Донецкого национального технического университета
ДонНТУ
специальность "Разработка месторождений полезных ископаемых".(РПМ)
|
В настоящее время одной из главных задач совершенствования подземной угледобычи является создание эффективных средств и способов сохранения устойчивости горных выработок. Неудовлетворительное состояние горных выработок усложняет работу шахтного транспорта, проветривание очистных и подготовительных забоев, ведет к увеличению численности рабочих, занятых на работах по поддержанию выработок, что в конечном итоге снижает технико-экономические показатели работы шахты. Особенно остро стоит вопрос повышения устойчивости пластовых выемочных выработок, поддерживаемых в условиях слабых вмещающих пород в зоне интенсивного влияния очистных работ. Поэтому проблема поддержания горных выработок является весьма актуальной. Цель работы заключается в разработке нового способа сохранения устойчивости интенсивно деформирующихся выемочных выработок в зоне влияния очистных работ посредством балочно-анкерного усиления основной крепи выработки. Каркасная крепь усиления, послужившая аналогом для создания балочно-анкерной усиливающей крепи прошла успешные испытания в условия шахтф "Южнодонбасская" № 3. Для проведения промышленного эксперимента был выбран вентиляционный ходок 4-й восточной лавы пласта с11 шахты "Южнодонбасская" № 3, который был проведен вприсечку к транспортному ходку 3-й восточной лавы пласта с11 с оставлением ленточного угольного целика шириной 3,0 - 4,0 м (рис. 1). Непосредственная кровля пласта представлена песчано-глинистым сланцем мощностью от 4,5 до 13,7 м и пределом прочности на одноосное сжатие 30 - 40 МПа (категория Б3 по классификации ДонУГИ). В отдельных местах по площади выемочного поля непосредственно над пластом залегала ложная кровля мощностью 0 - 0,5 м (Б1). В основной кровле располагался песчаник мощностью 3,0 - 6,0 м с пределом прочности 50-70 МПа (А2). В непосредственной почве пласта с11 залегал песчано-глинистый сланец мощностью 1,6 - 2,0 м и пределом прочности 20 - 40 МПа (П2), ниже которого располагался обводненный пропласток угля с11н мощностью 0,2 м. Основная почва была представлена песчаником мощностью 2,0 - 3,5 м с пределом прочности 40 - 50 МПа. Пласт с11, относительно выдержанный, с углом падения 7 - 9 0 и мощность 1,55- 1,7 м. Отрабатывался 4-восточной лавой по восстанию с применением комбинированной системы разработки и диагональной подготовкой выемочного столба. Проветривание лавы прямоточное с подсвежением исходящей струи и отводом ее на выработанное пространство через вентиляционный ходок.  Рис. 1 Схема экспериментальных участков вентиляционном ходке 4-й восточной лавы пласта с11. Каркасная крепь усиления была установлена на трех экспериментальных участках длиной по 40 м каждый в трех вариантах исполнения. На первом участке конструкция ККУ представляла собой двутавровую балку, подвешенную по всей длине участка к верхнякам арочной крепи на специальных хомутах и состоящую из отдельных отрезков длиной по 5 м, соединяемых между собой по концам внахлест 5 болтами и гайками. Для фиксации верхняков крепи в продольно-поперечном направлении выработки и предотвращения их перегиба на двутавровой балке под каждый верхняк на балку устанавливались сегментные отрезки спецпрофиля длиной 4 м, которые соединялись с верхняком по концам двумя дополнительными хомутами. На втором экспериментальном участке в дополнение к вышеописанной конструкции ККУ на каждой раме крепи в вертикально пробуренный по центру выработки шпур устанавливался один химический анкер длиной 2,5 м. Хвостовик анкера соединялся с балкой и верхняком крепи отрезком металлической конвейерной цепи. На третьем экспериментальном участке была установлена двойная каркасная крепь усиления, причем, обе двутавровые балки подвешивались по концам сегментных усиливающих отрезков спецпрофиля и усиливалась на каждой арке химическими анкерами, устанавливаемыми в пробуренные под углом в 600 к вертикали шпуры. На второй половине участка анкеры не устанавливались. Для проведения инструментальных наблюдений за смещениями боковых пород на контуре выемочной выработки на каждом экспериментальном и одном контрольном (без усиливающей крепи) участках были сооружены по 38 контурных станции, по которым с периодичностью 1 - 2 раза в неделю производились замеры смещений пород кровли, почвы и боков выработки. Замеры смещений боковых пород были начаты, когда очистной забой располагался от первой замерной контурной станции на расстоянии 168 м и продолжались в течение одного года. Расстояние от остановленной у охранного целика 4-й восточной лавы до последней контурной замерной станции третьего экспериментального участка составляет 86 м. Экперимент подтвердил высокую эффективность каркасной крепи усиления.  Рис. 2 Смещения (1) и скорость смещений (2) контура кровли на первом экспериментальном участке Применение усиливающей крепи позволило не только перераспределить повышенную нагрузку с перегруженных комплектов на соседние, но и уменьшить величину пучения боковых пород за счет перераспределения повышенных нагрузок между неодинаково загруженными комплектами крепи и устранения интенсивного прокалывания ножками пород почвы.  Рис. 3 Смещения (1) и скорость смещений (2) контура кровли на втором экспериментальном участке Балочно-анкерная крепь усиления представляет собой пространственную силовую конструкцию, которая позволяет консолидировать работу основной крепи выемочной выработки в поперечно-продольном ее направлении. Балочно-анкерная крепь усиления представляет собой одну или две жесткие балки, подвешиваемые к верхнякам крепи с размещением между балкой и верхняком крепи криволинейного сегмента, перераспределяющего по периметру верхняка усилие от балки. На каждой крепи устанавливается по одному (для одинарной балки) и по два (для двойной балки) химических анкера длиной по 2,5 м. При этом для повышения степени консолидации работы соседних комплектов крепи анкера на соседних рамах располагаются скрещенно под углом 450 к плоскости кровли. На данное техническое решений подана заявка на получение патента на изобретение. 1. Шахтные испытания каркасной крепи усиления подтверждают эффективность ее применения для сохранения устойчивости выемочной выработки в зоне влияния очистных работ. Соединение автономных комплектов крепи жесткой каркасной связью уменьшает абсолютную деформацию контура кровли выемочной выработки. Использование каркасной связи жесткостью 15.106 Нм2 позволило уменьшить деформации контура кровли в зоне влияния очистных работ от 0,575 м (без каркасной крепи) до 0,223 м, т.е. более чем в два раза. Результатом реализации работы является подача заявки на изобретение. Кроме этого, по результатам ранее проведенных исследований подготовлен научный доклад на студенческую научно-техническую конференцию Донецк--2002на тему "О балочно-анкерном усилении основной крепи выемочных выработок глубоких шахт" (авторы к.т.н. Соловьев Г.И., студент Пилипенко В.С. (ДонНТУ). В настоящей работе применяются следующие методы исследований: обзор литературных источников и патентный поиск по данной теме; инженерный анализ эффективности применения существующих способов и средств крепления и охраны подготовительных выработок глубоких шахт; инструментальные и визуальные наблюдения за проявлениями горного давления в различных зонах поддержания подготовительных выработок при использовании шахтных способов крепления и охраны выработок и предлагаемой новой крепи усиления; лабораторные исследования на структурных моделях и на моделях из эквивалентных материалов; аналитические исследования с использование методов сил. Инструментальные наблюдения за проявлениями горного давления проводятся в интенсивно деформирующихся подготовительных выработках, поддерживаемые во всех зонах влияния забоя. Измерение относительных смещений боковых пород на контуре подготовительных выработок осуществляется с помощью замерных рулеток (конструкции ВНИМИ), металлических телескопических стоек или специальных приборов для дистанционных измерений. Измерения производятся по контурным и глубинным замерным станциям, устанавливаемых на контрольном и экспериментальных участках с периодичностью замеров: вне зоны влияния очистных работ - один раз в неделю, а в зоне влияния лавы - один раз в 1 - 2 дня. Для определения относительных смещений пород кровли, почвы и боков выработок в общей конвергенции производится текущий замер их смещений от центральных (горизонтальных и вертикальных) линий, образующихся за счет навешивания длинной резинки между крючками противоположных реперов. Учитывая специфику и цель проведения исследований по настоящей работе, которая заключается в разработке и внедрении в условиях шахт им. Е.Т. Абакумова и им. М.И. Калинина новых способов сохранения устойчивости интенсивно деформирующихся выемочных выработок за счет оптимизации взаимодействия элементов структурно-разнородной системы "боковые породы - крепь - опорные конструкции крепи усиления". Замеры смещений боковых пород на контуре выемочных выработок осуществляются по 3 группам контурных замерных станций (в центре каждого участка наблюдений и на расстоянии 10 м от него в обе стороны по длине выработки). Контурная замерная станция сооружается на трех соседних рамах крепи и на каждой из них устанавливаются соосно по 2 контурных репера: в кровле-почве и в боках выработки (над и под угольным пластом). Контурный репер представляет собой отрезок деревянного стержня цилиндрической формы диаметром 35-40 мм, длиной в кровле - 0,8 м, в почве - и боках выработки - по 0,6 м (рис. 2). Для определения параметров новой крепи усиления в настоящее время проводятся лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов. В качестве эквивалентного материала используется песчано-парафино-канифольная смесь. Коэффициенты подобия и проект модели определены и разработаны в соответствии с рекомендациями ВНИМИ и ДонНТУ (ДПИ) на основании многочисленных исследований сотрудников факультета геотехнологий и управления производством ДонНТУ. Моделирование производится на плоском стенде с размерами: длина - 0,8 м, высота - 0,7 м и ширина 0,16 м. Моделируются условия 4-й западной лавы пласта m3 шахты им. Е.Т. Абакумова. Модель представляет собой поперечный разрез толщи горного массива в окрестности транспортного штрека 4-й западной лавы пласта m3 . Методикой моделирования предусматривается отработка 2-х моделей из эквивалентных материалов, на одной из которых будут смоделированы условия способа крепления и охраны выработки, применяемые на шахте, а вторая модель будет отработана при применении новой крепи усиления. На структурных моделях производится исследование особенностей механизма передачи горного давления на крепь выемочной выработки приконтурной зоной боковых пород, представляющей собой распорно-блочную среду. Для определения особенностей передачи усилий между отдельностями дискретной распорной среды на контуре выемочной выработки в зависимости от плотности этой среды были проведены лабораторные исследования. Для выполнения замеров в выступающий в выработку конец каждого репера вставляется металлический крючок для зацепления измерительной рулетки. Все шпуры бурятся диаметром 42 мм на глубину, соответствующую длине устанавливаемых в них реперов. Фиксация реперов в шпурах производится с помощью деревянных клиньев.      Рис. 4 Устройство контурных замерных станций для проведения инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления на контуре выемочной выработки Экспериментальная модель (рис. 3) представляет собой цельносварной ящик 1 (размерами 340ґ340ґ320 мм) с крышкой 4 изготовленные из металлического листа толщиной 10 мм. Внутри ящика к двум перпендикулярным стенкам вертикально устанавливались металлические листы 5 с размерами 295*295*10. Между листомами и стенкой горизонтально устанавливался датчик трения 6. У противоположных стенок параллельно стенкам друг над другом устанавливались четыре деревянные бруска 7 размерами 295*70*10. По одному на каждый из брусков крепились датчики трения 8. К концам полотен 9 датчиков крепились отрезки нитей 10 и выводились наружу через отверстия 11 диаметром 8 мм. Для уменьшения влияния стенок ящика последние были футерованы листами стекла 12.  Рисунок 5 Схема модели для определения передачи усилий в дискретной среде В свободную полость модели объемом 0,027 м3 равномерно укладывался исследуемый материал 13, на который сверху горизонтально укладывался металлический лист 14 размерами 295*295*10 мм. На этом листе располагались два пневмобаллона 15, патрубки (16) от которых выводились наружу модели и были включены в единую пневмосистему с манометром (17) и насосом. После установки баллонов ящик закрывался крышкой, в которой находилось два отверстия 18 диаметром 8 мм, через которые с помощью штангенциркуля определялось изменение высота породы в момент отработки модели. Протяжка полотен датчиков осуществляется динамометром ДОСМ 3-02 (19). В настоящее время отрабатывается серия моделей для определения эффекта передачи вертикальной нагрузки на бока модели через исследуемый материал, параметры которого варьируются по крупности породных отдельностей, их консистенции и геометрии расположения. Аналитические исследования осуществляются для определения параметров напряженно-деформированного состояния боковых пород и опорных конструкций с использованием известных в строительной механике и сопротивлении материалов методов сил и конечных разностей. Это позволит определить величину смещений боковых пород на контуре подготовительных выработок и характер деформирования опорных и усиливающих конструкций в выработках и на сопряжениях лавы при изменении основных горно-геологических и горно-технологических параметров. Первый вариант каркасной крепи усиления прошел опытно-промышленную проверку в условиях шахты "Южнодонбасская №3" и показал высокую степень своей эффективности. Применение жесткой каркасной связи между комплектами крепи выемочной выработки и увеличение жесткости этой связи приводит к уменьшению неравномерности скорости смещения контура кровли выработки. Использование балки с жесткостью 7,5.106 Нм2 на первом экспериментальном участке позволило уменьшить неравномерность смещений в створе с лавой по сравнению с контрольным участком (на котором не применялась каркасная крепь усиления) от 0,0035 до 0,0023 м/сут . (на 34 %). Увеличение жесткости балки на третьем экспериментальном участке до 15 . 106 Нм2 уменьшило неравномерности скорости смещений контура кровли до 0,0015 м/сут., т.е. на 54% по сравнению с контрольным участком и на 35% - по сравнению с первым экспериментальным участком. Экономический эффект применения каркасной крепи в конвейерной выработке 4-й восточной лавы пласта с11за период с июня 1998 по июль 1999 года составил на участке длиной 120 м 24,48 тыс. гривен. В настоящее время новая конструкция крепи усиления проходит опытно-промышленную проверку на шахтах им. Е.Т Абакумова и им. М.И. Калинина ГХК "Донуголь". 1. Захаров В.С., Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И. О пространственно-жесткосном согласовании работы крепи интенсивно деформируемых подготовительных выработок // Материалы VIII-й международной конференции "Геотехника-98". Гливице-Устронь. - 1998г. С.223-232. 2. Соловьев Г.И., Захаров В.С. Особенности деформирования контура выработки при ее жестко-каркасном усилении // Сборник научных трудовмеждународной научно-практической конференции "Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия". Алчевск. 1999. С.116-118. 5. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Мороз О.К. Моделирование механических процессов в породах почвы подготовительной выработки // Сборник трудов VII-й международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века". Донецк-Севастополь. 2000. С. 105-109. 6. Соловьев Г.И., Сытник А.Ф., Кублицкий Е.В. Экспериментально-аналитический метод определения параметров усиливающей крепи // Сборник трудов VII-й международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века". Донецк-Севастополь. 2000. С. 186-191. 7. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Кублицкий Е.В., Сытник А.Ф. Определение рациональных параметров усиливающей крепи экспериментально-аналитическим методом // Материалы IX-й Международной конференции "Геотехника-2000". Гливице -Устронь. 17-21 октября 2000г. С.49-53. 8. Соловьев Г.И., Негрей С.Г. О неравномерности проявлений горного давления в выемочных выработках в зоне влияния очистных работ // Материалы IX-й Международной конференции "Геотехника-2000". Гливице -Устронь. 17-21 октября 2000г. С.170-175. 9. Захаров В.С., Соловьев Г.И Лапоног В.В., Ляшок Я.А. О повышении устойчивости пород кровли на концевых участках лав // Известия Донецкого горного института. 1998. №1. С.32-35. 10 Бондаренко Ю.В., Татьянченко А.Г., Соловьев Г.И., Захаров В.С. Разработка математической модели процесса деформирования контура выработки при использовании каркасной крепи усиления // Известия Донецкого горного института. 1998. №2. С.92-97. 11. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Захаров В.С. Изменения деформаций контура кровли выемочной выработки при использовании каркасной крепи усиления // Известия Донецкого горного института. 1999. №1. С.66-70. 12. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Захаров В.С. Лабораторные исследования взаимодействия каркасной усиливающей и основной крепи выемочной выработки // Известия Донецкого горного института. 1999. №2. С.124-131. 13. Соловьев Г.И., Негрей С.Г. Об особенностях пучения почвы выемочных выработок в условиях шахты "Южнодонбасская №3" // Известия Донецкого горного института. 1999. №3. С.39-42. 14. Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Гирин В.С., Кублицкий Е.В. О напряженном состоянии почвы горных выработок // Физические процессы горного производства - Донецк - ДонФТИ.- 2001. - №4. 15. Ю.В. Бондаренко, Г.И. Соловьев, С.Г. Негрей, Е.В. Кублицкий, О влиянии плотности разрушенного породного массива на устойчивость выработки. Cборник научных трудов НГА Украины №12, Том 2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2001с. 91-94. 16. Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Кублицкий Е.В. Опытно-промышленная проверка способа локализации выдавливания пород почвы // Геотехнологии на рубеже ХХI века. - Донецк: ДУНПГО. 2001. Т1.- С.63-68. 17. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Кублицкий Е.В., Петренко А.В. Определение параметров жестко-каркасного усиления крепи выемочной выработки // Геотехнологии на рубеже ХХI века. - Донецк: ДУНПГО. 2001. Т1.- С.68-74. 18. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Кублицкий Е.В., Мороз О.К. О влиянии жесткости каркасной крепи усиления на смещения пород кровли // Известия Донецкого горного института. 2001. № 1. С.59-61. 19. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Негрей С.Г. О распределении напряжений в почве горных выработок // Известия Донецкого горного института. 2001. № 1. С.55-59. 20. Соловьев Г.И., Татьянченко А.Г., Петренко А.В. О математической модели каркасной крепи усиления горных выработок // Известия Донецкого горного института. 2001. № 1. С.61-64. Студент Пилипенко В.С.. подготовил автореферат на актуальную для угольной отрасли тему,посвященную разработке нового способа охраны подготовительных выработок глубоких шахт. Цель работы заключается в разработке нового способа сохранения устойчивости интенсивно деформирующихся выемочных выработок в зоне влияния очистных работ с помощью новой балочно-анкерной крепи усиления. Научная новизна работы состоит в установлении особенностей поперечно-продольного согласования комплектов основной крепи выемочной выработки применением балочно-каркасной усиливающей крепи. Практическая ценность работы подтверждается эффективностью применения каркасной крепи в условиях шахты "Южнодонбасская №3". Соединение автономных комплектов крепи жесткой каркасной связью позволило более чем в 2 раза уменьшить абсолютную деформацию контура кровли выемочной выработки. Результатом реализации работы является подача заявки на изобретение на новую конструкцию балочно-анкерной усиливающей крепи. Кроме этого, по результатам ранее проведенных исследований подготовлен научный доклад на студенческую научно-техническую конференцию Донецк-2002 на тему "О балочно-анкерном усилении основной крепи выемочных выработок глубоких шахт". В работе автор применяет основные методы исследования в горном деле: от литературного обзора, до натурных наблюдений за деформационным процессом на контуре выработки при опытно-промышленной проверке разработанного способа. Апробация результатов работы осуществляется автором в ходе опытно-промышленной проверки предлагаемой конструкции крепи усиления при выполнении НИР на 2-х шахтах ГХК "Донуголь". В работе представлен перечень публикаций руководителя магистратуры по тематике проведенных исследований. Замечания по работе: 1. Из автореферата не ясно, какую роль выполняет анкерная крепь в балочно-анкерной комбинированной крепи усиления. Не смотря на указанное замечание считаю, что рецензируемая работа выполнена на достаточно высоком научно-техническом уровне и ее автор, Пилипенко Валентин Сергеевич заслуживает присвоения ученой степени магистр. Доцент кафедры управления производством, к.т.н. |