Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы высокоэффективной подготовки к отработке тонких угольных пластов и задачи исследований 16
1.1. Горно-геологические особенности месторождений Восточного Донбасса 19
1.2. Опыт применения анкерной крепи 27
1.3. Состояние и анализ изученности проблемы 46
1.3.1. Состояние и анализ изученности напряженно - деформированного состояния пород вокруг выработок 46
1.3.2. Состояние и анализ изученности влияния взрывных работ на деформирование пород кровли выработок 52
1.3.3. Состояние и анализ изученности крепления выработок анкерной крепью 57
1.3.4. Состояние и анализ изученности поведения слоистых пород кровли...62
1.3.5. Состояние и анализ изученности охраны повторно используемых выработок 68
2. Механическое состояние массива пород вблизи выработок, проводимых буровзрывным способом 75
2.1. Методика определения зоны деформированных пород при проведении выработок буровзрывным способом 80
2.2. Деформации пород кровли при взрывных работах в выработках, закрепленных рамными крепями 83
2.3. Деформации пород кровли при взрывных работах в выработках, закрепленных анкерной крепью 94
2.4.Влияние взрывных работ на прочность закрепления анкерныхстержней 108
2.5 Исследования влияния прочностных свойств пород на высоту зоны деформирования кровли выработок 118
Выводы по главе ... 123
3. Особенности проявлений горного давления в выемочных выработках .' 124
3.1. Методика натурных наблюдений 129
3.2. Исследование проявлений горного давления в подготовительных выработках, закрепленных рамными крепями 132
3.3. Шахтные испытания несущей способности сталеполимерной анкерной крепи 143
3.4. Особенности проявлений горного давления в подготовительных выработках, закрепленных анкерной крепью 166
3.5. Проявления горного давления в выработках проводимых вприсечку 174
Выводы по главе 180
4. Исследование несущей способности породных балок, формирующихся в кровле выработок 184
4.1. Методика исследования 184
4.2. Исследование грузонесущей породной балки для определения параметров анкерной крепи 184
Выводы по главе 198
5. Теоретические основы крепления подготовительных выработок анкерной крепью 200
5.1 Напряженно - деформированное состояние массивов пород вблизи незакрепленных выработок < 202
5.2. Исследование механического состояния пород вблизи горных выработок, закрепленных анкерной крепью 218
5.3.Теоретическое обоснование расчета параметров анкерной крепи в горных выработках 228
5.4. Исследование параметров анкерной крепи при поддержании выработок в зоне влияния очистных работ 235
5.5. Расчет параметров анкерной крепи прикреплении пород в боках выработок 244
Выводы по главе 259
Заключение 262
Список использованных источников 265
- Опыт применения анкерной крепи
- Деформации пород кровли при взрывных работах в выработках, закрепленных рамными крепями
- Шахтные испытания несущей способности сталеполимерной анкерной крепи
- Исследование грузонесущей породной балки для определения параметров анкерной крепи
Введение к работе
'
Актуальность работы. Отработка тонких пологих угольных пластов на территории РФ в настоящее время ведется в основном на шахтах Восточного Донбасса. Применяемые системы разработки - длинные столбы по простиранию, падению или восстанию пласта. Отработка выемочных столбов производится по бесцеликовой технологии. Крепление выработок осуществляется в основном рамными поддерживающими крепями, анкерную крепь применяют более чем в 20 % проводимых выработок. Следует отметить, что клинораспор-ную анкерную крепь на шахтах Восточного Донбасса начали применять в 60-е годы при проведении подготовительных выработок в массиве. При отработке лав закрепленную анкерами выработку перекрепляли или усиливали рамной крепью, при этом выработка, как правило, погашалась.
С переходом горных работ на глубину 500 м и более и при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов объем применения анкерной крепи стал интенсивно уменьшаться и в 1994 г. на шахтах ОАО «Ростовуголь» составил 14,3 %; в ОАО «Гуковуголь» - 9,6 % по отношению к уровню 1989 г. Такое положение вызвано тем, что несущая способность различных конструкций клинораспорных анкеров (АШ-1, ЭС-1, АК-8 и др.) не превышает 60-70 кН и в соответствии с действовавшей тогда «Инструкцией по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Ростовской области» (г. Шахты 1993 г.) разрешалось применять ее только в благоприятных условиях, при поддержании выработок вне зоны опорного давления. В более сложных горно-геологических условиях анкерную крепь рекомендовалось использовать лишь как временную при проведении выработок, а в дальнейшем - как усиливающую при возведении рамных, монолитных бетонных или других поддерживающих крепей. Низкая несущая способность клинораспорных анкеров, большая трудоемкость крепления комбинированными крепями, усложнение условий поддержания выработок в связи с увеличением глубины горных работ явились объективными причинами снижения объемов применения анкерной крепи.
С переходом на бесцеликовую технологию при увеличении глубины разработки выемочные выработки подвергаются большим деформациям и металлическая арочная крепь, имеющая ограниченную конструктивную податливость и несущую способность, не в состоянии противостоять разрушающему воздействию горного давления. Неудовлетворительное состояние подготовительных выработок, большая трудоемкость их поддержания и перекрепление, особенно на сопряжениях с очистным забоем, сдерживали работу по добыче угля. По состоянию на 01.01.2001 г. средние нагрузки на очистной забой в ОАО «Ростовуголь» и «Гуковуголь» составляли 400-700 т/сут.
Проводимая реструктуризация угольной промышленности РФ предусматривает закрытие нерентабельных предприятий с повышением эффективности работы перспективных шахт и сохранением существующих объемом добычи угля. Это будет возможно при увеличении нагрузок на очистные забои до 2,0-3,5 тыс. т/сут, т. е. до среднего мирового уровня из очибтного забоя на пластах
{ РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
I БИБЛИОТЕКА 3
такой мощности. Для обеспечения такого уровня нагрузки на очистной забой его подвигание должно составлять 8-12 м/сут, а для воссоздания подготовленных запасов скорость проведения подготовительных выработок должна быть не менее 15-25 м/сут.
Тонкие пологие пласты Восточного Донбасса характеризуются наличием вмещающих пород прочностью 50-80 МПа, вследствие чего основным способом проведения выработок в бассейне является буровзрывной, при котором указанные скорости проведения выработок являются недоступными. Реальная средняя скорость проведения выработок при использовании крепей поддерживающего типа составляет 40-60 м/мес, а при сталеполимерной анкерной крепи -130-180 м/мес.
Как показал опыт передовых угледобывающих стран (США, Англия, Австралия, Германия), эффективное и надежное крепление капитальных и подготовительных выработок может быть обеспечено при использовании сталепо-лимерных анкеров с несущей способностью 200-250 кН. Анализ опыта применения стаполимерных анкеров на зарубежных шахтах показывает, что, несмотря на достигнутые успехи, анкерная крепь в соответствии с существующими нормативными документами продолжает использоваться как вспомогательная с усилением ее в зоне опорного давления металлической рамной крепью. Существующие методики определения параметров анкерной крепи базируются на том, что закрепление ею выработок осуществляется путем «подвески» сравнительно слабых слоев к мощному слою, который находится на расстоянии 2-4 и более метров от кровли выработки, при этом в сечении выработки, равном 20-24 м2, устанавливается, как правило, 25-30 анкеров.
В России и бывших республиках СССР вопросам крепления горных выработок на больших глубинах, в том числе с применением анкерного крепления было посвящено большое количество работ. В качестве основополагающих следует отметить работы таких ученых, как В. Н. Семевский, А. П. Широков,
A. А. Борисов, К. А. Ардашев, Ю. 3. Заславский, В. Т. Глушко, К. Р. Кошелев,
Е. Б. Дружко, Г. Л. Фисенко, В. П. Зубов, Г. И. Кравченко, И. Л. Черняк,
О. В. Тимофеев, А. Г. Протосеня, А. М. Козел, В. А. Лидер, Г. Г. Штумпф,
B. А. Борисовец, В. Н. Рева, М. А. Розенбаум, В. В. Райский, Н. И. Мельников,
О. И. Мельников и др. Однако большинство этих работ относится к крепле
нию выработок поддерживающими рамными или клинораспорными анкер
ными крепями.
Впервые в России возможность использования сталеполимерной анкерной крепи высокой несущей способности в качестве основной для горных выработок, в том числе в зоне опорного давления и сохраняемых для повторного использования, теоретически обосновал К. А. Ардашев. При этом им рассматривался вариант обеспечения устойчивости выработок, пройденных в породах практически любой прочности, путем формирования в кровле выработок несущего слоя определенной мощности. Эта идея К. А. Ардашева положена в основу рассматриваемой работы, однако для ее практического воплощения необходимо было рассмотреть следующие вопросы: как влияет ведение буро-
взрывных работ на формирование зоны нарушенных пород вокруг выработок; как определяется необходимое сопротивление сталеполимерной анкерной крепи и ее длина для кровли и боков выработок;* какую расчетную схему для определения несущей способности балки, сформированной из слоистых пород путем скрепления их в единый слой, необходимо применять, учитывая нарушения пород вокруг выработки в процессе ее проведения и при попадании в зону опорного давления; какой несущей способностью должны обладать ста-леполимерные анкеры, применяемые в качестве основной крепи. Кроме того, необходимо было практически оценить работоспособность сталеполимерной анкерной крепи в зоне опорного давления, в том числе в выработках, пройденных вприсечку и поддерживаемых для повторного использования.
Без решения указанных вопросов и разработки на их основе нормативных документов был бы невозможен повсеместный переход на крепление горных выработок сталеполимерной анкерной крепью в условиях тонких пластов. Решению этих вопросов и посвящена данная работа.
Цель работы. Обеспечение фронта очистных работ при интенсивной бесцеликовой отработке тонких пологих пластов путем применения в качестве основной - сталеполимерной анкерной крепи и повторного использования выработок.
Идея работы. Повышение устойчивости выработок в трещиноватом дискретно-блочном массиве в результате создания несущих породных систем за счет увеличения коэффициента сцепления, угла внутреннего трения вмещающих пород, выбора соответствующих параметров анкерной крепи и паспортов крепления.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ сведений, содержащихся в литературных и патентных источниках, экспериментальные шахтные и лабораторные исследования в сочетании с аналитическими методами обработки их результатов.
Задачи исследований
1. Установить зависимость параметров зон деформирования и нарушения
пород в окрестности подготовительных выработок, проводимых различными
способами, от состояния вмещающих пород на всех стадиях их поддержания.
-
Исследовать закономерности изменения напряженно-деформированного и механического состояния угольного массива в боках выработок на всех стадиях их эксплуатации.
-
Установить влияние конструкций анкерных стержней и величины их заделки в скважине скрепляющим составом на устойчивость пород кровли и боков, представленных слоистыми структурами.
-
Разработать методику выбора и расчета параметров крепления сталепо-лимерными анкерами подготовительных выработок на различных стадиях их проведения и поддержания, в том числе в сложных условиях (влияние очистных работ и выработанного пространства при их поддержании за лавой для повторного использования).
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Применение сталеполимерной анкерной крепи в качестве основной для горных выработок при бесцеликовой отработке тонких пологих пластов возможно в зоне активного горного давления и в выработках, используемых для повторного использования, что обеспечивает максимальные темпы воспроизводства фронта очистных работ.
-
Нарушенные породы кровли после установки анкерной крепи можно рассматривать как слоистую балку, несущая способность которой зависит от способа проведения выработки, расположения ее относительно выработанного пространства, силовых и конструктивных параметров анкерной крепи.
-
Параметры анкеров для крепления боков выработки в зонах интенсивного разрушения пород необходимо определять с учетом размеров зон, характеризующихся напряженным состоянием от одноосного до объемного.
-
Расчет параметров сталеполимерной анкерной крепи для подготовительных выработок, проводимых буровзрывным способом, следует производить с учетом параметров техногенной трещиноватости и напряженно-деформированного состояния (НДС) массива на стадии влияния очистных работ и выработанного пространства.
Основные научные результаты и научная новизна работы заключаются:
-
В установлении механизма формирования породного массива в кровле выработок, предварительно нарушенного при проходке буровзрывными работами (БВР), а затем скрепленного сталеполимерными анкерами, характерной особенностью которого является повышение таких показателей прочности, как сцепление и угол внутреннего трения пород, что способствует возможности создания устойчивых систем, состоящих из отдельных слоев, адекватных по своим механическим характеристикам системам, сложенным монолитными слоями, эквивалентными по мощности, и обеспечивающими устойчивость пород в обнажениях.
-
В разработке и обосновании принципиально новой концепции применения при отработке тонких пологих пластов сталеполимерной анкерной крепи, которая заключается в том, что вследствие повышенной несущей способности этой крепи и возможности с ее помощью изменять механические свойства массива и значительно (в 2,5-5 раз) увеличивать устойчивость кровли по сравнению с распорными анкерами, ее можно использовать в качестве основной крепи в горных выработках на всех стадиях их существования: проведения, нахождения в зоне опорного давления и поддержании за лавой для повторного использования.
-
В разработке нового подхода к расчету максимальной высоты расслоения пород над выработкой и условий его возникновения, при котором, в отличие от известных методик, кроме учета фоновых для данной глубины напряжений сжатия и напряжений изгиба слоев от собственного веса, учитываются: повышенные напряжения над боками выработок, вызванные перераспределением вертикальных напряжений; их направления, мощность породных слоев над выработкой и сопротивление анкерной крепи.
-
В аналитическом обосновании условий разрушения расслоившихся пород кровли над выработкой от их продольного сжатия, в котором, в отличие от
известных подходов, использовались величины опускания (прогиба) кровли в средней части выработок, определяемые условиями закрепления концов породных балок (защемленная с обеих сторон, свободно лежащая на двух шар-нирно-неподвижных опорах, опертая на неподвижную и подвижную опоры) в зависимости от способа проведения выработок и местонахождения их относительно выработанного пространства.
-
В установлении опытным путем при внедрении сталеполимерной анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса влияния взрывных работ на протяженность и высоту зоны деформирования пород, несущую способность анкерной крепи при различных соотношениях диаметров стержня анкера и скважины, длину закрепления анкера в скважине и его конструктивное исполнение.
-
В раскрытии механизма деформирования породного массива в боках выработки, в котором, в отличие от известных подходов, разрушение горных пород в них рассматривается в зависимости от ширины зон одноосного и объемного сжатия, при этом сформулированы критерии разрушения пород и предложены формулы для расчета длины анкеров для крепления боков выработок с учетом размеров этих зон.
Научное значение работы состоит в теоретическом обосновании нового подхода к обеспечению устойчивости породных обнажений в выработках, в том числе в условиях техногенной трещиноватости при проходке выработок с помощью БВР, влияния очистных работ, поддержания выработок на границе с выработанным пространством и при повторном их использовании.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
результатами многолетних шахтных исследований по изучению зон нарушенных пород кровли, проведенных в выработках, закрепленных рамными и анкерными крепями, на шахтах ПО «Торезантрацит», ОАО «Ростовуголь» и «Гуковуголь»;
результатами математического моделирования на гидродинамических моделях и решением плоских задач горной геомеханики;
результатами промышленных испытаний и эксплуатации сталеполимерной анкерной крепи на шахтах ОАО «Ростовуголь», «Гуковуголь», «Донуголь»;
положительными результатами внедрения технических решений и рекомендаций по обеспечению устойчивости проводимых выработок;
широким использованием рекомендаций автора в нормативно-методических документах по креплению выработок сталеполимерной анкерной крепью;
применением результатов исследований и методических разработок автора в работах других исследователей.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработана методика выбора и расчета параметров крепления подготовительных выработок сталеполимерными анкерами, отличающаяся учетом сложных горно-геологических условий (в зоне опорного давления лавы, смещения пород на границе с выработанным пространством и при повторном ис-
пользовании выработки, техногенная трещиноватость пород и др.) при бесце-ликовой отработке тонких пологих пластов.
-
Определена область рационального использования сталеполимерной анкерной крепи в соответствии с ее конструктивными особенностями, несущей способностью и условиями работы в выработках вне зоны и в зоне влияния очистных работ.
-
Получены качественные характеристики показателей проявлений горного давления в подготовительных выработках, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью в широком диапазоне горно-геологических условий, которые могут быть использованы при отработке тонких пологих пластов в аналогичных условиях.
Практическое использование работы
Основные положения разработок автора вошли в отраслевые нормативно-методические документы («Руководство по определению параметров крепи сопряжений горизонтальных и наклонных выработок для условий шахт Восточного Донбасса». - СПб.: ВНИМИ, 1996; «Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса». - СПб.: ВНИМИ, 1998; «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России». - СПб.: ВНИМИ, 2000; ГОСТ «Анкерные крепи». -СПб.: ВНИМИ, 2001), которые используются на шахтах ОАО «Гуковуголь», «Ростовуголь», «Донуголь», а также шахтах Печорского и Кузнецкого бассейнов. Результаты работы нашли применение при проектировании паспортов крепления выработок проектными организациями и широко используются в учебном процессе, - это отражено в учебных пособиях: «Управление качеством подземного и шахтного строительства». - Новочеркасск: НПИ, 1990; «Проектирование вертикальных стволов». - Новочеркасск: НПИ, 1992; «Разрушение горных пород взрывом». - Новочеркасск: НГТУ, 1996; «Технология и безопасность взрывных работ». - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000.
Личный вклад автора заключается в решении важнейшей научно-технической проблемы обеспечения устойчивости подготовительных выработок при бесцеликовой отработке тонких пологих пластов путем повышения собственной несущей способности пород сталеполимерной анкерной крепью на всех стадиях их эксплуатации; в постановке многолетних исследований проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках при различных способах их проведения и поддержания рамными поддерживающими и анкерными крепями различной конструкции; в обработке и обобщении результатов исследований, в разработке методики расчета параметров анкерной крепи, а также промышленном опробовании и внедрении сталеполимерной анкерной крепи на шахтах ОАО «Гуковуголь», «Ростовуголь» и «Донуголь».
Апробация. Основные результаты исследований рассматривались в институтах ВНИМИ и ИГД им. А. А. Скочинского на V Всесоюзном семинаре «Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами», Москва, 1986 г.; на И международном рабочем совещании «Проблемы геодинамиче-
ской безопасности», С.-Петербург, 1997 г.; на совещании по подготовке окончательной редакции «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России», С.-Петербург, 1999 г.; на конференциях «Неделя горняка», Москва, 2001, 2002 гг.; на ежегодных конференциях Шахтинского института ЮРГТУ, Шахты, 1996-2002 гг.
Публикации. По вопросам управления горным давлением в очистных и подготовительных выработках при отработке тонких пологих угольных пластов, механике горных пород, качеству проводимых и поддерживаемых выработок и совершенствования методов исследований автором опубликовано 52 печатные работы. Основные положения диссертации изложены в 38-ми печатных работах, среди которых три монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 225-ти наименований и содержит 281 страницу машинописного текста, в том числе 17 таблиц и 86 рисунков.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за методическую помощь при определении направлений исследований, ценные советы и пожелания научным консультантам проф. К. А. Ардашеву и д. т. н. М. А. Ро-зенбауму, а также за советы и помощь при обработке результатов шахтных и лабораторных исследований на различных этапах выполнения работы - профессорам П. С. Сыркину, В. И. Павленко, В. М. Шику, Ю. В. Громову; д. т. н. С. Г. Баранову; кандидатам техн. наук В. А. Борисовцу, А. Б. Соколову, О. Т. Степаненко; инженерам С. А. Федористову, В. В. Комиссарову и др.
Опыт применения анкерной крепи
Опыт применения анкерной крепи Каждая из ведущих горнодобывающих стран мира приписывает себе приоритет применения анкерной крепи. В литературе об анкерной крепи упоминается в 1872 г. в связи со сланцевыми разработками в Северном Уэльсе. В немецкой литературе сообщается о применении анкерной крепи еще до первой мировой войны. Американские исследователи считают, что анкерная крепь впервые применялась на свинцовых рудниках Сент - Джозеф в 1917 г. Первая большая работа по применению анкерной крепи была опубликована голландским инженером 3. С. Бейлем в журнале Colliery Engineering в 1945 г. В б. СССР еще в 1940 г. техник Яковлев разработал конструкцию анкерной крепи для крепления тоннеля на руднике "Анатомы", однако его предложение не было реализовано. Только в 1947 г анкерная крепь нашла широкое применение при креплении выработок в Донбассе [37]. В настоящее время анкерную крепь применяют для крепления капитальных, подготовительных и очистных выработок в рудной и угольной отраслях промышленности, а также в энергетическом и транспортном строительстве во всех странах мира.
Отечественный и зарубежный опыт применения анкерной крепи насчитывает свыше 300 различных ее конструкций. Конструкции анкеров распорного типа приведены на рис. 1.1. На шахтах Восточного Донбасса применяют как правило конструкции анкеров АШ-1 и ЭС-1, остальные конструкции нашли применение в Кузбассе, Украинском Донбассе и других угольных районах.
Применяемые в отечественной практике клино - распорные анкеры имеют ряд известных недостатков. К их числу относятся потребность в дальнейшем инструментальном контроле первоначального закрепления замка исключение составляет анкерная крепь ШК-3. Все конструкции распорной анкерной крепи, применяемые в отечественной практике, отличаются много-операционностью при ее установке. До настоящего времени в России отсутствует отечественное высокоэффективное бурильное оборудование для бурения скважин под анкеры, особенно при наличии в кровле крепких пород прочностью 80 - 100 МПа.
Основным критерием надежной работы анкерной крепи является ее несущая способность, которая определяется пределом прочности анкерного стержня на разрыв или сопротивлением распорного замка скольжению при приложенном усилии. В отличие от рамных поддерживающих крепей, для выбора и оценки рациональных конструкций анкерной крепи необходимы соответствующие приборы с обязательными измерениями и контролем ее работоспособности.
Определению прочности закрепления распорных замков анкерной крепи посвящены многие работы отечественных и зарубежных авторов.[37, 42, 47, 50, 79, 98, 99, 105, 112, 123, 197, 216]. Основной составной частью клино - распорного анкера является замок. Каждый тип замка имеет свою рабочую характеристику, зависящую от его конструкции, способа закрепления и свойств горной породы. Графики несу щей способности замковых анкеров различной конструкции приведены на Щ рис. 1.2 [122]. Из анализа графиков следует, что для клино - распорных анке ров характеристики несущей способности выражены кривыми параболического типа с вершинами в начале координат и различной крутизной. Возрастание ординаты кривой характеризует эффективность работы замка. Силовые характеристики клиновых анкеров выражены кривыми, отличающимися от параболы.
Для характеристик работ замковых анкеров общим является возраста ние величины сопротивления выдергиванию до максимальной величины, за тем падение и смещение при постоянном приложенном усилии. Несущая способность клино - распорных анкеров со временем изменяется. Для опре деления изменения несущей способности замковых анкеров во времени про изводились периодические испытания по выдергиванию анкерных стержней [122]. Результаты этих испытаний приведены в таб Из данных приведенных в табл 1.1, следует, что при кратковременном нагружении несущая способность однотипных анкеров, установленных в одних и тех же породах, во времени практически не изменяется. Отклонения не превышают 5-10 %.
Деформации пород кровли при взрывных работах в выработках, закрепленных рамными крепями
Измерения деформаций пород кровли выработок, закрепленных различными видами крепи, исключая сталеполимерную анкерную крепь, производились с 1982 г. В процессе наблюдений было оборудовано более 60 замерных станций на 24 шахтах Донбасса. Выработки, оборудованные замерными станциями, располагались на глубине от 250 до 1000 и более метров.. Масса заряда ВВ в шпуре находилась в пределах от 1,0 до 2,5 кг. Количество шпуров, взрываемых за один цикл, составляло от 20 до 80 шт. Взрывание шпуров производилось сериями, за одну серию взрывалось от 15 до 30 кг ВВ. Работоспособность применяемого ВВ находилась в пределах от 270 до 320 см3
Результат действия взрывных работ зависит от многих факторов, основными из которых являются: физико - механические свойства пород, глубина расположения выработки от поверхности, масса и конструкция заряда ВВ. Для определения степени влияния каждого из перечисленных факторов на деформирование пород кровли был проведен комплекс шахтных наблюдений и измерений.
В результате проведенных измерений установлено, что смещения пород кровли на различных расстояниях от контура выработки различны. Установление надежной корреляционной связи между параметрами взрыва и результатами измерений практически отсутствуют. Однако с некоторыми до 83 лущениями определены зависимости высоты зоны деформированных пород от глубины расположения выработки от поверхности, которые приведены на рис .2.4. При глубине 300 м мощность деформированных пород кровли (при интервале установки глубинных реперов через 0,5 м) составила 1 м, а при глубине 700 м породы деформировались на высоту 2,5 м от контура выработки. Измерения смещений пород на шахте им. Киселева в 8 - западном штреке, расположение которого приведено на выкопировке из плана горных работ (рис. 2.5), производились в следующих условиях: глубина расположения от поверхности 480 м, угол падения пласта 12-14. Пласт сложного строения состоял из .трех угольных пачек, разделенных породными прослоями. Общая мощность пласта 0,8-0,9 м. Непосредственная кровля пласта представлена темно-серым слоистым глинистым сланцем. Изредка в глинистом сланце прослеживались тонкие прослойки угля. В кровле наблюдались трещины с углом падения 25-70, по плоскостям которых имелись зеркала скольжения. Зеркала скольжения часто наблюдались и по плоскостям напластований. Кливажная трещиноватость в породах кровли была выражена хорошо. Азимут падения кливажа пород кровли составлял 130-150. Угол падения - 70-80. Расстояние между трещинами - 0,7-1,0 м. Коэффициент крепости f=4-6. Предел прочности на сжатие, определенный лабораторией До-нУГИ, составлял 34,8-36,0 МПа, в водонасыщенном состоянии - 23,2 - 27,4 МПа.
Основная кровля - песчаный сланец, темно-серый, слоистый мощностью 22 м, который переходил в песчано-глинистый сланец средней обру-шаемости. По зеркалам скольжения и углистым прослойкам возможны обрушения пород. Особую опасность представляли места с пересекающимися трещинами. Кроме того, встречались размывы пласта, где его мощность составляла 0,17-0,8 мВыкопировка из плана горных работ шахты им. Киселева Уголь обычно был замещен слабым глинистым сланцем с зеркалами скольжения.
Глинистый сланец в местах размывов легко отслаивался по зеркалам скольжения, поэтому места размывов требовали усиленного крепления. Породы кровли в водонасыщенном состоянии теряли прочность, поэтому были возможны вывалы боковых пород и пород кровли.
Штрек закреплен арками из СВП - 17. Сечение выработки в свету SCB=13,5 м . Плотность установки крепи - 0,9 арки на метр. Межрамное ограждение по кровле и бокам производилось железобетонными затяжками. Всего за период наблюдений было проведено 9 полных циклов измерений. Каждый цикл включал шесть взрываний забоя при проходке выработки. График измерения смещений пород кровли по глубинным реперам, установленным на различной высоте от контура выработки (№ 1 - 1,5 м; № 2 - 2 м; № 3 - 3 м; №4 - 4,5 м; № 5 - 6 м; № 6 - 8 м), приведен на рис.2.6.
Смещения контурного репера после первого цикла взрывных работ составляли 3 мм. После проведения шести циклов взрывных работ смещения этого репера достигали величины 4 мм. Измерения позволили четко определить смещения глубинных реперов № 1 - 3, которые имели смещения от 1,5 до 2,5 мм. Смещения глубинных реперов № 4 - 6 не превышали 1 мм. Аналогичная картина процесса деформирования пород кровли отмечалась и при измерениях смещений стержневого репера. Только абсолютные величины смещений этого репера достигали значений 8 мм и более. График смещения стержневого репера представлен на рис. 2.7. Диаграмма срабатывания датчиков - фиксаторов приведена на рис. 2.8. Длина датчика-фиксатора была равна 1 м. Скважина оборудовалась 8 датчиками. Наибольшая высота срабатывания датчика - фиксатора составляла 7 м. Срабатывание датчиков - фиксаторов на глубине 5 м и более отмечено два раза и только через 5-10 часов после взрывных работ.
Шахтные испытания несущей способности сталеполимерной анкерной крепи
Как уже упоминалось ранее, анкерные крепи по материалу применяемого в них стержня делятся на следующие: металлические (из круглой стали, стальных стержней периодического профиля, шестигранной стали, стальных канатов, тросов и пучков проволоки, трубчатые, винтовые, железобетонные, сталеполимерные, полимерные и деревянные.
В соответствии с методикой проведения испытаний, приведенной в работе [39], с июля 1997 г. проводились испытания импортной технологии и техники крепления выработок сталеполимерной анкерной крепью. В дальнейшем при непосредственном участии автора были разработаны еще шесть типов анкерных стрежней. С 1998 г. анкерное крепление выработок начали осуществлять с использованием отечественной буровой техники.
Горно-геологические и горно-технические условия мест проведения шахтных испытаний приведены в табл. 3.4. Анкерные стержни закреплялись в скважинах при помощи полимерных ампул отечественного и импортного производства. В процессе испытаний определяли время бурения скважин, время установки и несущую способность анкерных стержней различных конструкций. За время промышленных испытаний сталеполимерной анкерной крепи на шахте « Дальняя» пройдено 210 м штрека, на шахте «Ростовская» - 780 м выработки, а также 180 м штрека на шахте «Шерловская — Наклонная». Натяжение анкерного стрежня производилось с помощью штанговыдергивателя ВШГ-16, характеристика которого приведена в табл. 3.5. Таблица 3.4. Параметры выработки и крепи 02 западныйштрек ш.«Дальняя» Конвейерныйштрек 0201 ш. «Ростовская» Конверный штрек №01 ш. «ШерловскаяНаклонная» Форма поперечного сечения выработки Трапецевидная Трапецевидная Прямоугольная, неравномерная Вид подрывки Нижняя Нижняя Верхняя и нижняя Мощность угольного пласта, м 1,3-1,4 0,8-1,05 1,3 Угол залегания пласта, град 16-21 16-17 6-16 Ширина выработки, м 4,5 4,5 5,66 Глубина расположения от поверхности, м 520 538 150-170 Структурный состав пород сланец песчано-глинистый, м песчаный сланец, м 0,8-1,5 0,5-17- 8,8 Тип постоянной крепи Арка, АШ-1, сталеполимер-ные анкеры конструкции «Р» с подхватом, АСГ-1 сподхватом Арка, АШ-1, австралийские анкеры, стале-полимерные анкеры конструкции «Р», АСГ-1 СВП-17,стале-полимерные анкеры АД-1 Длина анкера, м 2,0 1,8 2,3 Диаметр стержня анкера, мм 20 20 22 Плотность установки анкеров 1,2x0,9 1,0x1,0 1,0x1,0 Таблица 3. Максимальное рабочее усилие, кН . 160 Масса, кг домкрата насоса ю,12 Длина соединительных шлангов, м 5 Рабочая жидкость Минеральное масло Все семь типов анкерных стержней проверялись на надежность резьбового соединения и фиксации гайки в период перемешивания скрепляющих полимерных ампул в. скважине. Отечественные анкерные стержни испытыва 145 лись с фиксаторами различных конструкций (гайки со шплинтом, недорезание резьбы у гайки др.). Проверке подвергался также соединительный узел составных анкерных стержней. На шахте «Дальняя» перемешивание полимерных ампул осуществлялось с помощью глухой гайки. На шахте «Ростовская» эта операция производилась с помощью контргайки, несмотря на то, что такое техническое решение добавляет четыре операции в процесс установки анкерного стержня.
В результате проведенных испытаний установлено, что время твердения применяемых ампул (см. табл. 3.3) соответствует их технической характеристике. Усилие сцепления полимерных ампул со стенками скважины и анкерным стержнем соизмеримо с усилием болтового соединения составного анкерного стержня и составляет 120 кН.
При бурении скважин станком ALMTNGO - AR-86 время бурения одной скважины глубиной 1,8 м составляло 3-4 минуты и глубиной 3,3 м - 7-12 мин. После успешных промышленных испытаний еще в шести выработках ОАО «Гуковуголь» перешли на крепление выработок сталеполимерной анкерной крепью. Параллельно проводилось испытание отечественной буровой техники для бурения скважин под анкеры и их установка (см. рис. 3.1). В штреке № 0113 шахты «Ростовская» бурение скважин под анкеры и их установка производились перфоратором ССПБ-1, техническая характеристика которого приведена в табл. 3.6. Перфоратор предназначен для бурения шпуров диаметром 32-43 мм и глубиной до 5 м в породах с коэффициентом крепости/=20. Время бурения перфоратором ССПБ -1 шпура диаметром 42 мм и глубиной 2 м составляло 10 минут. После переоборудования перфоратора для бурения шпуров диаметром 30 мм время бурения уменьшилось и составило для шпуров глубиной 2 м - 5 мин.
Перфораторы ПТ-48 предназначены только для бурения скважин. Установку анкерной крепи производят с помощью другого оборудования, (см. рис.3.1). Для сталеполимерных анкеров несущая способность системы "крепь -боковые породы" обеспечивается тремя факторами: - усилием сцепления полимерного твердеющего состава ампул с поро дой стенок скважины; - усилием сцепления полимерного состава ампул с анкерным стержнем; - прочностью на разрыв анкерного стержня. Анкерную крепь с закреплением по всей длине скважины можно отнести к крепи с регулируемой несущей способностью, что хорошо проиллюстрировано в работе [136]. В шахтных условиях практически невозможно выделить влияние первых двух факторов. Поэтому методикой шахтных испытаний предусматривалось определять несущую способность сталеполимерной анкерной крепи по сопротивлению выдергивания анкерного стержня при смещении его до 20 мм и прочностью стержня на разрыв. Кроме того, испытания позволили определить влияние шероховатости поверхности анкерного стержня на его несущую способность. Эти испытания включали определение несущей способности анкерных крепей со стержнями периодического профиля из арматурной стали диаметром 20 мм; со стержнями круглого поперечного сечения диаметром 20 мм, которые включали восемь разновидностей стержней (стержни с винтообразной проточкой, стержни с нарезанной резьбой длинной от 100 до 200 мм и др.) и со стержнями из шестигранной буровой стали. Испытания проводились в скважинах диаметром 30 мм. Результаты проведенных испы 147 таний приведены на рис.3.8. Несущая способность анкерной крепи со стержнями круглого поперечного сечения составляет 120 кН, а со стержнями периодического профиля 140 кН. Отмечено различие в работе анкеров, у которых закрепление стержня производится по всей длине и на отдельных участках.
Испытания по определению несущей способности сталеполимерных анкеров в зависимости от величины заполнения шпура скрепляющим составом от 305 до 1100 мм производились в натурных условиях, в породах крепостью/ 4-8, для анкерных стержней диаметром 20-24 мм. При величине заделки 300 мм несущая способность анкеров составляла не мене 90 кН, а при заделке 1100 мм - 120 кН. В рассматриваемых испытаниях под «заделкой» понимается величина заполнения полимерным составом скважины с анкерным стержнем.
Как следует из графика на рис. 3.8, значение.максимальной несущей способности анкеров зависит от величины заполнения шпура скрепляющим составом при смещении до 20 мм. При этом наибольшую несущую способность, равную 120 -160 кН, имеют анкеры с величиной заделки 830—1100 мм. При величине заделки анкерного стержня, равной 305-350 мм, несущая способность составляет 90 кН. Диаграмма нагружения крепи при смещениях до 5 мм одинакова. Различия начинаются после смещений анкерного стержня на 10 мм и более.
Исследование грузонесущей породной балки для определения параметров анкерной крепи
Аналитические исследования по определению максимальных прогибов породных грузонесущих балок позволяют проанализировать влияние способов закрепления концов этих балок на величину их прогибов. По полученным величинам допустимых прогибов определяется толщина как однослойной, так и многослойной породной балки.
Математическое моделирование с помощью программы "ZENIT", с реализацией метода конечных элементов, заключалось в решении плоской математической задачи теории упругости. В результате было установлено влияние анкерной крепи различных конструкций на механическое состояние пород кровли.
Моделировалась слоистая грузонесущая породная балка кровли выработки. По длине каждый слой разбивался на 20 элементов. Высота каждого слоя принималась от 0,05 до 0,8 (0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,8). Слоистость пород кровли моделировалась межслоевой прослойкой, которая имела толщину в 20 раз меньше, чем толщина самого тонкого слоя.
Длина пролета многослойной балки принималась равной 3-5 м. Количество слоев изменялось от 2 до 13 (2, 4, 5, 8, 11, 13). Глубина заложения моделируемых выработок принималась равной 400, 600 и 800 м. Закрепление слоистой балки по концам, на опорах, производилось, как показано на рис 4.1. Всего просчитано более 200 вариантов.
Исследование грузонесущей породной балки для определения параметров анкерной крепи Шахтные и аналитические исследования позволили создать несколько гипотез, в которых расчеты, в той или иной степени, сводятся к формированию в массиве горных пород грузонесущей конструкции в виде составной балки, плиты или арки.
Способы закрепления концов породных балок: а — балка на двух шарнирно-недвижных опорах; б - балка защемленная с обеих концов; в - балка опертая на шарнирно-неподвижную опору и каток Впервые это направление при изучении поведения заанкерованной толщи в кровле горных выработок анкерной крепью было использовано О. Якоби. В дальнейшем оно получило развитие в работах В. Н. Семевского, О. В. Тимофеева, Е. Я. Махно, Г. Л. Фисенко, А. Пашка, А. А. Борисова, К. А. Ардашева, А. П. Широкова и др.
Сущность такого подхода заключается в том, что скрепленная анкерами слоистая кровля, рассматривается как равномерно нагруженная балка, нижние слои которой работают на растяжение, а верхние - сжатие.
Составная балка должна выдержать без потери устойчивости собственный вес и при-грузку со стороны покрывающих пород. При этом имеется в виду, что суммарный момент сопротивления отдельных слоев балки всегда меньше момента сопротивления составной балки. Однако у исследователей нет единого мнения о закреплении концов балки.
В предлагаемых схемах она рассматривается как защемленная, балка на опоре и катке и свободно лежащая на двух опорах. Исходя из реальной картины деформирования пород кровли, нами рассмотрены три способа закрепления балки, наблюдаемые в натурных условиях (см. рис. 4.1).
Результаты проведенных исследований, приведенные в наших работах [144, 148], позволяют сделать вывод, что при проведении горных выработок буровзрывным способом, грузонесущая конструкция балки над выработкой, расположенной вне зоны влияния очистных работ, и на сопряжении капитальных горных выработок, закрепленных анкерной крепью, может рассматриваться как балка, свободно лежащая на двух опорах.
При проведении выработок комбайнами вне зоны влияния очистных работ, балку можно рассматривать как защемленную с обоих концов. В зоне влияния очистных работ балку можно рассматривать лежащей с одной стороны на опоре , а с другой на катке.
