород кровли на 38 мм, т.е. смещение их в пределах первой реперной пары происходило в среднем 2,7 раза быстрее, чем в области второй пары. Существенные деформации пород, главным образом кровли, происходили после отработки столба (лавы) под воздействием остаточного опорного давления на предохранительный целик, т.е. давления, обусловленного весом нависших на него пород кровли. Под его влиянием продолжалось значительное смещение пород в камере в течение 2-2,5 мес, в дальнейшем оно резко замедлилось и спустя 3 мес почти полностью стабилизировалось.
Технолого-геомеханическое обоснование сооружения ка мер буровзрывным способом одной заходкой
Подавляющая часть камер внутри выемочных полей на шахтах Кузбасса приводится по пологим пластам мощностью от 1,6 до 2,5 м, причем преимущественно с подрывкой пород кровли пласта. Наиболее велика доля камер, сооружаемых смешанным забоем, на шахтах Ленинского, Абашево-Байдаевского и Осинниковского районов. На шахтах Томусинского и Ерунаковского районов (имЛенина, «Томская», ОАО «Соколовская») основную часть камер внутри выемочных полей сооружают по мощным пластам. Камеры в породных массивах проводят преимущественно на откаточных и вентиляционных горизонтах (участковые камеры насосные, электроподстанций и др,). Камеры по породам и с большой присечкой боковых пород (до 2,5-3 м) следует проводить буровзрывным способом. В зависимости от площади сечения, ширины и высоты камеры и параметров горнопроходческого оборудования, а также прочности и устойчивости пород в обнажении камеры рекомендуется, как и при комбайновом способе, проводить одной или несколькими заходками по ширине и сплошным или уступным забоем по высоте.
Анализ и обобщение накопленного опыта и выполненные исследования проходческих работ на шахтах Кузбасса показывают, что камеры площадью сечения до 18-20 м2, шириной до 5 м, и высотой до 4 м наиболее эффективно проводить одной заходкой. В зависимости от горногеологических и горнотехнических условий и геометрических параметров камеры обоснованы и рекомендуются следующие прогрессивные технологические схемы проведения камер одной заходкой буровзрывным способом. Камеры горизонтальные, прочность пород Стсж 100 МПа, площадь сечения камеры в проходке SKP 20 М , ширина камеры в проходке в 5 м, высота камеры h 4 м. Рекомендуемые бурильные установки: УБШ-315, УБШ-352, 2ПНБ-2Б (буропогрузочная установка); Рекомендуемые погрузочные машины: МПК-3, 1ПНБ-1, 2ПНБ-2, 1ППН-5 (преимущественно при длине камеры более 40-50 м). Выгодно применять погрузочные машины МПБ-2, разработанные институтом Донгипроуглемаш (Украина). Машина МП-2 имеет оригинальную конструкцию: ее питатель может использоваться в качестве монтажного полка для крепления, что повышает безопасность и облегчает труд проходчиков. Машина МПБ-2 снабжена навесным оборудованием для механизации процесса бурения скважин под анкеры в породах прочностью на сжатие до 120 МПа и погрузки горной массы в вагонетки, на конвейер и другие транспортные средства [112]. В связи с небольшой длины и довольно большой ширины камер (по сравнению с обычными подготовительными выработками внутри выемочных полей и столбов) для их проходки в подавляющем большинстве наиболее эффективно применять мобильное самоходное бурильное и погрузочное оборудование. По сравнению с ним бурильные установки и погрузочные машины на колесно-рельсовом ходу имеют существенные недостатки.
Основными из них являются: ограниченный фронт погрузки и малая маневренность из-за зависимости их от рельсовых путей; цикличность в работе; большие затраты времени на вспомогательные операции процесса погрузки. При использовании этих машин приходится обычно часть горной массы у боков камеры (выработки) подкидывать и грузить вручную. На эти работы по данным хрономегражных наблюдений приходится до 12-16% всего объема ручного труда в проходческом цикле. Надежность и эффективность погрузочных машин в большой мере зависят от крепости и кусковатости взорванной породы. На рис.3.9 представлены затраты труда на погрузку 1 м3 породы машинами 2ПНБ-2 и 1ППН-5 в зависимости от коэффициента крепости f, полученные хрономегражными наблюдениями при проведении камеры водоотлива и подстанции на шахте «Егозовская» Ленинского района. Из данных рис.3.9 следует, что увеличение коэффициента крепости пород более 8 особенно отрицательно влияет на работу погрузочных машин 2ПНБ-2 с нагребающими лапами. При f==3-7 затраты труда на1 погрузку 1 м3 породы (в массиве) с помощью 2ПНБ-2 в среднем в 1,6 раза меньше, чем 1ППН-5, при f=8-9 — в 1,3-1,5 раза больше. Нормальная работа погрузочных машин, в особенности с нагребающими лапами, обеспечивается при условии дробления пород взрывами на мелкие части (куски), В результате обработки материалов проведения полевых выработок буровзрывным способом на отдельных шахтах бассейна получена эмпирическая зависимость для определения удельного расхода ВВ(ПЖ-20) на 1 м3 породы, при котором достигается ее практически равномерное разрушение, q = 0,15-0,05Snp +0,4/ + 0,0005S;L -ОД/2, (3.3) 96 где q - удельный расход ВВ, кг/м3; Snp - площадь сечения выработки (камеры) в проходке, м ; f- коэффициент крепости пород по классификации М.М.Протодъяконова. Коэффициент множественной корреляции г]=0,92, надежность ц=16,5. Выражение (3.3) пригодно для условий: Snp=l 6-40 м2; f=4-10. Наклонные камеры с углом наклона до 10, сооружаемые одной за-ходкой, рекомендуется приводить в зависимости от площади сечения, ширины, высоты и длины камеры с применением бурильных установок 1СУ-2, 2ПНБ-Б, погрузочных машин - МПК-3, 1ПНБ-2, 2ПНБ-2, 1ПНБ- 2Д, средств транспортирования горной массы - самоходные вагоны, скребковые конвейеры.
Экономическая эффективность применения определенного набора проходческого оборудования из перечисленных типов определяется для каждого конкретного случая проведения камеры технико- экономическим сравнением по предложенному выражению (3.2). Камеры небольшой длины и площади сечения, в которых невозможно и экономически нецелесообразно применение бурильных установок, погрузочных машин, самоходных вагонов и конвейеров, а также камеры с углом наклона до 30 следует проводить с применением колонковых электросверл типа ЭБГП, перфораторов, скреперов и скреперных установок. С помощью этого оборудования рекомендуется про-водить камеры длины до 5-6 м в уклонах, бремсбергах и других выработках для установки в них подъемных машин, лебедок большой кана-тоемкости, других видов оборудования. 3.5. Технолого-геомеханическое обоснование сооружения камер отдельными заходками На шахтах Кузбасса доля камер, сооружаемых по породам отдельными заходками, небольшая.
Таким способом проводят часть приводных станций высокопроизводительных конвейеров в наклонных квершлагах, в уклонах для разгрузки угля в вертикальные бункера, насосных камер на откаточных горизонтах и др. Площадь сечения камер обычно 30-45 м2, высота- 4-4,5 м, ширина- 8-12 м, угол наклона —до 8. Анализ накопленного опыта и выполненные исследования показывают, что при ширине камеры 8-9 м ее целесообразно проводить на всю длину последовательно двумя заходками, при ширине более 9 м (в основном до 14м)- тремя последовательными заходками. При проведении камер как двумя, так и тремя заходками рекомендуется применять бурильные установки 1СБУ-2, УБШ-315, УБШ-352, погрузочные машины МПК-3, 2ПНБ-2, 1ПНБ-2Д, средства транспорта разрушенной горной породы - самоходные вагонетки, скребковые конвейеры, вагонетки на рельсовом ходу. Сравнительные расчеты показывают, что из горизонтальных камер, при дальности транспортирования породы свыше 100-120 м, более экономична доставка ее в вагонетках ВГ-3,3, чем скребковыми конвейерами. На рис.3.10 приведены расчетные показате-ли стоимости транспортирования 1 м горной породы (по действующим нормам и расценкам с учетом затрат на настилку временного откаточного пути и скребкового конвейера) скребковым конвейером СР-70М и вагонеткой ВГ-3,3 для условий: камера шириной 8 м проводится двумя заходками, погрузка породы машиной 2ПНБ-2, коэффициент крепости пород f=6-7, дальность транспортирования породы 140 м, породы сухие.
Крепление камер анкерной крепью в сочетании с металлической рамной и обоснование рационального режима их совместной работы
Выполненными натурными исследования геомеханических процессов во вмещаемых породных массивах и проявлений горного давления установлено (главы 2,4), что в камерах вне зоны влияния очистных работ, смещение пород кровли в которых не превышается 50-65 мм за срок их службы, надежно работает самостоятельная сталеполимерная анкерная крепь. Эту группу составляют в основном камеры вне зоны влияния очистных работ шириной до Юме породами кровли прочностью на сжатие более 60 МПа. Во всех остальных условиях сооружения и эксплуатации камеры внутри выемочных полей целесообразно и эффективно крепить анкерной крепью (главным образом сталеполимер-ной) в сочетании с металлической рамной, Исходя из результатов шахтных инструментальных и визуальных наблюдений основной областью применения анкерно-рамной крепи являются камеры шириной более 10 м вне зоны и в зоне влияния очистных работ, породы кровли которых сложены алевролитами, аргиллитами, песчаниками и их сочетаниями с преобладающей прочностью Ссж=30-60 МПа, смещение кровли в которых за срок их службы превышает 50-65 мм, Механическая характеристика анкерной и рамной крепи существенно различны. Анкерная крепь работает в податливом режиме до наступления предельной величины безопасного смещения заннкерованных пород, затем разрушается при отсутствии (несвоевременной установки) усиливающей крепи, рамная податливая - в податливом режиме до исчерпания ее конструктивной податливости, затем в жестком до исчерпания ее прочности, рамная жесткая — в жестком режиме.
Следовательно, важнейшим условием эффективной работы анкерной крепи в сочетании с рамной является обеспечение такого режима, при котором они работают совместно с максимальным использованием несущей способности каждой из них на протяжении всего времени эксплуатации выработки. Для установления рационального режима совместной работы сталеполимерной анкерной крепи совместно с металлической рамной податливой КМП-АЗ и КМП-Т из спецпрофиля проводились натурные наблюдения ti отдельных камерах и прилегающих выработках на шахте «Полысаевская»: камеры в конвейерном штреке 17-37 по пласту Бреевскому, в конвейерном штреке 18-19 по пласту Толмачевскому и в конвейерном штреке 18-25 по пласту Толмачевскому. Камеры закреплены сталеполимерной анкерной крепью длиной 2,2 м и металлической рамной из СВП-22, шаг крепи 0,4-0,8 м, затяжка кровли - металлическая решетчатая, площадь сечения 25,5-28 м2. Наблюдениями установлено следующее: при проведении камеры наиболее целесообразно крепить анкерной крепью, а рамную крепь возводить к моменту начала активной работы анкерной крепи и смещения заанкерованных пород кровли на 25-30 мм. При смещении анкерной крепи на 25-30 мм заанкерованные породы сохраняют практически сплошность и анкеры и породы работают как единая активная система. При установке анкерной и рамной крепи, в особенности жесткой, на расстоянии менее 0,35-4 м друг от друга наблюдались случаи разгрузки части анкеров в результате потери контакта опорных шайб с породами. На этом расстоянии, как показали специальные исследования [44, 115], в породах вокруг анкеров, устанавливаемых с натяжением 30-40 кН и более, возникают довольно значительные сжимающие напряжения.
При установке рам на расстоянии менее 0,35-0,40 м от анкерной в процессе эксплуатации камеры (выработки) в условиях, когда смещение пород кровли превышает податливость рамной крепи и наступает фаза ее работы в жестком режиме, происходит существенная разгрузка анкерной крепи в результате сжатия обычно несколько расслоенных нижних слоев заанкерованной кровли под действием распорной силы (реакции) рамной крепи. Разгрузка анкерной крепи наиболее часто наблюдалась при смещении кровли более 100 мм (отмечалась она в виде ослабления опорных шайб и свободно висящих с гайками на стержнях). Такое состояние анкерной крепи особенно часто отмечается в выемочных штреках столбов в зонах повышенного опорного давления, когда под подхваты рядов анкерной крепи устанавливают стойки, другие жесткие распорные элементы. При этом нарушается режим активной совместной работы анкерной и рамной крепи. Исследованиями на моделях методом фотоупругости [44,115] установлено, что сжимающие напряжения в породах вокруг анкера, создаваемые натяжением 30-40 кН при его установке, затухают в основном на расстоянии 0,8-1 м (в нормальной плоскости к анкеру). Исходя из результатов инструментальных и визуальных наблюдений и данных исследований [44, 115] рекомендуется рамную крепь устанавливать на расстоянии от анкерной в пределах от 0,4 до 1 м. При этом в закрепляемых породах кровли формируется практически равномерное поле сжимающих напряжений за счет распорной силы анкеров (устанавливаемых обычно с натяжением 30-40 кН) и распорной силы рам, а также исключается частичная или полная разгрузка анкерной крепи рамной, обеспечивается их активная совместная работа и максимальное использование несущей способности как анкерной, так и рамной крепи. 4.5. Эффективность крепления камер различными типами крепи Пока большую часть камер внутри выемочных полей на шахтах Кузбасса крепят металлической рамной крепью из спецпрофиля СВП, двутавровых балок и швеллеров. В последние годы возрастает объем применения сталеполимерной анкерной в качестве временной предохранительной, самостоятельной и в сочетании с металлической рамной.
Основными Heflocf атками металлической рамной крепи, как показано в п.4.1, является большая металлоемкость, трудоемкость возведения, в особенности в камерах шириной более 6-7 м и высотой свыше 4,5 м, и высокая стоимость. Эти недостатки в основном присуще и монолитной бетонной крепи. Известны большие технико-экономические достоинства анкерной крепи в обычных горных выработках (выемочных штреках, бремсбергах, уклонах, монтажных камерах и др.). Однако значительно выше ее эффективность для крепления камер, прежде всего большой площади сечения, больших пролетов и высоты. Основные достоинства анкерной крепи применительно к камерам следующие: - небольшая масса анкеров и точечное их размещение по закрепляемой поверхности по сравнению с тяжелой рамной крепью из длинномерных элементов, и, следовательно, сравнительно низкая трудоемкость ее возведения и высокая безопасность работ по креплению; - независимое и оперативное крепление отдельных заходок по ширине камеры; - независимое и оперативное крепление отдельных заходок по ширине камеры; - простота, удобства и надежность крепления при разработке камеры слоями (уступами) в нисходящем порядке; - крепление камер рамной крепью, проводимых слоями в нисходящем порядке, особенно трудоемко и материалоемко, так как при выемке верхнего слоя приходится применять временную крепь (если рамная и извлекать ее); - низкая трудоемкость и удобства доставки анкеров с шахтной поверхности до места их установки в выработке. В табл.4.3 приведены трудоемкость и стоимость крепления 1 м камеры (по фактическим данным шахт Ленинского района УК «Кузбасс-уголь») различными типами крепи площадью сечения в проходке 28 м2, шириной 7 м и высотой 4 м по пласту мощностью 2,2 м. Способ проведения камеры комбайновый.
