Введение к работе
Актуальность работы.
Больше половины общего объема добычи угля в России и практически весь объем высококачественного угля приходятся на подземную добычу. В последние годы на одну треть уменьшилась производительность труда и почти в два раза возросла себестоимость добываемого угля. Одной из главных причин сложившегося положения является значительное ухудшение горно-геологических условий при ведении горных работ.
Как при строительстве, так и при эксплуатации угольных шахт работы по креплению горных выработок являются трудоемкими и требующими значительных материальных затрат. В общей стоимости и трудоемкости сооружения горных выработок стоимость крепей и затраты на их возведения составляют 30-60 %. На угольных шахтах СНГ годовой объем ремонта и перекрепления капитальных и подготовительных выработок составляет до 35 % от общей их протяженности. По данным производственных объединений доля затрат на крепление и поддержание горных выработок составляет от 7 до 15 % в общей себестоимости добычи угля, а ее снижение за счет обеспечения устойчивости горных выработок с минимальными затратами, влияющих на конкурентоспособность угля, является актуальной проблемой угольной промышленности России. В настоящее время капитальные горные выработки на всем своем протяжении крепятся в основном крепями одного типа, независимо от изменяющихся по длине выработки горно-геологических условий. Действующие в настоящее время нормативные документы по выбору типа и конструкции крепи (СНиП - П. - 94 - 80 и другие) в принципе предусматривают дифференцированньш подход к креплению различными конструкциями крепей отдельных участков выработки, имеющих более 30% отклонения прочностных свойств вмещающих пород. Однако на практике это положение не реализуется ввиду не технологичности перехода от одного типа крепи к другому, т.к. требует наличия определенного запаса нескольких видов крепи, что в современных условиях жестких требований по снижению себестоимости добываемого угля нецелесообразно и практически невозможно. Это определяет необходимость разработки гибких технологий крепления горных выработок, основанных на применении крепей с управляемой несущей способностью, технологически и конструктивно сочетаемых между собой и обеспечивающих минимальные материальные и трудовые затраты.
Цель работы состоит в разработке конструкций крепей с управляемой несущей способностью и обосновании их параметров для крепления капитальных горных выработок в изменяющихся горногеологических условиях.
Идея работы заключается в управлении несущей способностью крепей за счет их оперативного усиления на основе контроля за геоме-ханнческой ситуацией непосредственно в процессе строительства горной выработки.
Задачи исследований:
установить закономерности деформирования и изменения несущей способности различных комбинаций крепей на базе наиболее широко применяемых настоящее время конструкций, дать количественную оценку несущей способности этих крепей в увязке с условиями их деформирования;
изучить закономерности напряженно - деформированного состояния массива горных пород вокруг капитальных выработок, закрепленных крепью ГТК с забутовкой закрепного пространства мелкой породой и тампонажем;
обосновать параметры основных базовых конструкций крепей, крепей усиления и средств их возведения как основы для создания крепей с управляемой несущей способностью;
разработать основы технологии крепления горных выработок крепями с управляемой несущей способностью.
Методы исследований.
Выполненный комплекс исследований включает в себя анализ и обобщение литературных источников, крупномасштабные стендовые исследования, лабораторное моделирование на эквивалентных материалах с использованием теории подобия, экспериментальные натурные исследования, статистическую обработку результатов эксперимента, численные расчеты с использованием методов механики твердого деформируемого тела, технико-экономический анализ эффективности разработанной технологии крепления и результатов ее внедрения.
Основные научные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
1. Сопротивляемость металлических арок из СВП при нагруже-нии увеличивается с ростом в них деформации до 60-70 % от ее макси-
мальной величины, причем профиль из горячекатаной стали имеет несущую способность на 2-Ю % больше, чем из охлажденной и термоуп-рочненной. Путем поэтапной установки дополнительных элементов различных размеров и конструкций возможно увеличение несущей способности арочной крепи в 3 раза, а только за счет изменения конструкций узлов податливости возможно увеличение несущей способности более чем в 2 раза.
-
Создание тампонажного слоя в закрепном пространстве приводит к незначительному увеличению нагрузки на крепь ГТК (до 20 %), что происходит за счет увеличивающейся жесткости системы «крепь -тампонаж - массив», в тоже время несущая способность этой системы возрастает до 2 и более раз по сравнению с собственной несущей способностью крепи.
-
Развитие смещений породного контура выработки, закрепленной крепью ГТК, во времени имеет экспоненциальный характер и стабилизируется через 60 - 80 суток при коэффициенте устойчивости и = = 0,7 - 0,8 , через 130-150 суток - при п = 0,2 - 0,5. На размеры оьласти разрушения горных пород вокруг выработок значительное влияние оказывает материал заполнения закрепного пространства:
при забутовке закрепного пространства мелкой породой -3,5-4,0 м;
при тампонаже закрепного пространства цементно-песчаным раствором - 0,5-1,0 м.
4. Основным принципом обеспечения устойчивого состояния гор
ных выработок является управление несущей способностью комбинаци
ей базовых крепей с элементами их усиления по характеру изменения
смещений контура выработки и нагрузок на крепь для наиболее и наи
менее благоприятных геомеханических условий по длине выработки.
Научная новизна работы заключается:
в установлении взаимосвязей сопротивляемости различных конструкций металлических арочных крепей с их деформируемостью, технологией их изготовления и конструкциями узлов податливости, а также в установлении значений конструктивных параметров, влияющих на несущую способность крепи;
в оценке влияния усиления крепи ГТК с тампонажем закрепного пространства на изменение напряженно - деформированного состояния массива и на ее несущую способность;
в установлении времени стабилизации смещений породного контура выработки, нагрузок на крепь ГТК и из СВП в зависимости от коэффициента устойчивости, а также размеров разрушения горных пород вокруг выработок в зависимости от материалов забутовки закрешюго пространства;
в адаптации общего принципа управления несущей способностью крепей по длине выработки на базе крепей с управляемой несущей способностью для конкретных горно-геологических условий Кузбасса.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
достаточной сходимостью результатов стендовых испытаний крепей и моделирования на эквивалентных материалах с результатами расчета и исследования работы крепей в натурных условиях (расхождение не превышало 15 %);
положительными результатами внедрения рекомендаций по выбору конструктивных и технологических параметров крепей ГТК и металлической арочной из СВП с различными вариантами их усиления.
Научное значение работы заключается в обосновании параметров и разработке методов управления несущей способностью крепей горных выработок за счет усиления базовых конструкций крепей непосредственно в технологическом процессе строительства на основе установленных закономерностей изменения их несущей способности и напряженно - деформированного состояния массива горных пород вокруг выработок.
Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по определению параметров ресурсосберегающих конструкций крепей с управляемой несущей способностью для условий капитальных горных выработок угольных шахт Кузбасса. Определена область применения крепей ГТК с тампонажем закрепного пространства, при этом установлено, что несущая способность крепи может быть увеличена более чем в 2 раза. Разработаны методика и оборудование для широкомасштабных стендовых испытаний крепей. На основе результатов этих испытаний определена фактическая несущая способность металлических арочных крепей и предложены варианты их конструктивного усиления. Разработаны классификации базовых конструкций крепей и крепей с управляемой несущей способностью. Реализация
разработанных направлений создания технологии крепления горных выработок крепями с управляемой несущей способностью обеспечивает устойчивое состояние выработок на весь срок их службы, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат за счет снижения материальных и трудовых затрат.
Реализация работы.
Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в следующие нормативные руководящие документы:
-
Рекомендации по выбору конструктивных и технологических параметров крепи ГТК / Кузшпппахтострой. - Кемерово, 1984.
-
Сечения горных выработок, закрепленных комбинированной анкер - металлической крепью (Типовое проектное решение 401 - 011 -67.85) / Центрогипрошахт. -М., 1985.
-
Руководство по выбору конструктивных и технологических параметров тюбинговой крепи (ГТК) с заполнением закрешгого пространства твердеющими смесями для условий Кузнецкого и Карагандинского бассейнов (РД 12.13.064 - 87 МУЛ СССР) / Кузшшшахтострой. - Кемерово, 1987.
-
Унифицированные сечения горных выработок, закрепленных металлической арочной крепью из взаимозаменяемого профиля для условий Кузнецкого бассейна (Типовые материалы для проектирования 401-011 -88.89)/Центрогипрошахт. -М., 1989.
-
Унифицированные сечения горных выработок с монолитной бетонной крепью (Типовые материалы для проектирования) / Центрогипрошахт. - М., 1992.
-
Временное руководство по проектированию ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна (утв. ОАО "Росуголь") / МГТУ. -М., 1997.
Рекомендации по выбору конструктивных и технологических параметров крепей с управляемой несущей способностью на базе крепи ГТК и металлической арочной крепи используются проектными институтами "Сибгипрошахт", "Кузбассгипрошахт" и "Карагандагипрошахт", а также производственными организациями "Кузбассшахтострой", "Карагандашахтострой" и "Ростовшахтострой", Фактический экономический эффект от внедрения научных разработок на отдельных участках капитальных горизонтальных горных выработок шахт Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов составил 1 млн. 870 тыс. руб. в ценах 1991 г.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были доложены и одобрены на П. и Ш Всесоюзных конференциях "Проблемы механики подземных сооружений" (Ленинград, ЛГИ, 1978; Тула, ТЛИ, 1982); на 9 - м Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Кемерово, Институт угля СО АН СССР, 1984); на Всероссийской научно - технической конференции "Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт" (Шахты, Новочеркасск, 1997); на научных семинарах "Неделя горняка -97, 98" (Москва, МГГУ, 1997 - 1998); на совещаниях в "Центрогипрошахте", "Сибгипрошахте", "Кузбассгипрошахте", "Карагандагипрошахте", "Кузниишахтострое", "Кузбассшахтострое", "Ростовшахтострое", "Карагандашахтострое" (Москва, Новосибирск, Кемерово, Караганда, Шахты, 1985 -1997 гг.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, в том числе две монографии и 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 385 страниц машинописного текста, 159 рисунков, 36 таблиц, перечень использованной литературы из 192 наименований н 5 приложений.
Автор выражает благодарность научному консультанту проф., докт. техн. наук. Б.А. Картозия, проф., докт. техн. наук. Л.М. Ерофееву за ценные научные консультации и полезные советы при вьшолнении работы, коллегам по Кузниишахтострою и кафедре СПСиШ МГГУ, работникам проектных и производственных организаций за оказанную помощь при вьшолнении отдельных исследований.
