Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и оценка состояния устойчивости породных обнажений в подготовительных горных выработках. цель и задачи исследования 10
1.1 Анализ и обобщение состояния подготовительных выработок шахт Кузбасса 10
1.1.1 Геолого-экономические районы Кузбасса 10
1.1.2 Угленосные районы Кузбасса 11
1.1.3 Горно-геологическая характеристика 25
1.1.4 Анализ работ при проведении горных выработок 29
1.1.5 Анализ объема и структуры крепления горных выработок 31
1.2 Характерные виды потери устойчивости породных обнажений в призабойном пространстве проводимых горных выработок 33
1.3 Состояние изученности вопроса устойчивости породных обнажений в подготовительных горных выработках 36
1.4 Цель, задачи и методы исследования 42
1.5 Выводы 43
Глава 2. Результаты исследований влияния горногеологических факторов на устойчивость горных выработок 44
2.1 Методы и объекты исследования 44
2.2 Результаты обследования выработок и установление причин потери устойчивости породного обнажения 46
2.3 Результаты исследования влияния слоистости на устойчивость породного обнажения 50
2.4 Результаты исследования влияния трещиноватости на устойчивость породного обнажения 55
2.5 Результаты исследования влияния прочности на устойчивость породного обнажения 56
2.6 Результаты исследования влияния влажности на устойчивость породного обнажения
2.7 Классификация устойчивости породных обнажений по горно-геологическим факторам 64
2.8 Выводы 65
Глава 3. Результаты исследований влияния горно-технических факторов на проявления геомеханических процессов и устойчивость породных обнажений 67
3.1 Общие положения 67
3.2 Методы и объекты исследования 67
3.3 Влияние площади поперечного сечения на устойчивость породных обнажений 68
3.4 Зависимость устойчивости породного обнажения от глубины расположения выработки
3.5 Зависимость устойчивости породного обнажения от натяжения анкерной крепи
3.6 Зависимость устойчивости породных обнажений от способа ее охраны 76
4.8 Выводы 108
Глава 5. Экономическая эффективность применения разработок по обеспечению устойчивости породных обнажений в горизонтальных горных выработках 110
5.1 Область и объемы проведения выработок 110
5.2 Определение экономической эффективности проведения выработок с выемкой слабоустойчивых слоев и ложной кровли угольных пластов 113
5.3 Определение экономической эффективности применения разработок и рекомендаций 115
5.4 Выводы 117
Заключение 118
Список литературы 122
Приложение
- Характерные виды потери устойчивости породных обнажений в призабойном пространстве проводимых горных выработок
- Результаты обследования выработок и установление причин потери устойчивости породного обнажения
- Влияние площади поперечного сечения на устойчивость породных обнажений
- Определение экономической эффективности проведения выработок с выемкой слабоустойчивых слоев и ложной кровли угольных пластов
Введение к работе
Актуальность работы. Необходимость технического перевооружения угольной промышленности определяется положением «Энергетическая стратегия России до 2020 года».
Для экономического развития нашей страны Кузнецкий бассейн имеет большое значение. Его богатые угленосные отложения сосредоточены на небольшой территории. Наиболее весомые промышленные запасы угля приходятся на пологие пласты мощностью до 2,5 метров.
Процессы управления горным давлением в технологии подземной добычи угля являются трудоемкими, поэтому вопросы их совершенствования, создания эффективных крепей и выемочных машин были и остаются важнейшей народнохозяйственной задачей.
Важнейшим условием нормальной работы шахт является своевременное проведение подготовительных выработок для воспроизводства очистного фронта.
Анализ и обобщение состояния горно-подготовительных работ и обследования выработок шахт бассейна показали, что на стадии проходки примерно в 25 - 30 % из них происходят опасные деформации и потеря устойчивости породных обнажений, в том числе около 40 % вне зоны влияния очистных работ и 60 % - в зоне влияния очистных работ.
Потеря устойчивости породных обнажений приводит к снижению скорости проведения выработок на 40 - 45 % и увеличению расхода крепежных материалов. Кроме того, 35-40 % несчастных случаев при горно-подготовительных работах обусловлены потерей устойчивости породных обнажений и обрушением пород кровли и боков выработок.
Работы по заделке вывалов пород в выработках довольно трудоемки и связаны с дополнительными расходами крепежных и других материалов.
Одной из основных причин потери устойчивости породных обнажений в горизонтальных горных выработках и увеличения затрат на их крепление, в особенности с углублением горных работ, является недостаточная изученность геомеханических процессов в приконтурных породах. Сложность задачи по повышению устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок на шахтах Кузбасса в значительной мере обусловлена большим разнообразием горно-геологических условий - по мощности и углу падения пластов, строению и прочности вмещающих пород и др.
Таким образом, геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок в условиях шахт Кузбасса является актуальной научной и практической задачей.
Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Томского политехнического университета.
Цель работы - разработать способы обеспечения устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок угольных шахт на стадии проведения для повышения эффективности их строительства и поддержания на основе геомеханических обоснований.
Идея работы заключается в комплексном исследовании закономерностей геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах, особенностей строения и прочностных свойств пород и углей для разработки и обоснования способов обеспечения устойчивости породных обнажений в горизонтальных горных выработках.
Задачи исследования:
установить влияние горно-геологических условий на устойчивость горных выработок;
установить влияние горнотехнических условий на устойчивость горных выработок;
разработать и обосновать способы обеспечения устойчивости породных обнажений в проводимых горных выработках.
Методы исследования:
Анализ и обобщение состояния ранее выполненных исследований устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок на стадии их проведения и эксплуатации. Лабораторные исследования физико-механических свойств пород кровли и боков горизонтальных горных выработок. Инструментальные наблюдения за устойчивостью породных обнажений в пластовых и полевых выработках. Обработка результатов лабораторных и натурных исследований методами математической статистики с применением ЭВМ. Технико-экономическое сравнение технических и технологических решений.
Научные положения, защищаемые в диссертации: - установлены наиболее существенно влияющие на устойчивость породного обнажения следующие горно-геологические факторы: слоистость - при прочности слоев на одноосное сжатие 50 - 60 МПа и мощности их более 0,8 м породные обнажения кровли сохраняют устойчивое состояние свыше 2 часов, при мощности слоя от 0,1 до 0,4 м и прочности пород при сжатии до 40 МПа время устойчивого состояния сохраняется в пределах одного часа, а при мощности слоев менее 0,1 м, что характерно для ложной кровли, время их устойчивого состояния составляет до 10-20 мин; треищноватость - в сильнотрещиноватых, нарушенных породах, залегающих в основном над угольными пластами (преимущественно ложная кровля), с расстоянием между трещинами от 0,01 - 0,2 м, их устойчивость обычно не превышает 20 мин, породы слабые, сильнотрещиноватые от 0,3 - 0,5 м, с пределом прочности при сжатии 20 - 40 МПа, устойчивы в течение 0,5-1,5 ч, породы мае-
7 сивные, трещиноватые 0,6 - 1 м, прочность 40 - 50 МПа, устойчивы в течение 2 - 3,5 ч; влажность - песчаники на карбонатном цементе при увеличении влажности теряют прочностные характеристики примерно на 5 %, алевролиты на кремнистом и карбонатно-кремнистом цементе - 14 %, алевролиты с глинистым цементом - 20 - 30 %, аргиллиты - 40 - 60 % и углистые аргиллиты до 80 %.
установлены наиболее существенно влияющие горнотехнические и технологические факторы: ширина выработки - при увеличении ширины выработки от 4 до 6 м смещения в выработке увеличиваются на 23 - 28 %; глубина расположения - увеличение глубины расположения от 150 до 600 м в пластах мощностью 1,6 - 2,5 м привело к росту смещения кровли в породах с асж < 45 МПа в 3 - 3,5 раза, в породах еж = 45-80 МПа - в 2 - 2,4 раза; способ охраны выработки - в массиве угля -смещение кровли, представленной прочными породами, обычно не превышает 40 - 50 мм, породами средней прочности - 70 - 90 мм и слабыми породами -ПО - 150 мм. Влияние опорного давления на выемочные штреки на глубине 130 - 160 м распространяется на 20 - 25 м впереди забоя лавы, а на глубине 400 м -на 40 - 50 м. До попадания в зону влияния очистных работ смещение кровли по бокам выемочных штреков происходит обычно равномерно, в зоне влияния очистных работ протекает в 1,5 - 2,5 раза быстрее со стороны лавы, чем со стороны массива угля; массив угля - целик - в штреках, которые проводили через 10-12 мес. и более после отработки соседней лавы, смещение пород кровли за срок службы в 1,8-2 раза меньше, чем в штреках, которые проводили до отработки соседнего столба, и в 2,8 - 3 раза меньше, чем в штреках, которые проводили навстречу соседней лаве; бесцеликовый - выемочные штреки лав не испытывают вредного взаимного влияния очистных и подготовительных работ в соседних столбах при ширине временного целика: не менее 23 - 25 м - на глубине расположения 250 м, 30 - 35 м - на глубине расположения 300 м и 35 - 40 м - на глубине расположения 400 м.
разработаны и обоснованы способы обеспечения устойчивости породных обнажений в горизонтальных горных выработках, как на стадии проектирования, так и стадии сооружения. В результате внедрения экономический эффект от разработанных способов обеспечит снижение стоимости поддержания 1 м горных выработок в среднем на 41 руб. (в ценах 1986 г).
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
установлены закономерности геомеханических процессов и потери устойчивости породных обнажений в горных выработках в зависимости от горно-геологических факторов и условий их сооружения;
раскрыты особенности деформирования горных пород вокруг выработок и потери ими устойчивости под влиянием горнотехнических факторов;
установлены взаимосвязи, позволяющие прогнозировать степень влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость породных обнажений горизонтальных горных выработок;
разработана классификация породных обнажений по устойчивости горизонтальных горных выработок;
разработаны способы обеспечения устойчивости породных обнажений в горизонтальных горных выработках.
Обоснованность и достоверность научных положений и рекомендаций подтверждается:
представленным объемом натурных наблюдений в 53 горизонтальных горных выработках, охватывающих типичные горно-геологические и горнотехнические условия 16 шахт всех районов Кузбасса;
проведенными лабораторными исследованиями прочности и влажности вмещающих горных пород (испытано более 210 проб);
производственными испытаниями отдельных разработок обеспечения устойчивости на шахтах им. СМ. Кирова и «Октябрьская» в Ленинск-Кузнецком районе, «Шахта № 3» в Прокопьевско-Киселевском районе.
Личный вклад автора состоит в:
обследовании состояния горизонтальных горных выработок и установлении основных причин опасных деформаций вмещающих пород и потерей устойчивости породных обнажений;
разработке методики выполнения лабораторных и натурных исследований;
исследованиях прочности и влажности образцов горных пород в лабораторных условиях;
разработке способов обеспечения устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок на стадии их проведения;
обработке результатов исследований с применением ЭВМ. Практическое значение работы состоит в:
разработке способов управления устойчивостью породных обнажений в горизонтальных горных выработках от влияющих горно-геологических и горнотехнических условий их проведения и поддержания;
разработке рекомендаций обеспечения устойчивости горизонтальных выработок на стадии проектирования;
снижение затрат на крепление и поддержание горных выработок. Реализация выводов и рекомендаций работы
Результаты работы используются для обоснования устойчивости породных обнажений проводимых горизонтальных горных выработок на шахтах «им. Кирова», «Октябрьская» и «Красноярская» Ленинск-Кузнецкого района ОАО УК «Кузбассуголь», на шахте «Осинниковская» ОАО УК «Южкузбассуголь» и на шахте им. В.И. Ленина Томусинского района, ХК «Соколовская» ООО «Шахта № 3».
В виде рекомендаций по повышению устойчивости выработок результаты исследования используются на шахтах ОАО УК «Кузбассуголь».
Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 18 апреля 2000 г., 17 апреля 2001 г., 18 апреля 2002 г.), II Российско-китайском симпозиуме «Строительство подземных сооружений и шахт» (г. Кемерово, 2-4 октября 2002 г.), IV и V научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 23 - 24 ноября 2001 г., 26 - 27 ноября 2002 г.), техническом совете шахты «Полысаевская» (г. Лениск-Кузнецкий, 2001 г.), ГУ «Красноярская государственная академия цветных металлов и золота» Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Красноярск, 22 - 24 апреля 2003 г.), Методические рекомендации: Способы повышения устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок на стадии их проведения - Кемерово, 2003.
Публикации. Основные положения диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в 9 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит 130 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 120 наименований.
Характерные виды потери устойчивости породных обнажений в призабойном пространстве проводимых горных выработок
Под устойчивостью горных выработок понимается их свойство сохранять во времени форму и размеры на весь срок службы. В ходе анализа шахтных наблюдений и материалов геологических и маркшейдерских служб шахт выявлены следующие формы потери устойчивости породного обнажения кровли. Во время анализа выявлены следующие причины потери устойчивости породного обнажения в призабойном пространстве проводимых горных выработок: - несвоевременная установка крепи - 35 %; - недостаточная длина анкера - 9 %; - отслоение пород кровли из-за низкой прочности и малом сцеплении пород между слоями - 32 %; - неверное применение временной предохранительной крепи - 8 %; - несоблюдение паспорта крепления (шаг установки крепи) - 4 %; - зона влияния очистных работ и надработки - 22 %.
Решению проблем возникновения обрушений горных пород и нахождению способов предотвращения вывалов посвящены исследования многих отечественных и зарубежных ученых [ 5 - 7, 11 - 13, 36-39, 80, 100, 101, 107,110, 111, 116-119 и др.]. Большой вклад в формирование научных представлений о напряженно-деформированном состоянии и геомеханических процессах в массивах горных пород внесли С.Г. Авершин, И.В. Баклашов, А.А. Борисов, Н.С. Булычев, П.В. Егоров, Ж.З. Ержанов, Л.В. Ершов, Г. А. Крупенников, М.М. Протодьяконов, К.В. Руппенейт, Г.Л. Фисенко, П.М. Цимбаревич, В.А. Шаламанов, ГГ. Штумпф и др. Из зарубежных ученых над проблемой работали Я. Вэньчже, А. Лабасс, Р. Феннер, Цзяо Ви-Го, О. Якоби и др. [16, 18, 59, 99 ,100,120].
Все публикации посвященные изучению геомеханических процессов в породном массиве, можно разделить на четыре группы: - работы, посвященные теоретическим исследованиям напряженно-деформированного состояния пород вокруг горной выработки [10 - 12, 36, 48, 80, 93]; - работы, в которых рассматриваются результаты шахтных наблюдений и лабораторных исследований за устойчивостью породного обнажения в капитальных, подготовительных и очистных выработках [37,105,106,108]; - публикации, посвященные вопросу устойчивости породного обнажения горных выработок в конкретных горно-геологических условиях [22, 26, 32, 33, 87, 102 -106,108]; - нормативная литература по оценке устойчивости породных обнажений в приза-бойной части горных выработок [23 - 25, 84, 85].
Вопросы о применении того или иного комплекса мероприятий по обеспечению устойчивости выработок приходится решать как на стадии проектирования, так и в период проведения и эксплуатации выработки. Если устойчивость выработок прогнозируется еще на стадии проектирования, то необходимо знать геологическую обстановку, физико-механические свойства пород, горнотехнические и технологические факторы.
Существование большого количества равноправных, но разрозненных гипотез горного давления и методов его расчета объясняется невозможностью охватить и учесть одновременно все многообразие факторов, которые формируют горное давление. В теоретических исследованиях горного давления можно выделить три основных направления.
К первому направлению можно отнести гипотезы деформации, основанные на взаимодействии массива и крепи горной выработки. В работах этого направления применяются методы механики сплошных сред: а) упруго-пластических (Р. Феннер, Г. Лабасс, К. В. Руппенейт и др.); б) вязко-пластических (А. Салустович, Т. А. Крыжановская и др.); в) упругих изотропных (И. В. Родин, Г. Н. Савин, Л. В. Федоров и др.); г) упруго-наследственных изотропных (М. И. Розовский, Ж. С. Ержанов, Ш. М. Айталиев и др.); д) упругих анизотропных (С. Г. Лехницкий, А. С. Космодамианский и др.) [36 - 38, 55, 59, 80,100].
Ко второму направлению относятся работы, основанные на данных практики и специальных гипотезах исследования горного давления и его проявлений без учета взаимодействия массива и крепи выработок. В основном работы этого направления опираются на: а) гипотезы свода (М. М. Протодьяконов, В. Риттер, П. М. Цимбаревич и др.); б) гипотезы сползания призмы пород в боках выработки (А. Бирбаумер, М, П. Бродский, С. А. Щукин, К. Терцаги); в) гипотезы, основанные на непосредственных наблюдениях (Н. М. Покровский, В. В. Орлов); г) гипотезы, основанные на использовании теории упругости и строительной механики (В. Д. Слесарев, Г. П. Герман, А. И. Сегаль) [82]. Третье направление - это исследования горного давления с позиции потери устойчивости массива, сопровождающейся изменением формы выработки (Л. В. Ершов, Л. Н. Насонов) [39]. Гипотеза Р. Феннера основывается на том, что вокруг горизонтальной выработки зона текучести может рассматриваться приближенно в форме эллипса, большая ось которого ориентируется по вертикали. Он предложил поместить выработку в нижнем фокусе эллипса. В этом случае зона текучести, в зависимости от величины напряжения в крепи, может быть как замкнутой, так и незамкнутой.
А. Лабасс в своей гипотезе объединяет зону раздавливания и зону пониженных напряжений в одну зону неупругих деформаций, за которой следуют вторая зона повышенных напряжений и третья зона затухания напряжения (зона с напряжениями, постепенно уменьшающимися к ее границам до напряжения в нетронутом массиве) [59]. Гипотеза А. Лабасса построена не на шахтных и лабораторных исследованиях, а на предположениях и допущениях. Гипотеза, предложенная А. Лабассом, заключается в том, что радиус оболочки зависит только от угла внутреннего трения, а коэффициент разрыхления предлагается для всех пород, одинаковым и пренебрегает такими свойствами горных пород как прочность, трещиноватость, не учитывается глубина расположения выработки. По гипотезе К.В. Руппенейта [10, 80], вокруг горизонтальной выработки круглого очертания возникает область неупругих деформаций овальной формы. Размеры этой области зависят от геометрических размеров выработки, глубины расположения, физико-механических свойств окружающих пород и податливости крепи. К недостаткам гипотезы можно отнести следующее: - полученные математические соотношения не учитывают ползучести горных пород; - не учитывается влияние забоя выработки; - в реальных условиях значительная часть упругих и неупругих деформаций происходит до момента возведения крепи, поэтому радиальное давление крепи по контуру выработки в момент приложения основного поля напряжено неравномерно; - вблизи выработки действует опорное давление, которое не является равномерно распределенным.
Анализ и исследование условий перехода горных пород в предельное состояние вокруг горизонтальных горных выработок и взаимодействия пород с крепью выработок неразделимо связаны с изучением деформаций горных пород, развивающихся с течением времени.
Механические характеристики горных пород являются в массиве сложными вязко-упругопластичными, при воздействии нагрузки на них породы подвергаются как постоянным, так и мгновенным деформациям. На разных стадиях нагружения в некоторых породах проявляются пластичные деформации, у других же пород - деформации ползучести и псевдовязкие деформации [80].
Результаты обследования выработок и установление причин потери устойчивости породного обнажения
За период с 1999 по 2001 гг. в подготовительных выработках шахт Кузбасса произошло 670 случаев обрушения угля и пород кровли высотой до 3 - 4 м, из них 73 % непосредственно при проходке, 27 % - после проведения выработок в процессе их эксплуатации вне зоны и в зоне влияния очистных работ.
Из проведенного анализа (глава 1) форм и размеров обрушения горных пород кровли в выработках следует, что вывалы в большинстве случаев имеют сводчатую, трапециевидную или близкие к ним формы.
Вентиляционный штрек № 4-1-6 (рис. 2.1, а) по пласту IV-V, гор. - 50 м (шахта «Усинская»), площадью поперечного сечения в проходке (Snp) 11,2 м2. Крепь КМПТ с шагом установки 1 м, глубина расположения 365 м, мощность верхнего слоя пласта IV-V -3,5 м, угол падения 8, выработка проводилась комбайновым способом в зоне влияния очистных работ. Породы кровли представлены прослоем алевролита мощностью 0,6 м и пачкой угля до 1 м.
Образовался вывал из-за отслаивания прослоя алевролита от угольной пачки пло-щадью 0,56 м , шириной 0,6 м и высотой 0,4 м, форма обрушения трапециевидная с углом наклона боков примерно 80.
Основной штрек по пласту Характерный (рис.2.1, б), гор. + 100м (шахта № 12, г. Киселевск), S,ip = 14,4 м , крепь А - 13 - 22 с шагом установки 1,25 м и глубиной расположения выработки 235 м. Мощность пласта Характерный 4,8 м, угол падения 72. Уголь мелкотрещиноватый, кливажистый, расстояние между трещинами 0,01 - 0,1 м, трещины кососекущие и подслойные. Уголь слоистый за счет чередования полуматового, блестящего и полублестящего. Имеет несколько слабоустойчивых пачек, необводненные, предел прочности при сжатии (асж) 6 - 10 МПа.
Породы представлены алевролитом мелкозернистым, тонкослоистым, Стеж = 40 МПа, с переслаиванием угольных прослойков, угол падения 5. Отмечалась хаотичная трещиноватость пород и значительное горное давление.
Вывал образовался площадью 9 м , формой, близкой к прямоугольной с углом наклона боковых стенок 90. Вентиляционный штрек № 1163 (рис. 2.2, б) по пласту Надбайкаимский-2 (шахта им. 7 Ноября), Snp = 11 м2, крепь металлическая трапециевидная КМПТ, глубина расположения выработки 130 м. Мощность пласта 2,7 м, угол падения 2. Породы кровли представлены: непосредственная кровля - алевролит мелкозернистый асж = 35-40 МПа, трещиноватый, мощностью - 5,5 м, неустойчивый; ложная кровля - мелкозернистый алевро 48 лит осж = 20 - ЗО МПа, неустойчивый, склонен к обрушению вслед за выемкой угля, мощностью 0,5 м. Площадь обрушения пород кровли 8 м , форма вывала - сводчатая циркульная с углом наклона боков 80 - 85 .
Вентиляционный штрек № 1303 (рис.2.3, а) пласта Грамотеинский-2, мощностью 2,7 м (шахтоуправление «Грамотеинское»), угол падения пласта 2, Snp =11,3 м2, крепь -КМП АЗУ-11-22, шаг установки 1,1 м, глубина расположения - 300 м. Основная кровля сложена переслаиванием крупнозернистого алевролита и песчаника, стсж = 25-30 МПа. Непосредственная кровля - алевролит мелкозернистый, расстояние между трещинами 0,1 - 0,2 м, мощность слоев (тсл) 0,05 - 0,1 м, асж = 20-30 МПа. Площадь обрушения 6 м , форма вывала - трапециевидная, угол наклона боков 70 - 78, высотой 2 м и шириной 4 м. Полевой откаточный штрек гор. ± 0 (рис. 2.3, б) по породе (шахтоуправление «Кондомское»), Snp = 18,9, крепь - железобетонные тюбинги, глубина расположения 219 м. Породы представлены темно-серым мелкозернистым алевролитом, наблюдаются тектонические трещины, заполненные кальцитом, много зеркал скольжения. Расстояние между трещинами 0,2 - 0,3 м и между плоскостями расслоения 0,2 - 0,3, стсж = 25 - 35 МПа, сцепление на контактах в пределах 0,2 - 0,6 МПа. Аргиллит темно-серый трещиноватый, расстояние между трещинами 0,01 - 0,1 м, трещины заполнены глинистым материалом. Расстояние между поверхностями расслоения 0,03 - 0,1 м, о"сж = 30 МПа, сцепление на контактах 0,2 - 0,6 МПа.
Площадь сечения вывала 12 м2, сводчатой формы, высотой 3 м и шириной 4 м. Конвейерный штрек № 416 (рис. 2.4), гор. - 150 м, по пласту мощностью 1,55 м (шахта «Чертинская»), Snp = 13,3 м2, крепь смешанная трапециевидная, глубина расположения 392 м. Кровля сложена крупнозернистым алевролитом, трещиноватым (расстояние между трещинами 0,2 - 0,3 м), нарушенным, слоистым, асж = 30-40 МПа, угол падения 13.
Обрушение из кровли выработки произошло через 25 мин после обнажения пло-щадь вывала составила Юм, форма сводчатая полуциркульная, высотой 2,5 м и шириной 4 м. На основе анализа результатов проведенных натурных наблюдений из вышерас-смотренных форм потери устойчивости можно выделить 4 наиболее характерные формы: - параболическая (рис. 2.1, б) встречается в однородных породах с пределом прочности при сжатии до 30 МПа, трещиноватых, расстояние между трещинами 0,01 - 0,1 м (более 8 трещин на 1 м); - сводчатая циркульная (рис.2.2, б и рис. 2.3, б) образуется, когда вывал меньше или равен полупролету выработки, породы кровли однородные, разнослоистые, трещиноватые, предел прочности при сжатии 25 - 45 МПа, расстояние между трещинами 0,1-0,2 м; - сводчатая полуциркульная (рис. 2.4) образуется, когда вывал равен или более полупролета выработки, предел прочности пород кровли при сжатии 30-40 МПа, расстояние между трещинами 0,2 - 0,3 м; - трапециевидная образуется в основном из-за малого сцепления между слоями, мощность которых 0,2 - 0,6 м, прочность пород при сжатии 25 - 40 МПа. 2.3. Результаты исследования влияния слоистости на устойчивость породного обнажения Наиболее широко в Кузнецком бассейне представлены горизонтальная, волнистая, наклонная и хаотичная слоистости.
Горизонтальная слоистость характеризуется мощностью слоев от 0,1 - 1 м и более, преимущественно встречается в мелкозернистых песчаниках и алевролитах. Волнистая слоистость встречается в основном в алевролитах, аргиллитах и песчаниках средней прочности. Обычно встречается вблизи геологических нарушений. Наклонная слоистость преобладает в крупнозернистых песчаниках балахонской свиты, может встречаться в мелкозернистых песчаниках и крупнозернистых алевролитах. Разнонаправленная или хаотичная слоистость наблюдается в местах геологических нарушений, зонах существенного дробления породы. Наблюдения проводились в призабойном пространстве проводимых горных выработок на шахтах бассейна: способ проведения - комбайновый, площадь поперечного се-чения в проходке 10 - 12 м , площадь обнажения 2 - 5 м , глубина расположения выработок 250 - 320 м, крепь металлическая трапециевидная из спецпрофиля СВП - 17 и СВП - 22, выработки не испытывали влияния очистных работ. В результате наблюдения за призабойным пространством проводимой горной выработки были выявлены следующие характерные формы (рис. 2.5) обрушения слоистых горных пород. Вывалы, вызванные слабым межслоевым контактом, имеют трапециевидную или прямоугольную форму потери устойчивости горных пород кровли в проводимых выработках как во фронтальном, так и в профильном сечении (рис. 2.5.).
Анализ результатов проведенных натурных наблюдений показал, что уголь и углистые аргиллиты сильно трещиноватые и мелкослоистые, мощностью менее 0,1 м, склонны к самопроизвольному отслаиванию в течение 10-15 мин, остальные горные породы с пределом прочности более 60 МПа при площади обнажения 5 м обрушаются через 35 мин и более.
Влияние площади поперечного сечения на устойчивость породных обнажений
Нами были проведены шахтные экспериментальные наблюдения за изменениями смещений пород кровли и устойчивостью породных обнажений в зависимости от влияния ширины выработок на шахтах им. Е. Ярославского, «Октябрьская» (Ленинск-Кузнецкий район) и им. В.И. Ленина, 5-6 (Томусинский район). Конвейерный штрек № 0-6-2-9 (шахта им. В.И. Ленина) по пласту IV-V, площадь поперечного сечения в чернее 15 м (шириной 5 м), крепь - металлическая из спецпрофиля СВП 17, шаг установки 0,5 м. Кровля представлена алевролитом мелкозернистым с прослойками угля, предел прочности при сжатии 40 - 45 МПа. 20 1U 0 10 20 30 40 50 601,м 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60% Рис. 3.4. Графики смещения кровли в конвейерном штреке № 941: а - при ширине выработки 4 м; б - при ширине выработки 6 м; 1 - при проведении; 2 - при погашении Конвейерный штрек № 941 (шахта им. Е. Ярославского) по пласту Поджуринский - 1, площадь сечения 11 м (шириной 4 м), крепь - анкерная с шагом установки 0,8 м. Кровля сложена мелкозернистым алевролитом, предел прочности при сжатии 30-40 МПа.
Замеры смещений проводились при проведении выработки и при погашении ее вслед за очистным забоем, графики смещений пород кровли в конвейерном штреке № 941 изображены на рис. 3.4. Инструментальные и натурные наблюдения проводились в исследуемой выработке с момента ее проведения до момента погашения и показали следующее. До начала очистных работ выработка находилась в хорошем состоянии, смещения в кровле составляли 20 - 40 мм. После начала выемки угля с отставанием 40 - 50 м начались интенсивные деформации пород кровли. В результате наблюдения (рис. 3.4) нами было установлено, что при увеличении ширины выработки от 4 до 6 м смещения в выработке увеличиваются на 23 - 28 %. Пласт Мощный (шахта 5-6). Вентиляционный штрек горизонта - 40 с квершлага № 20. Уголь - слабый трещиноватый. Кровля пласта - алевролит, средней крепости (стеж = 40-50 МПа). Площадь сечения выработки в проходке 16,4 м2, шириной 5,5 м, высотой 3 м. Крепь арочная металлическая из спецпрофиля СВП - 22. Способ охраны - массив-целик.
Конвейерный штрек с квершлага № 20. Площадь сечения в проходке 11,6 м , ширина 4 м и высота 2,9 м. Крепь арочная металлическая из спецпрофиля СВП -17. Пласт Полысаевский - 1 (шахта «Октябрьская»). Монтажная камера № 997, пло-щадь сечения в проходке 16,5 м , ширина 5,7 м, высота 2,9 м. Глубина расположения 300 - 310 м. Уголь полублестящий, асж =12-15 МПа, угол падения 4 - 5, мощность 2,05 м. Кровля - аргиллит, сильно трещиноватый с зеркалами скольжения асж = 20-30 МПа. Почва - алевролит, стсж = 30-35 МПа. Конвейерный штрек № 997, площадь сечения в проходке 11,2 м , ширина 3,9 м, высота 2,9 м. Крепь - сталеполимерный анкер. Фланговый уклон, площадью сечения в проходке 8,6 м2, шириной 3 м и высотой 2,9 м. Глубина расположения 300 м, крепь - сталеполимерный анкер. Наблюдениями выявлено, что в выработках разного поперечного сечения расположенных на одном пласте и одном горизонте в равных горно-геологических и горнотехнических условиях, в пределах изменения ширины выработки 2,9 - 6 м смещения на контуре возрастают с увеличением ширины выработки. Приняв за типовую площадь поперечного сечения выработки, равную 8,6 - 8,7 м2 (ширина 3,6 и высота 2,4 м), будем считать коэффициент влияния площади сечения выработки К„ равен 1. Это позволит рассматривать коэффициент влияния для других размеров выработки К=—, (з.з) где вт - типовая ширина выработки, м; в„р - ширина рассматриваемой выработки, м. В этом случае для выработок имеющих ширину 2,9 м, К, составляет 0,81, а для монтажной камеры шириной 5,7 м - Ks = 1,53. В исследовании влияния площади сечения рассматривались три формы поперечного сечения выработок: прямоугольная, трапециевидная и арочная. Проведенные исследования позволяют утверждать, что вертикальные смещения в выработках различной формы неодинаковы. Так, при арочной форме поперечного сечения они в 1,25 - 1,3 раза меньше, чем при трапециевидной и прямоугольной. В связи с этим, приняв коэффициент Kj формы поперечного сечения для трапециевидной формы равным 1, мы получили для прямоугольной формы К/ = 1,1 - 1,15, а для арочной Kj = 0,75 - 0,8.
По результатам проведенных шахтных наблюдений установлено, что увеличение глубины расположения полевых выработок вне зоны влияния очистных работ от 100 до 500 м (в 5 раз) сопровождается ростом смещений в слабых породах кровли примерно в 2,7 - 3,2 раза, в породах средней крепости (стеж = 45-80 МПа) - в 1,8 - 2,5 раза, в прочных 1,2 - 1,5 раза. В пластовых выработках погашаемых вслед за подвиганием очистного забоя, кровля не испытывает большого горного давления как на глубине 250 - 300 м, так и на глубине 300 - 600 м. За весь срок службы выработок смещения кровли в прочных породах (с пределом прочности при сжатии более 70 МПа) обычно не превышали 55-65 мм, в породах средней крепости - от 80 до 100 мм и в слабых (менее 45 МПа) -от 160 до 190 мм.
Анализ и обработка результатов, полученных в ходе инструментальных наблюдений, показали, что увеличение глубины расположения выемочных штреков от 150 до 600 м (в 4 раза) в пластах мощностью 1,6 - 2,5 м привело к росту смещения кровли в породах с асж 45 МПа в 3 - 3,5 раза (от 60 до 200 мм), в породах асж = 45-80 МПа - в 2 - 2,4 раза (от 38 до 90 мм).
Увеличение расстояния между поверхностями ослабления и мощности слоев при прочих равных условиях сопровождается уменьшением обрушений пород кровли в приза-бойное пространство. На рис. 3.5 приведен график смещений пород кровли в выработках вне зоны влияния очистных работ в зависимости от мощности слоев (тсл) и глубины рас-положения (Н), площадь сечения выработок в проходке 7 - 10 м , мощность пластов 1,7 - 2,5 м, угол залегания 0 - 10, породы кровли - алевролит мелкозернистый с пределом прочности при сжатии 30-40 МПа.
Обследованием горных выработок на шахтах Кузбасса выявлено, что около 7 - 9 % всех выработок с анкерной крепью приходится ремонтировать из-за недостаточного натяжения анкеров при их установке. Анкеры устанавливаются обычно с натяжением от 18 до 30 кН. При таком усилии натяжения анкеров не обеспечивается надежный контакт между опорными шайбами и закрепляемыми породами. Вследствие недостаточного распорного усилия происходят опасные деформации пород, в особенности слоистых, трещиноватых.
Рекомендуемые в публикациях величины натяжения анкеров изменяются от 30 до 60 кН [45, 77, 114, 115], часть рекомендаций противоречива, имеются лишь отдельные работы, посвященные исследованию влияния величины натяжения анкеров на деформацию заанкерованных пород и выбору оптимальной величины натяжения анкеров.
Определение экономической эффективности проведения выработок с выемкой слабоустойчивых слоев и ложной кровли угольных пластов
Для решения вопроса об экономической эффективности проведения горизонтальных и других выработок с присечкой и без присечки и выемкой пород ложной кровли и легкообрушающихся нижних слоев кровли пластов угля необходимо знать и сопоставлять затраты, связанные с проходкой и эксплуатацией их по обоим вариантам. Известно, что подавляющее большинство специалистов, без каких-либо данных исследований и экономических расчетов, придерживаются мнения, что проведение выработок с присечкой и выемкой ложной кровли, нижних легкообрушающихся ее слоев мощностью до 0,4 - 0,5 м, в отдельных случаях до 0,6 м, приводит к существенному повышению стоимости их сооружения по сравнению с проходкой выработок с оставлением этих пород.
Выработки экономически выгодно проводить по предложенному способу при выполнении рекомендуемого условия С +С +С +С,+С , + С СЛ +С +С +С , (5.3) в м у а пд тр д.кр р я.в ск v где Св - стоимость присечки и выемки легкообрушающихся пород ложной кровли пласта мощностью ho5 в выработке той или иной ширины Ъ (здесь или ниже на участке длиной 1 м), руб.; См - стоимость дополнительных крепежных материалов, связанных с увеличением площади выработки на величину hnp присекаемых пород кровли (на удлинение стоек рам при рамном креплении выработки, при анкерном креплении См - 0), руб.; Су - дополнительные затраты на установку крепи, связанные с увеличением высоты выработки на hnp, руб.; Сд - затраты на доставку дополнительного объема крепи в выработку, руб.; С„д - затраты на содержание выработок, проводимых с присечкой горных пород кровли, руб.; Стр - затраты на транспортирование и выдачи из выработки объема присекаемой горной породы, руб.; Сд.кр - затраты на дополнительную крепь (доставку, непосредственно крепи и крепежных материалов и ее установку) при проведении выработки без присечки и выемки легкообрушающихся пород кровли, обусловленные уменьшением шага возведения крепи, руб.; Ср - затраты на ремонт выработки, пройденной и эксплуатируемой с оставлением в кровле легкообрушающихся пород, руб.; Слв - затраты (стоимость доставки и непосредственно материала, работ по уборке обрушенных пород, заделки вывалов) на ликвидацию вывалов легкообрушающихся пород кровли при проходке и во время эксплуатации выработки, руб.; Сск - затраты связанные с уменьшением скорости проведения выработки, при сохранении ложной кровли, других легкообрушающихся слоев, отдельно-стей, руб.
Исходя из результатов исследований, фактических данных горно-проходческих работ, действующих норм и расценок проведения выработок и стоимости крепежных материалов на рис. 5.1, а приведены затраты на проходку 1 м выработок с присечкой и выемкой легкообрушающихся пород суммарно по элементам Св и Стр (5.3), на рис 5.1, б - этих же выработок суммарно по элементам См, Q и Су, на рис. 5.1, в - суммарные затраты по элементам Св, См, Q, Су, Стр, на рис. 5.2 - суммарные затраты одного метра выработки без присечки и выемки пород по элементам Сд.кр, Ср и Сл.в (5.3). Расчеты выполнены для выемочных штреков шириной 5 м и высотой 2,6 м, проводимых комбайнами без присечки легкообрушающихся пород по пластам мощностью 1,8 - 2 м, и для штреков этой же ширины с присечкой и выемкой легкообрушающихся пород кровли мощностью от 0,1 до 0,6 м, т.е. штреков высотой от 2,7 до 3,2 м (мощность пластов также 1,8-2 м).
Из рис. 5.1 и рис. 5.2 следует, что стоимость проведения 1 м выработки без присечки и выемки ложной кровли и легкообрушающихся пород мощностью 0,5 - 0,6 м в среднем в 1,8-2 раза выше, чем стоимость работ, проводимых без выемки этих пород, что связано главным образом с затратами на крепление и ремонт этих выработок.
Среднегодовой экономический эффект от применения разработанных и рекомендованных способов и средств обеспечения устойчивости породных обнажений горизонтальных горных выработок на стадии проведения рассчитан по выражению (5.1). Целесообразные среднегодовые объемы проведения горизонтальных выработок на шахтах Кузбасса, в которых рекомендуется эффективное использование разработок и рекомендаций диссертации, приведены в табл. 5.2. Данные по снижению среднегодовых затрат на проведение, ремонт и поддержание 1 м выработки в отдельности по видам этих выработок приведены в табл. 5.3.
Нормы и расценки на горнопроходческие работы, ремонт и перекрепку выработок, а также цены на крепь и крепежные материалы принято по нормам и расценкам, действующих на шахтах УК «Кузбассуголь». Так в 1986 г. была, тарифная ставка горнорабочего 5 разряда (по проходке выработок) - 140 руб. 24 коп., 4 разряда (по ремонту выработок) 122 руб. 97 коп., цена одного сталеполимерного анкера длиной 2,4 м, с амплитудой, с полимерным веществом, - 96 руб., одной рамы из спецпрофиля СВП - 22 - 1500 руб., подхвата длиной 4 м из швеллера № 10 - 285 руб. и т.д. Данные табл. 5.3 о среднегодовом снижении стоимости проведения и крепления 1 м горизонтальных выработок при использовании разработок и рекомендаций выявлены в результате анализа материалов шахт УК «Кузбассуголь» по фактической стоимости проведения и ремонта выработок, которые сооружались обычным способом, по обычной технологии и которые проводились по разработанным и рекомендованным способам и средствам. 1. Среднегодовой объем проведения горизонтальных выработок с применением разработанных способов и средств обеспечения устойчивости породных обнажений составляет 158,9 км или 59,1 % общей протяженности проводимых горизонтальных горных выработок на шахтах Кузбасса. 2. Общий расчетный среднегодовой экономический эффект от применения разработанных способов и средств на шахтах Кузбасса составляет 11,7 млн. руб. 3. Реализация разработок и рекомендаций обеспечивает снижение стоимости на момент расчета в ценах 1986 г. поддержания 1 м горных выработок в среднем на 41 руб., а расчетный среднегодовой экономический эффект - на 13,5 тыс. руб.
