Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности разработки свит пологих сближенных пластов 12
1.1 Системы разработки мощных пологих угольных пластов на шахтах кузбасса 12
1.2 Характеристика зон повышенного горного давления, формирующегося под целиками и краевыми частями угольного массива по верхнему пласту 26
1.3. Анализ практического опыта использования различных видов крепи для поддержания выработок в зонах повышенного горного давления 39
1.3.1 Конструкции канатных анкеров 39
1.3.2. Практический опыт применения канатных анкеров 49
1.3.3 Практический опыт применения рамных крепей 65
Выводы 75
2. Шахтные исследования устойчивости подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью 79
2.1. Особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки сближенных пластов на шахтах «им.С.М. Кирова» и «Полысаевская» 79
2.1.1. Особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки сближенных пластов на шахте «им: С М. Кирова» 79
2.1.2. Особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки сближенных пластов на шахте «полысаевская» 82
2.2. Методика инструментальных наблюдений в подготовительных выработках, расположенных в зонах повышенного горного давления 85
2.2.1 методика инструментальных наблюдений за смещениями пород на контуре сечения в подготовительных выработках, поддерживаемых в зонах повышенного горного давления 87
2.2.2. Методика исследований влияния величины заделки канатного анкера при ампульном способе закрепления анкера в шпуре на его несущую способность 91
2.3. Результаты шахтных исследований факторов, влияющих на устойчивость подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью 95
2.3.1. Результаты шахтных исследований проявлений горного давления в подготовительных выработках, расположенных в зонах повышенного горного давления 95
2.3.2. Результаты шахтных исследований фактической несущей способности канатных анкеров 104
Выводы 109
3. Исследования влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние горного массива в окрестности подготовительной выработки надрабатываемого пласта 111
3.1. Исследование влияний горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние горного Массива в окрестности подготовительной выработки надрабатываемого пласта 111
3.1.1 Выбор метода исследований 111
3.1.2 Результаты расчета параметров напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности подготовительной выработки, расположенной в ненадработанном массиве 118
3.1.3 Результаты расчета параметров, напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности подготовительных выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления 120
Выводы 131
4. Исследование влияния горно-геологических факторов на параметры канатных анкеров 133
4.1 Анализ гипотез игеомеханических моделей, используемых для расчета параметров анкерных крепей133
4.2 Лабораторные исследования влияния величины заделки на несущую способность канатного анкера 138
4.2.1 Методика лабораторных исследований 138
4.2.2 Результаты лабораторных исследований 143
4.3 Результаты расчета параметров канатных анкеров, используемых для обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления 148
Выводы 151
5. Рекомендуемые способы обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления при отработке пластов «болдыревского» и «поленовского» 154
5.1. Рекомендуемые системы разработки мощных пологих сближенных пластов 154
5.2. Рекомендуемый способ повышения несущей способности канатного анкера 159
5.3. Рекомендуемые паспорта крепления подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления 164
5.4. Технико-экономическая оценка разработанных рекомендаций 170
Выводы 174
Заключения 175
Список литературы 178
- Характеристика зон повышенного горного давления, формирующегося под целиками и краевыми частями угольного массива по верхнему пласту
- Особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки сближенных пластов на шахте «им: С М. Кирова»
- Результаты расчета параметров, напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности подготовительных выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления
- Результаты расчета параметров канатных анкеров, используемых для обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления
Введение к работе
Актуальность работы. Проектирование современной угольной шахты связано с выбором рациональных технических и технологических организационных решений, позволяющих максимально использовать потенциал современного высокопроизводительного очистного оборудования при обеспечении безопасности труда горнорабочих. К числу основных факторов, определяющих надежность функционирования основных подсистем шахты (очистные забои, проветривание, транспорт, дегазация), относится устойчивость участковых подготовительных выработок.
Вопросам обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок, поддерживаемых в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, посвящены работы В.Е. Ануфриева, К.А. Ардашева, О.А. Атрушкевича, А.А. Борисова, Н.П. Бажина, М.П. Зборщика, В.П. Зубова, Н.К. Гринько, Ю.В. Громова, В.Е. Зайденварга, О.В. Ковалева, Л.М. Коновалова, Ю.Н. Кузнецова, А.С. Малкина, А.В. Ремезова, М.А. Розенбаума, А.Д. Рубана, В.Н. Фрянова, А.П. Широкова, В.М. Шика и др.
Изменения, произошедшие в последние 10-15 лет в угольной отрасли, привели к повышению актуальности задачи обеспечения технологически удовлетворительного состояния выработок в течение срока их службы. Это связано, в основном, с широким внедрением на шахтах Кузбасса системы разработки длинными столбами с оставлением целиков угля между выемочными столбами, увеличением длин выемочных столбов и лав, существенным ростом среднесуточных нагрузок на очистные забои, использованием анкерной крепи в качестве основной крепи участковых подготовительных выработок.
Оставление целиков угля между выемочными столбами привело к ухудшению геомеханических условий поддержания подготовительных выработок надрабатываемых пластов. Увеличение среднесуточных нагрузок на очистные забои повысило «цену» простоев лав из-за технологически неудовлетворительного состояния выработок. В этой связи повышение надежности функционирования участковых подготовительных выработок при высоком уровне концентрации горных работ имеет важное практическое значение.
Цель работы. Снижение затрат на поддержание и повышение устойчивости подготовительных выработок надрабатываемых пластов, расположенных в зонах повышенного горного давления, при использовании систем разработки сближенных пластов длинными столбами и подготовке столбов сдвоенными выработками.
Идея работы. Технологические схемы отработки сближенных пластов и паспорта крепления участковых подготовительных выработок необходимо принимать с учетом степени влияния целиков, оставленных в выработанном пространстве вышерасположенных пластов, на подготовительные и очистные выработки надрабатываемых пластов.
Основные задачи исследований:
1. Установление основных причин снижения устойчивости подготовительных выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления (ПГД).
2. Определение достоинств и недостатков известных способов обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок с использованием различных типов крепей.
3. Исследование влияния горнотехнических факторов на параметры анкерной крепи, используемой на участках подготовительных выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления.
4. Разработка способов повышения устойчивости участковых подготовительных выработок, расположенных под краевыми частями угольного массива или целиками угля, оставленными в выработанном пространстве вышерасположенного пласта.
Методы исследований. При выполнении работы был принят комплексный метод исследований, включающий в себя: анализ и научное обобщение ранее опубликованных в горнотехнической литературе работ по проблеме поддержания участковых подготовительных выработок, расположенных в зонах ПГД; шахтные исследования процессов деформирования участковых подготовительных выработок; аналитические исследования процессов деформирования пород в окрестностях участковых подготовительных выработок.
Научная новизна:
установлены качественные и количественные зависимости величин соотношения паспортной и фактической несущей способности канатных анкеров при ампульном способе их закрепления от величины заделки анкера в шпуре твердеющей смесью;
экспериментально доказано, что основной причиной низкой фактической несущей способности канатных анкеров при ампульном способе закрепления их в шпуре является стекание вниз при установке анкера закрепляющей смеси по кольцевому зазору между анкером и стенками шпура.
Основные защищаемые положения:
1. При использовании системы разработки пологих угольных пластов длинными столбами с подготовкой выемочных столбов сдвоенными выработками и оборудовании лав высокопроизводительными очистными механизированными комплексами планирование горных работ в надрабатываемом пласте необходимо производить с учетом оставляемых в выработанном пространстве вышерасположенного пласта целиков угля. Не учет данного фактора, как правило, является причиной низкой устойчивости участковых подготовительных выработок, невосполнимых потерь добычи до 20-25% и более, повышения издержек производства до 7-18% и снижения безопасности труда.
2. Основной причиной низкой фактической несущей способности канатных анкеров при ампульном способе закрепления их в шпуре является стекание вниз при установке анкера закрепляющей смеси по кольцевому зазору между анкером и стенками шпура. В результате существенного снижения связи анкера со стенками шпура в месте предполагаемого закрепления ампул фактическая несущая способность канатных анкеров не превышает 30-70% паспортной величины, что необходимо учитывать при разработке паспортов крепления подготовительных выработок.
3. Реализация предложенных схем совместной разработки сближенных пластов в нисходящем порядке в сочетании с использованием комбинированных паспортов крепления подготовительных выработок, включающих канатные анкеры и учитывающих уровни действующих в массиве напряжений, позволяет при подготовке столбов сдвоенными выработками практически полностью исключить влияние целиков на лавы надрабатываемых пластов и уменьшить затраты на крепление (в 1,5-2 раза) и поддержание (на 30-40%) участковых подготовительных выработок.
Практическая значимость работы:
обоснованы рациональные схемы ведения горных работ при разработке свит угольных пластов;
разработаны способы обеспечения технологически удовлетворительного состояния участковых подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления при разработке сближенных пластов;
установлено, что к числу факторов, влияющих на несущую способность анкерной крепи при ампульном способе закрепления относится соотношение длины анкерной крепи и глубины распространения зоны повышенной нарушенности пород в окрестности охраняемой подготовительной выработки;
разработана новая конструкция канатного анкера, использование которой позволяет повысить несущую способность анкера более чем на 30-35% и снизить затраты на крепление подготовительных выработок.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается их соответствием результатам, полученным при проведении шахтных и лабораторных исследований, а также при экспертной оценке специалистами ООО «ЦАКк», ОАО «СУЭК-Кузбасс» и других организаций; использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении шахтных исследований; положительными результатами промышленных испытаний.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на LVIII Международном форуме горняков и металлургов (Фрайберг, Германия, 2008 г.); на ежегодной Международной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2008 г.); ежегодных научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г.); международной конференции «Неделя Горняка» Московского горного университета (Москва, 2010 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института.
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные, лабораторные и аналитические исследования, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 статьи - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получено 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 187 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 87 источников, включает 81 рисунка и 18 таблиц.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных, к.т.н. Д.В. Осминину, к.т.н. Л.М. Коновалову и другим работникам ООО «ЦАКк» и ОАО «СУЭК-Кузбасс» за помощь в сборе исходной информации и проведении шахтных исследований, сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института за полезные замечания и техническую помощь при выполнении работы.
Характеристика зон повышенного горного давления, формирующегося под целиками и краевыми частями угольного массива по верхнему пласту
При отработке сближенных угольных пластов одной из основных причин нарушения устойчивости подготовительных выработок надрабатываемого пласта является вредное влияние на них повышенного горного давления (ПГД), сохраняющегося под краевыми частями угольного массива и целиками надрабатывающего пласта (рис. 1.10).
Применяемые принципиальные схемы расположения выработок надрабатываемых пластов относительно краевых частей (целиков) по надрабатывающему пласту представлены на рис. 1.11. Одной из основных схем расположения надрабатываемых выработок, обеспечивающей снижение негативного воздействия надработки, является схема г (рис. 1.11), при которой выработки располагают под выработанным пространством надрабатывающего пласта. Наблюдениями [41] за продолжительностью интенсивного смещения пород в надрабатываемых выработках выявлены зависимости влияния различных факторов на указанный параметр. Установлено, что время активного смещения пород возрастает как по мере увеличения глубины ведения работ, так и с уменьшением расстояния от выработки, расположенной под обрушенными породами, до краевых частей угольного массива и целиков, оставленных в выработанном пространстве верхнего пласта. В то же время увеличение мощности и прочности пород междупластья вызывает снижение указанного параметра.
В выработках, расположенных на расстоянии менее 15-20 м от краевых частей (целиков) по надрабатывающему пласту, интенсивность смещения пород на контуре в 1,2-1,5 раза выше [40], чем в ненадработанном массиве.
Применительно к решению задачи по определению места расположения участковых подготовительных выработок надработанного пласта, интерес представляет параметр а і - ширина области распространения вредного влияния (активного сдвижения горных пород) в сторону выработанного пространства отработанного пласта (рис. 1.12). где а — глубина распространения под выработанное пространство области повышенных напряжений на расстояние hn н от верхнего пласта.
При залегании в кровле пласта очень прочных пород, параметр а і достигает максимальных значений - 2,2 [40].
Целики и краевые части угольного массива по надрабатывающему пласту оказывают существенное отрицательное влияние не только на подготовительные выработки, но и на очистные работы надрабатываемых пластов [39]. В период работы лав под целиками резко возрастает концентрация напряжений в зоне опорного давления подрабатывающей лавы, что приводит к увеличению интенсивности вывалов в ее призабойном пространстве и, как следствие этого, к непроизводительным простоям лав и потерям добычи.
Опыт разработки свит сближенных пластов в нисходящем порядке показывает, что эффективность решения вопросов, связанных с управлением горным давлением в лавах надрабатываемых пластов, в значительной степени зависит от положения лав относительно краевых частей угольного массива и целиков, оставленных в выработанном пространстве вышерасположенных пластов. При этом целики и краевые части угольного массива по вышерасположенным пластам могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на работу подрабатывающих лав. Характер и степень влияния определяются расположением лавы или отдельных ее участков относительно областей с повышенными и пониженными напряжениями, возникающими в междупластье в зонах влияния целиков и краевых частей угольного массива. Неучет данного фактора приводит, как правило, к резкому снижению технико-экономических показателей подрабатывающих лав, или к необоснованным затратам на проведение дополнительных мероприятий по управлению горным давлением.
Одной из основных причин такого положения является недостаточно четкое понимание техническими работниками шахт особенностей управления горным давлением в лавах в периоды прохождения ими зон с повышенным и пониженным уровнями напряжений.
Особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки сближенных пластов на шахте «им: С М. Кирова»
В настоящее время шахтой им. СМ. Кирова отрабатывается два пласта Болдыревскии и Поленовский, расстояние между которыми по нормали составляет 45 — 50 м. Горные работы по пласту Поленовскому ведутся на глубинах 300 — 430 м от поверхности. Пласты Болдыревскии и Поленовский имеют крепкий уголь с пределом прочности на одноосное сжатие угля по результатам испытаний, до 5,1МПа. Пласт Болдыревскии имеет мощность 1,7 — 2,2 м. Угол падения пласта до 10. Непосредственная кровля пласта представлена мелкозернистыми алевролитами мощностью до 2 м. Основная кровля сложена прочными песчаниками мощностью до 20 м. Пласт Поленовский залегает ниже пласта Болдыревского и имеет мощность 1,6 - 1,8 м. Коэффициент крепости угля по проф. Протодъяконову f = 1,5 - 2. Угол падения пласта от 8 - 9 до 2 в оси складки, строение пласта простое, гипсометрия пласта волнистая с наличием мульд. Основная система трещин расположена под углом 50 к штрекам с углом падения 85. Непосредственная кровля пласта представлена аргиллитами и алевролитами мощностью 2 — 6 м средней крепости f = 3 — 4.Устойчивость-от неустойчивой I класса до средней устойчивости II класса. Согласно горно-геологическому прогнозу возможны локальные участки с пониженной устойчивостью, обусловленной проявлением плитчатой отдельности, что не исключает внезапное обрушение пород кровли на высоту до 0,5 - 0,7 м. Имеется слой «ложной» кровли, m = 0,1 — 0,3 м. с коэффициентом крепости по проф. Протодъяконову f = 2,5, допустимая площадь обнажения 7 м в течение 40 мин. Основная кровля мощностью до 20 - 30 м представлена крепкими песчаниками с f = 5 — 7. почва пласта - аргиллиты и алевролиты средней крепости f = 3 -4. Стратиграфический разрез сближенных пластов Поленовского и Болдаревского, а также пород междупластья представлен на (рис.2.1). Пласты Болдыревский и Поленовский отрабатываются одновременно с опережением горных работ по верхнему пласту. Применяемая система разработки — длинные столбы по простиранию пласта с подготовкой выемочных столбов сдвоенными выработками; длина лав 180 - 220 м; ярусные штреки имеют сечение 10 — 12 м2; ширина междуярусных целиков 25 — 30 м. Основным видом крепи подготовительных выработок является анкерная крепь с шагом крепления 0,9 м. У панельных уклонов по обоим пластам оставляются целики угля шириной 50 - 200 м. Участковые подготовительные выработки, расположенные по пласту Поленовский, на большем своем протяжении находятся под краевыми частями оставленных целиков между ярусами пласта Болдыревского. Очистные забои оборудованы механизированными комплексами поддерживающего-оградительного типа КМ142. Управление кровлей в лавах производится способом полного обрушения. По результатам предварительной оценки состояния участковых подготовительных выработок, расположенных в зонах ПГД пласта Поленовского, а также анализа отчетных материалов шахты, установлено, что фактические затраты, связанные с ремонтом крепи в 2006 году за период 180 суток, составили более 9843000 руб. Одной из основных причин нарушения устойчивости подготовительных выработок является вредное влияния на них повышенного горного давления, сохраняющегося под краевыми частями угольного массива и целиками, оставленными на верхнем пласте. Краевые части угольного массива и целики, оставленные при отработке пласта Болдыревского, оказывают отрицательное влияние на состояние контура и крепи подготовительных выработок пласта Поленовского. При этом снижается производительность и безопасность труда, повышается себестоимость угля. На шахте «Полысаевская» в настоящее время ведется отработка двух пластов Бреевского и Толмачевского, расстояние между которыми по нормали составляет 56 — 62 м. Горные работы в основном ведутся по пласту Толмачевский на глубинах 400 - 550 м. Угольный пласт Бреевский имеет среднюю мощность 1,8 — 2,2 м. Литологическии состав его непосредственной кровли в различных частях шахтного поля неодинаков. В основном преобладают мелкозернистые алевролиты. Основная кровля — прочный песчаник мощностью до 10 м. Следует отметить, что угольный пласт Бреевский над полем действующей лавы 1831 пласта Толмачевского отработан с оставленными целиками между ярусами. Расположенные выше пласта Толмачевского рабочие пласты также отработаны системами разработки с оставлением целиков между ярусами. Угольный пласт Толмачевский имеет среднюю мощность 2,2 м, угол падения до 10 .В настоящее время отработка пласта ведется на глубине 400-550 м. Вмещающие породы представлены переслаиванием алевролитов, песчаников и пластов угля (рис.2.2). Пласт Толмачевский имеет ложную кровлю мощностью до ОД м, представленную углистым аргиллитом f=2 или сильно трещиноватым алевролитом, который обрушается практически сразу после обнажения. Непосредственная кровля пласта Толмачевского сложена мелко- и среднезернистым трещиноватым алевролитом мощностью 2-6 м. На отдельных участках мощность ее может уменьшаться до 0-0,5 м и выше появляется песчаник. В таких локальных местах наблюдается, как правило, капеж воды, а иногда и струйчатое выделение воды. Основная кровля представлена мелко- и среднезернистым песчаником мощностью 8-16 м. Непосредственно в почве пласта залегает углистый аргиллит или влажный слабый алевролит мощностью 0,03-0,12 м. Ложная почва из-за малой прочности технологически оставляться не может и вынимается вместе с пластом. Почва пласта сложена мелкозернистым алевролитом. По категориям устойчивости почва пласта Толмачевского относится к среднеустойчивой с предельным сопротивлением вдавливанию 1,5-2,5 Мпа. Пласты Бреевский и Толмачевский отрабатываются одновременно с опережением горных работ по верхнему пласту.
Результаты расчета параметров, напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности подготовительных выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления
При упрочении анкерами пород кровли функция анкерной крепи сводится к подвеске неустойчивой части массива к устойчивой, или сшивке слоев пород кровли в «несущую» балку, или к выполнению обеих функций одновременно, особенно в начальный период поддержания выработки.
Функция сшивки или подвески слоев пород кровли на конечной стадии эксплуатации зависит от формы и размеров контура неустойчивой части массива вокруг выработки, физико — механических свойств анкеруемых горных пород, применяемой схемы анкерного крепления. Информация о свойствах горных пород, о характере проявления горного давления на участках выработки позволяет нам выбрать схему анкерования, создать паспорт крепления выработки.
По глубине анкерования различают две схемы крепления: - одноуровневую, анкерные стержни длиной до 2,6 м; - многоуровневую, анкерами стандартной длины (до 2,6 м) и анкерами глубокого заложения длиной более 2,6 м (2,6 - 10 м и более). По жесткости грузонесущего стержня различают анкеры: - жесткие (стальные, деревянные, стеклопластиковые); - гибкие (канатные, пучковые). Анкеры по типу взаимодействия со стенками шпуров (скважин) разделяются на следующие классы: - замковые; - беззамковые; - комбинированные. Точечное и многоточечное на ограниченном интервале взаимодействие со стенками скважин реализует замковые анкерные болты различных конструкций (клиновые, клинораспорные). Недостатками замковых классов анкеров являются [30, 66]: - расслабление замка анкера от взрыва за счет разрушения контактных областей породы, что вызывает перемещение его к устью скважины; - отсутствие герметизации скважины, вследствие чего стенки скважины подвергаются выветриванию под действием воды, влаги воздуха. Вмещающая порода теряет механическую прочность, и вследствие этого происходит разрушение пород, которые выпадают из шпура по зазорам; - зазор между анкерным болтом и стенками скважины не препятствует сдвиговым деформациям пород, нагрузка концентрируется на шайбе и замке анкера; - длительная нагрузка на анкер разрушает породу по контактам в области замка, что часто приводит к выпадению анкера; - замковая конструкция требует увеличенного диаметра шпуров, что увеличивает время бурения на 30 — 40 %, а также увеличиваются материальные затраты. 136 Самое перспективное развитие в мировой практике в 1960 - 1980 годах на шахтах получили беззамковые классы анкеров [65,79]. К беззамковым классам относятся: - сталеполимерные анкеры; - анкеры, закрепляемые минеральными заполнителями. - анкеры, закрепляемые смоляно- цементными смесями; - фрикционные (Swelleks, Split Set, с резиновой втулкой); - винтовые; - комбинированные. Анкерное крепление применяется на шахтах Кузбасса с 60-х годов прошлого века. Развитие технологии и средств анкерного крепления на шахтах Кузбасса характеризуется периодичностью, связанной с изменением горно-геологических условий, совершенствованием технологии, техники для бурения шпуров, приборным и научным обеспечением. Начиная с 1995 года, на шахтах отмечен резкий рост объемов внедрения анкерного крепления (до 96 %), в основном сталеполимерными анкерами. Сталеполимерная анкерная крепь позволила себя зарекомендовать как наиболее прогрессивная и безопасная технология, применяемая для обеспечения устойчивости горных выработок на шахтах. Относительно простая схема установки крепи позволяет эффективно управлять горным давлением при разработке пологих угольных пластов (рис.4.2). В соответствии с общей целью задачами лабораторных испытаний являлись: 1. Установление зависимости несущей способности анкера от длины участка S (рис.4.5) закрепления анкера в массиве. 2. Установление зависимости влияния кольцевого зазора С, (рис. 4.5) между стенками шпура и анкером на его несущую способность. К числу основных параметров, учитываемых при проведении исследований, относятся: диаметр испытываемого анкера; диаметр шпура; величина заделки (S) испытываемого анкера в шпуре; кольцевой зазор (С) между стенками шпура и анкером. Исследования проводились на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого представлена на рис.4.6. Стенд представляет собой часть массива горных пород, в котором пробурены шпуры (рис.4.7).
Результаты расчета параметров канатных анкеров, используемых для обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления
Из данных таблицы 5.1 следует, что суммарные затраты на материалы превышают трудозатраты на перекрепление участковой подготовительной выработки пласта Поленовского. Однако этот фактор не играет важной роли при стоимостной оценки всех видов затрат. Следует сказать, что затраты на электроэнергию, проветривание, транспорт оборудования и материалов в этом расчете не указаны. Таким образом, стоимостная оценка принимаемых технологических решений позволяет определить параметры и область возможного применения предлагаемых способов обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок, расположенных в зонах ПГД. В качестве дальнейшего направления исследований можно указать оптимизацию параметров канатной анкерной крепи, используемой в качестве крепи усиления, в предлагаемых технологических схемах для определенных месторождений и шахт Кузбасса. 1. При использовании системы разработки пологих угольных пластов длинными столбами с подготовкой выемочных столбов сдвоенными выработками и оборудовании лав высокопроизводительными очистными механизированными комплексами планирование горных работ в надрабатываемом пласте необходимо производить с учетом оставляемых в выработанном пространстве вышерасположенного пласта целиков угля. 2. Проблема устойчивости! подготовительных выработок надрабатываемых пластов может быть решена путем расположения выработок под выработанным пространством вышерасположенных пластов в зонах, разгруженных от повышенного горного давления. 3. Для повышения устойчивости подготовительных выработок надрабатываемого пласта, располагаемых в зонах повышенного горного давления, рекомендуется использовать комбинированные паспорта крепления, включающие канатные анкеры разработанной конструкции, и учитывающие напряженное состояние вмещающего массива. 4. В качестве основного рекомендуемого для условий подготовительных выработок пласта Поленовского шахты им. СМ. Кирова необходимо использовать паспорт крепления (рис.5.7) с дополнительным усилением анкерной крепи канатными анкерами, длина которых должна выбираться с учетом зоны повышенной нарушенности пород кровли. Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи — снижения затрат на поддержание и повышение устойчивости подготовительных выработок надрабатываемых пластов, расположенных в зонах повышенного горного давления, при использовании систем разработки сближенных пластов длинными столбами и подготовке столбов сдвоенными выработками. Основные научные и практические результаты выполненных исследований: 1. Широкое внедрение схем подготовки свит угольных пластов сдвоенными выработками является одной из основных причин существенного снижения технико-экономических показателей ведения горных работ по надрабатываемым пластам. Так в условиях шахт Кузбасса при использовании схем подготовки сдвоенными выработками, затраты на перекрепление выработок надрабатываемых пластов увеличиваются в 1,5 — 2 раза и более, а себестоимость ведения очистных работ возрастает на 15 — 30%. 2. Принимая во внимание то обстоятельство, что экономические ущербы, вызванные влиянием целиков, оставленных по вышерасположенным пластам, на очистные выработки нижезалегающих пластов значительно превышают экономические ущербы, связанные с влиянием целиков на подготовительные выработки надрабатываемых пластов, горные работы в сближенных пластах при подготовке столбов сдвоенными выработками необходимо планировать таким образом, чтобы очистные выработки нижезалегающих пластов находились вне зон ПГД. 3. Известные способы поддержания участковых подготовительных выработок, расположенных в зонах ПГД, как правило, не обеспечивают их технологически удовлетворительного состояния на проектируемый срок службы. Устойчивость подготовительных выработок может быть повышена при использовании в качестве дополнительной крепи канатных анкеров, длина которых превышает глубину распространения в кровле выработки зоны повышенной нарушенности пород на определенную величину, зависящую в основном от прочностных свойств пород кровли и уровня напряженного состояния массива. 4. Одной из основных причин низкой несущей способности канатных анкеров является вытекание твердеющей смеси по кольцевому зазору между анкером и стенками шпура на стадии установки канатного анкера. Фактическая длина участка анкера, на котором распределена твердеющая смесь, в несколько раз превышает суммарную длину ампул с твердеющей смесью, устанавливаемых в шпуре. Эксперименты, проведенные на шахте «Салек», показали, что по данной причине фактическая несущая способность канатного анкера обычно составляет 30 - 40 % от паспортной величины. 5. Несущая способность канатного анкера повышается при установке на канатном анкере ограничительной втулки, назначением которой является перекрытие межкольцевых зазоров между анкером и стенками шпура, что препятствует вытеканию твердеющей смеси. По данным экспериментов в условиях шахты «Полысаевская» установка ограничительной втулки на канатном анкере позволяет повысить его несущую способность до 85-95 % от паспортной величины. 6. Использование разработанных схем подготовки лав в сближенных пластах в сочетании с рекомендуемыми способами повышения несущей способности канатных анкеров в условиях шахты им. СМ. Кирова позволяет практически полностью исключить влияние целиков угля, оставленных в выработанных пространствах пласта Болдыревского, на очистные забои нижезалегающих пластов и минимизировать затраты, связанные с поддержанием участковых подготовительных выработок надрабатываемого пласта Поленовского.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных рекомендаций в условиях отработки угольных пластов на одной только шахте «им. СМ. Кирова» составит более 100 млн. рублей в год на один ярус.
Новые технические решения, разработанные в процессе выполнения исследований, защищены двумя патентами на изобретения. По результатам шахтных испытаний получен Акт внедрения результатов диссертационной работы.
