Авторы: Канд. техн. наук Н. Н. КасьянН, А. П. Клюев, В. И. Сивохин
СИСТЕМНАЯ УСТАНОВКА АНКЕРНО-РАМНОИ КРЕПИ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ
С переходом горных работ на более глубокие горизонты усиливается проявление горного давления и, как следствие, обостряется проблема обеспечения устойчивости подготовительных выработок. Одним из путей разрешения этой проблемы является применение традиционной рамной крепи в сочетании с анкерной крепью. В последние годы такой способ поддержания подготовительных выработок получил распространение на глубоких горизонтах действующих шахт как у нас в стране, так и за рубежом. Однако далеко не всегда совместное применение двух видов крепи позволяет существенно уменьшить смещения пород кровли и снизить затраты на поддержание выработок. Объясняется это несоответствии рабочих характеристик анкеров геомеханическим параметрам деформирования пород вокруг выработки.
В ДПИ разработана конструкция податливого анкера, обладающего постоянной рабочей характеристикой и широким диапазоном изменения пороговой несущей способности [1]. Промышленные испытания крепления подготовительных выработок комбинированной анкерно-рамной крепью проведены на шахте «Шахтерская-Глубокая» ПО «Шахтерскуголь». В 1-м ярусном восточном конвейерном штреке пласта h8, расположенном на глубине 1050 м, исследовались геомеханические особенности процесса деформирования окружающих выработку пород в зоне влияния очистных работ с точки зрения взаимодействия анкерно-рамной крепи с массивом пород. Штрек пройден буровзрывным способом с двухсторонней подрывкой по пласту мощностью 1,0... 1,1 м, залегающему под углом 14 ... 15°. Непосредственная кровля пласта представлена склонным к обрушению песчаным сланцем мощностью 14 м с пределом прочности на одноосное сжатие 50 МПа. Выше него залегает более прочный песчаник (70 МПа) мощностью 18 м. Почва пласта 9-метровый слой песчаного сланца, среднеустойчивого, пучащего, с пределом прочности на одноосное сжатие 40 МПа. Крепление штрека прочная податливая крепь типа КМП-А5, изготовленная из спецпрофиля СВП-27.
Шаг установки крепи — 0,5 м. Система разработки — столбовая с сохранением откаточного штрека для повторного использования. Штрек охраняется 6-метровой бутовой полосой. На экспериментальном участке арочная крепь была усилена жесткими анкерами. В сводовой части выработки по ее периметру через 1 м устанавливались металлические анкеры. Концы их заделывались на расстоянии 3 м от контура выработки. В почве выработки были установлены полимерные жесткие анкеры, разработанные в ИГД им. А. А. Скочинского. Кроме того, участок был оборудован контурными и глубинными реперными станциями. На границах участка и в средней его части были установлены глубинные замерные станции. Они состояли из двух шпуров длиной 4...6 м с расположенными по всей длине реперами и трех контурных реперов (два в боках выработки и один в почве). Шпуры для глубинных реперов бурились в кровле по нормали к напластованию со стороны целика угля и со стороны будущего выработанного пространства. Контурные станции, состоящие из четырех реперов, уста-навливались с интервалом 2 м по всему экспериментальному участку.
Наблюдения, проводимые регулярно по мере прохода лавы через экспериментальный участок, показали, что жесткие анкеры, установленные в сводовой части выработки, разрушаются не все, а только те, которые установлены со стороны массива угля. Анкеры, установленные в штреке со стороны выработанного пространства, сохраняли работоспособность на протяжении всего срока службы конвейерного штрека. По-иному ведут себя податливые анкеры, установленные вместо жестких в сочетании с арочной крепью. Со стороны массива угля они активно противостоят проявлениям горного давления до полного исчерпания своей податливости, а со стороны выработанного пространства не работают в податливом режиме. Такое поведение анкеров с разными рабочими характеристиками связано с геомеханическими процессами, происходящими в массиве пород вокруг выработки. По периметру выработки, подверженной влиянию очистных работ, существуют зоны с различным характером проявления горного давления.
Процесс деформирования пород вокруг подготовительной выработки начинается с момента ее проведения и может продолжаться длительное время с разной интенсивностью в зависимости от горно-геологических условий, даже если выработка и не испытывает влияния очистных работ. Но с приближением очистного забоя этот процесс интенсифицируется: увеличивается размер зоны разрушенных пород, изменяются коэффициенты расширения слоев, а некоторые слои могут перемещаться без расширения. Со стороны массива угля породы кровли зависают консолью над выработкой на границе с выработанным пространством. Внутри консоли идет процесс расслоения пород и развитие зоны неупругих деформаций. Наблюдения на экспериментальном участке показали, что зона разрушенных пород распространяется на глубину до 2 м. Выше находится зона относительно устойчивых пород, где суммарные смещения пород не превышают 100...200 м. Именно в этой зоне, в относительно устойчивых неразрушенных породах, заделывается конец податливого анкера. Противоположный конец анкера находится на контуре выработки, который смещается более интенсивно, достигая 1000 мм и более.
В результате разности смещений на концах анкера он испытывает воздействие разрывных усилий. При достижении податливым анкером порогового значения несущей способности он начинает работать в податливом режиме. При этом воздействие горного давления уменьшается и анкер с аркой переходят в жесткий режим работы.
Далее, по мере приближения очистного забоя, увеличения нагрузки и дальнейшего расслоения приконтурного слоя пород крепь опять начинает работать в податливом режиме, т. е. все повторяется. Арочная крепь, податливые анкеры и породный массив, скрепляемый ими, работают совместно, с чередованием жесткого и податливого режимов работы. Можно сказать, что система анкерно-рамная крепь — порода работает в режиме взаимовлияющей деформации. Анкеры работают по методу «под-шивки» — разрушенные породы в кровле выработки подвешиваются анкерами к ненарушенным породам за пределами свода обрушения [2]. Так как на больших глубинах интенсивное трещинообразование и расслоение околоконтурных пород происходит уже непосредственно у забоя проводимой выработки, установку податливых анкеров следует производить как можно раньше, непосредственно у забоя проводимой выработки.
Со стороны выработанного пространства, т. е. в зоне, где происходит разрушение пород на глубину, превышающую длину устанавливаемых анкеров, могут эффективно работать жесткие анкеры. Они как бы связывают породы приконтурного слоя в своеобразную пачку или «грузонесущие» блоки и не дают расслаиваться и смещаться породам внутри блока. Блоки, перемещаясь относительно друг друга, заклиниваются между собой и не обрушаются в выработку. Вследствие этого снижается воздействие на крепь выработки вышерасположенных разрушенных пород и улучшается состояние сопряжения лавы со штреком. Жесткие анкеры работают здесь по схеме «сшивки», а система анкерно-рамная крепь — порода — в режиме заданной нагрузки.
Наблюдения, проведенные на экспериментальном участке, характер деформирования пород и режимы работы системы анкерно-рамная крепь — порода позволяют сделать вывод, что по периметру подготовительной выработки, подверженной влиянию очистных работ, существуют секторные зоны эффективного крепления жесткими Аж и податливыми Ав анкерами (рис. 1). Расположение этих зон зависит от горно-геологических и горнотехнических условий, в которых поддерживается конкретная горная выработка.
Для условий пологих пластов, пород не ниже средней крепости и при охране выработок односторонней бутовой полосой экспериментально установлены следующие параметры секторных зон (считая по часовой стрелке от вертикальной оси выработки): для жестких анкеров (Аж) ?1 = 145°, ?3 = 55° + ?; для податливых (Лп) ?2 = 70°, ?4 = 90° - ?, где ? — угол падения пласта.
Снижение величины смещений контура выработки на экспериментальном участке, по сравнению с базовым, подтвердило эффективность использования в паспорте крепления в сочетании с арочной крепью комбинации жестких и податливых анкеров в зависимости от характера смещений пород в пределах зоны неупругих деформаций. Применение комбинированной крепи такого типа в выработках, подверженных влиянию очистных работ, позволит увеличить шаг установки рам арочной крепи, улучшить состояние выработок и снизить затраты на их поддержание.
Как показали наблюдения на участке с комбинированной анкерно-рамной крепью, не все анкеры со стороны массива угля работают в оптимальном режиме (когда рабочая характеристика анкера соответствует геомеханическим параметрам деформирования пород). Замечено, что на некоторых участках выработки податливые анкеры не работают в режиме податливости. В тех местах по длине выработки, где горное давление не достигло порога податливого режима работы анкеров, последние работают в жестком режиме.
На периодический характер проявлений горного давления в подготовительных выработках уже давно обратили внимание исследователи. Установлено, что амплитуда конвергенции пород вдоль штрека, находящегося под влиянием очистных работ, имеет периодический характер и может быть описана уравнением синусоиды. Период и амплитуда смещений изменяются в широких пределах и зависят прежде всего от состава пород, залегающих в кровле выработки, а также некоторых горно-геологических и горнотехнических факторов [3].
На рис. 2 представлен график экспериментальной зависимости смещений кровли в 50 м позади очистного забоя по длине конвейерного ходка 3-й бремсберговой лавы шахты им. Поченкова ПО «Макеев-уголь» [4]. Инструментальными наблюдениями с помощью контурных реперных станций подтвержден ярко выраженный периодический характер проявлений опорного давления. Минимальные значения смещений кровли объясняются статическим горным давлением, все остальные смещения, лежащие выше минимальных, обусловлены действием динамического опорного давления. Динамическая составляющая является следствием периодического зависания и обрушения различных слоев кровли. На основании проведенных исследований сделан вывод, что изменчивость смещений и ее параметры можно прогнозировать [3].
Периодический характер проявлений горного давления позволяет пересмотреть подход к выбору типа крепи для повышения устойчивости подготовительных выработок, подверженных влиянию очистных работ. На тех участках выработки, где податливые анкеры работают в жестком режиме, т. к. горное давление не достигло порога их податливости, отпадает необходимость установки анкеров такого типа. Они вполне могут быть заменены более дешевыми жесткими анкерами.
Установлено, что анкеры жестких конструкций могут эффективно применяться при смещениях кровли до 300 мм [5]. Исходя из этого, на участках подготовительной выработки, где смещения пород кровли по прогнозу не должны превышать это значение, можно устанавливать жесткие анкеры в сочетании с арочной крепью по всему своду выработки, а на участках со смещениями более 300 мм со стороны массива угля должны устанавливаться податливые анкеры.
Границы вышеупомянутых участков эффективного применения жестких и податливых анкеров определяются путем экспериментальных наблюдений. При отходе очистного забоя от разрезной печи устанавливают периодичность проявлений опорного давления и величину смещений пород кровли в конкретной подготовительной выработке. В соответствии с этими наблюдениями делят выработку на участки со смещениями кровли менее или более 300 мм и устанавливают границы участков. С учетом этого критерия по длине выработки (рис. 2) можно выделить участки Аж, где возможно применение жестких анкеров вместо податливых. Не исключена возможность определения вышеуказанных участков по аналогии с выработками, расположенными в сходных условиях, или вероятностно-статистическим методом.
Предлагаемая системная установка комбинированной анкерно-рамной крепи, предусматривающая применение более дешевых жестких анкеров в определенных зонах по периметру и по длине выработки, позволит получить определенную экономию на поддержании подготовительных выработок без снижения их устойчивости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев А. П. Опыт применения комбинированной анкерно-рамной крепи.— Донецк: ЦБНТИ Минуглепрома СССР, 1989.— 4 с.
2. Заславский Ю. 3., Дружко Е. Б. Новые виды крепи горных выработок.—М.: Недра, 1989.—256 с.
3. Черняк И. Л., Бурчаков Ю. И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт.— М.: Недра, 1984.— 304 с.
4. Фомин Ю. В. Обоснование параметров охраны и поддержания подготовительных выработок в зонах опорного давления на глубоких шахтах: Дис. ... канд. техн. наук — М., 1986.— 167 с.
5. Ткачев В. А. Установление рациональных параметров и области применения анкерной крепи в сочетании с рамными крепями в выемочных штреках: Дис. ... канд. техн. наук.— М., 1976.— 155 с.