Об обеспечении устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт

УДК 622.831
Студ. Прокопов С.В., рук. Соловьёв Г.И. (ДонНТУ)

ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ

Анализ результатов работы очистных забоев глубоких шахт показывает, что применяемые в настоящее время способы и средства сохранения устойчивости выемочных выработок на сопряжении их с лавой не могут обеспечить безремонтное поддержание этих выработок.

Это объясняется несоответствием количественных и качественных параметров применяемых технологических решений особенностям проявления горного давления на концевых участках лав [1].

На ряде шахт Донбасса успешно используется комбинированный способ охраны интенсивно деформирующихся выемочных выработок в зоне влияния очистных работ за счет возведения жестких околоштрековых полос из цементно-минеральных смесей в сочетании с химическим анкерованием пород непосредственной кровли [2-4].

Опыт отработки угольных пластов средней мощности (1,8-2,2 м) на шахтах им. А.Ф.Засядько, «Красноармейская-Западная №1» показал, что для своевременного воспроизводства фронта очистных работ для лав, работающих в режиме суточной добычи 3000-4000 т/сут необходимо обеспечить повторное использование конвейерных штреков в качестве вентиляционных при отработке ниже или рядом расположенных лав. Для этого конвейерные штреки охранялись за счет возведения жесткой литой полосы шириной 1,4 м из цементного раствора типа «Текленд» с минеральными добавками. который подавался растворонасосом в пластиковые оболочки из химического волокна, усиливаемые по бокам металлической сетчатой затяжкой. Для обеспечения устойчивости пород кровли устанавливалась система радиально расположенных по периметру выработки сталеполимерных анкеров длиной 2,9 м, которые наклонялись навстречу лаве на 10-15° от вертикали. Установка анкеров производилась в 2 этапа: вначале, в проходческом забое устанавливались 5 симметрично расположенных анкеров, а затем, на расстоянии 100-120 м перед очистным забоем, устанавливались дополнительные 6 анкеров между ранее установленными. Причем, боковые анкеры по концам верхняка устанавливались спарено и соединялись между собой криволинейными планками-подхватами для обеспечения возможности снятия ножек арочной крепи на сопряжении лавы при передвижке привода скребкового конвейера.

Для оценки эффективности работы литой полосы и уточнения параметров ее возведения на шахте «Красноармейская-Западная №1» во 2-м южном конвейерном штреке (поперечное сечение - 15,5 м², крепь - арочная податливая КМП-АЗ) пласта d₄ блока №5 была проведена опытно-промышленная проверка и сравнительная оценка 4-х способов охраны [4]. В первом способе литая полоса возводилась шириной 1,0 м на удалении 1,0 м от бровки выработки, во втором - шириной 1,0 м и располагалась по бровке штрека, в третьем - ширина составляла 1,0 м, а расстояние до бровки - 0,5 м и в четвертом возводились 2 литые полосы шириной по 0,6-0,8 м на расстоянии 0,6 м друг от друга и первая полоса устанавливалась непосредственно по бровке штрека.

Анализ результатов эксперимента показал, что при первом варианте под действием повышенных нагрузок из-за образования трех линий разлома непосредственной крови происходит деформация элементов литой полосы. Опускание кровли составляет 80-100 мм, пучение в средней части выработки достигает 200 мм. Прогибы кровли со стороны лавы приводили к разрывам забойных замков арочной крепи с образованием «зевов» при отрыве средней части профиля. Удаление литой полосы от штрека усложняло технологию ее возведения.

При варианте 2 наблюдалась интенсификация пучения почвы до 350-400 мм со стороны литой полосы. Смещения кровли достигали 50-70 мм.

Для варианта 3 характерным явилось площадное развитие пучения по штреку, которое достигало 100-150 мм.

При 4-м варианте происходило равномерное пучение почвы до 150-200 мм. Нагрузка кровли на литые полосы происходила равномерно. Однако вариант отличается сложностью в организации технология работ и значительным расходом цементно-минеральной смеси.

Таким образом, из 4-х рассмотренных вариантом наиболее рациональным является третий вариант возведения литой полосы, при котором удаление ее от бровки штрека увязывается с величиной прогнозируемой и фактической подрывки пород почвы.

Применение литой полосы обеспечивает уменьшение зон разрушения пород кровли, повышает приконтурную, межслоевую и глубинную устойчивость кровли. Все это позволяет сохранить сечение конвейерного штрека для повторного использования, которое после прохода первой лавы составляет 60-80% от проектного.

Качественный контакт литой полосы с непосредственной кровлей обеспечивает ей возможность, как несущей опоре, выполнения роли «режущей крепи», инициирующей обрушение непосредственной кровли по линии «литая полоса-лава» с формированием защитного перекрытия над штреком, что особенно важно при повторном использовании бывшего конвейерного штрека как вентиляционного впереди движущегося очистного забоя при поддержании его вдоль выработанного пространства верхней лавы. Опыт применения литой полосы показывает, что стоимость ее возведения составляет 120-200 грн/м.

Применение химического анкерования пород непосредственной кровли является достаточно эффективным способом обеспечения устойчивости пород кровли выемочных выработок. Однако стоимость возведения сталеполимерных конструкции достаточно высока. Так например, для условий шахты «Красноармейская-Зпадная №1» при стоимости одного анкера 16-18 грн/шт и стоимости его установки - 65-70 грн/шт, затраты на установку системы сталеполимерных анкеров в количестве 11 штук при шаге крепи 0,8 м составят (17+68)×1,25×11 = 1168 грн/м. Таким образом затраты на химическое анкерование в 8-10 раз превышают стоимость возведения литой полосы.

По нашему мнению, для обеспечения устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт в зоне влияния очистных работ необходимо для конкретных условий применения использовать рационалыную комбинацию новых или существующих способов охраны и средств поддержания выработок. Например, исследования сотрудников Донецкого национального технического университета по оптимизации возведения систем анкерной крепи в подготовительных выработках позволили за счет нового подхода к геометрии расположения анкеров и особенностей механизма их взаимодействия с боковыми породами создать в кровле выработки несущую породно-анкерную конструкцию [5-7].

Сотрудниками ДонНТУ также теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность обеспечения устойчивого состояния выемочных выработок глубоких шахт в зоне интенсивного влияния очистных работ за счет перераспределение повышенной нагрузки между перегруженными и недогруженными комплектами крепи по длине выработки продольно-жесткой крепью усиления (рис. 1) как при установке, так и без применения анкерной усиливающей крепи [8-9].

На шахтах производственного объединения «Донецкуголь» («Южнодонбасская №3», им. Е.Т.Абакумова, им. М.И.Калинина и им. А.А.Скочинского) была проведена опытно-промьшленная проверка эффективности нового способа продольно-жесткого усиления арочной крепи выемочных выработок в зоне влияния очистных работ, которая подтвердила достаточно высокую его эффективность.

Рис. 1. Конструкция двойной продольно-балочной усиливающей крепи: 1 - ножка крепи, 2 - верхняк; 3 - продольная балка из СВП-27; 4 - элементы крепления балки к верхняку крепи.

Как уже ранее отмечалось [8], наиболее эффективным вариантом продольно-балочного усиления является использование 2-х продольных балок с 2-мя рядами химических анкеров по длине выработки, которые позволили снизить вертикальные смещения в 2,2-2,6 раза, что при качественном возведении жесткой опорной конструкции вдоль подготовительной выработки вслед за лавой обеспечивает возможность ее повторного использования для отработки следующей лавы.

Опыт применения продольно-балочной крепи усиления, в качестве которой применялся специальный взаимозаменяемый профиль СВП-27, на шахтах им. Е.Т.Абакумова, им. М.И.Калинина и им. А.А.Скочинского подтвердил эффективность использования данной крепи усиления в подготовительных выработках глубоких шахт.

С геомеханической точки зрения подобный эффект можно объяснить изменением механизма взаимодействия породных отдельностей приконтурной части непосредственной кровли с основной крепью выработки при наличии жестко-каркасной связи ее комплектов.

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.

В отличие от обычной продольно-жесткая усиливающая крепь не допускает значительных смещений отдельных элементов, поддерживая просевшие арки за счет жесткого продольного стержня. Поэтому при достижении критических нагрузок в этих элементах происходят лишь минимальные смещения, равные изгибным деформациям продольного стержня.

В работе [8] отмечено, что соединение автономных комплектов крепи балкой с различной жесткостью уменьшает деформацию и скорость деформации кровли выработки. При увеличении жесткости балки (IE) значения смещений и скорости смещений кровли уменьшаются, причем максимального эффекта уменьшение скорости смещений достигается на важном технологически участке - на сопряжении с лавой, (т.е. там, где обычно скорость смещений максимальна). За лавой скорость смещений смещается вперед по ходу лавы в сторону «недогруженных» комплектов крепи, тогда как на контрольном участке аналогичные комплекты крепи в силу их обособленной работы еще не вступили в работу. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая крепь усиления обладает достаточными силовыми характеристиками для перераспределения нагрузок между соседними комплектами крепи и влияния на деформационные процессы, происходящие вокруг выемочной выработки.

Таким образом, в результате анализа эффективности различных способов обеспечения устойчивости выемочных выработок глубоких шахт в зоне влияния очистных работ, следует признать рациональным использование для этой цели комбинированного способа охраны выработки жесткой литой полосой из цементно-минерального раствора в сочетании с 5-ю сталеполимерными анкерами, установленными в проходческом забое в сочетании с двумя продольными балками из СВП-27. Это обеспечит снижение затрат на установку системы химических анкеров и обеспечит консолидацию комплектов арочной крепи по длине выемочного поля при поддержании выработки на различных участках влияния очистных работ.

Библиографический список

1. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Кулдыркаев М.И. Стальные рамные крепи горных выработок. - К.: Техника, 1999. - 216с.

2. Байсаров Л.В., Демченко А.И., Ильяшов М.А. Охрана штреков литыми полосами при разработке пологих пластов средней мощности // Уголь Украины-2001. -№9.-C.3-6.

3. Байсаров Л.В. Ресурсосберегающая технология крепления и производства работ по возведению литых полос при поддержании конвейерных штреков// Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. -2003.-№47.-С.46-52.

4. Ильяшов М.А., Байсаров Л.В. Новые технологические решения в охране концевых участков высоконагруженных лав // Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАНУ. - Днепропетровск. - 2006. - №61. - С.79-92.

5. Петренко Ю.А., Касьян Н.Н.. Новиков А.О., Сахно И.Г. Новый подход к расчету параметров анкерной крепи // Физико-технические проблемы горного производства. -2004. - №7. - С.162-172.

6. Касьян Н.Н., Петренко Ю.А.. Новиков А.О., Гладкий С.Ю., Сахно И.Г. Исследование влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок // XII Международный симпозиум «Геотехника-2006», Гливице-Устронь, 2006. -С.455-467.

7. Сахно И.Г. Геомеханическое обоснование параметров анкерных систем для обеспечения устойчивости горных выработок // Автореферат диссерт. к.т.н. Донецк.-2007.-20 с.

8. Бондаренко Ю.В., Соловьёв Г.И., Захаров B.C. Изменения деформаций контура кровли выемочной выработки при использовании каркасной крепи усиления //Известия Донецкого горного института. 1999. №1. С.66-70.

9. Соловьёв Г.И., Гребенкин С.С, Панфилов Ю.Н.. Ковшевный А.П., Толкачев А.Ф., Малышева Н.Н.. Нефедов В.Е., Рубель Д.А., Леонов С.Г. Особенности перераспределения повышенной нагрузки между комплектами крепи выемочной выработки// XII Международный симпозиум «Геотехника-2006», Гливице-Устронь, 2006. - С.505-515.

Назад в библиотеку

ВВЕРХ