Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель, задачи методы исследований.
1.1. Горно-геологические и горнотехнические условия проведения, крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Донбасса РФ 13
1.2. Анализ теоретических и экспериментальных исследований в области проявлений горного давления в выемочных подготовительных выработках . 17
1.3. Анализ параметров анкерных крепей и крепей усиления для поддержания выемочных выработок 23
1.4. Анализ основных методов и требований к выбору типов и параметров охранных конструкций на пластах со средне- и труднообрушающейся кровлей 31
Выводы, идея, цель и задачи исследований 35
2. Шахтные исследования влияния слабых контактов на смещения кровли и нагрузки на крепи в выемочных выработках 38
2.1. Методика шахтных исследований в повторно используемых выемочных выработках 38
2.2. Шахтные исследования влияния слабых контактов на высоту зоны расслоения, смещения пород кровли и нагрузки на анкерную крепь в выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ 41
2.3. Шахтные исследования влияния слабых контактов на смещения пород кровли и нагрузку на анкерную крепь и крепь усиления в выемочных выработках при их охране тумбами из деревянно-бетонных блоков 64
2.4. Разработка технических требований и проверка в стендовых и шахтных условиях крепей усиления в виде тумб из блоков БКУ с высокой несущей способностью и ограниченной податливостью 72
Выводы 79
3. Исследования влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на размеры зоны неупругих деформаций в породах кровли повторно используемых выемочных выработок 82
3.1. Типы и характеристики слабых контактов в осадочных породах 82
3.2. Методика моделирования методом МКЭ.. 84
3.3. Исследование влияния структуры кровли, глубины разработки и сопротивления анкерной крепи на высоту зоны неупругих деформаций пород кровли в выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ 95
3.4. Исследование влияния сопротивления анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций на высоту зоны неупругих деформаций пород кровли в выемочных выработках в зоне за первым очистным забоем 101
Выводы 108
4. Разработка методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса 112
4.1. Системный подход и требования к выбору параметров анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в повторно используемых выемочных выработках с учетом ресурсосбережения 112
4.2. Типовые паспорта крепления и охраны повторно используемых выемочных выработок при малом и большом количестве слабых контактов в кровле и различной глубине заложения выработок 117
4.3. Разработка методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса 138
Выводы 144
5. Промышленная проверка и экономическая оценка эффективности использования разработанных научных положений и рекомендаций 146
5.1. Опытно-промышленная проверка методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса в конвейерном штреке № 409 шахты "Замчаловская" ОАО "Замчаловский антрацит" 146
5.2. Оценка экономической эффективности применения методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и типовых паспортов крепления и охраны в конвейерном штреке № 409 шахты «Замчаловская» 160
Выводы 167
Заключение 169
Литература 171
Приложение 1 183
Приложение 2 194
Приложение 3
- Анализ теоретических и экспериментальных исследований в области проявлений горного давления в выемочных подготовительных выработках
- Шахтные исследования влияния слабых контактов на высоту зоны расслоения, смещения пород кровли и нагрузки на анкерную крепь в выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ
- Исследование влияния структуры кровли, глубины разработки и сопротивления анкерной крепи на высоту зоны неупругих деформаций пород кровли в выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ
- Типовые паспорта крепления и охраны повторно используемых выемочных выработок при малом и большом количестве слабых контактов в кровле и различной глубине заложения выработок
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение устойчивого поддержания выемочных подготовительных выработок является одной из основных проблем подземной разработки угольных пластов, без решения которой невозможно безопасное и экономически эффективное ведение горных работ на угольных шахтах.
Более 30% угольных шахт России отрабатывают пологие угольные пласты мощностью 0,85-2,0 м с крепкими породами непосредственной кровли прочностью 50-130 МПа и средне - и труднообрушающимися породами основной кровли на глубинах от 100 до 1200 м.
Применение в данных горно-геологических условиях технологии анкерного крепления и бесцеликовой охраны выемочных выработок позволяет обеспечить скорости их проведения, достаточные для воспроизводства фронта очистных работ при нагрузках на очистные забои от 2000 до 7000 тонн в сутки, улучшить качество добываемой горной массы и обеспечить рентабельную работу угольных шахт.
Большой объем теоретических и экспериментальных работ, выполненных в Российской Федерации и за рубежом, позволил обосновать требования к параметрам анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в повторно используемых выемочных выработках. Эти требования обобщены в «Инструкции по применению анкерной крепи на угольных шахтах России» (в дальнейшем Инструкции), которая является обязательной к применению на угольных шахтах.
Однако при выполнении нормативных требований к параметрам крепей и охранных конструкций в выемочных выработках с крепкими породами кровли, содержащими слабые контакты (углистые и минеральные прослойки, трещины и зеркала скольжения), отмечается значительное количество случаев завалов выработок и разрушения анкерных крепей и охранных конструкций. Недостаточная изученность влияния слабых контактов на деформирование пород кров-
5 ли и не соответствие параметров анкерных крепей, крепей усиления и охранных конструкций данным условиям резко снижают безопасность и эффективность поддержания выемочных штреков.
По указанным причинам исследования влияния слабых контактов на деформирование крепких пород кровли выемочных выработок и обоснование для этих условий необходимых параметров анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций, обеспечивающих безопасное поддержание выемочных штреков, являются весьма актуальными.
Цель диссертации - установление влияния слабых контактов на деформирование крепких пород кровли выемочных выработок и обоснование эффективных параметров крепей и охранных конструкций, обеспечивающих безопасное и экономически эффективное их поддержание в сложных горногеологических условиях.
Основная идея работы заключается в системном подходе к поиску зависимостей деформирования крепких пород кровли выемочных выработок, которые позволяют своевременно и надежно прогнозировать количество расслоившихся слабых контактов и дифференцированно выбирать в зависимости от результатов прогноза параметры анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций, что обеспечивает эффективное и безопасное проведение и поддержание выемочных выработок.
Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач принят комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение, методы математической статистики, имитационное моделирование, шахтные и стендовые наблюдения и эксперименты.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- доминирующим фактором, определяющим в выемочных выработках с крепкими породами кровли прочностью 50-130 МПа размеры зоны неупругих деформаций кровли, смещения породного контура, а также фактические на-
грузки на анкерные крепи, крепи усиления и охранные конструкции, является количество расслоившихся слабых контактов в 2,5 м интервале пород кровли;
по величине среднего фактического сопротивления на первых четырех рядах анкерной крепи от забоя выработок, соответственно в пределах 0-70 кН/м" и 71-170 кН/м , можно выделять зоны в кровле выработок, в которых имеется малое (0-3 штуки) или большое (от 4 до 17 штук) количество расслоившихся слабых контактов, и обеспечивать в указанных зонах при глубинах разработки от 100 до 1200 м эффективное поддержание выработок вне зоны влияния очистных работ при длине анкеров и сопротивлении сталеполимерной анкерной крепи, соответственно равных 2,0 и 2,4 м и 120-150 и 240-300 кН/м2;
в зонах с малым или большим количеством слабых контактов в кровле выемочных выработок и в зонах влияния очистных забоев совместно с анкерной крепью должны применяться крепи усиления в виде стоек трения из СВП27 с замками ЗІЖ и тумб из блоков БКУ с расчетным сопротивлением со-ответственно 100-150 и 200-300 кН на 1 м кровли, а также охранные конструкции в виде тумб из деревянно-бетонных блоков БДБ с рекомендуемой разработанными типовыми паспортами плотностью установки 2-3 тумбы на 1 м длины штрека, что обеспечивает безопасное и эффективное поддержание выемочных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: надежностью и представительностью данных шахтных исследований и моделирования, удовлетворительной сопоставимостью результатов моделирования и шахтных исследований, положительным опытом внедрения выводов и рекомендаций работы на угольных шахтах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— установлены зависимости влияния количества расслоившихся слабых
контактов в крепких породах кровли на высоту зоны неупругих деформаций,
величину смещений кровли, формирование нагрузки на анкерные крепи, крепи
7 усиления и охранные конструкции в повторно используемых выемочных выработках;
получена зависимость между количеством расслоившихся слабых контактов в кровле и средним фактическим сопротивлением анкерной крепи на первых четырех рядах анкеров от забоя;
обоснованы параметры анкерной сталеполимерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в виде тумб из деревянно-бетонных блоков, обеспечивающих эффективное поддержание выемочных выработок с крепкими породами кровли, содержащими слабые контакты, при глубинах разработки от 100 до 1200 м.
Научное значение работы состоит в установлении зависимости влияния количества расслоившихся слабых контактов на деформирование крепких пород кровли выемочных выработок и обосновании параметров анкерной сталеполимерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в виде тумб из деревянно-бетонных блоков, обеспечивающих их эффективное поддержание в сложных горно-геологических условиях.
Практическое значение работы состоит:
в разработке методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса, обеспечивающей безопасное и экономически эффективное поддержание выемочных выработок с крепкими породами кровли, содержащими слабые контакты, при глубинах разработки от 100 до 1200 м;
в создании крепи усиления в виде тумб из блоков БКУ с малой податливостью (менее 4-5% от начальной высоты тумбы) и с несущей способностью не менее 3000 кН, обеспечивающей поддержание кровли выемочных выработок в зоне влияния очистных работ.
Реализация работы. Разработанные типовые паспорта крепления и охраны выемочных выработок при малом и большом количестве слабых контактов в
8 кровле применяются на 4 шахтах Российского Донбасса.
Разработаны технические требования и изготовлены опытные партии блоков БКУ с высокой несущей способностью и малой податливостью, и проведена их проверка в качестве крепи усиления на 3 шахтах региона.
Опытно-промышленная проверка методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса» в конвейерном штреке № 409 шахты «Замчаловская» ОАО «Замчаловский антрацит», показала, что её применение позволяет обеспечить безопасность поддержания штрека и получить расчетный экономический эффект на 1640 м длины штрека в размере 11,717 млн. рублей (в ценах I кв. 2008 г.).
Апробация работы. Содержание и отдельные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на 53-57 научных конференциях Шах-тинского института ЮРГТУ (НПИ) (2004-2008 гг.), на научно-практической конференции «Неделя горняка» МГГУ и ИПКОН РАН (Москва, 2007) и технических советах ЗАО УК «Гуковуголь» и ОАО «Донуголь» (2008 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе 7 работ опубликованы в изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований. Работа содержит 196 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 14 таблиц и 3 приложения.
Автор выражает признательность Чавкину А.И., Деркачеву А.И., Овсянникову А.В., Крапивину А.И., Гайворонскому И.Д., Проскуренко А.В., Федо-ренко Н.А. за помощь в проведении шахтных и стендовых исследований.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований в области проявлений горного давления в выемочных подготовительных выработках
Районы отложений осадочных пород в Российском Донбассе характеризуются, как правило, отсутствием существенных тектонических напряжений и довольно ровным рельефом. В таких условиях напряженность нетронутого массива горных пород чаще всего определяется гравитационными силами [14-19].
Проведение любой горной выработки сопровождается перераспределением напряжений в окружающем её массиве горных пород. Создается новое напряженное состояние, при котором интенсивность напряжений в определенных зонах вокруг выработки в зависимости от формы её сечения становится в 2,0-3,0 раза больше, чем в нетронутом массиве.
При ведении очистных работ в области подрабатываемого массива горных пород происходит сдвижение пород и значительно увеличивается интенсивность напряжений и ширина зоны опорного давления.
Большой вклад в изучение закономерностей сдвижения подрабатываемого массива горных пород и формирования зон опорного давления внесли Авершин С.Г., Казаковский Д.А., Коротков М.В., Борисов А.А., Канлыбаева Ж.М., Петухов И.М., Беляев Е.В., Зубов В.П. и др. [20-45].
В результате этих исследований, установлено, что опорное давление в зоне влияния очистных работ является суперпозицией (наложением) напряженного состояния нетронутого горного массива, а также изгибающих моментов, создаваемых зависающими выше основной кровли и до земной поверхности над выработанным пространством слоев пород, и зависающими и периодически об-рушающимися в выработанном пространстве очистных забоев консолями непосредственной и основной кровли. Согласно данным исследований [16,18,19,25,26,35,40 и др.], вблизи одиночных подготовительных и очистных выработок в максимумах зон опорного давления интенсивность напряжений может дополнительно увеличиться в 2-5 раз по сравнению с интенсивностью напряжений в нетронутом массиве.
Многочисленными исследованиями [14-21] установлено, что при испытаниях на одноосное сжатие, сдвиг и растяжение, пределы длительной прочности крепких песчаных сланцев и песчаников составляют от 85 до 95% от соответствующего кратковременного предела их прочности. При наличии трещин и слабых контактов в породных массивах их длительная прочность составляет 20-60% от соответствующего условно мгновенного предела их прочности.
Согласно данным исследований [16,18,19,25,26,35,40 и др.], если вне зоны влияния очистных работ напряжения в кровле не превышают длительную прочность породного массива на одноосное сжатие, то он деформируется упруго и остаётся в устойчивом состоянии, а смещения породного контура не превышают 50 мм. В этом случае возможно поддержание выработки без крепи или с легкой ограждающей крепью.
При величине напряжений в кровле больше длительной прочности породного массива на одноосное сжатие, но меньше длительной прочности на одноосное сжатие в «куске породы», массив постепенно разрушается по слабым контактам или трещинам. В этом случае, по мнению исследователей, смещения кровли на расстоянии 30-70 м от забоя составляют от 50 до 100 мм, а нагрузка на податливую крепь 20-50 кН/м".
При величине напряжений больше длительной прочности пород на одноосное сжатие в куске, разрушение породы происходит не только по слабым контактам и трещинам, но и по породе между ними. При этом возникают деформации ползучести пород, смещения пород кровли увеличиваются до 100-200 мм, а нагрузки на податливую крепь возрастают до 50-70 кН/м".
При величине напряжений больше мгновенной прочности на одноосное сжатие куска породы происходит быстрое разрушение пород кровли у забоя выработки, и возникают интенсивные деформации вязко-пластического течения пород. В этом случае при сопротивлении податливой крепи от 70-120 кН/м2 смещения пород кровли достигают 200-300 мм.
В зоне влияния очистных работ напряжения кровли увеличиваются еще в 2-3 раза, поэтому здесь разрушение породного массива и его вязко-пластические деформации протекают наиболее интенсивно. Смещения пород кровли в этом случае составляют 300-600 мм, а нагрузки на крепь достигают максимального значения в зоне за первым очистным забоем, где они могут из-меняться от 120 до 300 кН/м .
Однако определить до начала проведения выработок в крепких породах соотношение напряжений и прочности породных массивов и образцов пород не возможно, так как на шахтах отсутствуют сведения о наличии слабых контактов в крепких породах кровли и возможных пластических деформациях выделившихся тонких слоев кровли. Поэтому при расчете смещений и нагрузок на анкерные крепи, крепи и охранные конструкции на шахтах Российского Донбасса используют Инструкцию [9].
Практика поддержания выемочных выработок на шахтах региона показывает, что часто фиксируются случаи, когда уже вне зоны влияния очистных работ в одном и том же штреке, при практически постоянном литологическом составе и мощности крепких пород непосредственной кровли, смещения пород кровли и фактическое натяжение анкерной крепи в 2-10 раз отличаются от значений, рассчитанных по Инструкции [47,55,56,75]. В зоне влияния очистных работ разница в расчетных и фактических смещениях и нагрузках на крепи, и охранные конструкции составляет от 2 до 4 раз.
В результате в довольно значительных зонах, протяженность которых составляет от 1-2 % и до нескольких десятков процентов от общей протяженности штреков, происходит разрушение анкерной сталеполимерной крепи, крепи уси- ления и охранных конструкций, а в отдельных случаях завалы выработок [47,55,56]. Такая невысокая точность определения смещений кровли и нагрузок на анкерную крепь, крепь усиления и охранные конструкции в выемочных выработках не отвечает современным требованиям безопасности и экономической эффективности.
Исследования, проведенные на шахтах Российского Донбасса с помощью оптического щупа (эндоскопа) в шпурах и скважинах, пробуренных в крепких породах кровли прочностью 50-130 МПа, показывают, что в значительных по протяженности зонах выработок при глубинах их заложения свыше 200 м, в их кровле раскрываются многочисленные трещины расслоения параллельные плоскости напластования пород [50,56,75].
По данным наблюдений трещины расслоения в прочных песчаных сланцах и песчаниках в большинстве случаев совпадают со слабыми контактами, образовавшимися в процессе осадконакопления и тектоногенеза породного массива [15,18,19,50,59]. К числу таких слабых контактов относятся углистые прослойки, рассеянный детрит, кальцитовые, слюдистые и другие слойки, а также «зеркала скольжения» и тектонические трещины с различным раскрытием.
Влияние таких поверхностей ослабления на смещения пород кровли и формирование нагрузки на рамные и анкерные крепи предлагалось учитывать в работах [59,60], выполненных еще 40-50 лет назад.
Шахтные исследования влияния слабых контактов на высоту зоны расслоения, смещения пород кровли и нагрузки на анкерную крепь в выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ
Шахтные исследования оценки влияния слабых контактов на высоту зоны расслоения, смещения пород кровли и фактическое натяжение анкерной стале-полимерной крепи производили в конвейерном штреке № 08 пласта к2 шахты «Дальняя». Выбор пласта к2 диктовался тем, что в настоящее время и в ближайшем будущем более 50% протяженности подготовительных выработок в Российском Донбассе будут приходиться на угольные шахты, отрабатывающие данный пласт. Глубина расположения штрека № 08 от земной поверхности составляет 700 м. Такая довольно большая глубина заложения штрека способствует интенсивному расслоению, имеющихся в породах кровли слабых контактов.
Пласт к2 имеет мощностью 1,14-1,35 ми залегает под углом 16-21. Прочность угля на одноосное сжатие составляет 20-25 МПа. Непосредственная кровля пласта представлена неустойчивым и среднеус-тойчивым глинистым сланцем мощностью 0,44-1,04 м и прочностью на одноосное сжатие 40-60 МПа, который входит в состав верхней подрывки в штреке. Выше залегает среднеустойчивый песчаный сланец мощностью 6,28-11,94 м и прочностью на одноосное сжатие 70-90 МПа. Основная кровля пласта на экспериментальном участке сложена средне-обрушающимся песчаником мощностью 6-9 м и прочностью на одноосное сжатие 100-120 МПа. Угольный пласт подстилает слой песчаного сланца мощностью 0,44-1,06 м и прочностью на одноосное сжатие 80-90 МПа. Ниже залегает непуча-щий песчаник, мощностыо 3,16-10,35 м и прочностью на одноосное сжатие 120-140 МПа.
На обследуемом участке штрека имеются выделения воды из кровли в виде редкого капежа и отдельных струй. Исследования интенсивности трещиноватости нижнего слоя непосредственной кровли показали, что количество видимых субвертикальных трещин на 1 м кровли штрека изменяется в пределах от 2 до 7 трещин (см. Приложение 2). Подавляющая часть трещин является закрытыми и заполненными гидрослюдами и кальцитом. Повсеместно через 10-15 м по длине экспериментального участка в пласте и породах непосредственной кровли и почвы отмечались микровзбросы амплитудой 0,1-0,2 м. Однако их сместители были заполнены вторичными минералами, и поэтому они не оказывали существенного влияния на образование трещин расслоения, смещения кровли и натяжение анкеров. На длине экспериментального участка были четко выявлены различные зоны, в которых наблюдаются значительные изменения количества слабых контактов в породах кровли:
На участках штрека (в интервале 0-10,5 м, 16,5-47 м и 63-101 м) каких-либо заметных геологических особенностей в нижних слоях кровли не наблюдалось. Количество слабых контактов в 2,5 м интервале пород кровли на этих участках составляло от 0 до 4 штук, а верхняя граница их расположения достигала 0-0,95 м.
На расстоянии 10,5-16,5 м от начала экспериментального участка в штре 43 ке № 08 была вскрыта зона в виде двух микронадвигов амплитудой 0,30 и 0,45 м. В этом интервале число субвертикальных трещин в нижних слоях кров-ли изменялось от 3 до 7 штук при среднем значении 4,8 тр/м .
Число слабых контактов в 2,5 метровой толще на этом участке изменяется от 3 до 6 штук. Верхние из них располагаются на высоте до 2,0 м. Нижние слабые контакты до высоты 0,6-0,7 м представлены зеркалами скольжения и тектоническими трещинами, а верхние минеральными прослойками.
В интервале от 47 до 63 м конвейерный штрек № 08 пересекал зону с небольшими размывами кровли и угольного пласта с частичным замещением песчаного сланца песчаником и наличием в кровле значительного числа углистых пропластков и зеркал скольжения.
На этом участке в непосредственной кровле количество субвертикальных трещин на 1 м кровли изменялось в пределах от 2 до 7 штук при среднем зна-чении 5,8 тр./м". Однако большинство трещин были закрытые или заполненные минералами. Количество слабых контактов составляло от 4 до 11 штук (в среднем 7,6 штук), а их верхняя граница достигала 1,3-2,5 м. Форма поперечного сечения конвейерного штрека № 08 - трапециевидная (с наклонной кровлей и вертикальными боками), подрывка смешанная. Ширина выработки в проходке составляет 4,8-5,3 м (в среднем - 5,0 м). При проведении конвейерный штрек № 08 крепился сталеполимерными анкерами типа АСГ1 или А20В длиной 2,2 м. Анкеры изготовлены из арматурной стали периодического профиля класса A-III и имеют типоразмер резьбы М22 и М24. Прочность на разрыв стержня или срыв гаек указанных анкеров составляет соответственно 170-190 и 210 кН. На коротких участках штрек в зоне размыва пласта штрек крепился составными анкерами типа АСГ2 длиной 2,6 м, состоящих из двух стержней, верхнего длиной 1,7 м и нижнего длиной 0,9 м, соединяемых муфтой длиной 60 мм и прочностью на разрыв по муфте 140-150 кН.
Количество анкеров в ряду - 5 штук, из них четыре устанавливаются под металлический полосовой подхват размером 4000x150x5 мм, а пятый (вблизи нижнего бока штрека) - под опорную плитку размером 150x150x8 мм. Расстояние между рядами анкеров составляет в среднем 0,9 м.
Каждый анкерный стержень в шпуре диаметром 30 мм закреплён двумя ампулами: АП-1-470У и АП-1-470. Заполнение шпуров затвердевшим полимерным составом составляет примерно 60-70 % от их длины. В качестве податливого элемента на анкерах применяются опорные пластины толщиной 6 мм и податливостью 10 мм при усилии срабатывания 70-90 кН.
Номинальное расчетное сопротивление анкерной крепи в конвейерном штреке № 08, рассчитанное в соответствии с Инструкцией [9] изменялось от 180 кН/м до 233 кН/м", что, значительно превышает требуемое Инструкцией сопротивление анкерной крепи (55 кН/м") вне зоны влияния очистных работ.
Гайки на анкерах затягивались гаечным ключом вручную, поэтому начальное натяжение анкеров изменялось от 0 до 27 кН, при среднем значении (12 кН), что хотя и соответствует требованиям Инструкции (не менее 10 кН), однако приводит к небольшому дополнительному расслоению пород кровли.
На рисунке 2.1 показаны графики изменения по длине экспериментального участка конвейерного штрека № 08 количества слабых контактов NK И трещин расслоения в породах кровли №рр. Из графиков видно, что между данными показателями имеется очень тесная статистическая взаимосвязь: при увеличении в кровле слабых контактов, увеличивается количество трещин расслоения.
Исследование влияния структуры кровли, глубины разработки и сопротивления анкерной крепи на высоту зоны неупругих деформаций пород кровли в выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ
Расчеты высоты ЗНД при расположении выработок вне зоны влияния очистных работ и наличии в кровле монолитных пород без слабых контактов производили для пород, указанного в таблице 3.2, литологического состава. При этом углистые прослойки были заменены соответственно песчаным сланцем или песчаником, с аналогичными окружающим породам кровли физико-механическими характеристиками. Результаты расчетов высоты ЗНД кровли моделируемой выработки, не содержащей слабые контакты, вне зоны влияния очистных работ в зависимости от глубины заложения выработки и суммарного сопротивления анкерной крепи и крепи усиления приведены в таблице 3.3. В качестве примера на рисунке 3.6 показаны результаты расчетов ЗНД вне зоны влияния очистных работ, при монолитных породах кровли, при глубине заложения выработки 1200 м и отсутствии крепи в выработке.
Границы ЗНД вокруг подготовительной выработки вне зоны влияния очистных работ, при глубине заложения 1200 м, отсутствии слабых контактов и сопротивлении анкерной крепи 100 кН/м показаны на рисунке 3.7. Расчеты высоты зоны ЗНД для случая залегания в кровле моделируемого массива слабых контактов в виде углистых прослоев производили с учетом ли-тологического состава пород, приведенного в таблице 3.2. Кровля выработки во всех рассчитываемых вариантах (кроме одного) крепилась анкерной сталеполимерной крепью с длиной анкеров 2,1 м, но с раз-личной несущей способностью (от 0 до 595 кН/м ). Результаты расчетов высоты ЗНД пород кровли с слабыми контактами вне зоны влияния очистных работ в зависимости от глубины заложения выемочной выработки и суммарного сопротивления анкерной крепи и крепи усиления приведены в таблице 3.3. Анализ данных таблицы 3.3 показывает, что глубина заложения и сопротивление анкерной крепи и крепи усиления оказывают существенное влияние на высоту зоны неупругих деформаций в кровле выработки, содержащей слабые контакты.
В качестве примера, на рисунке 3.8 показаны границы ЗНД вне зоны влияния очистных работ при наличии слабых контактов, глубине заложения выработки 100 м и отсутствии крепи в выработке. По данным расчетов при глубине заложения выработки 100 м вне зоны влияния очистных работ кровля выработки, содержащая углистые прослойки, не расслаивается даже при отсутствии крепи, при этом в кровле отсутствует зона неупругих деформаций. В этих условиях смещения пород кровли составляют до 50 мм, что характеризует кровлю как устойчивую. Поэтому в подготовительных выработках, располагаемых вне зоны влияния очистных работ при малых глубинах заложения 100-300 м, целесообразно применять легкую анкерную крепь с длиной анкеров 1,6-1,8 м, защищающую от мелких вывалов пород. При глубине заложения выработки 600 м вне зоны влияния очистных работ кровля с углистыми прослойками расслаивается при любом моделируемом суммарном сопротивлении крепи (от 0 до 595 кН/м2). Однако максимальный размер зоны неупругих деформаций пород кровли, составляющий при сопротивлении крепи 0-100 кН/м2 - 1,9-2,0 м, при сопротив-лении крепи 200-300 кН/м уменьшается до 1,1-1,2 м, а при сопротивлении 400-600 кН/м2 до 0,4-0,2 м.
Анализ показывает, что при наличии слабых контактов в породах кровли, поддержании выработок вне зоны влияния очистных работ и глубине их заложения до 600 м, наиболее целесообразно крепление кровли выработок осуществлять одной анкерной крепью с длиной анкеров 1,8-2,0 м и сопротивлением 200-300 кН/м . Учитывая наличие зоны неупругих деформаций в породах кровли междуанкерное пространство должно затягиваться решетчатой затяжкой, металлической сеткой или рулонированными стеклопластиками. При глубине заложения выработки 1200 м и отсутствии в выработке крепи, высота ЗНД пород кровли со слабыми контактами составляет 2,7 м. При увеличении сопротивления анкерной крепи до 100 кН/м высота зоны неупругих деформаций пород кровли уменьшается до 2,1 м, а до 200 кН/м до 1,9 м. Дальнейшее увеличение сопротивления анкерной крепи и крепи усиления от 200 до 595 кН/м не приводит к уменьшению высоты зоны неупругих деформаций менее 1,9 м.
Проведенные расчеты показали, что при поддержании выработок вне зоны влияния очистных работ со слабыми контактами в кровле на глубинах от 600 до 1200 м наиболее целесообразно применять для крепления выработок сталеполимерную анкерную крепь с длиной анкеров в пределах 2,2-2,4 мис сопротивлением не менее 200-300 кН/м . В связи с наличием во всех случаях в нижних слоях кровли зоны неупругих деформаций междуанкерное пространство должно затягиваться решетчатой затяжкой типа ЗР.
В тоже время при залегании в кровле выработки на глубинах 600-1000 м прочных и монолитных песчаных сланцев или песчаников зона неупругих деформаций кровли может отсутствовать даже при сопротивлении анкерной кре-пи равном 0-50 кН/м".
Полученные при моделировании методом МКЭ результаты расчетов, показывают, какое большое влияние даже вне зоны влияния очистных работ на высоту ЗНД в одной и той же выработке при постоянной глубине её заложения оказывают содержащиеся в породах кровли слабые контакты, а также сопротивление анкерной крепи.
Поэтому выбор параметров анкерной крепи в подготовительных выработках должен производиться с учетом наличия конкретного вида слабых контактов в кровле выработки или при отсутствии такой возможности для наихудшего из возможных вариантов слабых контактов. Существенное влияние на высоту ЗНД в кровле выработок вне зоны влияния очистных работ оказывают также глубина заложения выработок и сопротивление анкерной крепи и крепи усиления. Проведенный анализ показал, что для обеспечения устойчивого поддержания кровли в подготовительных выработках с пролетом до 5,4 м вне зоны влияния очистных работ, при глубинах их заложения от 100 до 600 м и наличии наиболее слабых контактов, необходимая длина анкеров должна составлять 1,8-2,2 м, а сопротивление анкерной крепи не менее 150-200 кН/м . Для обеспечения устойчивого поддержания кровли со слабыми контактами в подготовительных выработках вне зоны влияния очистных работ, при глубине разработки от 600 до 1200 м, необходимая длина анкеров должна быть равной 2,2-2,4 м, а сопротивление анкерной крепи - 240-300 кН/м . Полученные в разделе 2 результаты шахтных исследований влияния на высоту зоны ЗНД вне зоны влияния очистных работ в выемочных выработках сопротивления анкерной крепи хорошо совпадают с результатами моделирования, что дает основание считать их достаточно точными.
Типовые паспорта крепления и охраны повторно используемых выемочных выработок при малом и большом количестве слабых контактов в кровле и различной глубине заложения выработок
Использование других аналогичных методов расчета параметров анкерной и рамной крепи, крепи усиления и охранных конструкций для бесцелико-вой охраны повторно используемых подготовительных выработок, также оказалось малоэффективным [7,22,30,47,48,67 и др.].
Мировой и отечественный опыт показывает, что вместо использования весьма сложных и ненадежных методов расчета параметров крепи и охранных конструкций более надежным и простым решением, является использование хорошо обоснованных теорией и практикой типовых паспортов крепления и охраны повторно используемых подготовительных выработок для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий [11,13].
Образцом таких паспортов являются «Прогрессивные паспорта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов» [13], разработанные ведущими научными организациями отрасли в 80 -е годы XX века. К сожалению, в указанном документе отмечается, что «способ сохранения выемочных выработок за очистным забоем для повторного использования при отработке смежного выемочного столба следует применять преимущественно при сравнительно устойчивых, легкообрушающихся породах кровли и малопучащих породах почвы». В указанных типовых паспортах отсутствуют требования к сталеполимерной анкерной крепи и крепи усиления и к охранным конструкциям в виде тумб из блоков БКУ и БДБ в выемочных выработках с крепкими кровлями, содержащими слабые контакты.
Для условий труднообрушающихся кровель данные паспорта предусматривают обязательное крепление выработок рамной металлической крепью с плотностью 1,25-1,5 рамы/м и установку под каждую раму, на участке от зоны влияния опорного давления первой лавы до погашения штрека за второй лавой, одной гидравлической стойки или стойки трения с несущей способностью 200-300 кН и весом 90-120 кг.
Охрану выработок при мощности пластов до 1,5 м данными паспортами рекомендуется осуществлять одним сплошным рядом тумб из блоков БЖБТ, а при большей мощности пласта - литыми полосами, шириной равной 100-120% от вынимаемой мощности пласта. Кроме того, паспортами предусмотрено обязательное применение отсечного торпедирования кровли путем бурения и взрывания в крепких породах через 2 м по длине штрека, под углом 45-60 к кровле пласта, скважин длиной 10-12 м и диаметром 42 мм.
Практика поддержания выемочных штреков на шахтах региона, показала, что из-за значительной трудоемкости возведения и высокой стоимости металлической рамной крепи, крепи усиления из гидростоек, полос из фосфогипса или тумб БЖБТ и, особенно, отсечного торпедирования кровли, применение указанных паспортов крепления и охраны подготовительных выработок технически и экономически не целесообразно.
Попытки использовать указанные паспорта на шахтах Российского Донбасса показали, что их внедрение ведет к резкому ограничению темпов подви 119 гания очистных забоев и большому экономическому ущербу. Поэтому часто значительно дешевле восстановить деформированную выработку или пройти ее в присечку к ранее используемому штреку.
В связи с отмеченными недостатками ни на одной из шахт региона указанные паспорта крепления и охраны выработок не применяются. Необходимо отметить, что, несмотря на длительный срок применения опор в виде тумб из блоков БДБ на шахтах Российского Донбасса, до настоящего времени отсутствует единый нормативный документ, регламентирующий выбор параметров данных охранных конструкций.
Следовательно, задача разработки более эффективных паспортов крепления и охраны повторно используемых подготовительных выработок на пластах с прочными кровлями содержащими и не содержащими слабые контакты и при наличии средне- и труднообрушающейся основной кровли является актуальной. Указанные паспорта должны учитывать теоретические разработки, а также положительный и отрицательный практический опыт внедрения рекомендаций различных научных организаций и обеспечивать как техническую, так и экономическую эффективность их применения в горно-геологических и горнотехнических условиях шахт региона.
На требований системного анализа и с учетом выполненных исследований, автором разработаны четыре типовых паспорта крепления и охраны повторно используемых выемочных выработок с породами кровли содержащими и не содержащими слабые контакты и при глубинах заложения выработок от 100 до 600 м и от 600 до 1200 м.
Основным назначением разработанных типовых паспортов является безопасное и экономически эффективное поддержание пород непосредственной кровли в выемочных штреках и обеспечение эффективного управления основной кровлей при охране повторно используемых выемочных выработок при отсутствии и наличии слабых контактов в кровле выработки и различных глубинах заложения выемочных выработок.
Область применения указанных паспортов ограничивается следующими горно-геологическими и горнотехническими условиями. Горно-геологические условия: - категория шахты по газу, выбросам угля и газа и горным ударам - любая; - вынимаемая мощность пласта — 0,85 - 2,0 м; - прочность угля на одноосное сжатие - не менее 20 МПа; - угол падения пласта - до 20; - глубина заложения выработок — от 100 до 1200 м; - прочность пород непосредственной и основной кровли на одноосное сжатие — от 50 до 180 МПа; - категория пород кровли по устойчивости при отсутствии слабых контактов - устойчивая и среднеустойчивая по классификации ВНИМИ; - категория пород кровли по обрушаемости - средне- и труднообрушаю-щиеся по классификации ВНИМИ; - сопротивление почвы на берме лавы на вдавливание на расстоянии более 100 м за первым очистным забоем - не менее 9,6 МПа; - обводненность кровли и почвы на берме лавы - без ограничений. Горнотехнические условия: - пролет в проходке охраняемых выработок - не менее 5,4 м; - высота выработок по их оси - не менее 2,6 м; - подрывка боковых пород в выработке - любая; - расстояние от забоя лавы до места установки первой охранной конструкции - 4-5 м; - расстояние от бермы штрека до охранной конструкции — 1,0— 1,5 м. - срок в течение которого обеспечивается работоспособность охранной конструкции — не более 5 лет.
