Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель, идея и задачи исследований 8
1.1. Анализ современного состояния шахтного фонда, технологии очистных и подготовительных работ на шахтах ОАО «Гуковуголь» 8
1.2. Анализ эффективности применения анкерного крепления выработок на шахтах ОАО «Гуковуголь» 14
1.3. Анализ существующих методик обоснования параметров анкерного крепления подготовительных выработок 28
2. Методика исследований. выбор объектов исследований 38
2.1. Общая методика исследований 38
2.2. Методика стендовых исследований сталеполимерных анкеров АСГ1 и элементов податливости 38
2.3. Методика шахтных испытаний канатных анкеров АК в условиях шахты «Дальняя» 42
2.4. Горно-геологическая и горнотехническая характеристика объектов исследований на шахтах «Дальняя», «Западная» и «Ростовская» 50
3. Результаты экспериментально-аналитических исследований технологии крепления выработок 62
3.1. Результаты стендовых исследований сталеполимерных анкеров АСГ1 и элементов податливости 62
3.2. Результаты шахтных исследований канатных анкеров АК в условиях шахты «Дальняя» 75
3.3. Результаты шахтных исследований анкерной крепи и устойчивости штреков шахты «Дальняя» 90
3.4. Результаты исследований работы сталеполимерной анкерной крепи в штреке 0202 шахты «Ростовская» 130
4. Разработка требований и рекомендаций к технологии крепления горных выработок в условиях шахт оао «гуковуголь» 140
4.1. Варианты и параметры крепления и поддержания конвейерного штрека № 02 шахты «Дальняя» 140
4.2. Параметры крепления сталеполимерной анкерной крепью конвейерного штрека № 03 02 ш. «Ростовская» 152
4.3. Параметры крепления анкерами АСГ1 разрезной печи лавы № 602 шахты «Западная» и вспомогательного ходка шахты «Ростовская» 154
4.4. Рекомендуемые параметры крепления и поддержания конвейерного штрека № 106 шахты «Алмазная» 160
4.5. Варианты и параметры технологии крепления квершлага № 5 и конвейерного штрека № 600 шахты «Западная» 172
4.6. Экономическая эффективность рекомендуемой технологии крепления горных выработок на шахтах ОАО «Гуковуголь» 183
Заключение 196
Список литературы 199
Приложение 208
- Анализ эффективности применения анкерного крепления выработок на шахтах ОАО «Гуковуголь»
- Методика стендовых исследований сталеполимерных анкеров АСГ1 и элементов податливости
- Результаты шахтных исследований канатных анкеров АК в условиях шахты «Дальняя»
- Параметры крепления сталеполимерной анкерной крепью конвейерного штрека № 03 02 ш. «Ростовская»
Введение к работе
Актуальность работы. Угольная отрасль занимает весьма важную роль в топливно-энергетическом балансе страны. Несмотря на приоритетное развитие добычи угля в Кузнецком и Канско-Ачинском бассейнах весьма важное положение, как федеральное, так и региональное, занимают шахты Донецкого бассейна.
Шахты Восточного Донбасса являются практически единственными поставщиками антрацита потребителям в Северо-Кавказском экономическом районе и обеспечивают значительную часть потребительского рынка Центрально-Черноземного, и Поволжского районов и ближнего зарубежья. В процессе реструктуризации в ОАО «Гуковуголь» закрыты шахты, которые добывали угли с высокой зольностью и высоким содержанием серы. Антрациты оставшихся в эксплуатации шахт, уникальны по своим характеристикам. Незначительное содержание золы (до 5-6%), серы (до 1%), и летучих (до 2,5%), при очень высоком содержании углерода (до 94%) позволяет применять их в высокотехнологичных производствах страны.
Успешное решение задач повышения эффективности работы шахт Восточного Донбасса, при усложняющихся горно-геологических, горнотехнических и экономических условиях, в значительной степени зависит от технического уровня горно-подготовительных работ. Одним из важных направлений повышения эффективности горно-подготовительных работ является широкое применение анкерного крепления подготовительных выработок.
На шахтах ОАО «Гуковуголь» в течение почти сорока лет применялись различные варианты и конструкции распорно-замковых, железобетонных, ста-леполимерных и винтовых анкеров.
Однако, в связи с серьезными недостатками применяемых на шахтах региона крепей, а также недостаточным обоснованием параметров технологии объемы крепления анкерной крепью вскрывающих и подготовительных выработок на шахтах ОАО «Гуковуголь» не превышали 14-20%, а по мере ухудшения условий с увеличением глубины они снижаются.
В связи с этим, обоснование параметров технологии анкерного крепления выработок в условиях глубоких шахт Восточного Донбасса является актуальной научной задачей.
Целью работы является установление влияния комплекса факторов на деформационно-силовые характеристики и несущую способность различных типов анкерной крепи для обоснования параметров технологии крепления выработок в сложных горно-геологических условиях, позволяющей повысить эффективность горно-подготовительных и очистных работ на глубоких горизонтах шахт.
Идея работы заключается в системном подходе к обоснованию параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок, реализующем функционально-ориентированный учет результатов аналитических исследований, шахтных экспериментов, стендовых испытаний и рекомендаций нормативных документов.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна: деформационно-силовые характеристики сталеполимерных и канатных анкеров с различными элементами податливости, при различных способах охраны выработок, в зоне и вне зоны влияния очистных работ, определяют параметры технологии анкерного крепления и устойчивость их в условиях глубоких шахт; технология крепления выработок сталеполимерными анкерами с податливыми элементами в сочетании с канатными анкерами АК должна способствовать минимизации конвергенции пород кровли и почвы, исключению случаев обрушения кровли и максимуму экономической эффективности эксплуатации выработок; методика обоснования параметров технологии анкерного крепления, базируется на объективном учете способа проведения, формы поперечного сечения и схемы расположения выработки относительно фронта очистных работ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточным объемом экспериментальных данных, полученных в период 1999-2002 гг. на шахтах «Дальняя», «Западная», «Алмазная» и «Ростовская» ОАО «Гуковуголь»; удовлетворительной сходимостью расчетных показателей с фактическими (расхождение не превышает 9%), полученными при промышленной проверке; положительными результатами внедрения технологии крепления выработок сталеполимерными анкерами АСГ-1 на шахтах «Дальняя», «Ростовская», «Алмазная» и канатными анкерами АК на шахте «Дальняя» ОАО «Гуковуголь».
Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении влияния комплекса факторов на деформационно-силовые характеристики и несущую способность различных типов анкерной крепи, являющихся основой для разработки методики расчетов параметров технологии анкерного крепления.
Практическое значение диссертации заключается в разработке прогрессивных технологических решений по креплению подготовительных выработок анкерами с рациональными деформационно-силовыми характеристиками, обеспечивающих повышение эффективности ведения горно-подготовительных работ и устойчивости выработок на глубоких шахтах Восточного Донбасса.
Реализация выводов и рекомендаций. Технология крепления выработок сталиполимерными анкерами с обоснованными в диссертации параметрами (тип крепи, длина анкера, несущая способность, длина участка закрепления анкера в шпуре, плотность анкерования, расстояние между рядами анкеров, вид опорных и податливых элементов, угол отклонения анкеров и др.) внедрены на шахтах «Дальняя», «Алмазная», «Ростовская» и «Западная» ОАО «Гуковуголь», что позволило увеличить темпы проведения выработок и повысить безопасность ведения горно-подготовительных работ. Экономическая эффективность внедрения сталеполимерных анкеров АСГ-1 составляет 3880 руб/п.м.в. на н. «Ростовская», 2525 руб/п.м.в. на ш. «Алмазная», и 3492 руб/п.м.в. на ш. «Дальняя».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2002-2003 гг), на научно технических советах ОАО «Гуковуголь» (г. Гуково, 2002-2003 гг.), на научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 2001-2003 гг).
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре научные работы.
Объемы диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложения и содержит 16 таблиц, 30 рисунков, список литературы из 91 наименования.
Анализ эффективности применения анкерного крепления выработок на шахтах ОАО «Гуковуголь»
Применение анкерной крепи в подготовительных и капитальных выработках шахт ОАО «Гуковуголь» было начато в 1962 г. Выработки, располагавшиеся вне зоны влияния очистных работ, крепились распорно-замковой металлической крепью типа ЭС и КЛЩ. Длина анкеров принималась равной 1,6-2,0 м, а в качестве опорных элементов использовались опорные плитки размером 150x150x8 мм. Плотность установки анкеров составляла 1,0-1,2 анкера на 1 м2 кровли, при этом бока выработок, как правило, не крепились.
В выработках, испытывающих влияние очистных работ, анкерная крепь использовалась редко и только в качестве временной крепи на протяжении 10-15 м от подготовительных забоев. На большем расстоянии от забоя устанавливалась постоянная рамная металлическая крепь. Целью применения анкерной крепи в таких условиях являлось исключение частых случаев выбивания постоянной рамной крепи при ведении буровзрывных работ по крепким вмещающим породам.
С 1962 г. по 1997 г., на шахтах объединения и других шахт Восточного Донбасса прошли испытания более 15 различных видов и типов анкерных крепей, разработанных «ШахтНИУИ», ВНИОМШС, МакНИИ, КузНИУИ, ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИИГидроуголь и другими научными организациями [10, 12, 15,26].
Опыт применения железобетонных анкеров, состоящих из стержней диаметром 20 мм из арматурной стали класса A-II (Ст.5), закрепляемых песчано-цементным раствором, подаваемым в шпуры пневмонагнетателями, показали, что применение таких анкеров в выработках, испытывающих влияние очистных работ, не возможно из-за разрыва резьбовой части стержней, а в выработках вне зоны влияния очистных работ не дает существенного эффекта. Кроме того, существенным недостатком железобетонных анкеров, по сравнению с распорно-замковыми, является снижение темпов проведения выработок.
При испытаниях анкеров типа АКПН, разработанных ВНИОМШС, в которых аналогичные арматурные стержни закрепляются в шпурах с помощью патронированных вяжущих на основе цемента, было установлено, что прочность закрепления таких анкеров в шпурах невелика и к тому же колеблется в широких пределах. В условиях обводненных пород при слабом выделении воды из шпуров анкеры закрепляются очень слабо. Твердеющая смесь включает едкие компоненты, вызывающие язвы на коже у рабочих.
Исследования сталиполимерных анкеров из арматурной стали диаметром 16 мм из Ст.5, закрепляемых полиуретановыми твердеющими составами, изготовленных опытным заводом МакНИИ, и помещенных в ампулы, показали те же недостатки, что и анкеры типа АКПН.
При применении на шахтах ОАО «Гуковуголь» сталиполимерных анкеров диаметром 20 мм из арматурной стали Ст.5 ампул с эпоксидными смолами удалось обеспечить прочность закрепления стержней выше их прочности на разрыв. Однако в зоне влияния очистных работ, а при больших глубинах разработки вне зоны влияния очистных выработок, наблюдались частые случаи «отстрела» гаек и концов анкеров даже при совместном их применении с рамной крепью. В благоприятных условиях эксплуатации высокая цена сталиполимерных анкеров с дорогостоящими ампулами, содержащими эпоксидные смолы, сделала их применение нецелесообразным по сравнению распорно-замковыми анкерами.
Испытания винтовых анкеров диаметром до 28 мм, разработанных ИГД им. А. А. Скочинского, проведенные на шахтах региона, показали, что указанные анкеры в благоприятных для их применения условиях обеспечивают эффективное крепление выработок вне зоны влияния очистных работ. Однако в зоне влияния очистных работ при использовании указанной конструкции анкеров происходит обрушение нижних слоев кровли. Основные недостатки данных анкеров заключаются в невозможности их применения в крепких породах (асж 70 МПа), которые наиболее широко распространены на шахтах ОАО «Гу-ковуголь», а также в том, что даже при слабом искривлении шпуров их установка становится невозможной.
В результате проведенных испытаний трубчатых анкеров конструкции ИГД им. А.А.Скочинского было установлено, что в условиях агрессивной среды их применение не возможно из-за быстрого выхода из строя. В выемочных выработках применение данной конструкции анкеров оказалось не эффективным из-за недостаточной их несущей способности.
Проведенные в течение свыше 30 лет испытания на шахтах региона многочисленных конструкций распорно-замковых анкеров (типа ВНИОМШС, АД-1, ШР-1, ШК-1М, ШК-3, АР-1, АР-2, АК-8, КЛЩ и других) показали, что при изготовлении их стержней из малопрочных сталей типа Ст.З или Ст. 5 и отсутствии в анкерах податливых элементов, указанные конструкции анкеров не имели существенных технических преимуществ перед распорно-замковыми анкерами типа ЭС или АШ-1, а цена их была значительно выше.
В связи с изложенным, в течение почти 40 лет на шахтах ОАО «Гуков-уголь» использовались только распорно-замковые анкерные крепи типа ЭС-1М, конструкции ОАО «Эстонсланец» и АШ-1, разработанные ОАО «ШахтНИУИ».
Анкерная крепь на шахтах ОАО «Гуковуголь» и ранее, и в настоящий момент, используется только на пластах К2, К2 , К5 и 13н. Эти пласты характеризуются широким распространением малоамплитудной тектоники и частыми размывами непосредственной кровли и части пласта с замещением их косо-слоистыми крепкими, но неустойчивыми песчаниками.
Методика стендовых исследований сталеполимерных анкеров АСГ1 и элементов податливости
Сталиполимерные анкеры АСГ1 предназначены для применения в следующих горнотехнических условиях: а) для постоянного крепления пластовых и полевых капитальных и под готовительных выработок, проводимых в породах с прочностью на сжатие бо лее 30 МПа, в зоне и вне зоны влияния очистных работ независимо от мощно сти и угла падения пород при расчётных смещениях пород кровли в течение всего срока службы до 250 мм; б) для крепления горных выработок в сочетании со стойками (гидравли ческими, стойками трения) или рамной крепью усиления при расчётных сме щениях кровли 250-300 мм; в) для подвески монорельсовых дорог и ленточных конвейеров, для за крепления приводных станций ленточных и скребковых конвейеров, лебедок и другого горношахтного оборудования по проектам, согласованным с бассейновым НИИ, а также для подвески трубно-кабельных коммуникаций и других вспомогательных целей; г) для укрепления породного массива и повышения устойчивости породных обнажений в выработках и на сопряжениях очистных забоев с выемочными штреками. При расчётных смещениях кровли более 300 мм, а также в зонах геологических нарушений, в слабых выветренных и сыпучих породах, а также в условиях обводнённых пород прочностью на сжатие менее 50 МПа крепление производится по специальным проектам на основе рекомендаций ВНИМИ или бассейнового НИИ. Анкер АСГ1 (рис. 2.1) состоит из стержня, опрной спластины и гайки. Стержень изготавливается из горячекатаной стали периодического профиля номер 22 (25) классов А-Ш имеет длину от 1,4 до 2,4 м. На одном конце его накатана резьба М24(М124) длиной 80 мм, а другой конец срезан под углом 45.Опорная плитка является стандартным изделием, применяемым для оснащения анкеров других типов и конструкций. Техническая характеристика ста-леполиметрного анкера представлена в табл. 2.1. Анкер АСГ1 закрепляется в шпурах диаметром 0,028-0,032 м различными полимерными составами допущенными к применению и помещёнными в ампулы диаметром 0,025-0,027м. При установке анкера первоначально в шпур вводятся несколько ампул (две или более) с полимерным составом, затем собранный анкер вводится в шпур и путём вращения стержня, осуществляемого бурильной машиной или электрическим сверлом, производится разрушение ампул и перемешивание смолы и отвердителя. Перемешивание продолжается до тех пор, пока твердеющий состав не создаст сопротивление вращению стержня. После этого анкер в течение 40-60 с удерживается в этом положении без вращения. Затем усилие подачи снимается, производится замена монтажной гайки на гайку, предусмотренную конструкцией, и медленным вращением патрона бурильной установки анкер окончательно приводится в рабочее состояние с первоначальным натяжением величиной 30-40 кН. Целью стендовых испытаний сталеполимерных анкеров АСГ1 являлась проверка работоспособности анкеров и исследование особенности работы при различных условиях, уточнение их параметров и нагрузочно-деформационных характеристик. Основными задачами стендовых испытаний анкеров АСГ1 являлись: - проверка соответствия составных частей анкера АСГ1 требованиям технических условий и рабочих чертежей в части геометрических параметров и материала изготовления; - установление прочности болтовых соединений и прочность стержней анкеров на разрыв; - определение деформационно-силовые характеристик анкеров при закреплении их в имитаторах шпуров. Стендовые испытания сталеполимерных анкеров АСГ1 производились в стендовом зале ОАО «ШахтНИУИ» на специально оборудованном стенде. Усилие нагружения стержня анкера создавалось гидравлическим домкратом, протарированным с помощью прошедших поверку пружинных динамометров ДПУ-10-2иДПУ-20-2.
Результаты шахтных исследований канатных анкеров АК в условиях шахты «Дальняя»
Выборочной проверкой 5 образцов установлено, что фактические геометрические параметры канатных анкеров АК опытной партии (50 шт), поставленных на шахту «Дальняя», соответствуют характеристикам, приведенным на рабочих чертежах [67, 71].
Визуальным осмотром установлено, что комплектность и качество изготовления изготовления канатных анкеров АК, предназначенных для крепления опытного участка конвейерного штрека № 04, полностью отвечает требованиям технической документации.
Стендовые испытания канатных анкеров АК на механическую прочность узлов при натяжении анкера были произведены в лаборатории Гуковского ре-монтно-механического завода на разрывной машине Р-100.
Было испытано три образца. В результате испытаний во всех трех случаях наблюдался разрыв каната, который происходил при натяжении 170,7-171,7 кН. Замок канатного анкера и другие элементы анкера разрушений не имели. До полного срабатывания замка наблюдалась подвижка каната с запрессованным клином внутри втулки на 6-10 мм.
Исследования деформационно-силовых параметров канатных анкеров АК были проведены в августе 2002 г. на опытном участке при его расположении вне зоны влияния очистных работ. В ходе исследований извлекающая нагрузка на канатные анкеры создавалась с помощью штанговыдергивателя ПКА конструкции КузНИУИ. Испытанные канатные анкеры АК имели длину 4,5 м. Каждый из них был закреплен в шпуре диаметром 30 мм с помощью одной ампулы А-1-470. Бурение шпуров под канатные анкеры и их установка производились с помощью станка типа «Рамбор». Во время исследований наблюдалось водовы-деление из шпуров с установленными в них канатными анкерами в виде редкого капежа, а в отдельных местах (испытанный анкер № 3) - в виде непрерывных струй.
По результатам нагружения пяти канатных анкеров АК построены графики изменения осевой нагрузка в зависимости от смещения резьбового конца анкера относительно устья шпура (рис 3.4)
Из анализа графиков, представленных на рис 3.4 следует, что канатные анкеры вне зоны влияния очистных работ имеют весьма податливую деформационно-силовую характеристику. Так, при вытягивании из шпура резьбового конца канатного анкера на 20 мм извлекающая нагрузка составляет 9-14 кН (в среднем 12 кН), а при вытягивании на 60 мм извлекающая нагрузка увеличивается до 25-44 кН (в среднем - до 34 кН). Дальнейшее увеличение смещения конца анкера относительно устья шпура (до 72 мм) привело к спаду нагрузки до 8-27 кН на первых трех испытанных анкерах и незначительному спаду с последующим ростом нагрузки до 33-46 кН на четвертом и пятом испытанных анкерах. Таким образом, при смещении резьбовых концов канатных анкеров АК относительно устьев шпуров до 72 мм наибольшая нагрузка на анкер составила 46 кН, а наибольшая среднестатистическая - 34 кН. Учитывая, что в соответствии с [{jO] определение прочности закрепления анкера в шпуре следует производить по наибольшему усилию штанговыдергивателя, развиваемому при вытягивании резьбового конца анкера из шпура не более, чем на 20 мм, следует считать, что прочность закрепления канатного анкера АК в шпуре одной ампулой АП-1-470 составляет 9-14 кН. При этом обводненность пород кровли не влияет на данный показатель.
Полученные результаты показывают, что канатные анкеры АК, закрепляемые в шпурах одной ампулой типа АП-1-470, могут использоваться только в сочетании с другими типами крепи (например, со сталеполимерной анкерной крепью АСГ1) и выполнять функции армирующей массив конструкции, препятствуя послойным подвижкам горных пород.
Контроль натяжения канатных анкеров АК осуществлялся с помощью динамометрического ключа конструкции ДонУГИ с индикатором часового типа ИЧ-10.
Параметры крепления сталеполимерной анкерной крепью конвейерного штрека № 03 02 ш. «Ростовская»
Конвейерный штрек № 0302 предназначен для транспортирования горной массы, доставки материалов и грузов, а также для целей вентиляции при подготовке и отработке пласта i3H лавой № 0302. За очистным забоем лавы № 0302 он будет погашаться.
Выработка проходится буровзрывным способом по пласту із мощностью 1,0 м с подрывкой кровли и почвы пласта. Угол падения пласта и вмещающих пород- 12-18.
Непосредственной кровлей пласта i3H является песчано-глинистый сланец мощностью 1,8-2,6 м и прочностью на сжатие 50-60 МПа. По данным геологи-ческого прогноза и опыта ведения работ по пласту із песчано-глинистый сланец характеризуется как неустойчивый и при длительном обнажении в подготовительных выработках склонен к обрушению на всю мощность.
Основная кровля представлена песчаным сланцем средней устойчивости мощностью от 6,0 до 15,0 м. Прочность песчаного сланца на сжатие 70-80 МПа. Переход к непосредственной кровле постепенный.
Непосредственной почвой пласта i3H является слой песчаного сланца мощностью 0,2-0,6 м. На отдельных участках непосредственная почва отсутствует. Ниже расположен крепкий песчаник мощностью от 1,5 до 2,4 м. Глубина расположения выработки от поверхности - 535 м.
Гидрогеологические условия в районе проведения штрека № 0302 являются обычными для шахт Гуковского угольного района и не вызовут осложнений при проведении штрека.
Геологическое строение кровли, литологический состав и прочностные свойства пород кровли показывают, что на большей части длины штрек № 0302 будет проходиться в сложных условиях. Наличие в непосредственной кровле пласта и выработки неустойчивого слоя пород песчано-глинистого и глинистого сланцев создаёт определённые трудности при креплении и поддержании штрека, как в зоне опорного давления лавы, так и в массиве. В связи с этим считаем целесообразным включить в площадь подрывки неустойчивый слой непосредственной кровли (песчано-глинистый сланец) по всей длине выработки.
В сложившейся геологической обстановке наибольшая устойчивость породного контура будет обеспечиваться прямоугольной формой поперечного се чения с наклонной кровлей. При этом в кровле пласта будет располагаться песчаный сланец мощностью 6,0-15,0 м.
С учётом габаритных размеров стационарного, проходческого и добычного оборудования, требуемых ПБ зазоров и проходов, ширина штрека № 0302 принимается равной 4,8 м, а высота по оси выработки - 3,6 м. Предлагаемая форма и размеры поперечного сечения штрека и положение в нём пласта и вмещающих пород показаны на рис 4.4.а
Мощность песчано-глинистого сланца согласно геологического прогноза колеблется в пределах от 1,8 до 2,6 м. К тому же ближе к границе выемочного столба в кровле прогнозируется появление глинистого сланца мощностью от 0 до 0,9 м. Таким образом, суммарный слой неустойчивых пород будет иметь мощность в пределах от 1,8 до 3,5 м.
