УДК 622.831
О ПЕРСПЕКТИВЕ СОХРАНЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ
КАРКАСНОЙ УСИЛИВАЮЩЕЙ КРЕПЬЮ
Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Кублицкий Е.В. (ДонНТУ),
Демин И.К. (ГХК “Донуголь”)
В роботі приведені результати експериментальної перевірки нового кріплення підсилення на шахті “Південнодонбаська №3”
Сотрудниками факультета геотехнологий и управления производством Донецкого национального технического университета была разработана новая конструкция усиливающей крепи для сохранения устойчивости выемочных выработок в зоне влияния очистных работ глубоких шахт.
В 1998-2000 г.г. в условиях шахты “Южнодонбасская №3” в выемочной выработке пласта с
11 на глубине более 600 м впервые была проведена опытно-промышленная проверка каркасной усиливающей крепи с высокой частотой расположения наблюдательных станций – через 0,8 м по длине выработки. Основной целью натурного эксперимента было выявление влияния соединения автономных комплектов крепи жесткой балкой на опускание кровли выработки.
Крепь усиления представляла собой одну или две длинные жесткие балки из двутавров, которые подвешивались к верхнякам арочной крепи до входа соответствующего участка выемочной выработки в зону влияния опорного давления лавы. Для предотвращения искривления профиля верхняков между ними и балкой (балками) располагались криволинейные сегменты из спецпрофиля, соединяемый с верхняком по своим концам металлическими хомутами .
Наблюдения проводились на контрольном и 3-х опытных участках вентиляционного ходка 4-й восточной лавы пласта с
11, на каждом из которых применялись 3 разных варианта усиливающей крепи .На контрольном участке комплекты крепи работали автономно.
На первом экспериментальном участке длиной 40 м комплекты жестко связывались одной двутавровой балкой (спецпрофиль № 14), которая подвешивалась к верхнякам крепи металлическими крюками диаметром 0,035 м с установкой под верхняки сегментов из спецпрофиля большего, чем в крепи выработки типоразмера. По длине выработки балки длиной 3 м соединялись между собой внахлестку при помощи болтовых соединений.
Второй экспериментальный участок длиной 40 м располагался на расстоянии 40 м от первого. В дополнение к конструкции крепи усиления первого варианта каждый комплект крепи усиливался одним химическим анкером длиной 2,5 м, который располагался вертикально по центру выработки у верхняка каждой крепи и соединялся с ним отрезками металлической конвейерной цепи
.Третий экспериментальный участок длиной 40 м и был удален от второго на 40 м. Каркасная крепь усиления этого участка представляла собой две двутавровые балки из спецпрофиля № 14, сегменты из спецпрофиля, два химических анкера (на каждом комплекте основной крепи), соединительные узлы.
На контрольном и трех экспериментальных участках контурные замерные станции состояли из 4-х реперов (кровельного, почвенного и 2 боковых), представляющих собой отрезки металлических стержней длиной 0,8 м и диаметром 30 мм, которые устанавливались на цементном растворе в короткие шпуры. На каждом участке станции располагались через 0,8 м в средней части участка длиной 20 м и через 1,6 м на остальной его части.
Замеры смещений на первом участке начались при подходе лавы к первому участку на 180 м и фиксировались через 24-48 часов. Наблюдения были прекращены, когда лава прошла расстояние в 120м от последней замерной станции третьего экспериментального участка.
Вентиляционный ходок 4-й восточной лавы пласта с
11, в котором испытывалась новая крепь усиления, был проведен вприсечку к транспортному ходку 3-й восточной лавы с оставлением ленточного угольного целика шириной 3,0-4,0 м . Боковые породы были представлена песчано-глинистыми сланцами мощностью от 1,6-2,0 до 4,5-13,7 м и прочностью 30-40 до 20-40 МПа.Пласт с
11, имеющий в пределах выемочного поля слабоволнистую гипсометрию с относительно выдержанным углом падения 7-9 0 и мощностью 1,55-1,7 м, вынимался 4-восточной лавой по восстанию по комбинированной системе разработки. Общая длина выемочного поля составляла 1300 м. Средняя скорость подвигания лавы составляла 55-60 м в месяц.Вентиляционный ходок сечением 11,2м
2 и крепился трехзвенной арочной крепью, комплекты которой устанавливались через 0,8 м, и охранялся двумя рядами бутокостров размером 1,6х1,6 м, выкладываемых всплошную и заполняемых породой от подрывки почвы выработки в створе с лавой.До применения каркасной крепи в выемочной выработке в зоне влияния лавы наблюдалось интенсивное опускание кровли.
Анализ результатов инструментальных наблюдений, проведенных на 4-х участках выемочной выработки, дал убедительные свидетельства положительного влияния консолидации автономных комплектов крепи. Соединение верхняков одной балкой (жесткостью
IE=7,5.106 Н.м2) уменьшило опускание кровли выработки в период прохождения по ней зоны опорного давления на 19%. При использовании двух балок (общая жесткость конструкции - IE= 15.106 Н.м2) отмечено еще большее уменьшение опусканий кровли – до 58%. . Положительный эффект особенно существенно проявился в зоне влияния опорного давления очистного забоя.Представляет научный и практический интерес объяснение физического механизма этого впервые выявленного положительного эффекта, достигаемого без увеличения несущей способности крепи и без применения дополнительных распорных элементов, а только за счет соединения верхняков крепи жесткими в вертикальной плоскости металлическими балками.
Высокая плотность наблюдений позволила выявить ранее никем не отмечаемую интенсивную неравномерность опускания кровли выработки на расстоянии 0,8 – 1,2 м по длине выработки. Впервые установлено, что опускание кровли выемочной выработки имеет резко выраженный неравномерный по ее длине характер и эта неравномерность отчетливо увеличивается в зоне опорного давления от движущегося очистного забоя. В качестве меры для измерения неравномерности опусканий соседних точек кровли принято среднее квадратичное отклонение скорости смещения кровли.
В результате натурного эксперимента было установлено, что при автономной работе комплектов крепи в выемочной выработке на расстоянии 50-100 м перед движущимся очистным забоем, среднее квадратичное отклонение скорости смещений изменяется от 31 до 11 мм/сут и по мере приближения лавы оно увеличивается до 69 м/сут. На расстоянии 40...50 м позади очистного забоя интенсивность рассогласования уменьшается до 26-36 мм/сут, а на расстоянии 120 м за лавой оно снижается до 3 мм/сут.
Применение жесткой каркасной крепи усиления существенно снижает неравномерность опускания кровли. При жесткости балки 7,5
.106 Н.м2 среднее квадратичное отклонение скорости смещений контура кровли снизилось от 35 до 23 мм/сут (т.е. на 34%), а при жесткости 15.106 Н.м2 неравномерность скорости смещений уменьшилась до 15 м/сут - на 35% .Применение жесткой связи комплектов крепи изменяет характер ее взаимодействия с породами зоны неупругих деформаций вокруг выработки, которая идентифицируется как дискретная распорная среда. Физическая модель этого взаимодействия заключается в перераспределении поддерживающего ресурса недогруженных комплектов крепи за счет съема жесткой балкой повышенных нагрузок с перегруженных комплектов и равномерной передачи их на недогруженные комплекты крепи. При этом не реализованная потенциальная энергия несостоявшихся или компенсированных жесткой балкой смещений перегруженных комплектов крепи расходуется на горизонтальные смещения в кровле выработки и частично передается в виде дополнительной нагрузки на бока и почву выработки. Это свидетельствует о положительном эффекте придания крепи каркасности и объясняется подавлением неравномерности опускания кровли на ее соседних участках.
Таким образом, успешная опытно-промышленная проверка новой крепи усиления позволяет рекомендовать ее для сохранения устойчивости выемочных выработок в зоне влияния очистных работ глубоких шахт для обеспечения эффективной и безопасной работы современных механизированных комплексов.