В.Ф. Овчинников, доктор техн. наук,
В.А. Дротик, А.М. Иваненко, инженеры(Горный факультет УИПА)
Для поддержания выработок на шахтах Донбасса применяются крепи примерно 100 видов, наибольшее распространение получили металлические податливые крепи арочного типа, наименьшее - анкерные. Затраты на проведение и крепление 1 м выработки с применением арочной крепи колеблются от 3 до 6 тыс. грн.; расход металлопроката от 300 до 1000 кг. На 1 млн. т угля принятых в Украине систем разработки требуется проведение 6-12 км выработок.
В особо тяжелом состоянии находятся пластовые выработки; потери площади их поперечного сечения достигают 60-70%. Это приводит к тому, что 30% выработок ежегодно ремонтируется и перекрепляется. Доля затрат на проведение, крепление и поддержание выработок в Донбассе достигает 25% себестоимости угля, дальнейшее его увеличение недопустимо. Решить проблему повышения устойчивости выработок пытались, увеличив податливость крепи и улучшив конструкции замка, но такой подход не привел к желаемым результатам.
ИГТМ НАН Украины установлено, что 1 кг анкера, закрепленного в шпуре, обеспечивает несущую способность крепи до 200 кН, что на два порядка выше, чем подпорной арочной. Именно поэтому за последние годы в ведущих угледобывающих странах Запада быстро возросли объемы применения анкерной сталеполимерной крепи, что кардинально улучшило экономические и производственные показатели шахт.
Доля затрат на проведение, крепление и охрану выработок с анкерами в себестоимости угля снизилась с 20-25 до 6-8%. Европейские модели оборудования для возведения анкерной крепи, применяемые в Швеции, Финляндии, Германии, Англии, Португалии и США, основаны на принципе вертикального забуривания анкеров в кровлю. Интерес к этой крепи возрастает с 60-х годов, когда стали внедрять столбовую систему с отработкой лав обратным ходом и с забуриванием анкеров в кровлю под углом 60-70°, что увеличивает на 30% их несущую способность. Это существенно повлияло на развитие геомеханических процессов в кровле вследствие блокирования разрушения приконтурных пород крепостью >6...7. Несущая способность анкерных штанг нового поколения (по прочности на разрыв) диаметром 25, 27 и 30 мм составляет 250, 350 и 500 кН.
Для прогноза режима разрушения горных порол в контуре выработки и оценки ее устойчивости, поданным ИГТМ НАН Украины, [1] важны отношения:
- разности наибольших G1 и наименьших G3 главных напряжений пород кроили к напряжениям от веса вышележащей толщи свода обрушения пород, характерезующие возможность разрушения:
- наименьших G3 главных напряжений к весу вышележащей толщи свода обрушения пород, характеризующие возможный режим разрушения:
где
y - удельный вес порол кровли, Н/м3;
H - глубина свода обрушения, м.
В незакрепленной выработке усилия распора, взаимно прижимающие породы кровли в стволе, вначале незначительны, а сцепление между ними низкое.
Поэтому нарушенные породы в своде обрушения с отходом забоя под действием собственного веса могут сместиться в выработку. В результате таких смещений происходят деформация и разрыхление пород свода с появлением дополнительного распорного давления в кровле:
где Кд - коэффициент деформации пород,
e - конвергенция пород кровли;
P1=1,5yH - опорное давление, МПа.
Под влиянием опорного давления нарушается равновесное состояние системы "зона нарушенных пород - зона ненарушенных пород". Появляется возможность развития сдвижений в глубь массива, когда минимальная компонента напряжений достаточна для частичного блокирования разрушения, т. е. выработка становится неустойчивой.
Применение податливых арочных крепей для повышения устойчивости выработок, возводимых без полной забутовки закрепленного пространства и не обеспечивающих достаточного подпора для блокирования сдвижений (отслаиваний) нарушенных пород, оказалось неэффективным [2] поскольку
где Rt=0,78Gс - напряжения отрыва пород, МПа;
Rg=0,78Gр - напряжения сдвижения пород, МПа (по данным ВНИМИ);
Gc и Gp - сопротивление пород кровли сжатию и растяжению, МПа;
tmax - максимальные касательные напряжения, которые способствуют сдвиговым деформациям пород кровли с их последующим отрывом. МПа.
Для экспериментального обоснования параметров, характеризующих при столбовой системе разработки устойчивость пластовых выработок, проводимых с помощью БВР и усиленных анкерной крепью для их повторного использования на горизонте 700 м шахты "Толубовская" и 980 м шахты им. Менжинского (ГП "Первомайскуголь"), задачу решали в два этапа. На первом рассчитывали исходные параметры, а затем к границе выемочного участка (прямой ход) проводили бортовой ходок или штрек с креплением анкерами (с l = 30 мм) со стальной прижимающей сеткой (очко 32 х 32 мм) квадратной формы (1200х 1200 мм) и опорными пластинами (размеры 150 х 150 мм, толщина 10 мм).
Крепление анкеров в кровлю по мере проведения выработки с помощью БВР выполняли под углом 65-70" пневматическим перфоратором или колонковым электросверлом с пневмоподдержкой. Плотность анкерной крепи (вместо арочной АКП-11,2) при крепости пород кровли f= 6...7 принимали из расчета 1,4 анкера длиной 2500 мм на 1 м2 кровли. После проходки бортового ходка или штрека к границе выемочного участка (600 м) проводится разрезная печь длиной до 220 м, лава оснащается забойным оборудованием для работы обратным ходом (столбовая система).
На втором этапе бортовой ходок (или штрек) для повышения устойчивости и повторного использования (столбовая система) охраняется с помощью бутовой полосы из пород от подрывки кровли вслед за подвиганием лавы. Высота и ширина прорывной выработки рассчитываются исходя из требуемого объема породы для охранной бутовой полосы, укладываемой скреперной установкой ЗУ-3. После расчета на ЭВМ корреляционных зависимостей и сравнения их с экспериментальными данными была предварительно установлена необходимая ширина бутовой полосы охраняемой выработки:
где k=2 - коэффициент запаса несущей способности бутовой полосы, МПа;
R=hE/(0,5m) - реакция отпора бутовой полосы. МПа;
h- конвергенция пород кровли за 7 мес. (устанавливается по отработанной ранее лаве);
E=1,5*102 МПа - модуль упругости пород бутовой полосы крепостью f<7;
E=2,5*102 МПа - то же, при f>7;
m - мощность угольного пласта, м;
Gnp- предельная прочность пород:
Kn-0,7 - коэффициент плотности механической закладки, возводимой с помощью ЗУ-0,3.
Коэффициент k учитывает изгибающий момент основной кровли и опорное давление на выработку.
Выводы. Использование геомеханизма снижения опорного давления на выработку изгибающим моментом основной кровли и усиленным анкерным креплением (прямой ход) с охранной бутовой полосой (обратный ход отработки лавы) позволяет исключить дорогостоящее металлическое арочное крепление при столбовой системе разработки с двумя степенями охраны выработок тонких пластов в Донбассе. Анкерные штанги с металлической пластиной и сеткой, установленные под углом 60-70° на эпоксидной смоле (вместо вертикальных штанг), на 30% увеличивают несущую способность системы "анкерная крепь - бутовая полоса - выработка".
Литература:
1. Булат А. Ф., Виноградов В. В. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт/ ИГТМ НАН Украины.- Днепропетровск, 2002.
2. Овчинников В. Ф., Хашмендик Ю. Л., Петренко В. Д., Романенко В. II. Физико-технические основы технологии управления труднообрушаемой кровлей при ведении горных работ.- Луганск, 2003.