1. Актуальность работы. Одной из главных задач дальнейшего развития подземной угледобычи остается создание эффективных средств и способов противодействия возрастающим с глубиной вредным проявлениям горного давления в подземных выработках угольных шахт с целью сохранения их устойчивости.

Опыт угледобычи в сложных горно-геологических условиях глубоких шахт Донбасса показывает, что суммарная трудоемкость работ по ремонту и перекреплению выемочных выработок в настоящее время составляет около 80% общих трудозатрат на проведение выработок. На шахтах Украинского Донбасса ежегодно ремонтируется и перекрепляется более 25% общего количества поддерживаемых выработок, что составляет более 2000 км в год. При этом уровень механизации ремонтных работ не превышает 3 - 5%.

Горной наукой и практикой постоянно совершенствуются применяемые и создаются новые способы и средства минимизации вредных проявлений горного давления в выемочных выработках. Однако при разработке новых технологических решений по сохранению устойчивости выемочных выработок не всегда достаточно полно учитываются специфические особенности их эксплуатации, например, поддержание транспортных и вентиляционных выемочных выработок позади лав при прямоточном проветривании интенсивно отрабатываемых выемочных полей. Механические процессы в массиве рассматриваются, главным образом, без детального учета неравномерности проявления горного давления по длине выработки и особенностей деформирования отдельных слоев кровли, почвы и боков выработки вследствие чего возможности совершенствования средств усиления крепи выработок используются не полностью. Не изученность этого аспекта задачи сохранения устойчивости выемочных выработок в особо сложных условиях эксплуатации является одной из основных причин отсутствия научных обоснований применения новых конструкций крепи усиления для компенсации негативных последствий неравномерной нагрузки соседних комплектов крепи, а также отсутствия обоснованных рекомендаций по выбору параметров предлагаемых технологических решений.

Таким образом, разработка новых технологических решений по сохранению устойчивости почвы и предотвращению вдавливания ножек комплектов крепи в слабые породы почвы является весьма актуальной, особенно при использовании в очистном забое высокопроизводительных механизированных комплексов.

2. Цель работы заключается в разработке нового способа предотвращения пучения пород почвы, исключающего прокалывание почвы ножками крепи и определении его рациональных параметров.

3. Научная новизна. В качестве одного из возможных вариантов решения поставленной задачи предлагается применение новой конструкции крепи усиления, которая представляет собой наклонные податливые “ремонтины” из прямолинейного спецпрофиля, шарнирно соединяющиеся с отрезком спецпрофиля, закрепляемого в средней части каждой ножки крепи двумя замками (хомутами, планками и гайками). Применение данной усиливающей крепи позволяет перераспределить нагрузку, воспринимаемую комплектом крепи на 4 опоры – 2 ножки крепи и 2 дополнительные опоры,которые при необходимости могут быть оснащены дополнительными продольными стабилизаторами в виде поперечно приваренных планок для исключения прокалывания почвы (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема установки наклонной податливой крепи усиления для предотвращения пучения, прокалывания почвы и интенсивных боковых смещений контура.

Кроме перераспределения вертикальной нагрузки на почву данная усиливающая крепь из-за своего наклонного расположения создает боковой отпор смещениям ножек крепи в полость выработки при действии повышенных боковых нагрузок на крепь выемочной выработки.

На данное техническое решений подана заявка на получение патента на изобретение.

4. Практическая ценность. Применение известных способов ограничивается значительной трудоемкостью осуществления, загромождением выемочных выработок, значительные материальные затраты.

Таким образом, использование новой конструкции усиливающей крепи, работающей с использованием принципа активного противодействия выдавливания пород почвы, предотвращения прокалывания ножками крепи почвы, и создание бокового противодействия смещениям ножек крепи в полость выработки, позволит в значительной степени повысить эффективность применения данного технологического решения в интенсивно деформируемых подготовительных выработках глубоких шахт в зоне влияния очистных работ.

5. Результаты реализации работы. Результатом реализации работы является подача заявки на изобретение. Кроме этого, по результатам ранее проведенных исследований подготовлен научный доклад на международную научно-техническую конференцию 2002 года в г. Днепропетровске на тему “О боковых смещениях контура выемочных выработок глубоких шахт” (авторы к.т.н. Соловьев Г.И., магистр Негрей С.Г., аспирант Петренко А.В., студент Нефедов В.Е. (ДонНТУ)).

6. Методы исследований. 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, конечных разностей и конечных элементов.

Инструментальные наблюдения за проявлениями горного давления проводятся обычно на характерном участке подготовительной выработки, который по мере движения и приближения к нему очистного забоя поочередно поддерживается вне зоны влияния забоя, в зоне опорного давления, в створе лавой и за ней в зоне влияния выработанного пространства при соблюдении способов крепления выработки и возведения опорных конструкций на сопряжениях очистного забоя с выработками, предусмотренных технологическими паспортами ведения очистных работ и крепления подготовительных выработок.

При проведении шахтных инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления необходимо определить:

- структурные особенности строения вмещающих пород;

- физико-механические свойства боковых пород и особенности их изменения под воздействием ведения горных работ;

- параметры исходного напряженного состояния горного массива;

- смещения боковых пород на контуре выработок и вне зоны и в области влияния очистных работ;

-параметры силового и кинематического взаимодействия вмещающих пород с крепью и опорными конструкциями на сопряжениях лавы с подготовительными выработками.

Для повышения эффективности проведения натурных исследований и получения достоверных и надежных результатов необходимо использовать следующие методические рекомендации, выработанные на основе проведения многочисленных научных исследований.

При проведении инструментальных и визуальных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках выполняются измерения:

- относительных смещений (конвергенции) кровли, почвы и боков выработок по контурным и глубинным замерным станциям;

- относительных смещений элементов массива пород на разном удалении от выработок;

- смещений точек массива в зависимости от расположения их относительно границ выработок;

- разрушения и расслоения пород вокруг выработок, контуров обрушений пород в выработке.

Измерение относительных смещений кровли и почвы, а также боков подготовительных выработок обычно осуществляется с помощью замерных рулеток, (инструкции 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.

Для определения абсолютных смещений боковых пород с периодичностью 1 - 2 раза за квартал производится прокладка нивелирного хода по подготовительной выработке с экспериментальными участками.

Для уточнения физико-механических характеристик боковых пород необходимо при бурении скважин для глубинных замерных станций производить отбор породных проб с помощью керноотборника. Определение прочностных и деформационных свойств отобранных образцов пород будет произведено в лабораториях горного института ДонНТУ.

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).

Рис. 2 Устройство контурных замерных станций для проведения инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления на контуре выемочной выработки.

Для осуществления 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.

7. Апробация работы. В настоящее время новая конструкция крепи усиления проходит опытно-промышленную проверку на шахтах им. Е.Т Абакумова и им. М.И. Калинина ГХК “Донуголь”.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ опыта работы глубоких шахт Донбасса показывает /1/, что в условиях слабых вмещающих пород значительная часть подготовительных выработок постоянно находится в неудовлетворительном состоянии во многом из-за интенсивного пучения пород почвы.

Пучение пород – это один из наиболее распространенных видов проявления горного давления, величина которого зависит от большого числа горно-геологических и горнотехнических факторов, важнейшими из которых являются: пределы прочности пород на сжатие, растяжение и сдвиг, а также гранулометрический состав, плотность, пористость, влажность, система разработки, способ охраны выработок и др. /2/.

При залегании в почве пласта глинистых и песчано-глинистых сланцев пучение происходит в результате пластических деформаций пород, выдавливаемых под воздействием опорного давления, в результате разуплотнения пород, при увлажнении (набухании) почвы и вследствие химических реакций. При относительно прочных породах почвы их пучение происходит в виде складкообразования с хрупким разрушением породы в вершине складки и образованием продольных разломов по центру и ли бокам выработки /3/.

Одной из разновидностей вредных проявлений горного давления в подготовительных выработках является прокалывание пород почвы ножками крепи и существенная потеря вследствие этого поперечного сечения выработки. Прокалывание почвы ножкой крепи происходит вследствие малой площади опоры ножки из спецпрофиля и недостаточно эффективности применяемых поперечных планок и деревянных подложек. Комплекты крепи в зоне опорного давления лавы подвержены повышенным вертикальным и боковым нагрузкам, что приводит к смещения ножек и вдавливанию их в слабые породы почвы. Вследствие этого происходит интенсивное поднятие пород почвы в полость выработки на особо важном технологическом участке выработки – сопряжении ее с лавой. Ведение работ по подрывке почвы на сопряжении с лавой, выполняемых в основном вручную, значительно осложняет общую технологию работ на выемочном участке.

Применяемые в настоящее время способы предотвращения пучения в подготовительных выработках делятся на меры по снижению до допустимого минимума вредных проявлений пучения и меры по ликвидации последствий пучения /2/.

К первой группе относятся способы разгрузки массива, окружающего выработку, с использованием защитного действия; искусственное создание зоны неупругих деформаций пород вокруг выработки; применение взрыво-щелевого способа разгрузки почвы; применение спаренных узких бутовых полос непосредственно по бокам выемочных выработок; способ разгрузки почвы пластовых выработок скважинами; образование разгрузочной щелей в почве выработки и другие. Однако применение большинства из этих мероприятий сопряжено со значительными материальными затратами и их использование возможно в определенных горно-геологических условиях.

Ко второй группе относятся способы активной разгрузки и последующего упрочнения пород почвы; анкерование пород почвы; применение податливых и жестких кольцевых крепей или крепей с обратным сводом; применение в зоне опорного горного и за очистным забоем временных усиливающих крепей из спецпрофиля с составными лежнями.

Таким образом, был предложен новый тип крепи усиления. 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.

Экспериментальная модель (рис. 1) представляет собой цельносварной ящик 1 (размерами 340´ 340´ 320 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 листами 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.

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, а также метода конечных элементов с использованием

Программы ANSYS-6.0. Методом конечных элементов планируется 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.

1. Роенко А.Н. Новый подход к исследованию явления пучения пород для обоснования мер борьбы с ним // Уголь Украины. – 1997. №2-3.- С. 20-22.

2. Черняк И.Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок.- М.: “Недра”, 1978.- 237с.

3. Литвинский Г.Г. Механизм пучения пород почвы подготовительных выработок // Уголь. – 1987. №2.- С. 15-17.

4. Соловьев Г.И., Захаров В.С. Особенности деформирования контура выработки при ее жестко-каркасном усилении // Сборник научных трудов международной 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. Сборник 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.

21. Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Петренко А.В., Нефедов В.Е. “О боковых смещениях контура выемочных выработок глубоких шахт // Сборник научных трудов НГА Украины № ?, Том ?. – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2002, с. ?-?.