Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние анкерного крепления на шахтах. Цели и задачи исследований 10
1.1. Анализ тенденций развития горно-подготовительных работ на шахтах 10
1.2. Анализ современного опыта применения анкерного крепления на угольных шахтах 21
1.3. Проблемы анкерного крепления на угольных шахтах России 30
Выводы 37
2. Исследование взаимодействия анкерных крепей и пород вокруг подготовительных выработок шахт 38
2.1. Анализ современных представлений о состоянии пород вокруг подготовительных выработок 38
2.2. Ранжирование применяемых анкерных крепей по их взаимодействию с породами 51
2.2.1. Классификация анкерных крепей 51
2.2.2. Анкерная крепь первого уровня 56
2.2.3. Анкерная крепь глубокого заложения (второй уровень) 65
2.3. Анализ исследований взаимодействия анкерных крепей выработок и горного массива 70
Выводы 83
3. Теоретическое обоснование взаимодействия анкерных крепей и горного массива 85
3.1. Анализ нормативных документов по расчету и применению анкерной крепи 85
3.2. Теоретические исследования взаимодействия анкерных крепей и горного массива 89
3.3. Методика расчета параметров анкерных крепей 105
Выводы Ill
4. Исследование средств бурения и разработка универсальной бурильной установки 113
4.1. Исследование средств бурения шпуров (скважин) и установки анкерной крепи 113
4.2. Разработка конструкции бурильной установки для анкерного крепления 121
4.3. Стендовые испытания бурильной установки УБ-1350 130
4.4. Промышленные испытания бурильной установки УБ-1350 138
4.4.1, Программа и методика испытаний 138
4.4.2. Эксплуатационные испытания бурильной установки УБ-1350 141
Выводы 148
5. Разработка и внедрение новых типов сталеполимерной анкерной крепи 150
5.1. Разработка конструкций анкеров нового технического уровня .150
5.2. Эксплуатационные испытания анкеров нового типа 159
5.3. Исследование устойчивости выемочных подготовительных вырабо-
ток, закрепленных новыми типами анкерной крепи 168
Выводы 182
Заключение 184
Список литературы 189
- Анализ современного опыта применения анкерного крепления на угольных шахтах
- Анкерная крепь глубокого заложения (второй уровень)
- Теоретические исследования взаимодействия анкерных крепей и горного массива
- Разработка конструкции бурильной установки для анкерного крепления
Введение к работе
В результате проведенной реструктуризации угледобывающей отрасли и внедрения при подземной разработке угля современных высокопроизводительных механизированных комплексов на многих шахтах Кузнецкого бассейна нагрузки на очистной забой возросли до 8000-10000 т/сут. В этих условиях ежемесячное подвигание очистного забоя на пластах средней мощности превышает 250 м. Своевременное обеспечение воспроизводства запасов подготовительных к выемке с учетом монтажных работ может быть достигнуто при скорости проведения подготовительных выработок не менее 250-300 м/мес.
Однако в настоящее время средние темпы проведения подготовительных выработок на шахтах Кузбасса составляют в различных горногеологических условиях 150-190 м/мес. С учетом влияния возможных неблагоприятных факторов (геологические нарушения, высокая газоносность угольных пластов и пород и т. п.) средняя скорость проведения штреков не превышает 100-120 м/мес. В связи с постоянным ростом газообильности горных работ и необходимостью подачи дополнительных количеств воздуха для снижения концентрации метана до безопасного уровня сечения подготовительных горных выработок значительно увеличились, а многие шахты перешли на многоштрековую технологию подготовки запасов выемочных участков. Эти обстоятельства, в свою очередь, вызывают увеличение объема подготовительных работ и сроков подготовки запасов к очистной выемке, что в некоторых случаях приводит к несвоевременному вводу в эксплуатацию очистных забоев. Среднегодовые простои одного комплексно-механизированного забоя на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в среднем составляют 45 дней, что влечет потери добычи угля на компании до 1,8 млн т/год. Анализ показателей работы длинных очистных забоев, оснащенных механизированными комплексами, показал, что до 85% их простоев по геомеханическим факторам
связаны с обрушением пород и разрушением крепи на участках подготовительных выработок, примыкающих к очистному забою. Для обеспечения высоких темпов проведения и безремонтного поддержания подготовительных выработок, особенно в зонах повышенного горного давления, вызывающих значительное снижение устойчивости пластовых выработок, проводятся дополнительные работы по возведению крепей усиления и упрочению углепородного массива. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3-5 тыс. руб/м) и снижают скорость отработки запасов на 30-40%. В последние годы на шахтах Кузнецкого бассейна для интенсификации подготовительных работ и повышения устойчивости выемочных выработок все большее распространение получают сталеполимерные анкерные крепи.
Анализ технологических процессов во время установки анкеров и их работы в период эксплуатации выработок позволяет определить круг проблем, решение которых позволит повысить эффективность анкерного крепления и, как следствие, устойчивость выработок, увеличить темпы их проведения и снизить затраты. К числу проблем, не решенных до настоящего времени, относятся:
отсутствие высокопроизводительной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М. М. Протодьяконова;
фактическое снижение, по сравнению с расчетным величины закрепляемой, контактной с вмещающими породами, части сталеполимер-ного анкера, что не позволяет обеспечить проектной несущей способности крепи и, соответственно, устойчивости выработки. Это объясняется несовершенством конструкции существующих анкеров, которая не может, в силу своей специфики, обеспечить качественное перемешивание полимерного композита в шпуре и полное заполнение объема шпура полимером.
Таким образом, разработка эффективных технологических средств и технических средств анкерного крепления, обеспечивающих надежное поддержание подготовительных выработок, является актуальной научной и практической задачей.
Целью диссертации является установление закономерностей формирования эквивалентной мощности дезинтегрированных зон породного массива для обоснования параметров, разработки и реализации техники и технологии анкерного крепления подготовительных выработок, обеспечивающих повышение темпов их проведения и надежное сохранение в течение всего периода эксплуатации.
Основная идея работы состоит в реализации системного подхода к управлению устойчивостью подготовительных выработок на базе определения эквивалентной мощности дезинтегрировании: зон породного массива и обоснования рациональных технологических и технических решений по анкерному креплению.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем:
- устойчивость подготовительных выработок шахт определяется
минимальной мощностью закрепляемого анкерами массива, зависящей от
величины эквивалентной мощности дезинтегрированных пород контура
выработки и прочности первого несущего слоя;
величина деформации и размеры зон дезинтегрированных пород в кровле подготовительных выработок определяются величиной их эквивалентного пролёта, формой и площадью поперечного сечения, наличием анкерной крепи;
в процессе взаимодействия анкерной крепи и пород происходит «самостабилизация» усилий, напряжений и деформаций в закрепленной части массива с проявлением эффекта «обоймы» и повышением прочности системы «крепь - массив».
Научная новизна работы заключается в следующем:
доказано, что минимальная мощность скрепляемых анкерами пород контура выработки определяется соотношением прочности первого несущего и последующих слоев массива;
установлено, что несущая способность анкерной крепи определяется величиной адгезии между стенками шпура и отвердевшим полимером, которая зависит от качества перемешивания компонентов состава и полноты заполнения шпура;
доказано, что разработанная конструкция анкеров с торцевой частью в виде режущей фрезы позволяет осуществлять качественное разрушение полимерных ампул, перемешивание компонентов состава и заполнение шпура;
- установлено, что крепление горных выработок сталеполимерными анкерами с торцевой частью в виде режущей фрезы позволяет уменьшить смещение пород контура на 60 - 65% по сравнению с другими типами анкеров и повысить устойчивость выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- использованием экспериментально-аналитических методов иссле
дований, апробированных методов моделирования, лабораторных и на
турных измерений, исследований непосредственно на производстве;
~ анализом большого объема информации (статистики, экспериментальных данных) с использованием методов математической статистики и применением для их разработки ЭВМ;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными натурных измерений на полях шахт «Осинниковская», «Антоновская», «Абашевская»;
положительными результатами внедрения технических и технологических решений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертационной работе, на полях шахт ОАО ОУК «Южкузбассуголь».
Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке комплексного подхода и решению задач выбора эффективных способов анкерного крепления и поддержания подготовительных выработок на основе изучения геомеханических зависимостей состояния горного массива и взаимодействия крепей и массива, что позволяет обосновать для различных горнотехнических условий рациональные параметры крепи, увеличить темпы проведения и устойчивость подготовительных выработок.
Практическое значение диссертации заключается в следующем:
разработан метод прогноза деформаций породного массива подготовительных выработок и их сопряжений в зависимости от величины эквивалентного пролета выработок и эквивалентной мощности деформированных пород слоев;
разработана, изготовлена, прошла государственную сертификацию и испытана в шахтных условиях бурильная установка УБ-1350 для анкерного крепления, которая по своим техническим характеристикам превосходит аналогичные устройства отечественного и зарубежного производства, что обеспечивает увеличение скорости и диапазона бурения шпуров и установки анкеров, безопасность производства работ;
разработан, изготовлен и принят в эксплуатацию диагностический стенд СД-ПРК-3800, позволяющий проводить комплексные испытания отечественных и зарубежных бурильных установок на их соответствие паспортным параметрам;
разработаны и запатентованы два типа анкеров нового технического уровня, имеющие высокую несущую способность, применение которых позволило значительно повысить их устойчивость и внедрить прогрессивные технологические схемы подготовки запасов выемочных участков;
разработан инструктивный документ по техническому обеспечению эффективного и безопасного ведения работ по анкерному креплению
выработок ОАО ОУК «Южкузбассуголъ».
Реализация работы. Технология крепления выработок с использованием разработанных бурильной установки УБ-1350, анкеров типа АСП-20 и АСП-20.500 и обоснованными в диссертации параметрами (длина анкера, несущая способность, плотность установки, длина участка закрепления в шпуре и др.) внедрена на 9 шахтах ОАО ОУК «Южкуз-бассуголь», что позволило увеличить темпы проведения пластовых выработок, перейти на постоянные схемы подготовки запасов, повысить безопасность ведения работ. Экономическая эффективность применения бурильной установки УБ-1350 и анкеров типа АСП составляет в среднем 3940 руб/м, а за счет внедрения постоянных схем подготовки запасов превысила 30 млн руб/год.
Результаты работы в виде учебного материала использовались в учебном процессе в Московском государственном горном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на Международных научно-практических конференциях «Неделя горняка» (Москва, 2003-2004 гг.), Международной научно-технической конференции «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ» (Екатеринбург, 2005 г.), технических советах ОАО ОУК «Южкузбасс-уголь» (г. Новокузнецк, 2001-2005 гг.), ООО «Горно-техническая компания (г. Новокузнецк, 1999-2004 гг.), научно-техническом совете ЗАО шахта «Антоновская» (г. Осинники, 2004 г.), семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (2005 г.)
Анализ современного опыта применения анкерного крепления на угольных шахтах
В связи с интенсивной разработкой угля в основных угольных бассейнах страны значительно увеличилась средняя глубина разработки. С увеличением глубины горных работ ухудшаются горно-геологические условия: возрастает газообильность шахт; увеличивается число пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа и горным ударам; повышается температура воздуха в горных выработках.
Опыт разработки угольных месторождений показывает, что в связи с ухудшением горно-геологических условий и увеличением протяженности горных выработок, их эксплуатационное состояние в течение срока службы в ряде случаев нельзя обеспечить из-за отсутствия достоверных данных об ожидаемых смещениях пород, о нагрузках на крепь и других влияющих факторах, поэтому выработки иногда приходится ремонтировать 2-3 раза.
Для обеспечения высоких темпов проведения и безремонтного поддержания подготовительных выработок, особенно в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления, в настоящее время проводятся дополнительные работы по возведению крепей усиления и упрочнения углепородного массива полимерными и неорганическими связующими составами. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3-5 тыс.руб/м) и снижают темпы подвигания очистных забоев на 50-70% [10, 20,23,38,46,53,81].
Возможным оптимальным решением проблемы может явиться крепление подготовительных выработок анкерными или смешанными крепями, в том числе в местах геологических нарушений. Это позволит значительно повысить темпы и снизить расходы на проведение и поддержание подготовительных выработок.
Анкерное крепление горных выработок угольных шахт в настоящее время является одним из ключевых факторов процесса модернизации и механизации угольной отрасли России. Данная система крепления произвела переворот в мировой угольной промышленности, позволив повысить темпы подготовки запасов и отработки лав обратным ходом путем улучшения состояния прилегающих выработок. Анкерное крепление рассматривается как средство интенсификации производства, повышения производительности труда, уменьшения шахтных расходов, значительного улучшения безопасности горных работ и, как следствие, продвижения высокозатратной и субсидируемой угольной отрасли по пути приобретения экономической жизнеспособности.
В мировой практике анкерное крепление используется уже много лет. Угольная промышленность Великобритании является одним из признанных мировых лидеров в применении анкерных крепей на глубоких угольных шахтах со сложными геологическими условиями. Передовая технология анкерования, разработанная компанией RMT (Rock Mechanics Technology Ltd.), позволила британской угольной промышленности сократить расходы по добыче угля и сделала отрасль прибыльной и привлекательной для приватизации. Несмотря на сложности в преодолении устоявшихся стереотипов, новая технология крепления горных выработок была системно применена на угольных шахтах, заменив привычную и понятную большинству горняков металлоарочную крепь [71].
Например, на шахте « Longennet» (Шотландия) анкерное крепление было внедрено в 1996 году, что дало предприятию возможность выжить в сложных условиях рынка угля, позволив производить дешевую конкурентоспособную продукцию.
Расходные материалы, применяемые на шахте «Longennet» для анкерования, имеют следующие параметры: капсулы Celtite AT диаметром 24 мм с двойным патронированием, содержащие полимерный компаунд и отвердитель. Используются капсулы со скоростью желатирования от 0,5 до 3 мин. Длина капсул 300 - 800 мм. Прочность отвердевшей массы не менее 80 МПа. Стальные анкеры с диаметром стержня 21,7 мм, с учетом насечки 23 мм. Концевая часть для лучшего разрушения ампул при внедрении анкера срезана под углом 45 .
Стандартная длина анкера 2,4 м. Анкеры устанавливаются в шпур диаметром 27 мм для крепления кровли и боков выработки со стороны целика, со стороны лавы устанавливаются анкеры, изготовленные из стекловолокна с полимерным связующим. На шахте применяют анкеры, изготовленные в Польше, они соответствуют требованиям британского стандарта и значительно дешевле. Оборудование специально сконструировано для установки анкеров с химическими ампулами. Это буровые станки с пневмоприводом для бурения скважин диаметром до 50 мм и длиной до 2,5 м.
На Украине условия разработки угольных местрождений сходны с британскими в том плане, что добыча ведется на большой глубине, в слабоустойчивых боковых породах, осложненных геологическими нарушениями, значительными водопритоками и газо выделением. Кроме того, шахты характеризуются большой протяженностью выработок, разбросанностью горных работ. Подготовительные работы в этих условиях связаны с большой металлоемкостью крепи, трудоемкостью выполнения работ и, как следствие, большими затратами. Таким образом внедрение анкерного крепления на Украине, продиктованное необходимостью оптимизации горного хозяйства, создало предпосылки для улучшения технических и экономических показателей шахт.
Минуглепромом Украины разработана отраслевая программа «Анкер», целью которой является внедрение анкерного крепления как основного вида крепи при проведении оконтуривающих выработок. Институтом геотехнической механики НАЛУ и Минуглепромом был основан Центр анкерных технологий (HAT), который в рамках проекта Tacis, разработал нормативные документы и руководство по применению анкерной крепи, программу обучения технологии анкерного крепления и систему мониторинга состояния вмещающих пород.
Анкерная крепь глубокого заложения (второй уровень)
Наиболее универсальными, с точки зрения технических и технологических характеристик, являются армополимерньте анкеры. Стержень армополимерных анкеров представляет собой трубку внешним диаметром 19-20 мм, внутренним - 10-14 мм, изготовленным из полимерного композита, стеклопластика, углепласта и др. [72, 88].
Основными достоинствами армополимерных анкеров с точки зрения применения на газоопасных шахтах являются: конструкция и материалы анкеров исключает возможность фрикционного искрения при ведении горных работ; анкеры легко разрушаются (срезаются) исполнительными органами комбайнов, а фрагменты разрушенных анкеров не создают помех работе скребковых конвейеров и безопасны при эксплуатации машин и механизмов; анкеры не подвержены коррозии и не имеют ограничений по сроку службы, в том числе и при использовании в агрессивных средах; стержни анкеров могут быть изготовлены любой длины в зависимости от горно-технологических условий применения.
Недостатками армополимерных анкеров являются их более высокая стоимость по сравнению со сталеполимерными, и меньшая надежность закрепления в шпуре.
Разновидностью сталеполимерных анкеров являются анкерные крепи с неорганическими вяжущими. Анкерная крепь с неорганическими вяжущими состоит из металлического стержня с опорной плиткой и гайкой, закрепляемого в шпуре посредством патронированного цементного монозакрепителя или его аналогов.
В качестве средств закрепления может применяться патронированный монозакрепитель анкеров ПМА (НИИОМШС, г. Харьков), патронированный цементный закрепитель анкеров ПЦЗА, закрепитель анкеров патронированный ЗАМП. Они выполнены на основе неорганического вяжущего вещества и представляют собой гидроизоляционный быстросхватывающийся расширяющийся цемент, который расфасован в оболочки из нетканого материала, изготовленные путем сшивки. Перед установкой патрон погружается в воду питьевого качества на несколько секунд (как правило 8-12 сек.), что позволяет насытить водой монозакрепитель для его отверждения в шпуре. Анкеры устанавливаются поступательно-вращательным движением, тем самым, перемешивая насыщенный и ненасыщенный водой монозакрепитель.
Бетонная анкерная крепь состоит из металлического стержня с опорной плиткой и гайкой. Закрепление анкеров в шпуре осуществляется путем закачки цементно-песчанои смеси или ее аналогов с дальнейшим ее отвердением. Применение гладких стержней не допустимо. В качестве средств закрепления используются цементно-песчаная или цементно-гравийная смесь на основе портландцемента марки 300-500. На нагнетание в шпур смеси производится высоконапорными насосами.
С целью повышения эффективности анкерного крепления в институте ВНИИГидроуголь предложена конструкция комбинированного анкера [4].
Сущность комбинированной анкерной крепи заключается в том, что для увеличения несущей способности и расширения условий надежной и эффективной работы анкерной крепи в шпур вводятся два стержня. Основной стержень анкера имеет клино-распорный замок. С помощью установочной трубы производится закрепления стержня в шпуре. Затем с применением нагнетательной установки особой конструкции оставшийся объем шпура заполняется неорганическим составом (РНС), при этом удельное сцепление с породами выше, чем применяемых сейчас на шахтах. После этого вводится дополнительный рифленый стержень и производится окончательное закрепление анкера в шпуре. Затяжка осуществляется в соответствии с характеристикой клино-распорной анкерной крепи.
Таким образом, происходит тройное закрепление пород: по средством анкера с распорным замком, закрепляющего состава и дополнительного стержня, что обеспечивает решение задачи увеличение несущей способности крепи.
Физическая суть работы анкеров состоит в том, что при таком креплении породы подвергаются искусственному упрочнению. Анкеры сразу же после установки несут нагрузку, равную предварительному натяжению, что обеспечивает целостность окружающих пород и не допускает образования расслоения, а. если оно и образуется, то имеет незначительную величину. С учетом этого в массиве формируются грузонесущая упрочненная толща (конструкция). По расчетам авторов подобная конструкция может обеспечивать несущую способность до ] 9,0 т на анкер, то есть выдерживать давление горных пород, создаваемое сводом обрушения высотой 8-10 м. Испытания комбинированного типа анкеров, проведенные на шахтах «Нагорная-1», «Нагорная-2», показали, что при одном несущем стержне несущая способность комбинированной анкерной крепи составляет 11-12 т.
Недостатком предлагаемой конструкции анкерной крепи, по сравнению с ранее известными, является усложнение ее конструкции, технологии изготовления и установки вследствие использования специальных средств нагнетания закрепляющего раствора и, поэтому данная крепь будет более дорогой в изготовлении и установке, снизит темпы проведения подготовительных выработок. Определить область ее применения весьма затруднительно.
Под анкерной крепью второго уровня следует понимать систему гибких или составных стержней длиной более 3 м, устанавливаемых, как правило, в зонах влияния очистного забоя. Сталеиолимерная анкерная крепь глубокого заложения ампульного закрепления состоит из металлического стержня или стального каната с опорной плиткой и гайкой, закрепляемого в шпуре диаметром 27-30 мм посредством ампул с быстротвердеющими химическими составами на основе полиэфирных смол. Крепь предназначена для крепления горных выработок и их сопряжений, проводимых по углю и породам.
В качестве крепи могут использоваться анкера из арматурной стали периодического профиля АС20, АС20В, гладкие цельные АСП (длиной 3,0-4,5 м), составные анкеры АСП-С (см. рис. 2.4) и др.
Для соединения стержней составных анкеров применяются муфты, диаметром 28 мм длиной 80-100 мм из стали Ст45, Ст40Х и др.
В качестве анкеров глубокого заложения могут применяться анкеры канатные полимерные АКП, которые изготавливаются из стального арматурного каната диаметром 15 мм со специальной навивкой на замковой части для перемешивания скрепляющего состава. Для натяжения анкера применяется клиновой замок, выполненный в виде конусной обоймы с двумя зажимными втулками (рис. 2.4).
Технические характеристики анкеров приведены в табл. 2.3. В качестве средств закрепления применяются ампулы типа АКЦ-1у, АП или зарубежных производителей. Технические характеристики ампул приведены в табл. 2.5. Анкерная крепь глубокого заложения безампульного закрепления полимерными смолами состоит из анкера (полого гибкого стержня) и герметизатора; стержень закрепляется в шпурах диаметром 42-45 мм посредством нагнетания быстротвердеющего расширяющегося химического состава типа Беведол/Беведан. Крепь предназначена для крепления горных выработок и их сопряжений, проводимых по углю и породам, а также для пропитки нарушенных массивов горных пород в очистных забоях.
Теоретические исследования взаимодействия анкерных крепей и горного массива
Основная задача крепления горных выработок - предотвращение смещений контура выработки, превышающих предел несущей способности крепи, что приводит к потере устойчивости выработки. При решении различного рода задач об устойчивых и предельных значениях обнажений кровли горных выработок в связи с объективными трудностями получения достоверной текущей информации о свойствах массива в расчетах используют понятие «эквивалентного пролета», впервые введенного проф. Слесаревым В. Д. [8].
Устойчивость протяженность горных выработок зависит от общих смещений пород. Расчет ожидаемых смещений пород должен выполняться пойнте рвал ьно, при котором выработку разбивают на несколько участков длиной 1000 - 1200 м. Горно-геологические условия в границах каждого участка принимаются осреднеиными.
Методика расчета устойчивости выработки включает: - определение эквивалентного пролета выработки; -расчет эквивалентно мощности нижнего несущего слоя кровли с учетом геологического строения пород и наличия анкерной крепи; - определение максимального смещения пород кровли за весь срок эксплуатации с учетом горнотехнических факторов. Величина эквивалентного пролета определяет степень обнажения и устойчивость пород кровли в зависимости от геометрических параметров выработки и ассоциируется с гидравлическим радиусом обнажения пород. L3 = 2Rr=2 (3.1) Р где Rr - гидравлический радиус выработки; S - площадь обнажения; Р закрепленный периметр обнажения пород. Эквивалентный пролет для конкретных горно-технических условий не зависит от величины нагрузки и упругих постоянных породы, а является лишь функцией размеров обнажения зависающей плиты. Учет геометрии сечения протяженных выработок и их сложной формы через эквивалентный пролет осуществляется по следующей общей зависимости: L KR + Rj + d], (3.2) где R и R] - параметры, которые определяются для каждой конкретной формы сечения выработки, d - принимается в соответствии со спецификацией к соответствующим формам сечения выработок. К расчетным параметрам анкерной крепи относятся: длина анкеров (минимальная мощность скрепляемых пород), а также плотность их установки (расстояние между анкерами по ширине и длине выработки). Расчет параметров крепи базируется на следующих основных данных: -геологическом разрезе пород кровли на глубину, определяемую свойствами пород и технологическими характеристиками крепи; - сведениях о форме поперечного сечения, размерах выработки в поперечном сечении и в плане (эквивалентный пролет выработки); - глубина заложения выработки; - физико-механические свойства пород в пределах эквивалентной мощности кровли. Для протяженных выработок, наиболее широко используемых в практике разработки угольных месторождений Южного Кузбасса, расчет эквивалентного пролета производится по следующим формулам (рис. 3.1): выработки арочной формы сечения: L3-l,33(R + d); (3,3) выработки прямоугольного сечения: U= 1,33 d; (3.4) выработки сводчатой формы сечения: L3=l,33(2R, + d); (3.5)
Эквивалентная мощность пород кровли протяженных выработок определяется мощностью несущих слоев пород, в пределах которой они сохраняют необходимую устойчивость при условии установки анкерной крепи минимальной расчетной глубины, обеспечивающей сохранение выработки в соответствии с ее технологическим назначением.
Эквивалентная мощность пород учитывает параметры анкерной крепи и выработки, прочностные и деформационные характеристики пород, определяет величину и скорость смещения кровли выработки в установившемся режиме ее деформации (рис. 3.2.).
Разработка конструкции бурильной установки для анкерного крепления
С целью устранения указанных недостатков институтом «Автомат-углепром» была разработана конструкция электрического сверла СЭР-1, предполагавшая повышение надежности и увеличение срока его службы.
Однако эксплуатация электросверл типа СЭР показала, что не удалось избавиться от основных недостатков, присущих всем видам электрических средств бурения: сложность конструкции, значительная масса (17-23,9 кг), недостаточная мощность (1,2-1,3 кВт), необходимость использования сложной вспомогательной электрической аппаратуры (АП, АБК, пускателя), низкая надежность, незначительный срок службы (1,5 -2 мес), жесткая механическая характеристика электродвигателя.
Исследования применяемой на шахтах технологии бурения шпуров электросверлами ЭР18Д показали, что дискретная подача электросверла станочнореечным устройством создает высокие пиковые перегрузки с выводом электродвигателей в пусковой режим, который является основной причиной быстрого выхода из строя механической и электрической частей электросверл.
При эксплуатации электрических сверл не регулируется скорость вращения шпинделя, а, следовательно, и вращательный момент на валу электродвигателя. В связи с этим электросверла не могут быть использованы в качестве гайковерта. Это служит причиной комплектования их тяжелыми гайковертами и ведет к увеличению массы вспомогательного оборудования в забое, которая на один киловатт мощности для гидравлических и пневматических машин по сравнению с электрическими соотносится как 1:14. В настоящее время созданы все предпосылки для замены сложного, ненадежного, маломощного электрического вспомогательного оборудования на гидравлическое. Наряду с достоинствами гидравлических сверл - небольшой массой, низким уровнем шума (порядка 70 дБ) и возможностью применять в любых горно-технических условиях, следует отметить значительные недостатки - необходимость подвода рабочего давления порядка 30-35 МПа, что делает невозможным их использование в выработках, в которых отсутствует высоконапорная магистраль.
Для бурения шпуров по породам прочностью более 80 МПа (f 8) рекомендуется использовать пневматические перфораторы. Техническая характеристика перфораторов приведена в табл. 4.2. При применении пневматических бурильных установок на шахтах необходимо иметь централизованную поверхностную компрессорную станцию или подземные передвижные компрессорные станции типа ЗИФ, УКВШ или иностранного производства, устанавливаемые соответственно на свежей струе воздуха или непосредственно в проходческом забое. При этом давление сжатого воздуха должно быть не менее 400-500 кПа (4-5 атм).
Подводя итоги сказанному, можно отметить, что при применении рпазличного типа ручных сверл для бурения шпуров используется большая доля физического труда, что ухудшает безопасность, снижает производительность и темпы проведения работ по креплению, а, следовательно, скорость проходки выработок. К тому же использование гидравлических или пневматических сверл требует применения дополнительного оборудования, что на некоторых шахтах не возможно по различным причинам.
В последние годы в связи с изменившейся экономической ситуацией в стране собственники угледобывающих предприятий получили возможность приобретения импортного оборудования для производства работ по установке анкерного крепления. Переносные бурильно-установочные колонки обладают рядом преимуществ по сравнению с ручными сверлами. Они, во-первых, значительно снижают долю тяжелого физического труда, повышая его производительность и безопасность работ; во-вторых, могут устанавливаться на проходческих машинах, что позволяет механизировать все процессы анкерного крепления. На Томском приборном заводе, учитывая положительные и отрицательные качества импортных колонок, был разработан ручной пневматический буровой станок типа РБШСПП. Характеристика ручных бурильных установок приведена в табл. 4.3.
Сравнительная оценка технических характеристик и конструкционных параметров бурильных переносных машин иностранного производства Wombat, Rambor, Turbo Bolter, Gopher, King Cobra, Mongoose и отечественного производства РБШСПП показывает, что все конструкции обладают достаточно высокими уровнями шума (84-95 дБ) и вибрации (0,679-0.763 м/с2). Исключение составляет гидравлическая бурильная машина Mongoose. Вследствие конструктивных особенностей стойки машины Wombat, Rambor быстро теряют усилие подачи. Через короткое время после начала эксплуатации машин стойки настолько изна В конструкции машин предусмотрен редукторный двигатель, который быстро снижает свой крутящий момент и, следовательно, скорость бурения. Первоначальный максимальный крутящий момент достигается при помощи фрикциона, который быстро изнашивается и требует замены. При бурении шпуров большой длины (свыше 2.0 м) или при установке машин в выработках значительной высоты (более 3,0 м) требуется включение третьей ступени, которая обладает значительно меньшим усилием подачи (3,7-5,7 кН), что резко снижает производительность машин.
Исследование сравнительных технических характеристик бурильных машин показывает, что наиболее технологичными являются установки, имеющие постоянный, не снижаемый во время работы крутящий момент, позволяющий получать большие усилия на шпинделе и высокую скорость вращения бурового инструмента. Эти характеристики особенно важны в критический момент при установке анкеров, когда возникает необходимость в быстрой досылке анкера в шпур сквозь схватывающийся композитный состав. При этом происходит ухудшение эффекта перемешивания состава. Нарушение технологии установки анкеров является отступлением от паспорта крепления, снижает качество работ, и устойчивость выработки во времени. Наиболее постоянным крутящим моментом при возможности бурения пород крепостью до 10 обладает бурильная установка Turbo Bolter.
Следует также отметить, что применяемым в настоящее время переносным станкам и установкам присущи следующие недостатки: - сложность конструкций, ведущая к снижению надежности работы и ремонтопригодности; -возможность бурения шпуров одной машиной только в вертикальной (с отклонением ±15) плоскости или горизонтальной и наклонной плоскостях, что определяет использование для обуривания периметра выработки периметра выработки нескольких машин;
