Введение к работе
Актуальность работы. Современным требованиям обеспечения высокой экономической эффективности и безопасности добычи угля на шахтах в наибольшей степени соответствует бесцеликовая технология разработки пластов с сохранением подготовительных выемочных выработок на границе с выработанным пространством для повторного использования при .отработке смежной лавы.
В настоящее время бесцеликовая технология с повторным использованием выработок, на основании исследований и производственных экспериментов, выполненных учеными ВНИМИ, КузНИИ, ИГД им. Скрчинского.ВостНИИ, КузІШ, ИУ СО АН СССР и инженерно-техническими работниками шахт под руководством К.А.Ардаиева, Н.В.Бажина, Е.Д.Жарикова, В.Е.Зайденварга, П.В.Егорова, В.И.Мурашова, М.И.Середенко, М.И.Станкуса и других, получила широкое применение на шахтах Кузбасса.
Несмотря на значительный научно-технический прогресс в создании и практическом применении бесцеликовой технологии с повторным использованием выработок, проблема ее эффективного и безопасного применения полностью не решена. Это связано преимущественно с тем, что принятые сейчас паспорта поддержания выработок с установкой в проходческом забое рамных арочных или трапециевидных металлических крепей являются очень трудоемкими и металлоемкими, причем в характерных для Кузбасса условиях залегания в боках выработок слоев перемятых и пластичных пород при неустойчивой непосредственной и труднообрупающейся основной кровле эти крепи деформируются и не обеспечивают безопасность работ на сопряжениях с лавами и безремонтное рабочее состояние выработок в продолжение всего срока службы.
Выполненными под руководством А.П.Широкова и Ю.Н.Малышева исследованиями и производственными экспериментами установлено, что перспективной для снижения трудоемкости и металлоемкости поддержания повторно используемых выработок является анкерная крепь. Однако опыт показал, что при использовании обычных ялинораспорннх анкеров типа АК. и ШК длиной до 2 м она обеспечивает надежное поддержание кровли выработок лишь в легких условиях в период проходки вне зоны влияния очистных работ. При больших.смешениях пород в зоне опорного давления первой лавы, и особенно в периодыподдержания выработок на границе с выработанным пространством происходили вырывания замков или разрывы штанг. Зто приводило к необхоцимости установки здесь в выработках так-*е рамных крепей. Таким образом, актуальная проблема надежного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок экономичными анкерными крепями в настоящее время не решена.
Дельта ря.боты является научное обоснование и разработка новых паспортов поддержания анкерными крепями бесцеликовых повторно используе-
мых выемочных выработок с применением специальных анкеров, которые без установки рамных крепей обеспечивают их безремонтное рабочее состояние в продолжение всего срока службы.
Идея работы заключается в том, что для повторно используемых выработок необходимо разделение функций крепей по поддержанию кровли и боков, а также новых составных анкеров с конструктивной податливостью, высоким сопротивлением в податливом режиме работы и большой длиной, обеспечивающей закрепление замка -за пределами зоны интенсивного разрушения и смещения пород в кровле и боках.
Задачи исследований включали:
установление закономерностей и количественных показателей разрушения и смещения пород в кровле и боках выработок в различные периоды их поддержания и определение основных причин неработоспособности применяемых рамных и анкерных крепей;
определение требуемых параметров анкерных крепей для надежного поддержания кровли и боков выработок в продолжение всего срока службы без установки в выработках рамных крепей;
разработку новых конструкций анкеров и паспортов с анкерными крепями для безремонтного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок в типичных для шахт Кузбасса горно-геологических условиях.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применена комплексная методика, включающая: анализ условий и опыта поддержания повторно используемых выработок в Кузбассе; проведение шахтных исследований горного давления и экспериментов при различных паспортах под-. держания выработок с рамными и с анкерными крепями при использовании разработанных автором новых составных податливых анкеров в типичных для Кузбасса условиях; анализ и обобщение результатов исследований с использованием общих положений горной геомеханики и инженерных методов расчета параметров крепей; производственную апробацию разработанных новых конструкций анкеров и паспортов поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок анкерными крепями в различных условиях.
Экспериментальные исследования выполнены на шахте "Северная" концерна "Северокузбассуголь" в соответствии с отраслевыми работами ВНИМИ 023904300, ГР Х? 01880087570 и 023912900, ГР Ш 0І9ІО0І24О2.
Положения, зачищаемые в диссертации.
I. Рамные арочные и трапециевидные крепи являются нерациональными в связи с некачественным контактированием верхняков с кровлей, низким начальным сопротивлением, отсутствием боковой податливости и малой несущей способностью стоек изгибающим нагрузкам. Некачественное контактирование верхняков с кровлей и.низкое начальное сопротивление приводят к неуправляемому разрушению и потере устойчивости пород
_ 9 -
в непосредственной кровле и, как следствие, к ухудшению безопасности на сопряжениях с лавами, неэффективный условиям габотн и необходимости увеличения сопротивления стоек усиливающей крепи. Otcv"твие боковой податливости и малая несущая способность стоек изгибающим нагрузкам в условиях залегания в боках выработок слабых перемятых и пластичных выдавливающихся пород приводят к изгибу стоек и, как лед-ствие, к необходимости перекрепления выработок.
-
При использовании рамных крепей в условиях интенсивного вкдх:-ливания пород в боках они должны выполнять только функцию поддержания кровли, для чего между стойками рам и породами в боках следует оставлять зазор, равные величинам смещений боков в продолжение всего срока службы выработок, а поддержание боков осуществлять анкерной крепью.
-
Для надежного поддержания боков анкерной крепью в легких условиях при отсутствии в них перемятых и пластичных слоев и на глубинах меньше 300 и достаточной является установка обычных анкероз глиной 1,6-1,8 м, сопротивлением 80-100-кН/м через деревянные подхваты толщиной 80-100 vm. В тяжелых условиях для поддержания *"юков необходимо применение специальных податливых анкеров с длиной по 3-3,2 м, податливостью до 180-200 мм и сопротивлением до 150-160 кН/м.
-
Для надежного поддержания кровли анкерной крепью 6рз установки рамных крепей во всех условиях необходимо применение специальных податливых анкеров с длиной, как правило, 3,8-4 и, податливостью 200-220 мм и сопротивлением 400-450 кН/м, располагаемых с наклоном в сторону угольного пласта под углом до 25-30 для передачи чагругок от связанных анкерами пород на опирающиеся на пласт вып-злежащие породы.
Научная новизна работы. Для условий з.-легания в боках вксаботок слабых пластичных и перемятых пород установлены количественные зависимости глубины разрушения и величин смешений боков от их прочности и мощности, сопротивления крепи и глубины. На осногании установленных зависимостей доказана нерациональность поддержания боков выработок в этих условиях рамными крепями, обоснован новый эффективный способ с поддержанием кровли рамным v. крепями, а боков анкерной крепью и определены требуемые конструкции и параметры анкерной крепи для надежного поддержания боков в продолжение всего срока службы выработки.
Установлены основные закономерности процесса разрушения, смешения и расслоения непосредственной и основной кровли при использовании рамных крепей, главной особенностью которого является потеря устойчивости и неуправляемое перемещен из кровли под выработкой на в;--соту до 3,5-4 м с отслоением от вышележащих пород до ХР-400 м'.< -На основании установленных закономерностей доказана чез-г<гект*вності; применения рамных крепей для го^дор-жачня '.гротли, в связи с п< -сачестве"-
J -
ным контактом их верхняков с кровлей и низким начальным сопротивлением и обоснован комплекс требований к анкерной крепи для надежного поддержания кровли бесцеликовых повторно используемых выработок,главным из которых является необходимость применения новых конструкций составных податливых анкеров, обеспечивающих сохранение устойчивости и управляемое перемещение кровли под выработкой на высоту 3,5-4 м.
Личный вклад автора состоит: в выполнении анализа условий и причин неэффективного поддержания повторно используемых выработок на шахтах Кузбасса; постановке задач, разработке методики исследований, выборе объектов исследований и производственных экспериментов, в проведении исследований и экспериментов, их анализе и обобщении; разработке и испытании новых конструкций анкеров и паспортов поддержания выработок комбинированными анкер-рамными и анкерными крепями.
Научное значение работы. Установлен ряд новых закономерностей и зависимостей проявлений горного давления при поддержании бесцеликовых повторно используемых выработок рамными к анкерными крепями, являющихся научной базой для совершенствования и'создания новых паспортов поддержания анкерными крепями.
Обоснованы геомеханические параметры эффективного безремонтного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок анкерными крепями и требования к конструкциям и параметрам анкеров для типичных горно-геологических условий шахт Кузбасса. Разработаны инженерные методы выбора и расчета паспортов поддержания выработок анкерными крепями.
Практическое значение работы. Разработаны ресурсосберегающие паспорта поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок анкерными крепями и определены их рациональные параметры для типичных условий на шахтах Кузбасса, обеспечивающие безремонтное рабочее состояние выработок в продолжение всего срока службы,
Разработан ряд новых конструкций длинных составных податливых анкеров с высоким сопротивлением в податливом режиме работы, обеспечивающих надежное поддержание кровли и боков выработок при больших размерах зоны разрушений и смещений пород.
Достоверность научных полодений. выводов и рекомендаций основана, в первую очередь, на большом объеме исследований проявлений горного давления с использованиеи апробированных методов и приборов ВНИМИ, в том числе метода глубинных реперов, проведенных в шести повторно используемых выработках на шахте "Северная". При этом в выработках выделялись специальные экспериментальные участки протяженностью 30-40 м с различными паспортами поддержания рамными и анкерными крепями с изменением параметров общего сопротивления крепей в ;>3 раза.
При анализе полученных зависимостей для повышения достоверности
и обоснованности работы для всех шахт Кузбасса, наряду с применением апробированных методов обработки экспериментальных данных, использованы результаты других исследований и экспериментов на шахтах Кузбасса, а также выполненные автором аналитические расчеты на основе современных положений горной геомеханики.
Подтверждением достоверности и обоснованности является и положительный эффект опытного применения на шахте "Северная" разработанных паспортов поддержания выработок анкерными крепями: экономический эф-фект применения паспорта с поддержанием боков анкерной крепью в 1990г. составил НО тыс.р., а экономический эффект применения паспорта с поддержанием кровли анкерной крепью в 1992 г. составил 240 тыс. р.
Реализация работы. Результаты выполненной работы реализованы в разработанном автором "Руководстве по выбору и расчету паспортов поддержания анкерами бесделиковых повторно используемых выработок на шахтах Кузбасса", рекомендованном для применения управлением Кузбасского горного округа Госгортехнадзора РФ, ПО "Северокузбассуголь", Кузниуи и ВостНИИ. Для изготовления новых податливых анкеров разработана техническая .документация и штампы. Опытные партии анкеров изготовляются в мехцехе шахты "Северная". В настоящее время на шахте "Северная", "Березовская" и "Бирюлинская" запланировано применение паспортов с анкерной крепью в выработках, намеченных к проходке в 1993 г. Расчетный экономический эффект от применения новых паспортов поддержания 'составляет в ценах 1992 г. около 8 тыс. р./м, т. е. при'Планируемой протяженности проходимых выработок в 1993 г. составит, свыше 7 млн р.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в 1990-1993 гг. докладывались во ВНИМИ, ВостНИИ, КузНИУИ, Сибирском филиале ВНЙМИ, ПО "Северокузбассуголь" и Управлении Кузбасского округа Госгортехнадзора РФ.
Публикации По теме диссертации опубликованы три статьи и "Руководство" и получены два патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 146 страниц, включая 34 рисунка, семь таблиц и список литературы из 40 наименований.
