Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Краткая горно-геологическая характеристика месторождения 8
1.2. Схемы вскрытия и подготовка шахтных и выемочных полей и системы разработки на Ткибули-Ша-орском месторождении . 19
1.3.Обзор и анализ существущих теории горного дав ления 25
1.4. Стоимость поддержания подготовительных выработок 38
1.5. Состояние вопроса и задачи исследования 43
2. Шахтные инструментальные исследования
2.1. Методика шахтных инструментальных наблюдений 45
2.2. Характеристика замерных станции 48
2.3. Исследование физико-механических свойств пород 49
2.4. Шахтные инструментальные исследования 55
2.5. Расчет параметров крепи 110
3. Стендовые испытания податливого узла металлической крепи из профиля
3.1. Постановка задачи и методика выполняемых работ 116
3.2. Работа податливых узлов и результаты испытаний 120
3.3. Основные итоги и выводы по результатам стендовых испытаний 131
4. Разработка совершенствование и внедрение конструкции крепи подготовительных выработок
4.1. Разработка и совершенствование конструкции крепи 132
4.2. Испытание и внедрение новых видов крепей на шахтах Ткибули-Шаорского месторождения 137
4.3. Основные требования, предъявляемые к крепям подготовительных выработок 146
4.4. Расчет экономической эффективности крепи подготовительных выработок 147
Заключение 150
Использованная литература 152
Приложения 166
- Схемы вскрытия и подготовка шахтных и выемочных полей и системы разработки на Ткибули-Ша-орском месторождении
- Характеристика замерных станции
- Работа податливых узлов и результаты испытаний
- Испытание и внедрение новых видов крепей на шахтах Ткибули-Шаорского месторождения
Схемы вскрытия и подготовка шахтных и выемочных полей и системы разработки на Ткибули-Ша-орском месторождении
Рельеф поверхности Ткибули-Шаорского каменноугольного месторождения позволяет все угольные участки вскрывать капитальными штольнями, пройденными вкрест простирания угольной толщи, слепыми стволами и главными (этажными) квершлагами /3/. Вертикальная высота этажей составляет 100 м. Этажи по простиранию делятся на выемочные поля, которые являются основными эксплуатационными единицами шахт.
Подготовка этажей осуществляется полевыми откаточными и вентиляционными штреками, пройденными в лежачем боку угольной толщи на расстоянии 20-25 м от нее (рис. 1.4) /4/.
Вдоль полевых штреков этаж делится на изолированные друг от друга выемочные поля размерами по простиранию 120-200 м.
Вскрытие выемочных полей осуществляется полевыми скатами проводимыми в середине поля в почве угольной толщи. Размеры выемочного поля по падению соответствуют наклонной высоте этажа, который делится на 2-3 подэтажа наклонной высотой 45-50 м, разрабатываемые последовательно в нисходящем порядке. Работы в подэтажах совмещаются или сначала разрабатываются все пласты одного подэтажа, а затем очистные работы переходят на следующий подэтаж.
В пределах подэтажей пласты разрабатываются в нисходящем порядке, а слои в пласте в нисходящем (при работе с обрушением) или в восходящем (при работе с закладкой) порядке.
На шахте "Восточная-2" разработку этажей предполагалось осуществлять односторонними выемочными полями, при которых участковые квершлаги и скаты проводились на флангах. Однако, в дальнейшем, при эксплуатации шахты односторонние выемочные поля после отработки защитного слоя по существу превратились в двусторонние, так как разгруженные (надработанные) пласты стали разрабатываться встречными забоями в сторону скатов. В пределах горизонтов отработка выемочных полей осуществляется от центрального квершлага к границам шахтного поля, а в контуре выемочных полей пласты разрабатывают обратным ходом от границы выемочных полей к квершлагам. Исключение составляет защитный пласт (слой), который при двусторонних выемочных полях на одних крыльях разрабатываются столбовой, а на других -сплошной системами. Наряду с этим с целью дальнейшего повышения эффективности разработки месторождения рекомендуются варианты блочных схем вскрытия и подготовки выемочных полей /3/.
Эти рекомендации нашли отражение в технологических схемах очистных работ разработанных в ИІМ им. Г.А.Цулукидзе АН ГССР для шахт Ткибули-Шаорского месторождения /4/ при разработке мощных угольных пластов наклонными слоями.
Сложные горногеологические условия залегания угольных пластов затрудняет выбор наиболее приемлемых систем разработки.
В зависимости от управления кровлей на шахтах Ткибули применяются системы разработки с обрушением покрывающих пород и с полной гидравлической закладкой выработанного пространства. Следует однако отметить, что карьерное хозяйство на месторождении является неулаженным, а строительство центрального карьера закладочных материалов на базе накеральских известняков еще не нечато. В связи с этим добыча угля на шахтах данного месторождения в основном осуществляется системами разработки с обрушением кровли. В настоящее время на месторождении применяются в основном системы разработки наклонными слоями с обрушением и как исключение с закладкой. При обрушении пласты и слои разрабатываются в нисходящем порядке, а при закладке пласты в нисходящем, а слои в восходящем порядке.
Институтом горной механики им. Г.А.Цулукидзе АН Грузинской ССР совместно с п.о. "Грузутоль" разработаны типовые технологические схемы работ для шахт Ткибули-Шаорского месторождения /4/, предназначенные для отработки запасов действующих и строящих щахт месторождения. Указанные схемы утверждены техническим управлением МУЇІ СССР в январе 1978 г /5/ и в настоящее время являются основным нормативным документом производственного объединения и шахт.
Исходным материалом для разработки технологических схем послужил опыт ведения горных работ, а также опытно-промышленные работы проводимые на шахтах месторождения /6/. Верхний защитный пласт (слой), согласно указанным схемам разрабатывается сплошными забоями (лавами) по простиранию при столбовой (на одних крыльях выемочных полей) или сплошной (на других крыльях) системой (рис. 1.5). Защитные пласты (слои) преимущественно разрабатываются камерно-столбовой системой (блоками из передовых печей - по местной терминологии) как при управлении горным давлением с обрушением, так и при полной гидравлической закладкой выработанного пространства /7/.
Отработка слоев осуществляется на самостоятельные слоевые или групповые штреки расположенные в нижнем слое. Выемка угля в очистных забоях осуществляется с помощью буровзрывных работ. Крепление призабойного пространства производится деревянными стойками. Шаг посадки (заходки) соответствует ширине блока (8-12 м).
Успешному использованию на шахтах месторождения современных средств выемки угля и крепления очистного забоя в значительной степени препятствует весьма ограниченный серийный выпуск этих средств для наиболее типичных и распространенных условии разработки (вынимаемая мощность слоя 2,5-3,5 м, угол наклона пласта 25-45), а также значительное число (до 7-8) эксплуатируемых слоев почва или кровля которых, или же оба они малоустойчивы и легко обрушаются. Известные трудности создают также сложности проведения мероприятии по предупреждению подземных эндогенных пожаров при непрерывном перемещении очистного забоя.С целью использования современных средств выемки угля и совершенствования систем разработки Институтом горной механики проводились /8/ и ведутся оштно-промышленные работы на шахтах
Характеристика замерных станции
Замерными станциями весьма трудно охватить все многообразие горно-геологических и горнотехнических условий, встречающихся в подземных выработках. Поэтому устройство этих станций предусматривалось на экспериментальных участках, наиболее характерных для данного месторождения.
Как было отмечено выше, угленосная толща данного месторождения в настоящее время пересечена горными выработками на глубине порядка 1200 м от дневной поверхности.
С ростом глубины разработки в наиболее худших условиях оказались подготовительные выработки, подвергающиеся помимо глубины и влиянию очистных работ. Срок службы этих выработок меняется от нескольких месяцев до 1,5-2 лет.
Как известно на шахтах Ткибули применяется в основном система разработки наклонными слоями с разделением этажа на подэтажи. Поэтажи чаще всего отрабатываются длинными столбами по простиранию. Столбы нарезаются в виде блоков и разрабатываются из передовых печей к завалу.
Угли Ткибульского месторождения интенсивно самовозгорае-мы. С целью предотвращения самовозгорания угля производится последовательная профилактическая заиловка выработанного пространства с отставанием от действующего блока на 25-30 м.
С целью разгрузки массива разработка месторождения осу ществляется с опережащей выемкой верхнего (защитного) в свите пласта. В защитном пласте (слое) управление кровли производится с полным обрушением, а в разгруженном - с полной гидравлической закладкой выработанного пространства.
Указанные обстоятельства обусловили наличие различных условий поддержания подготовительных выработок.
Учитывая вышеизложенное, подготовительные выработки в зависимости от расположения в массиве по отношению угольного пласта можно разбить на три основные группы:2. Выработки, заложенные вкрест простирания;3. Выработки, заложенные в разгруженных пластах.
Наряду с шахтными инструментальными наблюдениями за проявлением горного давления были проведены лабораторные исследования физико-механических свойств вмещающих пород.
Пробы вмещающих пород брали из районов замерных станций в виде кернов ( Л = 50 мм) или кусков (линейные размеры которых были не меньше 300 мм). С целью сохранения естественной влажности пробы парафинировались.
Образцы изготавливались в виде цилиндров, кубов, призм и пластин. Всего было изготовлено более 200 образцов, которые испытывались в лабораторных условиях на гидравлическом прессе по известной методике /77/.
Для определения прочностных характеристик пород был использован скоростно-комплексный метод, разработанный М.Н.Ко и маном /78/ и метод раздавливания образцов правильной формы /79/.
Образцы песчаников были разбиты на три разновидности: крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые. Количество образцов для каждого испытания определялось с учетом неоднородности пород, которая оценивается коэффициентом вариации их прочности.
Коэффициент сцепления и угол внутреннего трения, характеризующие соответственно связанность и пластические свойства пород, определяются по паспорту прочности, который дает наиболее полное представление о прочностных свойствах пород. Паспорта прочности строили расчетным методом проф. М.М.Про-тодьяконова /78/. Этот метод при сравнительно ограниченном количестве опытов дает возможность ускоренно провести полный цикл исследований, построить паспорта прочности горных пород и получить с достаточной степенью надежности значения угла внутреннего трения (р ) и коэффициента сцепления ( К )
По результатам испытаний образцов на сжатие и растяжение строились так называемые круги напряжений Мора, то есть графики функциональной зависимости между нормальными и касательными напряжениями в системе координат Т-б (рис. 2.1 а,б,в).
Из полученных графиков для определения К и р в области сжатия аппроксимируются обобщенная огибающая круга Мора прямой /80/.
Прочность пород на однооснове сжатие и растяжение получаем из опытов, а все остальные параметры находятся по таблице /78/.
Анализ данных исследований позволил установить закономерность, которая заключается в увеличении прочности пород при уменьшении их влажности и пористости.
Результаты испытания приведены в таблице 2,1.Анализ результатов испытаний песчаников показывает, что прочность песчаников увеличивается по мере уменьшения размеров зерен. Одновременно можно заметить, что показатели прочности на одноосное сжатие крупнозернистого песчаника (31,0) в 6 раз, у среднезернистого песчаника (46,0) в 3 раза, а у мелкозернистого песчаника (54,0) в 3 раза больше по сравнению с показателем прочности на растяжение. Поэтому наблюдается большой разброс огибающих кругов Мора. Соответственно с этим получаются большие расхождения между показателями силы сцепления и угла внутреннего трения пород. Как видно из таблицы 2.2 коэффициент силы сцепления меняется от 8,65 МПа до 20,2 МПа, а угол внутреннего трения пород колеблется от 16 (мелкозернистый песчаник до 31 крупнозернистый песчаник).
Прочность аргиллитов и алевролитов (МПа), подвергающихся обработке, определялась по известному методу "разрыва" образцов неправильной формы. Для испытания подбирались такие обломки пород, у которых три взаимно перпендикулярных размера не отличались друг от друга более чем в 1,5 раза. Причем образцы имели одинаковый объем, не превышающий 100 + 2 см3При испытании образцы этих пород установливали под пресс с таким расчетом, чтобы большая ось совпадала с направлением действия сжимающих усилий.Результаты испытаний приведены в таблице 2.3.Исследования показали, что на прочностные свойства аргиллитов и алевролитов особенно резко влияют атмосферный воз
Работа податливых узлов и результаты испытаний
Данные, полученные в результате испытаний, приведены в таблице 3.1 (среднеарифметические значения величин после трех испытаний). Они позволили установить зависимости между параметрами узла податливости из СВП-27; сопротивлением податливости ( Р ), величиной нахлестки ( . ) и усилием зажатия узла ( Or ), В частности, по результатам таблицы построены график сопротивления податливости в зависимости от усилия зажа тия узла (рис. 3.2) и график сопротивления податливости в зависимости от величины нахлестки (рис. 3.3).
В процессе работы узла податливости происходит рост величины нахлестки. Как показали проведенные испытания это оказывает значительное влияние на работоспособность узла. Так, цри увеличении нахлестки от 200 мм до 1000 мм (рис. 3.2), когда усилие зажатия узла & = 12 10 кН сопротивление податливости повысилось от 16,3 10 кН до 15,6 10 кН. При этом наблвдает-ся неравномерный характер увеличения сопротивления податливости, в частности, как видно из рис. 3.2 при увеличении нахлестки от 200 мм до 600 мм (при Q = 12 10 кН) сопротивление податливости повысилось от 10,3 10 кН до 12 10 кН, то есть на 16,5$, а при увеличении нахлестки от 600 до 1000 мм сопротивление податливости повысилось от 12 10 кН до 15,65 10 кН, то есть на 30$.
Анализ результатов испытаний показывает, что интенсивность изменения сопротивления податливости при одной и той же величине нахлестки различные. Как видно из рис. 3.2 значительная интенсивность изменения величины сопротивления податливости наблюдается до того, когда & = 12 10 кН. Затем по мере увеличения усилия зажатия узла и роста величины нахлестки происходит стабилизация интенсивности изменения сопротивления податливости. В таблице 3.2 приводятся данные роста величины сопротивления податливости в процентах в зависимости от усилия зажатия узла при увеличении нахлестки от 200 мм до 1000 мм.Из графика (рис. 3.2) видно, что при постоянной величине нахлестки зависимость сопротивления податливости Р от усилия зажатия узла & можно выразить эмпирической формулой
Определение коэффициентов о_ и b произведено с привлечением способа средних /85/. При определении Q и о были использованы данные таблицы 3.1.Полученные величины коэффициентов (X и о приведены втаблице 3.3. поэтому ее можно предета При построении графика зависимости СХ от Я, видно, что между ними существует криволинейная связь. Эта связь выравнивается в координатах %п. и к , вить как: Как видно из рис. 3.4 между & и h. существует криволинейная зависимость, однако в координатах & и эту связь можно аппроксимировать экспоненциальной функцией
Для вычисления коэффициентов О и f составлена таблица 3.5.После соответствующих расчетов получаем О = 37,15 f = 0,00023После подставления в уравнение (3.1) значений коэффициентов (X is. ь получаемПолученная формула характеризует зависимость сопротивления податливости от величины нахлестки при различной величине усилия зажатия узла Такая взаимосвязь между параметрами узла податливости дает возможность учета характеристики работы узла при проектировании податливых конструкций крепи и позволяет обеспечить необходимый режим ее работы в соответствии с характером проявления горного давления в шахте.
Основные итоги по результатам стендовых испытаний податливого узла из спецпрофиля зключается в следующем:1. Максимальная величина сопротивления податливости узла на црямолинейном участке крепи 16,5 10 кН достигается в условиях, когда величина нахлестки равна 1000 мм, а усилие зажатия узла составляет 18 10 кН (при диаметре стержня хомутов 24 мм и толщине планки 18 мм).2. С увеличением зажатия узла растет сопротивление податливости, причем значительная интенсивность роста сопротивления податливости (при постоянной величине нахлестки) происходит при усилии зажатия узла в диапазоне от 2 10 кН до 12 10 кН, что составляет 95$ от максимальных величин сопротивления податливости узла.3. При зажатии узла более чем на 18 10 кН увеличение сопротивления податливости не наблвдается ввиду деформации элементов крепи, что объясняется сравнительно низкими прочностными свойствами материала.Проведенные испытания позволили сделать выводы:1. Полученные характеристики узла податливости следует учитывать в проектах крепления при расчетах крепи и при разработке новых конструкций в зависимости от ожидаемых нагрузок, величины и характера смещений в шахтных условиях.2. Требуемое сопротивление податливости достигается при соответствующей величине усилия зажатия узла и необходимой величине нахлестки согласно полученной эмпирической формулы. Усилие зажатия узла можно регулировать динамометрическим ключем типа М-40 конструкции Свердловского института НИПИГОРМАШ.
Для крепления подготовительных выработок глубоких шахт Ткибули с целью улучшения условий их поддержания было предложено немало конструкций крепи различных авторов /86,87,88/, что указывает на важность решения проблемы крепления глубоких шахт данного месторождения.
Анализ шахтных инструментальных и визуальных наблвдений за проявлением горного давления в подготовительных выработках Ткибули-Шорского каменноугольного месторождения /64,65, 89/ показал, что смещение малопрочных пород на большой глубине, охватывая весь контур выработки, достигают величин, значительно превышающих конструктивную податливость применяемых типовых конструкций металлических крепей из спецпрофиля /90/. В результате кольцевая крепь в виду недостаточной податливости, заклинивается в податливых узлах и работает в жестком режиме, допуская при этом чрезмерные нагрузки, крепь нарушается и быстро выходит из строя. Недостаточная податливость кольцевой крепи обусловлена криволинейной формой элементов, препятствующих значительному уменьшению кольца по периметру, поэтому повышение конструктивной податливости этой крепи не представляется возможным. В частности, попытки создания кольцевых крепей повышенной податливости и их практического применения на шахтах Ткибули не увенчались успехом. Арочная же крепь, как показали опыты на шахтах Карагандинского бассейна /91/, даже при увеличении ее несущей способности до 40 10 кН на смещение массива не может оказать существенного влияния. Кроме того,
Испытание и внедрение новых видов крепей на шахтах Ткибули-Шаорского месторождения
Податливая полигональная крепь из СВП-27 (рис. 4.1) разработана в лаборатории проведения и крепления горных выработок института горной механики им. Г.А.Цулукидзе АН ГССР (авторское свидетельство В 605014 от 6 января 1978 г.).
Крепь состоит из четырех взаимозаменяемых элементов корытообразной формы. Связь между элементами осуществляется внахлестку при помощи хомутов с планками и гайками. Как показали предварительные испытания на стенде, работа новой крепи происходит следующим образом: когда давление на крепь проявляется, в основном, со стороны кровли, происходит движение верхнего элемента крепи вниз по боковым элементам. Тем самым приходят в движение и боковые элементы, которые смещаются вниз по нижнему элементу, расположенному на почве. Если давление пород проявляется и со стороны почвы, то тогда и нижний элемент в свою очередь смещается вверх по боковым элементам. Таким образом происходит сжатие крепи по периметру и следовательно, уменьшение сечения выработки. Полигональная форма позволила увеличить податливость крепи в 2 раза и больше (700 мм) по сравнению с кольцевой крепью. Производственное испытание податливой полигональной крепи осуществлялось на шахте "Вос-точная-2", в центральном квершлаге гор. 175 /102/.
Испытуемая крепь в объеме 20 пог. м. была установлена при проведении означенного квершлага в целике угля на глубине 1200 м от поверхности.
Проведение квершлага осуществлялось в.сложных условиях при наличии неустойчивых вмещающих пород с применением отбойных молотков. Для крепления выработки применялась кольцевая четырехзвеньевая крепь из СВП-27. На участке с новой крепью была установлена замерная станция, оборудованная контурными реперами и динамометрами (рис. 4.6). Результаты инструментальных наблюдений приведены на рис. 4,8, 4.9.
В период инструментальных наблюдений за работой податливой полигональной крепи на замерной станции, экспериментальный участок подвергался интенсивным смещениям контура выработки, в результате чего кольцевая крепь была разрушена и выработку пришлось перекрепить. Ввиду занчителышх деформаций в выработке, спустя 30 суток после установки, взятие отсчетов на замерной станции не представлялось возможным. Поэтому наблюдения продолжались визуально. В этих условиях полигональная податливая крепь показала хорошую работоспособность, и реализовав 80$ от своей податливости, находилась в удовлетворительном состоянии. Усилие зажатия в подаливых узлах регулировалось динамометрическим нлючем типа М-40 конструкции НИПИГОРМАШ. После исчерпания податливости полигональная крепь, работая в жестком режиме не претерпела деформации, разрушающие ее.
Соответствие величин расчетной разрушающей нагрузки и фактической, полученной в шахтных условиях, указывает на правильность расчета и, очевидно, на достоинство крепи. Как видно из графика (рис. 49) максимальная величина нагрузки, зафиксированная на полигональной крепи, не превышает 0,14 МПа.податливой крепи
Испытание новой крепи подтвердило, что повышенная податливость конструкции (до 700 мм) при наличии необходимого отпора крепи (0,14 МПа), обеспечивает эффективность применения новой крепи и безремонтное поддержание выработок, проводимых в сложных горно-геологических условиях (в участковых квершлагах). Поэтому эти величины параметров крепи для данных условий надо считать наиболее рациональными.
Таким образом, полигональная податливая крепь подтвердила свое преимущество по сравнению с кольцевой крепью.
Эллипсовидная податливая крепь из СВП-27, разработанная в лаборатории проведения и крепления ИГМ им. Г.А.Цулукидзе АН ГССР прошла промышленные испытания и была внедрена на Тки-бульской шахте им. Ленина (приложения 2,3,4), (рис. 4.10).
Крепь состоит из четырех взаимозаменяемых элементов криволинейной формы с прямыми окончаниями. Форма крепи приближается к эллипсу (рис. 4.2). Связь между элементами осуществляется внахлестку при помощи хомутов с планками и гайками. Изготовление новой крепи выполнялось в производственных условиях г. Ткибули на вальцовочном станке Центральной электромеханической мастерской (ЦЭММ).Отличительной особенностью новой крепи является форма, увеличенная податливость и способность расположения по нормали напластования пород (рис. 4.7).
Крепь успешно прошла испытания на Ткибульской шахте им. Ленина в восточном слоевом штреке № 23 гор. 117, в нетронутом массиве /103/. Затем крепь была испытана и внедрена в объеме 40 пог. м. в западном слоевом штреке № 2 гор. 300 защитного П пласта /104/. Затем эллипсовидная крепь была внедрена, в объеме 50 пог. м., в восточном слоевом штреке $ 13 гор. 300 в нетронутом массиве в сложных горно-геологических условиях. Необходимо отметить, что участки для испытания и внедрения эллипсовидной крепи были подобраны руководством шахты им, Ленина и производственного объединения "Грузуголь" как наиболее сложные для Ткибули-Шаорского месторождения /104,107/.
На экспериментальном участке с новой крепью были установлены замерные станции, оборудованные контурными реперами и механическими динамометрами (рис. 4.9). Кроме того фиксировались смещения элементов крепи между собой (величина податливости). Остальная часть выработок, где проводились испытания была закреплена арочной податливой крепью из CBII-27.
Данные экспериментальных наблюдений на опытном участке, закрепленном эллипсовидной крепью, выражены графиками на рис. 4.II, 4.12. Результаты наблюдений за работой крепи в податливом режиме приведены в таблице 4.1.
