Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния технологии анкерования горных выработок И
1.1. Обзор существующих типов анкеров, применяемых для поддержания подземных выработок 12
1.2. Опыт применения анкерного крепления на шахтах Кузбасса 17
1.3. Совершенствование способов и средств крепления сопряжений очистных забоев с примьпсающими выработками 27
1.4. Методы расчета параметров анкерной крепи глубокого заложения 34
1.5. Цель и задачи исследований 43
2. Исследование параметров канатных анкеров 45
2.1. Анализ применения канатных анкеров 45
2.2. Программа и методика стендовых испытаний канатных анкеров 69
2.3. Результаты стендовых испытаний прочностных и нагрузочных свойств канатных анкеров 73
2.3.1. Прочность канатного анкера и соединения каната с муфтой 73
2.3.2. Прочность резьбового соединения муфты с гайкой 76
2.3.3. Исследование влияния на нагрузочные характеристики канатных анкеров различных факторов 76
Выводы 79
3. Шахтные испытания санатных анкеров 81
3.1. Программа и методика шахтных испытаний 81
3.2. Горно-геологические условия проведения шахтных испытаний 87
3.3. Исследование деформированного состояния приконтурного массива подготовительных выработок 88
3.3.1. Эндоскопические исследования приконтурного массива горных выработок 90
3.3.2. Исследование деформации угольного пласта в боках выработок, охраняемых целиками угля 95
3.3.3. Исследования деформации кровли и боков в вентиляционных штреках 905 и 905бис пласта Полысаевского-1 107
3.4. Исследование напряжений в зоне опорного давления в выемочном поле лавы №905 пласта Полысаевского-1 118
3.4.1. Общие положения 118
3.4.2. Экспериментальные измерения напряжений с использованием фотоупругих датчиков 125
3.4.3. Обобщение результатов измерения параметров опорного давления в вентиляционном штреке № 905 130
Выводы 132
4. Геомеханическое обоснование технологии крепления горных выработок канатными анкерами 135
4.1. Геомеханическое обоснование параметров конструкции и работы анкеров глубокого заложения при упрочнении кровли выработок на сопряжении с лавой 135
4.1.1. Методика прогноза высоты контура неустойчивой части массива 138
4.1.2. Расчет параметров канатных анкеров 147
4.2. Технология крепления сопряжения очистного забоя с примыкающими выработками канатными анкерами 149
4.3. Технологический регламент установки канатных анкеров для подвески монорельсовой дороги 156
4.4. Меры безопасности при креплении горных выработок канатными анкерами 167
Выводы 170
Заключение 172
Список литературы 175
Приложения 183
- Опыт применения анкерного крепления на шахтах Кузбасса
- Программа и методика стендовых испытаний канатных анкеров
- Горно-геологические условия проведения шахтных испытаний
- Технология крепления сопряжения очистного забоя с примыкающими выработками канатными анкерами
Введение к работе
Актуальность работы. Угольная отрасль России получила приоритетное развитие в Кузнецком угледобывающем бассейне и, в соответствии с энергетической стратегией России, роль Кузбасса в перспективе, как главного угольного бассейна страны, будет возрастать. Успешное решение задачи повышения эффективности работы шахт в современных условиях во многом зависит от технико-технологического уровня горно-подготовительных работ.
Проблема своевременной подготовки и воссоздания очистного фронта постоянно существовала на большинстве угледобывающих предприятий Кузбасса. Наиболее остро эта проблема обозначилась в настоящее время в связи с созданием высокопроизводительных очистных забоев, суточная добыча из которых уже достигает 10-15 тыс. т при объемах месячной добычи до 530 тыс. т.
Несмотря на значительные достижения в области перехода от материалоемкого рамного крепления к анкерному, на шахтах Кузбасса значительную часть (10-30 %) подготовительных выработок крепят или усиливают рамной крепью и стойками. Это относится, прежде всего, к сложным условиям поддержания выработок, особенно в зоне влияния очистных работ, на сопряжениях с лавой, а также выработок шириной более 6 м.
Вследствие изменчивости свойств среды и проявлений горного давления, стандартная анкерная сталеполимерная крепь не может гарантировать в сложных условиях безопасность ведения работ.
Как показывает зарубежный и отечественный опыт, в сложных условиях поддержания выработок для усиления стандартной анкерной крепи успешно применяют вторичное анкерное крепление с использованием анкеров глубокого заложения с высокой несущей способностью. Применение канатных анкеров для усиления стандартной анкерной крепи может обеспечить безопасность работ и необходимые параметры выработок на весь срок их поддержания. В связи с вышеизложенным, актуальной научно-практической задачей является геомеханическое обоснование параметров технологии крепления горньк выработок канатными анкерами и адаптация этой технологии в условиях шахт Кузбасса.
Диссертация «Геомеханическое обоснование параметров и реализация технологии крепления горньк выработок угольньк шахт канатными анкерами» выполнена на шахтах Кузбасса и в лабораториях Кузбасского государственного технического университета в соответствии с планом научно-исследовательских работ.
Цель работы — геомеханическое обоснование параметров технологии крепления подготовительных выработок канатными анкерами для обеспечения эффективности и безопасности горно-производительной подсистемы угольньк шахт.
Идея работы заключается в использовании научно обоснованных параметров технологии крепления подготовительных выработок канатными анкерами для обеспечения устойчивости системы «канатный анкер-вмещающие породы».
Задачи исследования:
• анализ современного отечественного и зарубежного опыта разработки и применения технологии анкерного крепления горных выработок;
• геомеханическое обоснование параметров технологии крепления приконтурного массива подготовительных выработок канатными анкерами в сложных условиях;
• разработка комплексной методики и проведение стендовых и шахтных исследований канатных анкеров;
• развитие методики прогнозирования высоты свода обрушения пород кровли с учетом специфики проявления горного давления в подготовительных выработках шахт Кузбасса; • разработка и внедрение на шахтах Кузбасса вариантов
технологии крепления подготовительных выработок канатными анкерами.
Методы исследований: планирование натурных и модельных экспериментов, стендовые испытания элементов анкерной крепи, шахтные исследования закономерностей деформирования пород кровли с помощью оптических датчиков, глубинных реперов и эндоскопа РП-451.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
• деформационно-силовые характеристики и показатели несущей способности канатных анкеров, результаты геомеханической оценки состояния приконтурного массива являются исходными данными, достаточными для определения рациональных параметров технологии анкерного крепления в сложных горно-геологических условиях;
• реализация технологии дополнительного упрочнения канатными анкерами кровли выработок, закрепленных сталеполимерными анкерами, исключает случаи обрушения кровли в зоне влияния очистных работ;
• методика прогнозирования высоты свода обрушения пород кровли, базирующаяся на использовании результатов измерений напряженно-деформированного состояния массива пород, обеспечивает выбор рациональной длины канатных анкеров.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:
• представительным объемом шахтных (3 шахты Ленинского рудника Кузбасса, протяженность горных вьфаботок более 3 км) и стендовых исследований работоспособности канатных анкеров;
• практическим соответствием параметров канатных анкеров, установленных в шахтных и лабораторных условиях (расхождение 20-25 %);
• положительными результатами внедрения разработанного комплекса решении по эффективному кр-.;н Н! тю сопряжений подготовительных выработок с очистным забоем и использования канатных анкеров для подвески монорельсовой дороги длиной 1,2 км на шахте «Заречная».
Научную новизну работы составляют:
• комплексная методика исследования, объединяющая модельные, стендовые и шахтные испытания канатных анкеров;
• зависимости влияния комплекса факторов на нагрузочные характеристики канатных анкеров;
• рациональные конструктивные параметры канатных анкеров в зависимости от геомеханического состояния приконтурного массива;
• механизм и допустимые параметры работы канатных анкеров, используемых для подвески монорельсовой дороги;
• методика прогнозирования высоты свода обрушения пород кровли;
• технология дополнительного упрочнения канатными анкерами кровли выработок, закрепленных сталеполимерными анкерами.
Личный вклад автора состоит в:
• установлении влияния комплекса факторов на нагрузочные характеристики канатных анкеров, закрепляемых полиэфирной смолой и минеральной композицией;
• обосновании рациональных конструктивных параметров канатных анкеров, обеспечивающих устойчивость системы «канатный анкер-вмещающие породы»;
• проведении шахтных экспериментов, обобщении и обработке результатов натурных исследований для геомеханического обоснования параметров технологии крепления канатными анкерами приконтурного массива горных пород в сложных условиях;
• научном обосновании, расчете допустимых параметров и установлении механизма работы канатных анкеров, используемых для подвески монорельсовой дороги; • реализации полученных технических и технологических решений и научных обоснований при широком внедрении канатных анкеров на шахте «Заречная» в Кузбассе.
Практическое значение диссертации заключается в том, что ее результаты позволяют:
• устанавливать параметры технологии крепления подготовительных выработок канатными анкерами в зоне влияния очистного выработанного пространства;
• выбирать рациональные параметры канатных анкеров для широкого диапазона горно-геологических условий шахт Кузбасса и аналогов;
• разрабатывать проектную документацию для дополнительного упрочнения канатными анкерами кровли выработок, ранее закрепленными сталеполимерными анкерами;
• использовать канатные анкера для монтажа и безопасной эксплуатации подвесных монорельсовых дорог.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработанные рекомендации по выбору рациональных параметров и применению технологии крепления горных выработок канатными анкерами, результаты стендовых и шахтных испытаний канатных анкеров использованы для разработки паспортов крепления подготовительных выработок и технологического регламента установки канатных анкеров для подвески монорельсовой дороги на шахте «Заречная» (Кузбасс). Технология крепления выработок канатными анкерами включена в проект развития шахты «Заречная», выполненный институтом «Кузбассгипрошахт», и внедрена на шахте.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научном симпозиуме в рамках «Недели горняка» (Москва, 2002 г.), Международной конференции «Проблемы безопасности и совершеистиоьаяня гордых работ (Мельниковские чтения)» (М.-СПб, 1999 г.), научно-технических советах угольных компаний «Ленинскуголь», «Кузбассуголь» (Кемерово, Ленинск Кузнецкий, 1999-2003 гг.), научных семинарах кафедры РМПИ КузГТУ и ИУУ СО РАН (Кемерово, 2002-2003 гг.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 монографии, 10 статей в научных журналах и научно-технических сборниках.
Автор выражает благодарность коллективам лаборатории горного давления ИУУ СО РАН, кафедры РМПИ КузГТУ, кафедры РПИ СибГИУ за практическую помощь и участие в выполнении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.
Опыт применения анкерного крепления на шахтах Кузбасса
При анкеровании сначала в скважину вводится картридж, проталкиваемый болтом. Вращением болта прорываются пленки и смешивается быстрот-вердеющий материал, который частично проникает через стенки скважины и при затвердевании крепко охватывает стержень и вмещающую породу.
В зависимости от производственного процесса, применяемая смола может быть более прочной и жесткой, чем порода кровли, что благоприятно сказывается на упрочнении стенок скважины и удерживающей способности анкеров с синтетическим заполнителем. При смещении пород такие анкера не создают предварительного натяжения стержня болта.
Создаются также самозабуривающиеся анкеры с закачкой твердеющего материала через центральный канал.
Комбинированные анкерные болты дают возможность осуществлять предварительное натяжение анкера. Такие болты более пригодны для слабой кровли, когда их верхняя зона фиксируется в более прочном вышерасположенном слое. Однако наблюдались случаи, когда при боковых относительных смещениях слоев непосредственной кровли происходил разрыв стержня комбинированного анкера в зоне соединения с муфтой.
В случаях, когда ранее установленные в штреке анкера не обеспечивают достаточной несущей способности, а смещения кровли превышают допустимые, необходимое упрочнение кровли производят с использованием канатных анкеров, речь о которых пойдет ниже. Кроме того, находит применение системы «трассовых» анкеров.
Анкерное крепление применяется на шахтах Кузбасса с 60-х годов прошлого века [25,39,58]. Эволюцию анкерного крепления можно рассмотреть на примере шахт Ленинского рудника, как наиболее характерных для всего Кузбасса.
На рис.1.1 и рис. 1.2. представлена динамика развития анкерного крепления в некоторых угольных компаниях Кузбасса, а в табл. 1.3 - на шахтах Ленинского рудника [43,48,53].
Анкерное крепление для шахт Ленинского рудника не является новинкой. Развитие технологии и средств анкерного крепления на шахтах Ленинского рудника, да и на шахтах всего Кузбасса, характеризуется периодичностью, связанной с изменением горно-геологических условий, совершенствованием технологии, техники для бурения шпуров, приборным и научным обеспечением.
До 1993 года на шахтах Ленинского рудника применялись главным образом анкера распорного типа.
Кроме анкеров распорного типа, на первом этапе освоения анкерного крепления в 1989-1991 гг. на шахте им. Ярославского, входящей в ОАО «Ле-нинскуголь», совместно с сотрудниками КузГТУ, проводились работы по внедрению винтовых анкеров [6,24]. Однако из-за сложного строения непосредственной кровли большей части пластов, состоящей из переслаивающихся пород разной крепости и мощности, невозможно было обеспечить оптимальный диаметр буримого шпура, что является основой для успешной установки анкера. В связи с этим винтовые анкера не нашли широкого применения на шахтах Ленинского рудника.
С 1994 года начинается второй этап освоения анкерного крепления на шахтах Ленинского рудника и на других шахтах Кузбасса. Внедряется новый тип анкерного крепления - сталеполимерные анкера. Стальной стержень закрепляется в шпуре двухкомпонентной полимерной смолой, которая в процессе химической реакции создает соединение высокой прочности. При этом за счет проникновения в трещины стенок шпура смола упрочняет на определенную глубину окружающий шпур массив, значительно увеличивая несущую способность этого вида крепления [28,33,41,45,47,48].
Получившие в настоящее время наибольшее распространение сталеполимерные анкера имеют ряд преимуществ: высокую несущую способность (определяемую величиной разрывного усилия стержня); высокую механическую прочность смолы на сжатие (80 Н/мм ), сдвиг (3,6-4,2 Н/мм ) и изгиб (15 Н/мм); высокую адгезионную прочность смолы с породами и металлом, обеспечивающую даже в слабых неустойчивых породах формирование вокруг анкера «конуса сжатия»; эластичность ампул, позволяющую использовать их как в прямых, так и искривленных скважинных; малый объем и упаковка ампул, создающие удобство в транспортировании и обращении; значительный срок хранения ампул, обеспечивающий надежность в снабжении; возможность выбора ассортимента ампул с точным подбором вре мени схватывания для осуществления активного способа закрепления анкеров; заполнение всего кольцевого зазора между анкером и стенками скважины для обеспечения герметизации и предотвращения выветривания, коррозии металла, снижения нагрузки на опорные элементы и сдвиговых де формаций пород; возможность реализации двухуровневой схемы крепления контура в сложных условиях, обеспечивающей одновременно «сшивку» и «подвеску» слоев кровли. В процессе освоения сталеполимерных анкеров были опробованы два способа введения компонентов химических смол в шпур. Один из них - ампульный, характеризующийся введением в шпур двух-компонентных ампул. Второй способ предусматривает нагнетание в шпур смолы специальными насосами.
Установлено, что из-за нерешенности вопроса подачи химических компонентов в шпур методом нагнетания, а также ввиду отсутствия эффективных способов герметизации устьев шпуров в настоящее время наиболее технологичным является ампульное заполнение пшура смолами. Однако с позиции упрочнения прилегающего контура пород вокруг стенок шпура за счет нагнетания смол под давлением, преимущество имеет нагнетательный способ.
На шахтах Ленинского рудника, совместно с сотрудниками института угля и углехимии СО РАН, разработана технология закрепления стального анкера в шпуре минеральным заполнителем, в качестве которого используется обыкновенный речной песок. Испытания, проведенные в лаборатории, а также в выработках шахт им. Кирова и «Комсомолец», показали, что качество закрепления анкеров минеральным заполнителем не уступает анкерам, закрепленным полимерными смолами [33,34,36,42,53].
В процессе освоения и испытания сталеполимерного анкерного крепления были испытаны разные конструкции стальных анкерных стержней разных производителей. Необходимо отметить, что во всех конструкциях анкерных стержней непременным условием является наличие рифленой части длиной не менее 400 мм [46,48,53].
Наиболее удачным решением являются конструкции анкерных стержней, изготовленных из прутка специального профиля, который обеспечивает надежное сцепление полимера по всей длине анкера.
Программа и методика стендовых испытаний канатных анкеров
Объектами стендовых испытаний являются канатные анкеры, закрепляемые в скважинах диаметром 25-30 мм, твердеющими составами: в ампулах с минеральными композициями; в ампулах на основе полиэфирных смол. Целью испытаний является установление параметров и проверка соответствия технической характеристики канатных анкеров, закрепляющих составов, а также получение достоверных исходных данных для принятия решения о целесообразности их промышленного использования. В соответствие с требованиями промышленной безопасности, лабораторным испытаниям подвергаются все ответственные элементы крепи. Поэтому стендовые испытания канатных и комбинированных анкеров включали: испытания прочности канатного анкера и соединения каната с муфтой; испытания прочности резьбового соединения муфты с гайкой; испытания нагрузочных свойств канстного анкера, закрепленного полиэфирной смолой в ампулах АП-470; испытания нагрузочных свойств канатного анкера, закрепленного минеральной композицией, в ампулах АМК. Для испытаний были отобраны канатные анкера АКО 1.000, основу которых составляет арматурный канат К-7 (марки К-7) диаметром 15,1 мм по ГОСТ 13840-68. Для передачи нагрузки, канат К-7 соединен посредством клина с муфтой, на внешней резьбовой поверхности которой размещена опорная гайка. Муфта с резьбой М 42x2,5 выполняется из стали 40, а с резьбой М 38x2,5 - из стали 40Х. Длина муфт составляет 100 мм. При креплении кровли повторно используемых выработок, муфты изготавливаются из стали 40 с резьбой М 42x2,5 увеличенной длины 230-300 мм (длина определяется заказчиком). В таком случае анкера становятся податливыми за счет проскальзывания хвостовика каната с клином относительно муфты. Канатный анкер АК01.000 (см. рис.2.5) включает проволочный шнек левой навивки на интервале закрепления каната закрепляющим материалом, который навивается на внешнюю поверхность прядей каната. Для увеличения сцепления с закрепляющим материалом канат имеет местные уширения, образованные пропуском проволоки шнека между прядями каната.
На головном конце канат снабжен опорным винтом, который выполнен в виде спирали правой навивки и приварен электросваркой к канату. Торец каната срезан под острым углом. Опорная спираль (винт) имеет внешний диаметр на 1 мм меньше диаметра шпура. Благодаря этому анкер при закреплении его минеральной композицией или смолой имеет крутую нагрузочную характеристику через 20-30 с после закрепления.
Стендовые испытания несущей способности материала канатных анкеров проводят на прессе ИП-1000 с тензометрической станцией СИ-2-1000-УХЛ4.2 (рис. 2.15) [35,36,60]. Концы анкеров закрепляют в захватах. Нагружение производят со скоростью ОД-ОД кН/сек. Схема нагружения системы «муфта-канат-шпилька-гайка» представлена на рис.2.16.
При исследовании нагрузочных характеристик измеряют изменения расстояния (A U) между захватами и нагрузку (F).
По данным F и U строят зависимость и определяют относительное удлинение (є) стержня анкера между захватами где А1, 10 — изменение и начальное расстояние между захватами, соответственно. Несущую способность закрепляющего состава измеряют путем закрепления анкера в искусственной скважине и последующего нагружения анкера. Измеряют нагрузку на анкер и смещения хвостовика анкера. По результатам испытания строится нагрузочный график F ( U ). Испытания первоначально производят через 0,5, 1, 3, 7, 15, 20 минут, а затем через 0,5, 1, 2, 6 и 24 часа после установки анкера. Объем испытаний опытных образцов по каждому виду испытаний определяется по разбросу результатов предварительных испытаний (не менее пяти образцов) по формуле где n — необходимый объем испытаний; t — нормируемое отклонение; Кдоп - допустимая ошибка в %, принимается равной 5-10 %; V — коэффициент вариации. Нормируемое отклонение в (2.4) зависит от задаваемой надежности (для большинства исследовательских работ Р = 0,90) и определяется по табл.2.4. Стендовые испытания тензометрических датчиков проводятся до их предельной нагрузки в 200 кН путем шестикратного нагружения при прямом и обратном нагружении. По результатам нагружений строится тарировочный график и определяется ошибка измерения где N - показания прибора ИИД-5м; F - нагрузка в кН. В соответствии с методикой испытаний, нагрузочные свойства анкеров исследовались на испытательном стенде ИУУ СО РАН. Длина испытуемых образцов каната составляла / = 2023 мм. Рис. 2.16 иллюстрирует схему нагружения. Результаты испытаний представлены на рис. 2.17 и в табл. 2.5. Установлено, что крутизна нагрузочной характеристики (см. рис. 2.17) данной системы и, соответственно, совершаемой канатным анкером работы сопротивления де формациям зависит от максимального усилия (Fmax) предварительной опрессов-ки системы канатного анкера. Чем больше усилие (Fmax) опрессовки, тем больше параметр С. При большем Fmax наблюдается большая величина С, т.е. тем меньше величина относительного смещения (С) каната относительно муфты будет происходить в шахтных условиях. Испытаниям было подвергнуто 12 анкеров. Все анкеры были доведены до разрыва. Максимальные усилия разрыва составили 231-242 кН. Пряди каната рвутся по очереди. Сначала рвется одна прядь, затем при нагрузке 185-210 кН рвется следующая и т.д. Испытания прочности резьбового соединения муфты с гайкой МЗ 8x2,5 и М42х2,5 высотой 25 мм, выполненных из стали 40, проводили на относительный сдвиг. При нагрузке 280 кН наблюдались относительные смещения в винтовой паре в 1,8-1,9 мм без разрушения пары. Нагружению подверглись четыре образца винтовой пары. Дальнейшие нагружения девяти винтовых пар не проводились, так как установленная величина нагрузки 280 кН превышает прочность канатов более чем на 16 %. Исследования нагрузочных свойств канатных анкеров длиной 2023 мм проводили при ампульном способе их закрепления в искусственной скважине диаметром 30 мм, пробуренной в бетонном блоке. Канатные анкера закрепляли ампулами АМК с минеральной композицией и ампулами с полиэфирной смолой. Диаметр ампул АМК составлял 24 мм. Длина каждой ампулы АМК — 450 мм. Перед введением в скважину ампулы замачивались в течение 16 сек. В табл.2.7 и на рис.2.18 представлены результаты осредненных нагрузочных характеристик канатных анкеров, закрепленных составами ампул АМК через 0; 3; 6 и 24 часа после закрепления анкеров. Перед испытаниями канатные анкеры предварительно опрессовывались до 12 тс.
Горно-геологические условия проведения шахтных испытаний
Шахтные испытания канатных анкеров проводились на экспериментальном участке вентиляционного штрека № 905 на сопряжении с лавой № 905 пласта Полысаевского-1 шахты «Заречная» [35,41,50]. Лава № 905 подготовлена в бремсберговом поле пласта Полысаевского-1 в границах западной прирезки и является пятым выемочным участком, принятым к отработке. Выемочное поле лавы № 905 расположено выше поля лавы № 904, имеет правильную прямоугольную форму с размером по простиранию 1544 м, по падению 250 м, с запасами 1265 тыс. тонн. В связи с отработкой пласта Полысаевского-1 по бесцеликовой технологии, лава № 905 отрабатывается по схеме "с ножкой". Для отработки межлавного целика шириной 27 м между лавами № 904 и № 905 проходится вприсечку вентиляционный штрек № 905 с целиком шириной 4 м, что обусловливает наличие вентиляционного штрека № 905бис. Лава № 905 отрабатывается по системе «длинные столбы по простиранию» на глубине 168-275 м. Угол падения пласта 3-9 . Мощность пласта изменяется в пределах 2,40-2,68 м, и в среднем составляет 2,56 м. В средней и нижней частях лавы пласт содержит 1-2 прослойка слабого аргиллита (f==2) суммарной мощностью 0,02-0,04 м. Пласт представлен блестящим углем крепостью f = 1,5. Сопротивление угля резанию составляет 160-170 кН/м. Пласт склонен к самовозгоранию, опасен по угольной пыли и газу, попадает в зону возможных горных ударов. Гипсометрия пласта простая, слегка волнистая, но не исключено наличие мульд глубиной до 0,5 м. Основная система трещин расположена под углом 10-30 к конвейерному штреку № 905 в северо-западном направлении с углом падения трещин 80- 90. «Ложная» кровля пласта мощностью 0,2-0,4 м представлена сильнотрещиноватыми ослабленными аргиллитами и алевролитами (f = 2-3) с включениями линз и прослойков угля мощностью до 0,05 м. Вследствие этого она отслаивается и образует купола высотою до 0,3 - 0,6 м. Непосредственная кровля - алевролит средней крепости (f = 3-5), II класс устойчивости, мощность изменяется от 5 до 10 м. Допустимая пло-щадь обнажения при отработке лавы - 10-15 м в течение 1 часа.
Основная кровля пласта представлена переслаиванием слаботрещиноватых алевролитов и песчаников (f = 5-8), мощностью 20-30 м. Почва пласта — алевролит средней крепости (f = 3-4), при размокании склонен к пучению. В тектоническом отношении участок отработки лавы простой, хотя геологоразведкой зафиксировано наличие зон повышенной трещиноватости, особенно в местах пересечения нескольких локальных зон (3-4 пересечения). Для проведения исследований в вентиляционном штреке № 905 ис была оборудована замерная станция № З (ЗСЗ) (рис. 3.1). На вентиляционном штреке № 905 оборудовано три замерные станции: ЗС1, ЗС2 и ЗС4. Замерная станция ЗС4 располагалась на экспериментальном участке, усиленном канатными анкерами. Замерные станции ЗС1 и ЗС2 были расположены на участках, закрепленных стандартной анкерной крепью. Замерные станции № 1, № 2 и № 4 включали (рис. 3.2) глубинные реперы 3 в кровлю пласта, глубинные реперы 7 в краевой зоне пласта, установленные в скважинах диаметром 43 мм. Глубина скважин в кровле пласта составляла 4,5 м, в боках выработки — 4 м. В скважинах кровли пласта устанавливалось 6-7 реперов. В боках выработки - 4 репера. Для замера конвергенции почвы с кровлей, в почве выработки устанавливался почвенный репер 9. Изменение расстояния (Ни) от почвенного репера 9 до хвостовика сталеполимерного анкера характеризует конвергенцию кровли с почвой. Измерение расстояния между устьями скважик в бортах выработки характеризует ширину выработки. Надо заметить, что для оценки напряженного состояния в бортах выработки на замерной станции № 2 устанавливались фотоупругие датчики 10 (см. рис.3.1, рис.3.2). Исследование нарушения сплошности пород кровли и краевой зоны угольного пласта проводили с использованием жесткого эндоскопа РП-451 с боковым окуляром по скважинам диаметрам 43 мм на замерной станции № 1 и № 3 [37]. В кровле пласта по данным эндоскопических исследований наблюдалось распределение количества поверхностей ослаблений по глубине (160 м до лавы), представленное на рис. 3.3, в табл. 3.1 и табл.3.2.
Технология крепления сопряжения очистного забоя с примыкающими выработками канатными анкерами
На экспериментальном участке вентиляционного штрека № 905 в период проходки кровля была закреплена сталеполимерными анкерами (по 4 анкера в ряду). Подхваты под решетчатую затяжку устанавливались через 0,8 м. Канатные анкеры длиной 3,5 м устанавливались в промежутке между рамами. В качестве опорного элемента применяли спецпрофиль СВП-22 длиной 450 мм.
Перед бурением шпура опорный элемент прижимался к кровле распорной стойкой типа ВК. Бурение шпура осуществлялось с помощью электросверла с принудительной подачей через отверстие в опорном элементе. После бурения шпура диаметром 30 мм, в его устье вставлялась полиэтиленовая направляющая труба длиной 700 мм с осевым продольным вырезом. В направляющую трубу вводились ампулы АКЦ с полиэфирной смолой (по 3 ампулы) и досылались канатным анкером до упора в дно шпура. После этого полиэтиленовая направляющая труба извлекалась из отверстия опорного элемента и отсоединялась от анкера через продольный вырез в трубе. Затем к хвостовику анкера подсоединялся переходник, который вставлялся в шпиндель электросверла. Путем подачи с вращением, анкер вводился до упора в дно шпура. После 20 секундного ожидания отвердения полиэфирной смолы, электросверло с переходником отсоединяли от хвостовика анкера и на него навинчивалась гайка с предварительным натяжением 2 тс. При этом опорный отрезок спецпрофиля прижимал через решетчатую затяжку отслоившиеся породы кровли к массиву.
Установку анкеров осуществляли два горнорабочих. На экспериментальном участке 80 % анкеров закрепляли ампулами с полиэфирной смолой (АПЦ 470, по три ампулы на шпур). Ампулы диаметром 24 мм имели длину 470 мм. 20 % анкеров было закреплено ампулами с минеральной композицией (ампулы АМК, изготовитель ОАО "Кузниишахтострой").
В табл.4.9 и 4.10 представлены затраты времени на отдельные операции по установке канатных анкеров. Операция перемонтажа подмостков была необходима для установки бурового станка, подачи и распора отрезка спецпрофиля (опорный элемент канатного анкера) распорной стойкой типа ВК, имеющей меньшую высоту распора, чем высота выработки на 500-800 мм. Подмостки состояли из двух-трех рядов бревен и рештака.
При закреплении анкеров ампулами АМК добавилась операция замачивания ампул, но исчезла операция "ожидание время отвердения". Несколько большая длительность операции предварительного натяжения анкеров при закреплении ампулами АМК объясняется податливостью закрепляющего состава, допускающего сдвиговые деформации в начальный период. Операция предварительного натяжения осуществлялось вручную рожковым ключом.
Значительными были затраты на операцию демонтажа буровых штанг. Трехзаходные буровые штанги соединялись муфтой, повторяющей витые ребра штанг. Однако специальных ключей для разборки штанг у бригады не было на всем протяжении эксперимента, который в условиях функционирования высоконагруженного забоя был кратковременным (три смены). Значительными были также затраты времени на бурение шпуров, так как бурение велось без промывки. При бурении с промывкой затраты времени значительно сокращаются. При применении трубчатых, или шестигранных буровых штанг затраты времени на разборку составляют менее 1 мин.
При усилении канатными анкерами стандартной анкерной крепи, в процессе проходки исчезает операция распора опорного элемента анкера, а использование инвентарных подвесных подмостков сокращает время на их переноску до 2 минут.
В целом продолжительность цикла установки канатного анкера сократится при его закреплении одновременно с проходкой выработки (за зоной работы проходческого комбайна) до 12 мин (табл. 4.11, рис. 4.3).
В процессе досылки ампул канатным анкером выявился конструктивный недостаток анкера. Затраты времени на досылку (см. табл. 4.9 и 4.10) в отдельных случаях доходили до 0,5 мин. Это связано с тем, что конец анкера был выполнен со скосом 45. А так как форма каната саблевидная, то острой кромкой торца он иногда цеплялся за кромки отдельностей ложной разрушенной кровли пласта. Чтобы этого не происходило, форма торца каната должна быть не скошенной, а выполнена с фаской, т.е. заоваленной.
