Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние изученности вопроса 13
2. Условия устойчивости одиночных подготовительных выработок по пласту Четвертому, закрепленных сталеполимерными анкерами при их проведении и поддержании вне зоны влияния очистных работ 32
2.1. Горно-геологические условия залегания углевмещающей толщи горных пород в поле шахты «Северная» 32
2.2. Устойчивость вентиляционного и конвейерных штреков 123-ю и 123-ю «бис» пласта Четвертого при их проведении и поддержании вне зоны влияния очистных работ 38
3. Устойчивость конвейерных штреков 123-ю и 123-ю «бис» пласта Четвертого на участке парных выработок при проведении 123-ю «бис» и поддержании вне зоны влияния очистных работ 50
3.1. Устойчивость вентиляционных, конвейерных штреков 123-ю, 123-ю «бис» пласта Четвертого и межштрековых податливых целиков вне зоны влияния очистных работ 50
3.2. Устойчивость вентиляционного, конвейерных штреков 123-ю, 123-ю «бис» пласта четвертого и межштрековых податливых целиков взоне влияния очистных работ 62
3.3. Некоторые результаты исследований условий устойчивости парных выработок и податливых целиков на шахтах «Заполярная» и «Комсомольская» Воркутского месторождения 87
3.4. Исследование способа охраны выработок золобетонными полосами 99
3.5. Выводы и предложения по главе 108
4. Обоснование параметров сталеполимерной анкерной крепи и паспортов крепления при парной штрековой подготовке выемочных участков угольных пластов, опасных по геодинамическим явлениям 113
4.1. Введение 113
4.2. Стендовые испытания анкеров различных конструкций 113
4.3. Геомеханическое обоснование параметров анкерной крепи 119
4.4. О возможности и безопасности применения сталеполимерных анкерных крепей при разработке пластов опасных по горным ударам 124
4.4.1. Характеристика условий и места проведения испытаний 125
4.4.2. Выводы и предложения 132
4.4.3. Характеристика условий и места проведения испытаний 132
Выводы и предложения 145
5 . Оценка технико-экономической эффективности результатов диссертационной работы 147
5.1. Сравнение бссцеликового способа подготовки (базовый вариант) с подготовкой парными выработками (экспериментальный вариант) 47
5.2. Зависимости нагрузки на очистные забои пласта IV-ro по шахте «Северной» от удельного содержания метана в рудничной атмосфере при подготовке выемочных участков одиночными выработками (базовый вариант) и парными выработками (экспериментальный вариант) 151
Заключение 156
Библиографический список 159
- Устойчивость вентиляционного и конвейерных штреков 123-ю и 123-ю «бис» пласта Четвертого при их проведении и поддержании вне зоны влияния очистных работ
- Устойчивость вентиляционного, конвейерных штреков 123-ю, 123-ю «бис» пласта четвертого и межштрековых податливых целиков взоне влияния очистных работ
- Геомеханическое обоснование параметров анкерной крепи
- Характеристика условий и места проведения испытаний
Введение к работе
Проблема крепления, охраны и поддержания подземных выработок в угледобывающей промышленности России остается первостепенной, от успешного решения которой во многом зависят и объемы добычи угля в отрасли и рентабельность работы отдельного угольного предприятия, в частности, шахты.
Одной из главных причин возникновения этой проблемы - давно наметившееся несоответствие между условиями работы в длинных очистных забоях -лавах и пластовых подготовительных выработках, состоящее в следующем. Для длинных очистных забоев еще со времен б. СССР созданы и получили широкое промышленное внедрение высокопроизводительные механизированные комплексы с гидрофицированными крепями, модернизированные к настоящему времени в трех поколениях, имеющие потенциальную возможность обеспечивать из пологих пластов средней мощності: суточную нагрузку на забой до 10 тыс. тонн. Вместе с тем в технологии проведения, крепления и поддержания подготовительных выработок все еще превалируют устаревшие способы и средства крепления и поддержания выработок, требующие затрат значительного удельного веса ручного труда, а главное, являющиеся несовершенным и не безопасным средством управления горным давлением. Последнее вызывает необходимость систематического производства ремонтно-восстановительных работ и сдерживает потенциальные возможности комплексно-механизированных очистных забоев. Особенно это проявляется в сложных условиях разработки (большие глубины разработки, высокая газообильность пластов, опасность по геодинамическим явлениям и др. факторы). Эти проблемы в равной степени относятся и к условиям разработки угля в Печорском бассейне.
В настоящее время отработка пластов на шахтах ОАО "Воркутауголь" осу-ществляетя по бесцеликовой технологии с повторным использованием подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством.
Годовой объем проведения эксплуатационных выработок на шахтах ОЛО "Воркутауголь" составляет 24,6-25,8 км, из которых на долю подготовительных выработок приходится 13,9-14,5 км, т.е. 56%. При отработке запасов Воркутского месторождения на глубоких горизонтах возникают проблемы с обеспечением надежной работоспособности металлокрепи, устойчивости подготовительных выработок и, соответственно, стабильности работы добычных участков с высокими нагрузками. Основным типом крепи подготовительных выработок является металлическая арочная крепь КМП-АЗ, изготавливаемая из спецпрофиля СВП-27, с плотностью установки 1,5-2 рамы/метр. Для повышения надежности работы КМП-АЗ и уменьшения ее плотности установки с 1991 года стали внедрять комбинированную рамно-анкерную крепь, эффективность которой возрастает при применении сталеполимерных анкеров. Для повышения надежности поддержания выработок на границе с выработанным пространством, снижения расхода лесоматериалов и металла на пластах мощностью до 1,5-1,6 м производится выкладка шлакоблочной стенки.
Одним из перспективных направлений совершенствования способов проведения и поддержания горных выработок явилось создание и освоение анкерных крепей.
С 1985 года на шахтах Печорского бассейна ведутся работы по использованию анкерного крепления на базе новой технологии бурения и сталеполимерных средств закрепления анкеров. На основании выполненных исследований работоспособности сталеполимерной анкерной крепи в различных горногеологических и горнотехнических условиях на шахтах Печорского и Кузнецкого бассейнов, учета зарубежной практики разработана "Программа промышленного применения сталеполимерного анкерного крепления горных выработок и расширение области применения технологии на шахтах ОАО "Воркутауголь" в 2002 г., а также "Программа и методика промышленных испытаний способа сталеполимерного анкерного крепления при проведении и эксплуатации горных выработок на удароопасных пластах на шахтах ОАО "Вор-
6 кутауголь". Выполнен ряд научно-исследовательских работ с целью определения критериев целесообразности применения анкерной крепи в различных горно-геологических и горнотехнических условиях на шахтах АО "Воркута-уголь", основные положения которых нашли отражение в нормативных документах. Результаты исследований показали, что в условиях Воркутского месторождения при достигнутом техническом уровне производства, применение сталеполимерных анкеров для крепления и поддержания горных выработок принципиально возможно и экономически целесообразно. Определены приоритетные направления для внедрения технологии анкерного крепления, исходя из назначения и условий заложения горных выработок, в том числе и на удароопасных пластах. В 2002 году на шахтах ОАО "Воркутауголь" сталепо-лимерная анкерная крепь внедрена в 19 выработках с общей протяженностью 10295 м, при плане проведения горных выработок 27640.
Использование анкерного крепления способствует снижению трудоемкости крепления при проведении горных выработок и позволяет увеличить скорость их проведения. Поэтому при совершенствовании технологических схем, обеспечивающих создание безопасных и эффективных условий ведения горных работ, предусматривается широкое применение сталеполимерной анкерной крепи.
Применяемые схемы подготовки одинарными выработками при бесцелико-вой отработке выемочных участков на достигнутых глубинах практически исчерпали свои возможности по увеличению нагрузок на очистные забои. При газообилыюсти выемочных участков, достигающих 70-100 м /мин. и эффективности дегазации 60-70% нагрузки на очистные забои пласта Четвертого по фактору вентиляции, ограничиваются 1000-1300 т/сутки, пласта Мощного - 2000ч-3000 т/сутки. Поэтому на шахтах ОАО "Воркутауголь" после апробации ведутся работы по переходу на технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков парными выработками с оставлением между ними податливых целиков. Выработки крепят сталеполимериыми анкерами.
7 Особенностью парной подготовки в условиях высокой газообильности пластов является обеспечение сохранности двух выработок за лавой, одна из которых поддерживается сталеполимерными анкерами в сочетании с охранными податливыми угольными целиками для повторного использования при отработке смежного выемочного столба, а вторая, частично поддерживаемая на границе с выработанным пространством, служит для изолированного отвода газовоздушной смеси. Поэтому переход на подготовку выемочных столбов парными выработками по данному варианту дает возможность снять ограничения по газовому фактору и увеличить нагрузки на очистной забой в 2-2,5 раза, при этом появляется возможность увеличить протяженность выработок без проведения промежуточных вентсбоек. Переход на подготовку выемочных столбов парными выработками обеспечивает возможность увеличения нагрузки на очистной забой в 2-2,5 раза, при этом появляется возможность увеличить протяженность выработок без проведения промежуточных вентсбоек.
Надежность и безопасность технологических схем с парными выработками на пластах опасных по горным ударам, определяется типом крепления выработок и размерами податливых целиков между парными выработками.
При использовании рамно-арочной крепи при проявлении удароопасности целика возможна его обработка разгрузочными скважинами без нарушения режима податливости крепи. При креплении выработок сталеполимерными анкерами важным и ответственным элементом задачи является выбор оптимального размера податливого целика без последующей его обработки разгрузочными скважинами, т.к. разгрузочные скважины способствуют "закорачиванию" воздушной струи с вытекающими негативными последствиями, а превышение податливости целика по сравнению с податливостью анкерной крепи приводит к потери устойчивости кровли и нарушению эксплуатационного состояния выработки.
Условия применения податливой анкерной крепи в парных выработках, оконтуривающих очистные забои отдельно не регламентируются действующими нормативными документами. Поэтому определение размера податливо-
8 го целика, обеспечивающего долгосрочное поддержание парных выработок, закрепленных анкерной податливой крепью без профилактической обработки их стенок и целика разгрузочными скважинами, наиболее надежно может быть решена только экспериментальным путем.
В связи с этим тема предлагаемой диссертационной работы является актуальной.
Целью исследований является обоснование параметров средств крепления и поддержания спаренных горных выработок, охраняемых податливыми целиками, при разработке пластов опасных по геодинамическим явлениям.
Идея работы заключается в разработке способа подготовки выемочных участков парными выработками, обеспечивающего эффективную выемку пластов с высокой газообильностью.
Задачи исследований:
Изучить горно-геологические условия разработки продуктивной свиты угольных пластов Воркутского месторождения.
Установить зависимость между шириной податливых целиков и характером их нагружен ия и деформирования на стадиях подготовки выемочного участка спаренными выработками и эксплуатации.
Определить интервал между проводимыми забоями парных выработок в пространстве и времени с целью обеспечения наиболее благоприятных условий напряженного состояния массива для проведения и поддержания повторно используемой выработки.
Обосновать тип и параметры крепи выработок, охраняемых податливыми целиками,
Произвести оценку технико-экономической эффективности разработанных рекомендаций.
Методы исследований:
При решении поставленных задач использовался комплексный метод ис-
9 следований - шахтные экспериментальные наблюдения и инструментальные геомеханические, температурные, газодинамические исследования в сочетании с анализом и обобщением результатов.
Научные положения, выносимые на защиту:
В условиях пластов с высокой газообильностью переход на подготовку выемочных столбов парными выработками с анкерным креплением и податливыми ленточными целиками обеспечивает возможность увеличения нагрузки на очистные забои в 2-2,5 раза.
Парную выработку, предназначенную для поддержания после отработки действующей лавы и повторного использования в качестве вентиляционной для отработки следующей лавы следует проходить в зоне разгрузки первой выработки с отставанием забоя от первой выработки не менее 40-50 м, а разрыв во времени проведения парных выработок не должен превышать 90-100 дней.
В условиях пласта Четвертого и ему аналогичных при подготовке выемочных полей парными выработками с анкерным креплением для обеспечения эксплуатационного состояния выработок в течение срока службы как на стадии подготовки, так и ведения очистных работ оптимальным в отношении исключения ударов и обеспечения устойчивости выработок является податливый целик размеров 5,5-6,0 м.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлена зависимость между способом подготовки выемочных участков (одиночными, парными выработками) и нагрузкой на очистной за бой в условиях отработки пластов с высокой газообильностью.
2. Обоснована величина радиуса разгрузки массива горных пород вокруг пластовой подготовительной выработки, составляющей для условий разра ботки пласта Четвертого с учетом фактора времени 8-9 м.
10 3. Установлена закономерная связь между величиной смещения кровли пласта подрабатывающего толщу пород и глубиной разработки, а также физико-механическими свойствами пород покрывающей толщи (Е, у).
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим статистически представительным объемом шахтных инструментальных геомеханических, температурных, газодинамических, лабораторных стендовых исследований, испытаний и наблюдений, удовлетворительной технико-экономической эффективностью результатов испытаний разработанных рекомендаций. Всего наблюдения были поставлены в 7-й выработках различного назначения на 3-х разрабатываемых пластах, включая экспериментальный участок, протяженностью 190 м, подготовленный спаренными выработками, поддерживаемыми податливыми целиками разной ширины (3,0, 4,5, 6,0). Общая длина выработок при этом закрепленная сталеполимерными анкерами достигала около 1500 м. Всего было установлено в этих выработках более 50 комплексных замерных станций, наблюдения по отдельным из них продолжались от 70 до 367 суток в течение их проведения и поддержания вне зоны и в зоне влияния очистных работ.
Личный вклад автора состоит: - в усовершенствовании и творческом применении оригинальных ком плексных геомеханических, температурных, газодинамических методов ис следования и оборудования в условиях разработки пластов, опасных по гор ным ударам и внезапным выбросам, при парной подготовке выемочных уча стков с податливыми междуштрековыми целиками и креплением выработок анкерными сталеполимерными крепями; - в проведении шахтных экспериментальных исследований; - в обосновании и разработке методики расчета и выбора оптимальных параметров анкерных крепей (податливость, несущая способность ) и паспор тов крепления; в решении задачи выбора оптимальной ширины межштрековых податливых целиков, при которых обеспечивается устойчивость выработок и предупреждение горных ударов; в установлении закономерности распределения напряжений в податливых целиках и угольном массиве для решения практических вопросов обоснования способа проведения парных выработок в пространстве и времени и повышении безопасности работ; в разработке общих выводов и практических рекомендаций.
Практическое значение работы состоит: в разработке рекомендаций по усовершенствованию технологии подготовки выемочных участков парными выработками с податливыми целиками, сущность которых состоит в применении ленточных сплошных целиков и анкерной крепи в выработках, что обеспечило резкое повышение эффективности проветривания очистных забоев в условиях газообильного пласта Четвертого и скачкообразное (в 2-4,5 раза) повышение нагрузки на забой. в разработке методики оценки напряженного состояния массива в окрестности выработки на основе исследования закономерностей изменения температуры массива горных пород, усилий вдавливания пуансонов в стенки скважин, газодинамики, выхода штыба с одного п.м. массива (целика). в разработке рекомендаций по определению оптимальных размеров податливых целиков, методики обоснования параметров анкерных крепей и паспортов крепления анкерами, синхронно работающих с податливыми целиками и обеспечивающими устойчивость выработок и предотвращение горных ударов.
Реализация результатов работы
Результаты исследований используются в перспективной программе развития горных работ на шахте «Северная» при подготовке выемочных полей 13-12-ю и 14-12-ю по пласту Четвертому. По результатам отработки этих полей положительный опыт будет перенесен на отработку пласта Четвертого по
12 всей площади Воркутского месторождения. В разработке технических условий на «Крепь анкерную (сталеполимерную) - АСП для шахт ОАО «Воркута-уголь» ТУ 3142-002-00174272-01», что позволило наладить производство анкеров на местном механическом заводе.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции по геомеханике Ученого Совета ВНИМИ (Санкт-Петербург, 2004 г.), Ученом Совете ПечорНИИпроект, техническом Совете ОАО «Воркутауголь» (2004 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Устойчивость вентиляционного и конвейерных штреков 123-ю и 123-ю «бис» пласта Четвертого при их проведении и поддержании вне зоны влияния очистных работ
Вентиляционный штрек 123-ю пласта Четвертого является одной из оконтуривающих выработок выемочного столба 123-ю (рис. 2.1.). Штрек проводился комбайном ГПКС вне влияния очистных работ по угольному
На трассе проведения выработки пласт Четвертый имеет простое строение, мощность изменяется от 1,35 до 1,6 м. Коэффициент крепости угля (f) — 1,5. Над пластом залегает «ложная кровля» - углистый аргиллит, мощностью до 0,4 м и f-2-З. Выше в непосредственной кровле расположен аргиллит мощностью 0,4-0,6 м и f=4, далее алевролит мощностью 1,0-2,5 м и крепостью f=5-6, В основной кровле залегает крепкий песчаник, слоистый, мощностью до 8-10 м и f=10-ll. Почва представлена аргиллитами мощностью 0,2-0,6 м и f=3-4. Ниже залегает алевролит средней крепости (f=5-6), мощностью 0,2-0,5 м. Далее песчаник мощностью 0,4-2,0 и f=8, а затем переслаивание алевролитов и аргиллитов суммарной мощностью до 3 м и f=3-5. Угол падения пласта составляет 4-6.
Согласно выполненных расчетов [48, 49, 50] при проведении вентиляционного штрека 123-ю приняты следующие параметры анкерного крепления выработки: длина анкера -2,2 м; количество анкеров по кровле в ряду 5; расстояние между рядами (подхватами) - 1м. Угол наклона боковых анкеров в кровле -60-70 к напластованию пород с разворотом на массив,
Наблюдения за устойчивостью вентиляционного штрека 123-ю после его проведения пелись с 30.08.2001 г, до начала ведения очистных работ 11.11.2002 г. Общая протяженность экспериментального участка выработки с анкерной крепью составила 790 м.
При выполнении шахтных наблюдений производился визуальный осмотр состояния кровли выработки и проходческого забоя, а также количественная оценка величины присечки пород кровли. Замерялись высота выработки и ее ширина. Согласно замерам высота выработки на экспериментальном участке изменяется от 2,1 м до 3,6 м при усредненной расчетной величине 2,74 м.
Диапазон изменений ширины выработки по данным шахтных замеров составлял 4,5-5,5 м, практически во всех случаях фактическая ширина выработки превышала проектную, равную 4,5 м. Отжима угля из боков выработки не зафиксировано. Для осуществления оперативного инструментального контроля за устойчивостью кровли в вентиляционном штреке через 25-35 м устанавливались телескопические датчики сдвижения толщи пород кровли типа «ТеП-Та!с» (Германия) рис. 2.2.
Всего по выработке было установлено 29 таких датчиков, представляющих собой 2-х точечную станцию глубинных реперов, охватывающую толщу массива до 6 м. Результаты замеров смещений кровли приведены на рис. 2.3.
Продолжительность наблюдений по отдельным станциям составила за период проведения выработок от 70 до 367 суток. Как показали шахтные наблюдения смещения кровли наиболее интенсивно происходят в течение первых 15-25 суток после качала наблюдений в 3-7 м. от забоя выработки. Затем, по мере удаления от забоя, процесс смещения стабилизируется и носит плавный характер.
В начальный период по датчикам, установленным в 3-7 м от забоя выработки, реализовалось от 50 до 75% величин смещений кровли от общей величины в течение 20 суток. Величина смещений заанке-рованного массива, зафиксированная по телескопическим датчикам, изменялась от 5 до 44 мм, причем средняя величина смещений достигала 31 мм. За период последующих наблюдений до начала ведения очистных работ величина смещений оставалась стабильной, прирост смещений по отдельным показателям не превышал 4-5 мм.
Устойчивость вентиляционного, конвейерных штреков 123-ю, 123-ю «бис» пласта четвертого и межштрековых податливых целиков взоне влияния очистных работ
Исследование устойчивости вентиляционного, конвейерных штреков 123-ю и 123-ю «бис» и межштрековых целиков в зоне влияния очистных работ и оценка работоспособности анкерной крепи при поддержании выработок на границе с отработанным пространством и при сохранении парной выработки проводилось при отходе очистного забоя от монтажной камеры на расстояние до 300 м. Для этого на экспериментальном участке выработки оборудовались замерными станциями (рис. 3.4).
Обследование монтажной камеры, закрепленной сталеполимерной анкерной крепью, по окончанию монтажа и вывода комплекса из монтажной камеры показало, что крепь сохранила свою работоспособность. Как по монтажной камере, так и в забое вывалы кровли отсутствовали, просадок анкеров не отмечено, обрушение нижних слоев непосредственной кровли на высоту, превышающую длину анкеров, произошло при отходе комплекса от монтажной камеры на 8-10 м. При отходе комплекса на 30 м обрушение пород непосредственной кровли превышало 3-4 м. При отходе комплекса от монтажной камеры на расстояние 35-38 м обрушение пород и их сдвижение способствовали разгрузке пласта Тройного, что отмечено по работе дегазационных скважин, пробуренных на фланге. Интенсивного проявления влияния обрушения основной кровли на выработки впереди очистного забоя и в отработанном пространстве в виде смещений кровли, нагрузок на крепь усиления по веитштреку и конвейерным штрекам не отмечалось. Смещения кровли на
Участок Г Схема установки средств контроля за состоянием заанкерованной кровли на опытно-экспериментальном участке конвейерных штреков 123-ю и 123-ю "бис" пласта Четвертого на шахте "Северная" нижнем сопряжении в створе с забоем лавы не превышали 50-70 мм, на вентштреке - 30-40 мм.
Таким образом, можно считать, что обрушение пород основной кровли произошло в форме плавного сдвижения вышележащих пород кровли. При отходе от монтажной камеры на расстоянии 80-100 м влияние опорного давления очистного забоя на смещение кровли и бортов выработок не проявлялось. При подходе забоя к границе экспериментального участка парных выработок по конвейерным штрекам 123-ю и 123-ю «бис» на расстоянии 20-25 м наблюдалось увеличение скоростей и величин смещений кровли и отжим угля в межштрековом целике в сторону конвейерного штрека 123-ю «бис». Прирост смещений по выработке 123-ю составил 15-20 мм, по 123-ю «бис» - 12-25 мм. Прирост смещений по 123-ю «бис» определялся состоянием межштрекового целика.
После отхода забоя на 130 м от монтажной камеры и его расположении на 30-40 м от границы в зоне экспериментального участка парных выработок стало наблюдаться более интенсивное влияние опорного давления очистного забоя впереди на парные выработки и на смещение кровли в поддерживаемом конвейерном штреке 123-ю. При дальнейшем движении забоя лавы примерно до 80 м от границы в зоне экспериментального участка рост скоростей смещений кровли приостанавливается и наступает стабилизация процесса смещения кровли (рис. 3.5, З.б, 3.7).
Как видно размер целика между парными выработками оказывает заметное влияние на величину смещений кровли в конвейерном штреке 123-ю «бис». Средняя величина смещения кровли при 6,0 м целике уменьшилась на 34% по сравнению со смещением при целике шириной 3,0-3,5 м (рис. 3.8). Благоприятный фактор, свидетельствующий о том, что принятый для проверки размер податливого целика (5,5+6,0 м) находится в области оптимальных величин, т. к. обеспечивается допустимое смещение кровли в конвейерном штреке «бис», который предназначен для повторного использования в качестве вентиляционного для отработки последующего выемочного
Графики опускание кровли в парных штреках 123-ю и 123 бис -ю nn.IV при разной ширине целиков под влиянием очистных работ участка. Для всестороннего обоснования выбора оптимальной ширины податливых межштрековых целиков рассмотрим результаты наблюдений и исследований напряженно-деформированного состояния целиков и взаимодействия с боковыми породами.
На экспериментальном участке (рис. 3.4), который был оборудован в 110 м от разрезной печи и имел протяженность 190 м, длина участка при ширине целика 5,5-6,0 м составила 50 м, при ширине 4,5 м - 80 м и при целике размером 3 м - 60 м. Наблюдения и исследования проводились по комплексной методике, включающей: - маркшейдерскую съемку элементов выработок и контроль состояния контура выработок и приконтурной области массива с помощью контурных и глубинных реперов, закладываемых в кровлю и боковые стенки выработок (угольный массив и целики) в зависимости от местоположения движущегося очистного массива и ширины межштрековых целиков. - оценку относительного напряженного состояния и удароопасности угольного массива и целиков с помощью специальных скважинных пробников, глубинных реперов для измерения горизонтальных деформаций угольного массива и целиков, тензометрических и температурных датчиков для измерения деформирования поперечного сечения скважин, изменения температурного режима и выхода штыба на различном расстоянии от контура выработок. Деформации целиков и массива пород кровли измерялись методом глубинных реперов, В качестве отсчетного измерительного средства использовались индикаторы часового типа с точностью 0,01 мм. Изменения деформаций контура скважин производились тензометрическими деформометрами с точностью до 0,005 мм. Для контроля оценки состояния заанкероваимого массива фиксировалось расслоение кровли на высоте до 6 м (база в основной кровле) и 2,1 м - на высоте установки анкеров, смещения контура выработки измерялись, кроме того, на высоте 0,5-0,6 м. Для контроля расслоения пород кровли, кроме того, применялись механические телескопические указатели «Tellale» и электронные приборы КМДС (конструкции ООО «ВМИМИ Геомеханические технологии»),
Оценка напряженного состояния угольного массива и целиков производилась косвенными методами (рис. 3.9). В процессе бурения шпуров осуществлялся поинтервальный выход штыба с каждого погонного метра. Разный объем выдаваемого штыба с каждого метра указывает на неравномерный характер напряженного состояния по мере удаления от выработки вглубь массива (рис. 3.9 а).
В процессе камеральной обработки данных эксперимента по выходу штыба представляется возможным построить качественную эпюру распределения напряжений по длине шпура. Затем шпур очищается от штыба и с помощью досыльных штанг доставляется в каждый интервал термопары для измерения температуры стенок шпура. По данным изменения температуры массива по мере удаления от выработки можно построить качественную корреляционную зависимость t от напряжений. С помощью метода буровых скважин напряженное состояние краевой части пласта оценивается по скоростям деформаций контура стенок скважин тензодеформометрами равномерно распределенными по длине скважины (рис. 3.9 б).
Геомеханическое обоснование параметров анкерной крепи
Конструкции анкерных крепей равно, как и технологии крепления с их применением должны удовлетворять основным параметрам геомеханических процессов, развивающихся в горном массиве. Прежде всего механическая характеристика средств крепления, охраны выработок, а также параметры паспортов крепления и охраны должны удовлетворять двум основным режимам работы техногенного массива - режиму «заданных деформаций» и «заданных нагрузок» [57].
Первый режим работы подрабатываемого (налегающего) массива пород кровли связан, главным образом, с деформациями упругого восстановления и сдвижением больших масс пород основной кровли вес которых несоизмеримо более реактивного сопротивления всех средств крепления и охраны очистных и подготовительных выработок. Поэтому «заданным деформациям» необходимо удовлетворять путем применения в выработках средств крепления и охраны с возможностью реализации соответствующих величин податливости с тем, чтобы предупредить развитие разрушающих нагрузок.
В общепринятых инженерных методиках расчета паспортов крепления и охраны выработок на базе сборных опор, в том числе и опор из сборного железобетона, податливость крепи назначается из условия величины смещения основной кровли, которая принимается ориентировочно от 10 до 20% от вынимаемой мощности пласта. Более корректной, отражающей реальную геомеханическую модель взаимодействия крепи с массивом вообще, а анкерной, в частности, следует считать определение податливости крепи из условия упругого восстановления подработанного массива пород до поверхности.
В общем случае относительная деформация упругого восстановления в направлении нормальном к напластованию определяется из выражения Напряжения пропорциональны глубине заложения выработки. Модуль упругости пород практически с глубиной не изменяется в диапазоне давлений (напряжений), при которых не достигается предела прочности материала, находящегося в объемном напряженном состоянии. Для осадочных пород, сложенных литотипами аргиллитов, алевролитов, песчаников его средневзвешенное значение согласно [24] составляет порядка 3-ьЗ,5х104 МПа. Следовательно для определения абсолютной деформации (ДН) упругого восстановления массива, вмещающего выработку на глубине Н, необходимо просуммировать деформации отдельных интервалов толщи, т.е. Значение а0 (формула 4.2) определяется от средней отметки по глубине в каждом интервале. Произведем расчет абсолютной деформации (ДН) упругого восстановления массива вмещающего выработку на глубине 1000 м для пл. Четвертого. Усредненный объемный вес пород равен 0,025 МПа/м, средневзвешенный модуль упругости (Е) изменяется в пределах 3,0-ьЗ,5хЮ4 МПа. Так как угол падения пласта а « 4, то для определения ста можно воспользоваться формулой 4.3. Разобьем всю толщу до поверхности на 10 интервалов (рис. 4.3). Следовательно мощность каждой пачки будет 100 м и после подстановки всех данных в формулы 4.3 и 4.1 получаем: относительная деформация для каждого интервала: Определяемые по вышеизложенной методике расчетные значения закладываются в конструктивную податливость средств крепления и охраны выработок, в частности в опоры из сборного бетона (железобетона) и учитываются при определении плотности установки опор, исходя из их несущей способности и ожидаемых внешних нагрузок.
Сборные опоры могут применяться при любой системе разработки пластов мощностыо до 1,5 м и имеющих в кровле труднообрушаемые породы. Опоры не рекомендуется применять на пластах, имеющих в непосредственной кровле и почве слабые породы прочностью на сжатие менее 30 МПа, При склонности почв к пучению сборные опоры рекомендуется применять в сочетании с активными способами управления геомеханическим состоянием массива горных пород в окрестности выработок (разгрузка массива от опасных напряжений).
Что касается обоснования оптимального рабочего сопротивления стале-полимерных анкерных крепей и паспортов крепления при их применении, то результаты испытаний и исследований, приведенные во второй главе, позволяют сделать вывод, что стале полимерные анкерные крепи с рабочим сопротивлением до 150 кН и испытанным паспортом крепления (сшивка нижней пачки непосредственной кровли мощностью 2,2 м анкерами под сетку и подхваты через 1 м по ширине сечения выработки расстоянием между рядами по простиранию также через 1 м) близки к оптимальным величинам с учетом влияния остаточной несущей способности податливых угольных целиков шириной 5,5-6,0 м при необходимости использования в сложных горногеологических и геомеханических условиях (труднообрушаемые кровли, влияние очистных работ) крепей усиления, главным образом гидрофициро-ванных и средств охраны выработок (например, золобетонные опоры).
Экспериментальными исследованиями, результаты которых изложены в гл. 2, установлено, что нижние слои непосредственной кровли мощностыо 2,2 м, подшитые анкерной крепью, работают при взаимодействии с целиками в режиме «заданной нагрузки». Момент инерции этой пачки кровли, который обеспечивается «сшивкой» и принятым паспортом крепления (удельное со-противление — I анкер на м ) обеспечивает ей устойчивое состояние при реализации податливости целиков до 30 мм.
Характеристика условий и места проведения испытаний
Конвейерный штрек 22-з пласта Пятого является одной из подготовительных выработок нарезаемой лавы 222-3, проходится в массиве угля и при отработке ,в последующем, лавой будет сохраняться. Согласно геологического прогноза проходки конвейерного бремсберга 22-з пл. Пятого геологическое строение пород по выработке следующее. Пласт Пятый, уголь полублестящий, крепкий, мощностью 0,9 м. Кровля пласта представлена: - аргиллитом тонкослоистым, трещиноватым, с прослойками угля, малоустойчивым, «ложная кровля» мощностью 0,25-0,30 м; - аргиллитом слабополосчатым, массивным с линзами конкреций, средней крепости f= 1,5-2 м, мощностью 1,4-1,8 м; - алевролитом мелкозернистым, косослоистым, слаботрещиноватым, устойчивым, крепостью f=2, мощностью 3-7 м; - песчаником мелкозернистым, крепким, f=10-12, мощностью 3-7 м. Почва пласта Пятого представлена: - аргиллитом, мощностью 0,3 м, крепостью f=4; 126 - алевролитом, крепостью f=6 с замещением на песчаник, мелкозерни стый, крепкий, f=8. Гипсометрия пласта спокойная, пологоволнистая, угол падения пласта 0-3. В кровле пласта Пятого над выемочным столбом 222-3 проходит линия расщепления пласта Мощного. Проектная длина выработки 1700 м. Глубина заложения - 910 м. Выработка пройдена двумя встречными забоями и сбита 29.1 1.2002 г. В начале, с южной стороны, приблизительно на 100 м, выработка закреплена арочной металлической крепью КМП-АЗ. 1600 м выработки закреплены сталеполимерной анкерной крепью. Крепление выработки сталеполимер-ной анкерной крепью производится с плотностью 5 анкеров под подхват, расстояние между подхватами в начале выработки - 0,8 м в дальнейшем 0,9-1,0 м. Длина анкера - 2,2 м. Угол наклона боковых анкеров в кровле — 60-70 к напластованию пород с разворотом на массив. При очистной выемке для охраны конвейерного бремсберга 22-з в качестве ограждения должна выкладываться двухрядная золоблочная стенка. Паспорт крепления и поддержания конвейерного штрека 22-з пласта Пятого приведен на Программа шахтных испытаний включала: - проведение работ по креплению горных выработок различного функ ционального назначения сталеполимерной анкерной крепью по удароопас ным пластам с контролем за соблюдением технологии и параметров установ ки анкеров. Телескопические указатели смещений заанкерованной кровли устанавливались через 25-35 м; - оценка работоспособности анкерной крепи и устойчивости заанкеро ванных пород и угольного массива в течение всего срока эксплуата ции с учетом геомеханического состояния вмещающих пород; - периодический прогноз удароопасности пласта в процессе проведения и эксплуатации выработки вне и в зонах влияния опорного давления от очи стного забоя 222-3 пласта Пятого. а) при проходке б) перед очистным забоем на Л в) за очистным забоем на h, h 128 Работы по установке сталеполимерной анкерной крепи проводились двумя встречными забоями: - забой-1, с юга на север- в период с 25.01.02 г. по 10.08.02 г. Впоследствии забой был остановлен и производился перемонтаж горно-шахтного оборудования; - забой-Ц, с севера на юг— в период с 27.06.02 г. по 29.11.02 г. По забою-1 установлено 22 телескопических указателя смещения заанкероваиной кровли, по забою-П установлено 14 телескопических указателей. За период наблюдений — 283 суток по забою-1 смещения заанкероваиной кровли составили от 0 мм (по Д № 22) до 90 мм (Д. № 4). За исключением датчиков №№ 3, 4 по остальным 18-ти датчикам максимальные смещения составили 28-30 мм. Средняя величина смещений составила от 15 до 20 мм. Стабилизация смещений кровли происходила через 60-80 суток после их установки или на расстоянии 500-580 м от проходческого забоя (рис. 4.5.). За период наблюдений - 128 суток по забою — II смещения кровли составили от 3 мм (Д. № 9, II) и до 33 мм (Д. № 2). Средняя величина смещений по датчикам 1-4- составила 20 мм. Стабилизация смещений кровли происходила через 38-40 суток (Д. №№ 3, 4) или в 170 м от проходческого забоя; стабилизация смещений заанкероваиной кровли по датчикам №1,2 наступала через 75-80 суток или через, примерно, 270 м от проходческого забоя (рис. 4.6). Практически в обоих забоях фактическая ширина выработки превышала проектную (4,0 м). Диапазон изменения ширины выработки по данным шахтных замеров составил 4,1-4,8 м. Высота выработки варьирует от 2,9 до 3,9 м при проектной 3,0 м.
