Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности вопроса проведения и крепления широких подготовительных выработок и монтажных камер для механизированных помещений 3
1.1 Отечественный и зарубежный опыт проведения и крепления широких подготовительных выработок и монтажных камер 3
1.2 Анализ опыта работ по проведению и креплению монтажных камер на шахтах Кузбасса 16
1.3 Расчётные методы определения параметров анкерной крепи и комбинированной (рамно-анкерной) крепи 26
1.3.1 Методы определения параметров анкерной крепи 26
1.3.2 Методы определения параметров комбинированной рамно-анкерной крепи 36
2 Исследование характера взаимодействия двухуровневой анкерной и рамно-анкерной крепи монтажных камер и широких подготовительных выработок с породами кровли на моделях из эквивалентных материалов 41
2.1 Методика исследований взаимодействия двухуровневой анкерной крепи монтажных камер и широких подготовительных выработок с породами кровли 41
2.2 Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок 44
2.3 Методика исследований взаимодействия рамно-анкерной (комбинированной) крепи монтажных камер и широких выработок с породами кровли 50
2.4 Результаты исследования особенностей взаимодействия комбинированной крепи выработок с массивом горных пород. Модели из эквивалентных материалов 60
3 Исследование проявлений горного давления в монтажных камерах 78
3.1 Исследования зависимости несущей способности комбинированной (рамно-анкерной) крепи от порядка и времени установки её элементов 80
3.2 Методика исследований 83
4 Методика определения параметров двухуровневой анкерной и комбинированной анкерно-рамной крепи 89
4.1 Методика определения параметров двухуровневой анкерной крепи широких выработок 89
4.2 Методика расчёта параметров комбинированной крепи, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи 105
5 Разработка способа скоростного сооружения монтажной камеры для механизированного комплекса 113
5.1 Технология подготовки и сооружения монтажных камер 113
Заключение 121
Список использованных источников 124
- Анализ опыта работ по проведению и креплению монтажных камер на шахтах Кузбасса
- Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок
- Исследования зависимости несущей способности комбинированной (рамно-анкерной) крепи от порядка и времени установки её элементов
- Методика расчёта параметров комбинированной крепи, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи
Введение к работе
Актуальность работы Дальнейшее успешное развитие угольной промышленности требует значительного увеличения нагрузок на очистные забои с доведением их на пластах средней мощности и мощных до 5-15 тыс. т/сутки. Выпускаемые в настоящее время отечественные и зарубежные механизированные комплексы последнего поколения в состоянии обеспечить такие нагрузки, однако их применение требует определенных условий при подготовке запасов выемочных участков и, в первую очередь, проведения и поддержания выработок большого пролета. К таким выработкам относятся выемочные штреки и монтажные камеры. При этом следует иметь в виду, что с увеличением сечения горных выработок увеличивается интенсивность проявлений горного давления, а удельная несущая способность применяемых поддерживающих типов крепи, например, рамных металлических из СВП существенно падает. Так, при изменении ширины выработки от четырёх до восьми метров величина проявлений горного давления увеличивается в 2,3 раза, а удельное сопротивление крепи уменьшается в 1,64 раза. Попытка увеличить рабочее сопротивление крепи за счёт изменения её плотности не даёт необходимого эффекта.
В последнее десятилетие на угольных шахтах России и за рубежом широкое распространение для крепления широкопролетных выработок, особенно монтажных камер, получили комбинированные крепи, состоящие из сочетаний анкерной сталеполимерной, рамной поддерживающей крепи и анкерной сталеполимерной двухуровневой крепи. Основным способом проведения широкопролетных выработок, особенно монтажных камер, в 85% случаев является способ, при котором вначале комбайном проводится выработка малого сечения (при пролете 3,5-4,0 м) с креплением кровли анкерами длиной 1,8-2,4 м, а затем с помощью этого же комбайна происходит её расширение до требуемых размеров с усилением возведённой крепи анкерами глубокого заложения или же её докрепление по всему пролету анкерами, такими же как в выработке малого сечения и усиление возведенной анкерной крепи рамной поддерживающей или стоечной крепью.
Недостатками известных способов проведения широкопролетных выработок и монтажных камер являются низкие темпы (средняя скорость проведения монтажных камер проектной ширины 6,5-8,0 м составляет 40-45 м/мес., причем большая часть этого времени уходит на проведение пилотной первой выработки шириной 4-4,5 м и лишь третья часть его на расширение её до проектного значения пролета). Таким образом, при средней длине лав 250-300 м время сооружения монтажной камеры составляет 5-7 месяцев.
Опыт проведения широкопролетных выработок, в частности монтажных камер, показывает, что при этом возникает ряд проблем, связанных с обеспечением устойчивости кровли при больших площадях её обнажения, своевременной и качественной установки рамной крепи, исключающей случаи вывалообразований и завалов выработок. При этом скорость проведения монтажных камер снижается до 25-30 м/мес., что в свою очередь приводит к срыву запланированных сроков ввода лав в эксплуатацию, потере добычи и экономическому ущербу.
Изложенное актуализирует необходимость решения важной задачи обоснования параметров технологии проведения и крепления широкопролетных выработок выемочных участков угольных шахт.
Цель исследований является обоснование параметров технологии проведения и крепления широкопролетных выработок, выемочных участков угольных шахт, позволяющих повысить темпы подготовки запасов угля к интенсивной и безопасной отработке.
Основная идея работы заключается в использовании выявленных закономерностей взаимодействия двухуровневой анкерной и комбинированной анкерно-рамной крепи с вмещающими породами при обосновании параметров технологических схем проведения и крепления широкопролетных выработок выемочных участков.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна.
1. При креплении кровли выработок крепью, являющуюся комбинацией анкерной и рамной поддерживающей крепи, величина смещения кровли выработок в одинаковых горно-геологических условиях определяется реактивным отпором крепи и эффектом упрочнения пород анкерами, а суммарное сопротивление возведённой комбинированной крепи зависит от порядка и временной увязки рабочих операций при установке её элементов.
2. При креплении кровли широкопролетных участковых выработок выработок двухуровневой анкерной крепью, включающей чередование поперечных рядов анкеров мелкого и глубокого заложения, параметры последних необходимо определять с учётом эффекта их разгрузки анкерами первого типа.
3. По характеру деформирования кровлю широкой выработки, закреплённой двухуровневой анкерной крепью, можно уподобить слоистой породной балке, опертой по краям на угольный массив и посредине - на жёсткую опору, в качестве которой выступают анкеры глубокого заложения, устанавливаемые попарно рядами с наклоном в сторону боков выработки и закрепляемые за пределами свода естественного равновесия и по всей глубине шпура.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей взаимодействия двухуровневой анкерной комбинированной (анкерно-рамной) крепи с породами кровли, учитывающих силовые и деформационные характеристики каждого из составляющих её элементов и их совместное влияние на устойчивость кровли широкопролетных выработок выемочных участков угольных шахт и их эффективное использование при отработке запасов выемочных участков.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- установлены количественные значения величин смещений кровли широкопролетных выработок выемочных;
- разработана методика расчета параметров анкерной двухуровневой и комбинированной анкерно-рамной крепи;
- разработана технологическая схема проведения и крепления широкопролетных монтажных камер.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- представительным объемом шахтных исследований взаимодействия анкерной, рамной и комбинированной крепи с породами кровли монтажных камер и широкопролетных выработок, оконтуривающих запасы выемочных участков;
- результатами лабораторных исследований на моделях из эквивалентных материалов особенностей взаимодействия анкерной двухуровневой крепи с породами кровли широкопролетных выработок, влияние длины анкеров и ширины выработок на характер проявлений в них горного давления;
- результатами натурных исследований влияния порядка выполнения операций и времени возведения элементов комбинированной крепи на её сопротивление и устойчивость участковых выработок;
- внедрение методики расчета параметров двухуровневой анкерной и комбинированной крепи на шахтах Кузнецкого бассеина.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований использованны при разработке новой редакции отраслевой «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах Кузбасса»
Апробация диссертации
Содержание и основные положения диссертации докладывались на совещании в Ростехнадзоре в Москве 23-25 ноября 2011 г., на заседании Учёного совета ВНИМИ «9» декабря 2011 г., на Всероссийском совещании «Неделя горняка» в Москве «24» января 2012 г.
Публикации
Основные научные результаты, полученные автором диссертации, опубликованы в 16 статьях, в том числе в 5 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованной литературы из 81 наименований, содержит 47 рисунков и 8 таблиц.
Анализ опыта работ по проведению и креплению монтажных камер на шахтах Кузбасса
Анализ схем проведения широких подготовительных выработок на шахтах Кузбасса [9-10] показывает, что в этих условиях применяются различные схемы, их можно разделить на следующие четыре группы: 1) проведение выработок сплошным забоем на всю ширину; 2) проведение выработок на всю ширину боковыми заходками; 3) поэтапное проведение выработок с разделением выработки по ширине на две части; 4) поэтапное проведение выработок с разделением выработки по ширине на две части участками длиной 50-60 м. Схемы проведения широких выработок приведены на рисунках 4 и 5. Схема поэтапного проведения выработок с разделением по ширине на две части приведена на рис. 5, а. При проведении выработок по этой схеме первоначально на всю длину проводится первая половина (1) выработки, сразу производится крепление проводимой части выработки в соответствии с разработанным паспортом крепления. После проведения и крепления первой половины производится проведение второй половины (2). Для этого комбайн перегоняется к устью выработки, иногда перестилает скребковый или ленточный конвейер. При проведении выработок по данной схеме расчёт смещений и ожидаемого давления на крепь производят не для всей ширины выработки, а для её частей. Существенным недостатком для данной схемы является длительный разрыв во времени между началом проведения первой половины выработки и второй половины. Вследствие этого геомеханические процессы в половинах выработки развиваются неодинаково. Схема проведения подготовительных выработок, приведённая на рисунке 5, б отличается от рассмотренной схемы тем, что отдельные половины выработок проводятся не на всю длину, а в пределах участков длиной 50-60м. Половины выработок при проходке сразу крепятся в соответствие с действующим «Паспортом...». Разница во времени проведения половин выработки в этом случае значительная, вследствие чего геомеханические процессы в половинах выработки развиваются одинаково. При применении данной схемы также часто расчёт смещения пород и ожидаемого давления пород кровли на крепь производится не для всей ширины выработки, а только для её половины.
На рисунке 4, а приведена схема проведения выработок сплошным забоем на ширину в пределах длины проходческого цикла. После взятия очередного цикла комбайн отгоняется от забоя, возводится временная крепь на обнажённом участке, а под её защитой - постоянная крепь. На рисунке 4, б приведена схема выработок на полную ширину боковыми заходками. В пределах длины проходческого цикла выработка по ширине делится на заходки - правую, левую, может быть центральная. Первоначально отрабатывается одна какая-то заходка на длину проходческого цикла, затем комбайн отгоняется от забоя, производится крепление заходки, после этого берётся следующая заходка и так процесс работ повторяется. Анализ применяемых схем проведения широких выработок, особенно длинных, показывает, что для проведения широких выработок целесообразно применять схему, приведённую на рисунке 4, б. Расчёт параметров крепления монтажной камеры 2бис, пл. Полысаевский-II выполняется для следующих горно-геологических и технических условий. Структурная колонка пласта Полысаевский-П приведена на рисунке 6. Монтажная камера проводится по верхней пачке пласта, высота монтажной камеры 3,7 м, ширина после расширения разрезной печи 9 м. Камера проводится комбайном КП-21 в два этапа - первоначально проводится разрезная печь на ширину 4,5 м, затем производится расширение печи до размеров монтажной камеры 9 м. Для крепления камеры принята 2-х ярусная схема расположения анкеров в кровле: в нижнем ярусе - 10 анкеров А20В длиной 2,6 м, расстояние между анкерами 0,9 м, шаг установки поперечных рядов 0,9 м; в верхнем ярусе устанавливаются 4 канатных анкера АК-01 длиной 3,8 м, расстояние между анкерами 2,2 м, шаг установки анкеров 0,9 м. На рисунке 7 представлен паспорт крепления монтажной камеры 2 по пласту Полысаевскому-П. В условиях шахты «Ольжеракская-Новая» была проведена монтажная камера по пласту 21. В границах выемочного столба 21-1-5 пласт 21 залегает на глубине 90-200 м. Угол падения пласта 6-10. Мощность пласта изменяется от 6,25 до 9,75 м. Уголь средней крепости, коэффициент крепости угля 1-1,4. Непосредственная и основная кровля пласта представлена разнозернистыми алевролитами мощности до 54 м, прочность алевролита на сжатие 60 МПа, растяжение 4,7 МПа. Монтажная камера располагается у почвы пласта, проводится комбайном КСПОЗЗ от конвейерного штрека 21-1-5 к вентиляционному штреку 21-1-5 в два этапа: первоначально проводится разрезная печь шириной 5 м, затем печь расширяется до размеров монтажной камеры до 8,3 м. Крепление кровли монтажной камеры осуществлялось по двухъярусной схеме. Создание первого яруса производилось сталеполимерными анкерами А20В из арматурной стали винтового профиля диаметром 20 мм. Принимались анкера длиной 2,0 м, плотность установки анкеров 1 анк./м .
Пять анкеров устанавливались при проведении разрезной печи шириной 5,0 м с шагом крепления 0,8 м; четыре анкера устанавливались при расширении разрезной печи до размеров камеры с шагом установки 0,8 м. В качестве подхватов использовались штрипсы. Закрепление анкерного стержня в шпуре производится на длину не менее 1,0 м, кровля перетягивалась металлической решетчатой затяжкой.
Второй ярус (глубокого заложения) формировался канатными анкерами АК-01, при этом устанавливались 4 продольных ряда канатных анкеров. Анке-ры устанавливались под опорные шайбы с плотностью установки 0,35 арм./м . Длина канатных анкеров составила 5,0 м. Дополнительно анкерная крепь камеры усиливалась двумя рядами деревянных стоек, стойки устанавливались под подхват из бруса с шагом установки стоек 0,8 м. Параметры крепления монтажной камеры 21-1-5 приведены на рисунках 8 и 9.
Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок
Изучение влияния двухуровневой анкерной крепи на устойчивость кровли широких выработок проводилось в лаборатории моделирования ВНИМИ на моделях из эквивалентных материалов. При этом решались две задачи: влияние параметров анкерной крепи на характер и величину смещения кровли широких выработок и влияние ширины выработок на величину смещения кровли.
В качестве эквивалентных материалов использовался просеянный песок, скрепленный твердеющим составом из эпоксидной смолы с добавкой глицерина. По результатам предварительных испытаний образцов из этой смеси с различным количественным составом связующего принята прочность материала модели, равная 4-5 кгс/см . В масштабе моделирования 1:50 эта прочность соответствовала породам, представленным песчано-глинистыми сланцами, аргиллитами и алевролитами с пределом прочности в образцах на сжатие, равным 350-400 кг/см2. Кроме того, при изучении влияния ширины выработок на характер и величину смещений кровли моделировались породы прочностью на ежа-тие 600 кгс/см .
Моделируемый массив изготавливался на стенде длиной 5 м с последующим его разделением на равные по длине блоки. В процессе изготовления модели массиву задавалась слоистая структура, мощность слоев принималась равной 1 см. Межслоевые контакты имитировались молотой слюдой (микой), вследствие чего моделируемый массив имел прочность несколько меньшую, чем определённую в результате испытаний образцов.
Рабочая камера пресса позволяла испытывать блоки размерами 450х300х200 мм. В основании блоков проводились выработки шириной 14-20 см и высотой 4-6 см, что отвечало реальным параметрам выработок в натуре 7-10 м и 2-3 м.
Закатка модели на всю длину стенда с последующим разделением на блоки обеспечивала одинаковую однородную структуру и прочность массива во всех опытах. В каждом блоке в кровлю исследуемой выработки в период изготовления модели закладывались анкеры, скреплённые с массивом по всей их длине. Анкеры изготавливались из отрезков проволоки, снабжённых с одной стороны опорной плитой размером 2 2 см. Материал проволоки, её диаметр и предельные нагрузки подбирались предварительными испытаниями.
Схемы испытываемых моделей представлены на рисунке 10. Как видно, в первом блоке испытывалась выработка без крепления кровли. Во втором - анкерная крепь устанавливалась по квадратной сетке с расстоянием между анкерами равном 2 см, при этом плотность крепи в пересчёте на натуру составляла 1 анкер/м . Анкеры были ориентированы перпендикулярно к плоскости кровли и стягивали 4 породных слоя, что соответствовало 2 м в кровле реальной выработки. В третьем блоке дополнительно к крепи, параметры которой были такими же как в выработке второго блока, устанавливали глубинные анкеры, минимальная длина которых С принималась равной половине ширины выработки В, которые связывали 8 слоев кровли. Глубинные анкеры располагались в два ряда вдоль оси выработки в середине её ширины. Расстояние между рядами и анкерами в рядах составляло 2 см. Анкеры устанавливались с наклоном в сторону боков выработки под углом 75. Глубина анкерования для условий натуры составляла 4 м.
Для обеспечения условия нагружения моделей, близких к объёмному состоянию, пустоты между блоками и металлическими боковыми стенками стенда тампонировались той же песчаной смесью. Во фронтальном направлении запрессовка блока модели осуществлялась тем же раствором между съёмными швеллерами, установленными выше исследуемой выработки в модели. Наблюдения за опусканием кровли выработок проводились в трёх точках её поперечного сечения: в центре выработки и на расстоянии 1/4 её ширины от каждой из боковых стенок. При исследовании влияния ширины выра боток на величину смещения кровли в блоках выполнялись выработки шириной 7-10 м в пригруженном массиве. При этом величина нагрузки с учётом масштаба модели соответствовала глубине расположения выработок 400-600-800-1000 м. Прочность пород в пересчёте на натуру 40 и 60 МПа. Абсолютные смещения кровли относительно неподвижного основания стенда измерялись с помощью штангенциркуля. Точность измерения ±0,1 мм. Нагружение моделей производилось ступенями с выдержкой во времени равной 10-15 мин. С переходом материала модели в стадию пластического деформирования нагрузка на неё длительное время поддерживалась постоянной.
По характеру смещений кровли в широких выработках каждый эксперимент имеет свои отличительные особенности (см. рисунок 10). Эти различия обусловлены как формированием поля напряжений в кровле выработки, так и параметрами крепления анкерами слоистых пород. В выработках без крепи опускание кровли с увеличением нагрузок происходило равномерно, примерно с одинаковой скоростью (рисунок 11). Такое равное приращение смещений происходило с увеличением нагрузок до 4,4 кгс/см , то есть до величины примерно равной прочности материала на сжатие, после чего следовало пластическое течение материала модели на уровне нагружения 4,4-4,6кг/см2. Следует отметить, что смещения кровли вблизи стенок выработки на первом участке деформирования были несколько большими, чем в середине пролёта выработки (см. рисунок И). Это явление, по-видимому, обусловлено особенностями формирования свода обрушения, отделение которого от массива начинается с пяты свода, с образования и развития трещин разлома в углах на сопряжениях кровли с боковыми стенками выработки. На этих участках происходят интенсивные начальные смещения кровли и сравнительно меньшие в середине пролета выработки. Это чётко видно на представленных графиках (см. рисунок 11). Эксперименты по этой схеме заканчивались вывалом двух слоев пород из кровли выработки в виде блоков, ограниченных трещинами и разломами вдоль выработки в её середине и в пятах свода. В пересчёте на натуру толщина вывалившихся блоков составляла 1,0-1,6 м.
Графики прогиба кровли выработок, скреплённой анкерами на глубину 2 м плотностью установки в натуре 1 анк/м , представлены на рисунке 12. Как видно из графиков, в упругой зоне отмечаются участки с резким изменением характера смещений: рост нагрузок на кровлю выработок при отсутствии её перемещений сменяется периодами интенсивного смещения кровли при незначительных приращениях внешних нагрузок. Такие ступени повторяются 2-3 раза (см. рисунок 12). Характер смещений кровли представлен графиком 1, построенном по результатам наблюдений по реперам, установленным в середине пролёта выработки. Вблизи стенок выработки подобный характер деформирования практически не наблюдается.
Исследования зависимости несущей способности комбинированной (рамно-анкерной) крепи от порядка и времени установки её элементов
Исследование закономерностей взаимодействия комбинированных крепей с массивом горных пород проводилось на плоских моделях из эквивалентных материалов. Методикой работ на весь период исследований предусматривалась закатка и отработка нескольких моделей на пятиметровом стенде, отличающихся друг от друга режимом работы элементов комбинированной крепи (в жёстком и податливом режимах).
На моделях нами имитировался слоистый и трещиноватый массив из пес-чано-эпоксидной смеси. Мощность горизонтальных слоев в модели была постоянной и принималась равной 1 см. В массиве модели воспроизводились две взаимоперпендикулярные системы трещин с расстоянием между ними равным 1 см. Таким образом, весь массив модели был сложен из элементарных блочков кубической формы с гранью равной 1 см. В масштабе моделирования 1:25 для натурных условий это соответствует отдельности со средним размером грани равном 25 см, что характере дли песчанистого сланца средней прочности порядка /?с=50-60 МПа.
С целью недопущения боковых деформаций в плоских моделях при их изготовлении устанавливались жёсткие металлические стяжки, которые позволяли приблизить условия испытания на плоских моделях к условиям объёмного моделирования. В однородном массиве с пологим залеганием пород наибольшие смещения проявляются со стороны кровли и почвы выработки. В условиях проведения эксперимента на плоском стенде пригружение модели было только вертикальное при боковом распоре Я=0,3.
В такой однородной среде на одном горизонте проходились выработки на расстояниях, исключающих их взаимное влияние друг на друга. Проводимые в модели выработки были подковообразной формы с внутренними размерами по ширине 38 см и по высоте 12 см, что соответствовало в натуре горной выработке шириной 8 м и высотой 3 м. Такая высота выработки достаточна для размещения в ней индикаторных стоек для измерения смещений конвергенции пород кровли-почвы выработки. Как видно из рисунка 14, при прочности пород 30 МПа смещения кровли в выработке шириной 5 м на глубине 400 м составляли 140 мм, а при ширине выработки 7 м на той же глубине максимальные смещения - 525 мм. При прочности пород 60 МПа в выработке шириной 7 м максимальные смещения кровли на глубине 400 м составили 15 мм, а на глубине 1000 м - 120 мм (см. рисунок 15). В монтажных камерах также была отмечена четкая зависимость величины смещений кровли от их ширины (см. рисунки 16-17). При этом характер изменений был такой же, как и в вентиляционных штреках, однако, общая величина смещений в монтажных камерах была значительно больше. Так, при прочности пород 30 МПа на глубине 400 м при ширине выработки 7,5 м величина смещений составила 300 мм, а при ширине выработки 10 м на этой же глубине она составила 440 мм. На глубине 1000 м при ширине выработки 7,5 м и 10 м смещения кровли составили, соответственно, 790 мм и 1100 мм. Проведенные исследования позволяют при определении параметров крепления выработок учитывать влияние их ширины на смещения кровли при разной прочности пород. Влияние ширины выработки более существенно сказывается на смещениях кровли при увеличении глубины разработки, а также при уменьшении прочности пород. Измерение смещений пород в выработках производилось с помощью индикаторов часового типа. Для крепления выработок применялась анкерная крепь, металлическая податливая крепь и комбинированная крепь, состоящая из анкерной и металлической рамной крепи. По условиям эксперимента нами принято равенство несущих способностей анкерной и рамной крепей. Указанные выпе крепи работали в режиме постоянного сопротивления. Рабочее сопротивление комбинированной крепи было в два раза выше, чем у рамной и металлической крепей в отдельности. Методикой предусматривалось также крепление одной из выработок рамной металлической крепью, у которой несущая способность была равна несущей способности комбинированной крепи. Такой подход позволяет исследовать работу двух различных конструкций крепи с одинаковым сопротивлением и разными схемами взаимодействия с массивом горных пород. Анкеры в выработках располагались в специально пробуренных шпурах по квадратной сетке с плотностью, соответствующей натуре - один анкер на 1 м . Длина анкеров 8 см (2 м в переводе на натуру). Металлическая податливая крепь выполнялась в виде обоймы верхняков, соединённых воедино двумя продольными прогонами. Для создания постоянного отпора крепи такая обойма верхняков подвешивалась в кровле выработки на специальных нитях, соединённых с постоянными грузами, которые устанавливались через блочки с обеих сторон модели. Масса грузов составляла сумму расчётной величины отпора крепи и веса самой обоймы. Верхняки устанавливались через 4 см (в натуре - через 1 м). Подобная обойма устанавливалась также и на почву выработки. В этом случае грузики подвешивались непосредственно к обойме. Их масса определялась с учётом веса обоймы, т.е. вес грузиков уменьшался на величину веса самой обоймы. Конструкция элементов податливой крепи постоянного сопротивления для кровли I и подошвы горных выработок II, и схем их установки показаны на рисунке 18. При установке комбинированной крепи, принцип монтажа каждой крепи в отдельности полностью сохранялся. Анкера устанавливались в кровле и подошве выработки в промежутках между верхняками или лежаками металлической крепи. В виду ограниченного количества подготовительных элементов различных конструкций крепи и измерительной аппаратуры пятиметровая модель была разделена на две равные части, каждая из которых отрабатывалась самостоятельно и последовательно.
Методика расчёта параметров комбинированной крепи, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи
Исследования проводились на шахтах «Северная», «Заполярная», «Комсомольская», «Воркутинская» и в монтажных камерах шириной 6,5-8,0 м. Всего были оборудованы 6 замерных станций, расположенных на разных пластах.
Замерные станции состояли из пары контурных реперов типа «почва-кровля». Для измерений величин смещений только кровли и подъёма почвы в бортах выработки устанавливали горизонтально расположенные репера, между которыми натягивали металлический тросик, диаметр которого составлял 2,5-3 мм. Для раздельной оценки величин смещений кровли и почвы измерялись расстояния между репером, в кровле или в почве выработки и натянутым тросиком. Измерения этих расстояний осуществляли с помощью рулетки ВНИМИ с точностью измерений ±0,5 мм.
В монтажных камерах замерные станции оборудовались при их проведении на расстоянии 1,0-1,5 м от забоя и наблюдения проводились до стабилизации смещений, то есть когда их скорость уменьшалась до 1 -2 мм/сут. Результаты измерений на замерных станциях заносились в «Журнал наблюдений» и затем эти данные обрабатывались, после чего результаты представляли в виде соответствующих таблиц и графиков. При каждом очередном замере производилось не менее 3 измерений расстояний между реперами, при этом величина отклонений измеряемых величин по каждому замеру не превышала ±0,5 мм. Одновременно с измерениями расстояний между реперами отмечались дата, время замера, расстояние от реперной станции до очистного или проходческого забоев. В процессе измерений отмечались состояние выработки и крепи, фиксировались случаи разрушения боков выработок, поломы и деформации крепи, наличие заколов, коржений и вывалов пород кровли. Наиболее характерные моменты зарисовывались или фотографировались.
Глубина расположения выработок находилась в пределах от 270 до 1010 м. Во всех случаях проведение монтажных камер осуществлялось проходческим комбайном типа ГПКС, транспортировка горной массы - скребковыми конвейерами. Выработки проводились трапециевидным сечением площадью от 10,4 до 19,5 м2. При этом 64% выработок имели сечение более 15 м2 Для крепления камер использовались рамная специальная трапециевидная крепь КСТ, металлические крепи МТПШ и КМТ и в одном случае - деревянная крепь НДО. В зависимости от горно-геологических условий плотность установки рамной крепи составляла 1,5-3,0 р/п.м.
На рисунке 37 представлены результаты измерений в монтажной камере 832-ю по пласту Четвёртому на шахте «Воркутинская». Ширина выработки составляла 6,5 м, крепь КСТ с металлической решетчатой затяжкой. Как видно, рост смещений кровли в выработке отмечался практически сразу после её проведения и через 5 суток в сечении замерной станции смещения составляли 100-120 мм. Скорость смещений была примерно постоянной и составляла 20-25 мм/сутки, при этом были отмечены деформации элементов крепи затяжки и проскальзывания верхняков. В связи с таким положением по центру выработки были установлены по две деревянные стойки усиления диаметром 20-22 мм. Как видно из рисунка 37, после установки стоек усиления скорость смещений значительно уменьшилась и составила 1,5-2,0 мм/сутки.
Аналогичные результаты получены и в других монтажных камерах, Так результаты измерений, полученные в монтажной камере 912-ю по пласту Тройному на шахте «Северная», представлены на рисунке 38. Следует отметить, что эта монтажная камера проводилась на участке, подработанном ранее пластом Четвёртым. Представленный график построен в координатах: величина сближения кровли-почвы - расстояние до забоя. Как видно из этого рисунка, при установке крепи усиления на расстоянии 8-9 м от забоя, то есть практически через сутки после проведения выработки, смещения кровли составили 80 мм и в дальнейшем по мере увеличения расстояния до забоя практически не менялись. Состояние выработки было хорошим. Результаты измерений смещений кровли в монтажной камере 212-ю по пласту Тройному на шахте «Комсомольская» приведены на рисунке 39. В этой выработке крепь усиления не устанавливалась, поэтому на расстоянии 10 м от забоя смещения кровли составили 160 мм, при этом отмечались случаи деформации крепи и затяжки, высыпания угля с боков выработки. Относительная стабилизация смещения кровли отмечена на расстоянии 20-25 м от забоя, при этом величина смещений составила 180-200 мм, крепь практически выбрала свою податливость, затяжка была деформирована, а метами порвана. Отжим угля из бортов выработки отмечался на глубину 0,6-0,9 м.
С переходом горных работ на большие глубины, а также при проведении широких выработок и монтажных камер, испытывающих влияние повышенного горного давления всё большее применение, находят различного рола комбинированные крепи. Под комбинированной крепью понимается комбинация различных средств крепления выработок. В диссертации рассматривается комбинированная крепь, представляющая собой комбинацию рамной поддерживающей и анкерной крепей. Комбинированные крепи используются в выработках практически любого поперечного сечения [67-69]. Известные методики расчёта параметров комбинированной крепи [70-72] основываются на предположении, что возведённое сопротивление комбинированной крепи (Рвк) равно сумме сопротивлений крепи, составляющих принятую комбинацию, т.е.
