Институт горного дела и геологии
Специальность: Разработка полезных месторождений
Развитие добычи угля в Донбассе связано, главным образом, с увеличением глубины ведения горных работ. При этом значительно возрастает интенсивность проявлений горного давления, что ухудшает условия работы крепи горных выработок. По данным исследования шахт Донбасса, около 50% капитальных горных выработок имеют деформации крепи, а 20% ежегодно ремонтируются. Работы по ремонту выработок связаны с большими материальными и трудовыми затратами, осложняют работу транспорта и ухудшают вентиляцию.[1]. Перспективным направлением при решении задач, направленных на повышение устойчивости горных выработок, является использование несущей способности породного массива, что достигается упрочнением приконтурного массива пород и созданием системы «крепь-порода» уже в начальный период сооружения выработки. Это может быть осуществлено путем применения временной набрызгбетоннной крепи. Использование набрызгбетонной крепи в качестве временной не только улучшит условия поддержания горных выработок, но и позволит отделить по месту производства работ, процесс возведения постоянной крепи от других операций проходческого цикла. Это создает благоприятные предпосылки для механизации процесса крепления и способствует увеличению темпов сооружения выработок. В странах бывшего СССР имеется ряд положительных примеров применения набрызгбетонной крепи в качестве временной, которые свидетельствует о ее эффективности. Однако этот опыт возник из чисто практических приемов работы, т.е. без специальных исследований и расчетного обоснования, что затрудняет внедрение временной набрызгбетонной крепи в различных горно-геологических и технических условиях.[2]. Поэтому исследования и обоснование параметров временной набрызгбетонной крепи является актуальной задачей.
Установить закономерности взаимодействия набрызгбетонной крепи с горным массивом, позволяющие обосновать параметры временной набрызгбетонной крепи, обеспечивающий повышение устойчивости капитальных горных выработок и снижение затрат на их сооружение и поддержание.[4]. Основная идея работы заключается в использовании несущей способности породного массива для повышения устойчивости капитальных горных выработок путем применения временной набрызгбетонной крепи. Научная новизна работы: - обоснована возможность применения набрызгбетонной крепи в качестве временной в зависимости от горногеологических и горнотехнических условий сооружения выработок для повышения их устойчивости; - установлена зависимость глубины проникновения набрызгбетонна в трещины приконтурного массива пород от ширины их раскрытия и состава набрызгбетонной смеси, позволяющая учесть упрочняющий эффект временной набрызгбетонной крепи при расчете ее параметров; - установлен характер разрушения временной набрызгбетонной крепи при нагружении ее вывалом породы, на основании которого получена зависимость толщины крепи от массы и размеров возможного вывала пород; - получена зависимость срока службы временной набрызгбетонной крепи от горногеологических условий заложения выработки, ее размеров и глубины упрочнения приконтурного массива пород.[5].
защищаемые в работе. Прочностные свойства набрызгбетона в раннем возрасте обеспечивают возможность применения набрызгбетонной крепи в качестве временной. Глубина упрочнения приконтурного массива пород при нанесении набрызгбетона связана параболической зависимостью с шириной раскрытия трещин в породном массиве на контуре выработки. Разрушение временной набрызгбетонной крепи при нагружении ее вывалом породы происходит в виде среза набрызгбетонного покрытия по периметру вывала. Срок службы временной набрызгбетонной крепи определяется временем реализации критических для нее смещений контура выработки, величина которых зависит от ширины выработки. Применение набрызгбетонной крепи в качестве временной позволяет повысить устойчивость капитальных горных выработок за счет упрочнения приконтурного массива пород и использования его несущей способности в начальный период сооружения выработок.[9].
На основании обзора литературы установлено, что основными причинами деформации крепи горных выработок являются: возведение постоянной крепи в зоне интенсивных смещений пород, в том числе использование ее несущих элементов в качестве временной крепи; некачественное ведение проходческих работ; вторичные смещения пород, вызванные нарушением равновесного состояния горного массива; несоответствие параметров или конструкции крепи горногеологических условиям.[6]. Анализ этих причин показал: для улучшения условий поддержания горных выработок необходимо использовать несущую способность породного массива, создавая систему «крепь-порода» сразу после возведения крепи. Это может быть достигнуто применением рациональной временной крепи. Технико-экономическое сравнение конструкций временных крепей позволило установить, что наиболее полно требованию использования несущей способности породного массива отвечает временная набызгбетонная крепь, применение которой не только улучшит условия поддержания горных выработок и снизит затраты на их сооружение, но и повысит темпы проходки. Большой вклад в развитие метода крепления выработок набрызгбетоном был внесен исследованиями советских ученых М. М. Айталиева, С. А. Атманских, Л. Н. Беляева, И. Л. Воллера, В. С. Воронина, Д. М. Голицинского, М. Г. Дюженко, Ж. С. Ержанова, В. Я. Заслова, Э. В. Казакевича, Б. Н. Кузина, Г. И. Кравченко, М. А. Льва, В. М. Мосткова, В. М. Сапунова, П. И. Шилкина и др., а также зарубежными исследователями Р. Линдером, Х. Ляуффером, Л. Рабцевичем, Р. Шталем и др. В результате этих исследований созданы специальные цементы для безопалубочного бетонирования, изучен механизм действия добавок ускорителей схватывания и твердения набрызгбетона, разработаны конструкции крепи из набрызгбетона, определены основные параметры технологии набрызгбетонирования, созданы машины для возведения набрызгбетонной крепи. Вместе с тем, анализ работ в области крепления выработок набрызгбетоном позволяет сделать вывод о том, что вопросы использования набрызгбетонной крепи в качестве временной изучены ещё не достаточно.[9]. В магистерской работе дано новое решение актуальной научной задачи – обоснование параметров временной набрызгбетонной крепи, обеспечивающей повышение устойчивости капитальных горных выработок и снижение затрат на их сооружение и поддержание.
1. Установлено, что основными причинами деформаций крепи капитальных горных выработок являются: возведение постоянной крепи в зоне интенсивных смещений пород, в том числе использование ее несущих элементов в качестве временной крепи; некачественное ведение проходческих работ; деформации, вызванные вторичными смещениями пород; несоответствие параметров или конструкции крепи горно-геологическим условиям. Анализ этих причин показал: для улучшения условий поддержания горных выработок необходимо использовать несущую способность породного массива, создавая систему «крепь-порода» сразу после возведения крепи, что может быть достигнуто применением набрызгбетонной крепи в качестве временной.
2. Определены прочностные свойства набрызгбетона в раннем возрасте, что позволило установить его оптимальный, для временной крепи, состав – Ц:П (цемент-песок) = 1:3 с добавлением в качестве ускорителей схватывания фтористого натрия (4% от массы цемента) или силиката натрия (6% от массы цемента). При этом прочность набрызгбетона на сжатие через 1 час после затворения равна 0,75-0,90 МПа.
3. Установлено, что разрушение временной набрызгбетонной крепи при нагружении ее вывалом породы происходит в виде среза по периметру вывала. Допустимая ширина раскрытия трещин в набрызгбетонном покрытии 2 мм. С учетом этого получена для временной набрызгбетонной крепи зависимость значений критических смещений контура выработки от ее ширины. Для выработок, шириной от 3,0 до 5,5 м, значения этих смещений изменяются в пределах 38-87 мм.
4. При возведении временной набрызгбетонной крепи набрызгбетон проникает в трещины породного массива и упрочняет его. Для учета совместной работы временной набрызгбетонной крепи с упрочненныс слоем пород получена зависимость глубины упрочнения приконтурного массива пород от состава набрызгбетонной смеси и ширины раскрытия трещин на контуре выработки. Максимальная глубина упрочнения достигает 16 см.
5. Определены параметры временной набрызгбетонной крепи – ее толщина и срок службы. Толщину крепи определяли из условия равновесия ее при нагружении вывалом породы и работе на срез. Срок службы (промежуток времени с момента ее возведения до момента возведения постоянной крепи) определен с учетом упрочняющего эффекта набрызгбетона из условия, что он равен времени реализации критических смещений. Областью целесообразного применения временной набрызгбетонной крепи являются капитальные горные выработки, сооружаемые вне зоны непосредственного влияния очистных работ при пологом или наклонном залегании пород в условиях, где рgH/б<=0,5.[10].
Пути улучшения состояния капитальных выработок глубоких шахт Донбасса. – М.: ЦНИЭИуголь, 1978.-37с. (соавторы: Кошелев К. В., Стрельцов Е. В., Куракалов А. Н.).
Исследования временной набрызгбетонной крепи. – В кн.: Строительство предприятий угольной промышленности. М.: ЦНИЭИуголь, 1977, №4, с. 9-10 (соавторы: Кошелев К. В., Антоневич Ю. И., Савон Е. А.).
Совершенствования крепи капитальных горных выработок. – В кн.: Применение новых видов крепей для капитальных горных выработок: Тез. докл. на Всесоюзн. сем. Междуреченск: ЦБНТИ, 1977, с. 14-16 (соавторы Кошелев К. В., Антоневич Ю. И., Савон Е. А.).
Применение набрызгбетона в качестве временной крепи при проведении выработок буровзрывным способом – В кн.: Совершенствование технологии и механизации добычи угля: Тез. докл. Всесоюзн. конф. М.: А. А. Скочинского, 1979, с. 172.
Временная набрызгбетонная крепь. – В кн.: Крепление, поддержание и охрана горных выработок. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1979 с. 14-17 (соавторы Кошелев К. В., Антоневич Ю. И., Александров В. Е., Бурма И. И.).
Временная набрызгбетонная крепь основных выработок, сооружаемых буровзрывным способом. – В кн.: Строительство предприятий угольной промышленности. М.: ЦНИЭИуголь, 1980, №3, с. 10-12 (соавторы: Кошелев К. В., Бурма И. И., Любимов Ю. В.).
Исследование параметров временной набрызгбетонной крепи. – В кн.: Геомеханические проблемы высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности угольных пластов на глубоких горизонтах: Тез. докл. Всесоюзн. конф. Донецк: ДПИ, 1980, с. 29-30.
О применении набрызгбетона в угольной промышленности. – Шахтное строительство, 1980, №6, с. 1-3 (соавторы: Александров В. Е., Черепанов Г. С., Кошелев К. В.).
Применение временной набрызгбетонной крепи для повышения устойчивости капитальных горных выработок. – В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев: Техника, 1980, №57, с. 54-56 (соавторы: Кошелев К. В., Любтмов Ю. В., Антоневич В. Ю.).
Результаты промышленных исследований временной набрызгбетонной крепи. – Уголь Украины, 1981, №3, с. 42 (соавторы: Бурма И. И., Герасимчук Д. А., Кошелев К. В., Любимов Ю. В.).
Устройство для возведения временной набрызгбетонной крепи. – Положительное решение по заявке на изобретение № 2830332/03 от 27.08.80 (соавторы: Кошелев К. В., Касьян Н. Н., Томасов А. Г., Куракалов А. Н.).
Способ возведения набрызгбетонной крепи. – Положительное решение по заявке на изобретение № 2972826/03 от 25.02.81 (соавторы: Кошелев К. В., Зборщик М. П., Морозов А. Ф.).