Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ)
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, ШАХТНОГО
И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Сборник научных трудов
стр 49-53.
УДК 622.283.74
В.А. Ткачев
д-р техн. наук, профессор, ШИ ЮРГТУ (НПИ)
А.В. Беликов
аспирант, ШИ ЮРГТУ (НПИ)
Показана неэффективность существующих нормативных методик расчета ожидаемых смещений кровли и выбора параметров анкерной и рамной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в виде угольных целиков и искусственных ограждений (тумб БЖБТ, БДБ, бутокостров и бутовых полос). Для повышения надежности расчетов смещений кровли в повторно используемых штреках предложены корреляционные зависимости, проверенные в шахтных условиях.
Проблема обеспечения устойчивости подготовительных выработок выемочных участков является одной из основных при подземной разработке угольных пластов, без решения которой невозможно обеспечение безопасности горных работ и повышение технико- экономической эффективности эксплуатации угольных шахт. Научные исследования и практика работы шахт показывают, что современным требованиям экономически эффективной и безопасной угледобычи на шахтах Восточного Донбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 0,85 – 2,0 м, наиболее полно отвечает технология сохранения выработок для повторного использования при применении эффективных анкерных и рамных крепей, крепей усиления при охране выработок угольными целиками малых размеров и искусственными охранными конструкциями. Исследования, проведенные в выемочных выработках на действующих шахтах региона, показывают, что в 90% выемочных штреков не отмечается существенного пучения пород почвы, сложенных крепкими песчаниками и песчаными сланцами, а конвергенция кровли и почвы обусловлена в основном смещениями пород кровли. При этом доля смещений пород кровли в зоне за первым очистным забоем составляет 50-70% от величины её общих смещений за весь срок службы выемочных выработок.
Для всех проектируемых повторно используемых выемочных выработок на шахтах региона с использованием действующих нормативных документов [1,2] производится расчет ожидаемых смещений кровли, по которым выбираются параметры анкерной и рамной крепи, крепи усиления и охранных конструкций. Однако, несмотря на это, во многих штреках на шахтах региона фактические смещения пород кровли при выбранных параметрах крепей и охранных конструкций значительно отличаются от их расчетных значений, что приводит к неудовлетворительному состоянию выемочных выработок за первым очистным забоем и необходимости их ремонта. Смещения кровли за весь срок службы повторно используемого выемочного штрека при его креплении анкерной крепью и крепью усиления, определяемые по «Инструкции …» [1], не должны превышать 300 мм, а при креплении податливой трехзвенной металлической крепью согласно «Инструкции …» [2] – 350-400 мм. При превышении этих значений, по мнению разработчиков «Инструкций …» [1,2], анкерные крепи разрушаются, а рамные деформируются и требуют ремонта. С учетом неизбежных смещений кровли в зоне опорного давления второго очистного забоя на величину до 50-100 мм это означает, что в зоне за первым очистным забоем расчетные и фактические смещения кровли по оси штреков не должны превышать 250-300 мм. Обеспечение указанных выше предельных смещений кровли согласно «Инструкциям …» [1,2] возможно в любых горно- геологических условиях (за исключением зон повышенного горного давления от целиков и краевых частей смежных пластов) при условии, если повторно используемые штреки закреплены анкерной сталеполимерной или рамной крепью с расчетным сопротивлением 40-100 кН на 1 м2 кровли, а в зоне влияния первого очистного забоя в штреках будет дополнительно установлена крепь усиления из 2-3 деревянных или податливых металлических стоек с расчетным сопротивлением до 75-100 кН на 1 м2 кровли. При этом охрана штреков за первым очистным забоем должна производиться жесткими и ограниченно-податливыми охранными конструкциями (угольными целиками, тумбами из железобетонных и деревянно-бетонных блоков, органными рядами из деревянных стоек в сочетании с бутокострами и бутовыми полосами), обеспечивающими податливость не более 15-25% от вынимаемой мощности пласта. Практика применения нормативных расчетных методов в повторно используемых штреках шахт региона показала, что в сравнительно простых горно-геологических условиях (глубина разработки 100-500 м, пласты мощностью 0,6-1,2 м, устойчивая и среднеустойчивая непосредственная и легкообрушающаяся основная кровля) данные методы дают близкие или даже завышенные, по сравнению с фактическими, расчетные значения смещений кровли и сопротивления крепи [3].
Однако в сложных горно-геологических условиях (глубина заложения выработок 600-1100 м, пласты мощностью 1,3-2,0 м, с неустойчивыми, средне - и труднообрушающимися кровлями) фактические смещения кровли в выемочных штреках за первым очистным забоем значительно превышают расчетные значения, несмотря на установку в выработке крепей с необходимым расчетным сопротивлением и охранных конструкций с требуемой плотностью установки. Например, по данным измерений в 46 штреках на 19 шахтах Восточного Донбасса, охраняемых угольными целиками шириной от 5 до 48 м (в среднем 15 м), смещения кровли в зоне их стабилизации за первым очистным забоем в 18 штреках превысили 250 мм. Подавляющее большинство указанных штреков отрабатывает пласты с неустойчивой и труднообрушающейся кровлей на средних и больших глубинах. В штреке №368 на шахте «Гуковская» при суммарном расчетном сопротивлении крепи 164 кПа фактически измеренные смещения кровли составили 940 мм. По данным измерений в 40 штреках, охраняемых тумбами из блоков БДБ, смещения кровли в зоне за первым очистным забоем в 30 выработках составляют более 250 мм. При этом в 17 из этих выработок суммарное расчетное сопротивление крепи достигает 140 кПа и более, а податливость тумб не превышает 15-25% от вынимаемой мощности пласта. Несмотря на это, во многих случаях фактические значения смещений кровли в штреках в 3-6 раз превысили их расчетные значения. Например, при охране штрека № 04 на шахте «Дальняя» тумбами из блоков БДБ и расчетном суммарном сопротивлении анкернорамной крепи в штреке 140 кПа смещения кровли за первым очистным забоем составили 908 мм. В штреке № 0356 шахты «Западная» при использовании тумб из блоков БДБ и расчетном сопротивлении рамной крепи и крепи усиления 238 кПа, фактические смещения пород кровли превысили 1410 мм. Для повышения надежности прогнозируемых величин конвергенции вмещающих пород в выемочных штреках шахт Восточного Донбасса авторами были проведены шахтные исследования влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на проявление горного давления в выработках, примыкающих к лавам, которые охватывали от 20 до 46 измерений по каждому способу охраны штреков. При обработке результатов исследований были получены корреляционные зависимости величины стабилизировавшихся смещений кровли в выемочных штреках за первым очистным забоем ( max U , мм) от основных горно-геологических и горнотехнических факторов для следующих способов охраны:
массив – угольный целик
при среднеобрушающейся кровле
при труднообрушающейся кровле
массив – тумбы из деревянно-бетонных блоков БДБ
при среднеобрушающейся кровле
при труднообрушающейся кровле
массив - железобетонные тумбы
при среднеобрушающейся кровле
при труднообрушающейся кровле
массив – бутокостры
при среднеобрушающейся кровле
при труднообрушающейся кровле
где m - вынимаемая мощность пласта, м;
критерий устойчивости пород, вмещающих угольный пласт;
l - пролет выемочного штрека в проходке, м;
b - ширина угольного целика, бутовой полосы (м) или плотность установки тумб, а также бутокостров на 1 м длины штрека, штук/м;
L - расстояние от лавы, где стабилизируются смещения кровли, м;
q – расчетное сопротивление крепи штрека на 1 м2 кровли, кПа.
Промышленная проверка данных многофакторных корреляционных зависимостей (1–8) показала, что рассчитанные по указанным зависимостям величины смещений кровли выемочных штреков в зоне за первым очистным забоем достаточно надежно соответствовали фактически наблюдаемым. Отклонение фактических смещений от расчетных в сложных горно-геологических условиях составило в среднем 15-20%, что значительно меньше, чем при использовании нормативных методов расчета. При использовании полученных зависимостей возможен расчет необходимого сопротивления крепи в штреках, обеспечивающего предельно допустимые смещения кровли 250-350 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ