Кафедра РПМ  Горный факультет  ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Как показывают результаты обследований состояния подготовительных выработок, проведенных независимыми организациями (ДонНТУ, ДГУ, ДонГТУ и др.), среди основных причин потери устойчивости выработок, поддерживаемых вне зон влияния очистных работ являются: несоответствие параметров применяемых крепей горно-геологическим и техническим условиям поддержания; отсутствие контакта крепи с породным массивом после ее возведения, а также последующие нарушения устанавливающегося в массиве равновесного состояния горными работами.

1. Актуальность темы

Не для кого не секрет, что большая часть подготовительных горных выработок находится в неудоблетворительном состоянии, поэтому я считаю необходимым провести анализ известных способов повышения устойчивости, что даст возможность выделить необходимые облости для дальнейшей работы.

2. Обзор исследований и разработок

2.1 Провдение выработок комбайном или БВР. Достоинства и недостатки.

Анализ технической литературы, посвященной повышению устойчивости выработок, свидетельствует о наличии большого количества разно направленных векторов, характеризующих предлагаемые пути решения этой сложной проблемы. Так, в ряде работ авторы отмечают тот факт, что более благоприятные условия поддержания обеспечиваются в выработках, проводимых комбайнами. Однако, по утверждениям авторов других работ, влияние способа проведения на устойчивость выработки зафиксировано лишь в течении 8-12 месяцев после ее проведения. В то же время, производственный опыт показывает, что область применения большей части парка проходческих комбайнов ограничена прочностью вмещающих выработки пород до 40 МПа.[1]

При использовании буро-взрывной технологии проведения выработок, устойчивость приконтурного массива повышают путем применения контурного взрывания. Этот способ значительно снижает интенсивность трещинообразования во вмещающих породах пo сравнению с обычным взрыванием (так, доказано, что при контурном взрывании по песчанику глубина трещинообразования в 7-8 раз, а по сланцу в 3-4 раза меньше). При этом обеспечивается более точное оконтуривание поперечного сечения, уменьшается амплитуда неравномерностей породных обнажений, а следовательно, и концентрация действующих напряжений. В настоящее время совершенствование контурного взрывания идет по пути разработки технологий, предусматривающих выполнение на стенках шпуров профильных надрезов, ориентированных по направлению отбойки.

Вместе с тем, широкому применению контурного взрывания в отрасли препятствует то, что существующее бурильное оборудование не позволяет бурить оконтуривающие шпуры вплотную к проектному контуру, параллельно оси выработки.

2.2 Конструкции крепей. Их достоинства и недостатки.

К другим направлениям повышения устойчивости металлических арочных крепей в выработках являются многочисленные попытки создать систему «крепь-массив» с учетом вектора преобладающих смещений в породной толще («подогнать» крепь под массив) и времени возникновения плотного контакта между крепью и массивом (Рис. 1). Для этого отечественными и зарубежными разработчиками крепей предложено большое количество конструкций, призванных решить эти проблемы.

Рисунок 1 – Очертания крепи подготовительных горных выработок
При давлении со стороны кровли крепи могут быть: плоскими (а), арочными (б). Опорами таких крепей могут служить как прочные горные породы боков выработки, так и ис- кусственные опоры в виде стоек (в, г) или стенок крепи (д). Эти опоры могут воспринимать также незначительную боковую нагрузку. При значительном боковом давлении боковым опорам придают криволинейную форму (е, ж). При давлении со стороны почвы применяют нижние элементы — лежни, имеющие прямолинейные (з, и) или криволинейные очертания (к, л). Наконец, при наличии сильного всестороннего давления крепи придают форму эллипса (м) или круга (н).



Так, в ДПИ разработана крепь АПК-4, состоящая из четырех взаимозаменяемых элементов, соединенных тремя замками, которые перемещаются вместе со звеньями при работе крепи в режиме податливости (рис. 2). Конструкция хорошо зарекомендовала себя в условиях интенсивных боковых нагрузок. В Кузбассе разработана и применяется подковообразная арочная трехзвенная крепь, хорошо сопротивляющаяся боковым смещениям и нагрузкам. В ИГД им. А.А. Скочинского предложена крепь МПК-А4, верхний сегмент которой состоит из двух отрезков профиля СВП, соединяемых между собой податливым кулачковым узлом. Наличие податливого узла в своде арки обеспечивает боковую податливость. В Санкт-Петербургском горном институте создана складная металлическая крепь. Каждая рама крепи состоит из двух криволинейных стоек и верхняка, соединяемых специальными замками, выполняющими одновременно функции узлов податливости и шарниров. В зависимости от величины и направления прогнозируемых смещений элементы крепи могут быть соединены по трем различным схемам. Для условий всестороннего горного давления разработаны также конструкции кольцевых податливых крепей Ш1-К4, КПК, КПК-ПЛ. В Германии разработана многозвенная крепь увеличенной податливости, обеспечивающая плотный контакт крепи с боковыми породами. Она состоит из однотипных звеньев, которые в зоне податливости скрепляются соединительными накладками.

Рисунок 2 – Общий вид крепи АПК-4:
1 - ножка; 2 - полуверхняк; 3 - нимний замок; 4 - верхний замок; 5 - узел межрамной связи; 6 - диафрагма.



Во всех разработанных в последние годы крепях, кроме изменения конфигурации, конструкции и расположения по периметру элементов податливости совершенствовались также и они сами, а также профили, используемые для изготовления крепей.

Рассмотренные выше конструкции рамных крепей в настоящее время имеют весьма ограниченное применение из-за сложности изготовления, наличия конструктивных недоработок, сложности возведения и организационных причин.

Для улучшения условий работы крепи в выработках с длительным сроком службы применяется тампонаж закрепного пространства. Вместе с тем, ряд ученых неоднозначно оценивают влияние жесткости материала создаваемой тампонажной оболочки на работу податливой крепи. Кроме того, для ведения работ необходимо не только специальное оборудование, но и предварительное выполнение работ по герметизации (изоляции) выработки, что делает способ трудо- и материалоемким.

Для тяжелых горно-геологических условий были разработаны комбинированные конструкции крепи, нашедшие в последние годы широкое распространение (объем применения до 5 %): анкер-металлическая[2-3], АНТ (арка, набрызг, тампонаж), ШСНГ (штанга, сетка, набрызг, тампонаж) и другие, в которых поддерживающие элементы тем или иным способом связываются для обеспечения совместной работы с приконтурным массивом. Вместе с тем, эти конструкции имеют ряд технологических недоработок, а механизм их работы, с точки зрения геомеханики, до сих пор недостаточно изучен.

Рисунок 3 – Работа шарнирно-арочной крепи:
Шарнирность конструкции: без деформации элементов (а), стрельчатую форму (б)при значительном давлении сверху и производить тщательную расклинку и забутовку.


Поскольку преобладающим видом крепи в настоящее время остается арочная податливая, то в целом ряде работ для повышения ее устойчивости предлагается применять различные способы усиления крепи, увеличения ее жесткости в направлении преобладающих смещений без существенных конструктивных изменений. Так, например, предлагается использовать напрягающую стяжку на уровне замков податливости, устанавливаемую при помощи винтовых домкратов. Это, по замыслу авторов, создает в верхняке крепи крутящий момент, направленный в противоположную сторону моменту от внешней косонаправленной нагрузки.

Рисунок 4 – Арочная жесткая крепь


Рисунок 5 – Схема возведения металлической крепи из спецпрофиля
Крепь устанавливают в следующей последовательности: ножки соединяют со стойками внахлестку на 300 мм и затягивают хомутами, на почву устанавливают лежни (а) или башмаки и устанавливают боковые стойки (6), которые удерживаются в таком положении боковыми стяжками, соединенными с ранее установленными арками. На верхние изогнутые концы стоек укладывают арочный верхняк (в) таким образом, чтобы каждый конец его на участке длиной 400 мм соединялся внахлестку с концами боковых стоек. Затем соединяемые части скрепляют хомутами в одно целое. После сборки арки производят расклинивание, затяжку боков и кровли выработки, а также забутовку пустот между затяжками и породой (г)


2.3 Способы направленные на быстрый ввод крепи в работу.

В ряде работ авторами установлена взаимосвязь между качеством, а также свойствами забутовки закрепного пространства с последующей устойчивостью выработки. В работах авторами предлагается заполнять пустоты за крепью измельченной породой с помощью специальных забутовочных машин, укладывать за крепь тканевые рукава с твердеющими смесями, заполнять закрепное пространство пенопластом. Все выше названные выше способы на шахтах практически не используются, поскольку для их реализации требуется дополнительное оборудование, разместить которое весьма сложно в стесненных условиях проходческого забоя. Кроме того, забутовку закрепного пространства практически невозможно совместить с другими технологическими процессами в забое, что снижает темпы проходческих работ.

В последние 20 лет в ДонНТУ и ДонГТУ были разработаны способы охраны, направленные на сглаживание технических огрехов (устранение переборов пород) в технологии выемки породы при проведении выработок. Они основаны на использовании идеи взрывной забутовки закрепного пространства путем взрывания зарядов рыхления, одновременно выполняющих функцию локальной разгрузки пород от повышенных напряжений. Из-за необходимости точно соблюдать технологию и параметры работ при общей высокой культуре производства, способы широкого применения на шахтах не нашли.

Большое количество теоретических и экспериментальных работ посвящено использованию в выработках способа инъекционного упрочнения пород, направленного на обеспечение совместной работы крепи и приконтурного массива для улучшения состояния крепи[4]. Опыт применения способа показывает, что инъекция скрепляющих растворов в массив на глубину до 3,0 м под давлением до 3,0 МПа – более эффективное средство влияния на устойчивость крепи, чем тампонаж закрепного пространства. Необходимым условием применения инъекционного упрочнения является наличие вокруг выработки трещиноватой зоны. Для реализации способа необходимо специальное оборудование и большой

Большим количеством исследователей доказано, что быстрому вводу податливой крепи в работу способствует ее предварительный распор. Для этого при установке крепи она принудительно вдавливается в породное обнажение, при этом за счет смятия и уплотнения пород обеспечивается их лучший контакт с крепью.[5]

Рисунок 6 – Последовательность работ по возведению шарнирно-арочной крепи
(анимация: 6 кадров, длительность каждого кадра - 50 мс, 34 Кб)


2.4 Способы охраны основаные на разгрузке пород.

С целью снижения напряжений во вмещающих выработку породах, а также сохранения природной прочности пород и вовлечения их в совместную работу с крепью для охраны выработок, в ДонУГИ и ДПИ был предложен ряд способов охраны на основе локальной разгрузки. Это способы скважинной разгрузки и взрыво-щелевой разгрузки. Несмотря на свою простоту и получаемый положительный эффект, способы не нашли на шахтах широкого применения по следующим причинам[6]. Бурение скважин необходимо производить вне зон опорного давления и его невозможно совмещать с процессами проходческого цикла. Кроме того, применение способов на 10-15% увеличивают смещения пород со стороны кровли, возникают сложности с поддержанием сопряжений «лава-штрек». Способ взрыво-щелевой разгрузки малоэффективен в условиях слабо-метаморфизованных и обводненных пород[7].

На основе способов локальной разгрузки и укрепления, в КГМИ и ДПИ были разработаны способы охраны АРПУ и взрыво-укрепления. Сущность первого заключается в перераспределении напряжений вокруг выработки путем их разгрузки, с отделением части пород от массива и последующим использованием их в качестве естественного строительного материала для создания в почве выработки грузонесущего обратного свода из укрепленных пород. Разгрузка осуществляется взрыванием в шпурах камуфлетных зарядов ВВ. Затем бурят тампонажные шпуры, в которые нагнетают скрепляющий раствор. Образованная В почве разгруженная зона меняет соотношение высоты и ширины выработки. Она приобретает эллиптическую форму, благодаря чему концентрация напряжений в массиве уменьшается, что увеличивает устойчивость выработки в целом[8].

Способ взрыво-укрепления предусматривает одновременное выполнение работ по разгрузке породного массива и его укреплению. Сущность его состоит в бурении шпуров в приконтурный массив с размещением ампул со скрепляющим составом и зарядов ВВ. При взрывании происходит рыхление пород по длине шпура, разрушение оболочек ампул и проникновение скрепляющего раствора (пенополиуретана, эпоксидной смолы с отвердителем) в образовавшиеся трещины[9].

К недостаткам данных способов следует отнести высокую их трудоемокость и материалоемкость, а также необходимость наличия дополнительного оборудования[10-11].

В конце 80-х годов прошлого века в ДПИ был разработан способ поддержания выработок «крепь-охрана», который реализует идею совмещения разгрузки вмещающего массива от повышенных напряжений с процессом крепления. Сущность способа состоит в образовании на заданном удалении от контура выработки зоны разрушенных пород, что достигается путем взрывного раскрепления трубчатых анкеров, устанавливаемых по периметру выработки в радиально пробуренных шпурах. Приконтурный целик пород, усиленный анкерами, призван выполнять роль крепи[12].

Выводы

Проведенный анализ технических решений, направленных на повышение устойчивости рамного крепления в выработках показывает, что наиболее перспективным направлением является разработка комбинированных способов охраны, позволяющих, с одной стороны, изменять направление преобладающих смещений пород в выработку, обеспечивая паспортные условия работы крепи, а также ее плотный контакт с вмещающим массивом, а с другой стороны – максимально вовлекать приконтурный массив в совместную работу с крепью и использовать при этом природную прочность вмещающих пород. Кроме того, предлагаемые способы должны быть составной частью технологии проведения и крепления выработки.

Список источников

  1. В.В. Виноградов. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. – К.: Наук. думка, 1989. – 192 с.
  2. Терещук Р.Н. Состояние и перспективы применения анкерной крепи //Научный вестник. - 2000. - №2. - С.6-9;
  3. B.J. Buys, Р. S. Heyns, P.W. Loveday. Rock bolt condition monitoring using ultrasonic guided waves //The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. - 2009. - V. 108. -p.95-105
  4. Касьян Н. Н., Петренко Ю. А., Новиков А. О. О перспективах применения анкерной крепи наугольных шахтах Донбасса //Научные труды ДонНТУ. - 2009. №10. - ст. 109-115;
  5. В.Г. Горохов. Методологический анализ системотехники. – М.: Радио и связь, 1982. – 160 с.
  6. М. Месарович., Мако Д., И. Такахара. Теория иерархических многоуровневых систем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1973. – 334 с.
  7. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб., 1991. – 125 с.
  8. Г.Ю. Альбертс., К. Цастрау. Проходка горизонтальной породной выработки с использованием нового австрийского способа туннелестроения // Глюкауф, 1981. – № 7. – С. 20–26.
  9. Б.А. Картозия., В.А. Пшеничный. Теоретические основы крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления // Специальные способы строительства подземных сооружений и шахт. – М.: МГИ, 1984. – С. 600.
  10. А.В. Быков. Ускорить внедрение крепей регулируемого сопротивления на шахтах Донбасса // Шахтное строительство, 1986. – № 3. – С. 3–8.
  11. Г.В. Бабиюк. Системное обоснование и разработка адаптивных способов обеспечения надежности горных выработок: Автореф. дис… докт. техн. наук: 05.15.04 / Национальный горных университет. – Днепропетровск, 2005. – 35 с.
  12. Г.Г. Литвинский, Г.И. Гайко., Н.И. Кулдыркаев. Стальные рамные крепи горных выработок. – К.: Техніка, 1999. – 216 с.