Аннотация

Предложена новая концепция обеспечения устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт

1 ВВЕДЕНИЕ

Подготовительные выработки глубоких шахт интенсивно деформируются в зоне влияния очистных работ. Применяемые способы охраны и средства крепления не обеспечивают их устойчивость в зоне интенсивного влияния очистных работ. Об этом свидетельствует опыт работы очистных забоев при выемке угольных пластов на больших глубинах. Значительные объемы средств и материальных ресурсов расходуются на ремонт и перекрепление горных выработок из-за больших смещений их породного контура. Применяемые в настоящее время способы охраны и средства крепления не соответствуют особенностям проявления горного давления на концевых участках лав и это является основной причиной неудовлетворительного состояния выработок [1].

2 АНАЛИЗ КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ

На ряде шахт Донбасса успешно используется комбинированный способ поддержания подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ при применении анкерно-арочной крепи в сочетании с жесткими литыми полосами из цементно-минеральных смесей [2-5]. Опыт отработки угольных пластов средней мощности (1,8 - 2,2 м) на шахтах «Красноармейская-Западная №1» и им. А.Ф.Засядько при суточной добыче угля из лавы 3000-4000 т/сут. показал, что для своевременной подготовки новых очистных забоев необходимо обеспечить повторное использование бывших конвейерных выработок в качестве вентиляционных. Для этого конвейерные штреки охранялись литыми полосами шириной 1,4 м из цементного раствора типа «Текленд» с минеральными добавками [3-5]. Раствор подавался насосом в пластиковые оболочки из химического волокна, которые по бокам усиливались металлической сетчатой затяжкой и деревянной органной крепью.

Для обеспечения устойчивости пород кровли устанавливалась система из 13 химических анкеров длиной по 2,9 м, которые радиально располагались по периметру выработки и наклонялись навстречу лаве на 10-150 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 8 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 и фиксации ее верхняка на сопряжении лавы при передвижке привода 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-А3) блока №5 пласта d₄ была проведена опытно-промышленная проверка и сравнительная оценка 4-х способов охраны [4]. В первом, втором и третьем способах литая полоса возводилась шириной 1,0 м на удалении соответственно 1,0 м, 0 м и 0,5 м от бровки выработки. В четвертом способе 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 [4], что минимальные смещения пород кровли (до 50 мм) и почвы (до 100-150 мм) наблюдались при 4-м варианте. Нагрузка кровли на литые полосы происходила равномерно. Однако этот вариант отличался технологической сложностью выполнения и значительным расходом цементно-минеральной смеси.Таким образом, из 4-х рассмотренных вариантов наиболее рациональным был третий вариант возведения литой полосы (смещения кровли – 50-70 мм и почвы - 150-200 мм).

Применение литой полосы уменьшает размеры зоны разрушения пород кровли, повышает приконтурную, межслоевую и глубинную устойчивость кровли. Все это позволяет сохранить сечение конвейерного штрека для повторного использования в качестве вентиляционной выработки. Поперечное сечение выработки после прохода первой лавы составляет 60-80% от проектного. Опыт применения литой полосы показал, что стоимость ее возведения составила 150 - 200 грн/м.

Применение химического анкерования пород непосредственной кровли является достаточно эффективным способом обеспечения устойчивости пород кровли выемочных выработок. Однако стоимость этого способа достаточно высока. На шахте «Красноармейская-Зпадная №1» при стоимости одного анкера 16-18 грн/шт. и стоимости его установки – 65 – 70 грн/шт. общие затраты на установку системы из 13 химических анкеров при шаге крепи 0,8 м составили (17 + 68)·1,25·13 = 1380 грн/м. Таким образом затраты по этому способу в 7-11 раз превысили стоимость возведения литой полосы.

По нашему мнению, в зоне влияния очистных работ обеспечение устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт возможно при использовании рациональной комбинации новых и существующих эффективных способов охраны и средств поддержания выработок. Например, исследования особенностей механизма взаимодействия анкеров с боковыми породами и геометрии их расположения позволили создать в кровле выработки несущую породно-анкерную конструкцию, в которой металлические стержни химических анкеров выполняют роль армирующих элементов [5-7].

На шахтах г. Донецка («Южнодонбасская №3», им. К.Т.Абакумова, им. М.И.Калинина и им. А.А.Скочинского) была проведена опытно-промышленная проверка эффективности нового способа продольно-жесткого усиления арочной крепи подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ, которая подтвердила достаточно высокую его эффективность [8-11].

3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДОЛЬНО-БАЛОЧНОЙ КРЕПИ УСИЛЕНИЯ НА ШАХТЕ «ЮЖНОДОНБАССКАЯ №3»

На шахте «Южнодонбасская №3» в вентиляционном ходке 4-й восточной лавы пласта с₁₁ (Рис. 1) использовалась усиливающая крепь из двух продольных балок длиной по 4,5 м из двутавра №14 (рис. 2) и с сегментом жесткости, расположенным между балкой и верхняком.

Рис.1 Схема горных выработок пласта с₁₁ шахты «Южнодонбасская №3»

Балки подвешивались к верхняку с нахлестом 0,5 м на 2-х специальных крючьях с планками и гайками. Для повышения эффективности продольно-балочного усиления дополнительно устанавливались два химических анкера длиной 2,5 м, которые соединялись с верхняком и балкой отрезком конвейерной цепи (рис. 2).

Рис. 2 Конструкция продольной балочно-анкерной усиливающей крепи: 1 – ножка крепи, 2 – верхняк; 3 – криволинейный сегмент из отрезка верхняка (СВП-27) 4 – продольная балка из двутавра №14; 5 – элементы крепления балки к верхняку крепи; 6 – сталеполимерные анкеры

Вентиляционный ходок, проведенный комбайном рядом с выработанным пространством с оставлением угольного целика шириной 4 м, охранялся 2-мя рядами деревянных клетей шириной 1.5х1,5 м, заполненными породой.

Рис. 3. Общее состояние арочной крепи без ее усиления и при установке продольно-балочной усиливающей крепи

Всего было опробовано три варианта усиливающей крепи: одинарная двутавровая балка с дополнительным сегментом жесткости; одинарная двутавровая балка с сегментом жесткости и усилением каждого комплекта арочной крепи вертикальным центрально расположенным химическим анкером длиной 2,5 и две параллельные двутавровые балки с сегментом жесткости и установкой на каждой раме крепи двух химических анкеров длиной по 2,5 м с наклоном их донной части на 30° в обе стороны от вертикали (рис. 2).

На рис. 4 представлены результаты инструментальных наблюдений за смещениями и скоростями смещений контура кровли выработки на контрольном и 3-х экспериментальных участках при применении 3-х вариантов усиливающей крепи.

Рис. 4 Графики зависимости смещений (а) и скоростей смещений (б) боковых пород на контуре вентиляционного ходка на контрольном (1) и экспериментальных участках (2-4)

Как видно из представленных графиков, продольно-жесткое усиление позволяет в 2,2–2,5 раза уменьшить смещения и скорость смещений кровли выработки на наиболее ответственном технологическом участке – сопряжении лавы с конвейерной выработкой.

4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДОЛЬНО-БАЛОЧНОЙ КРЕПИ УСИЛЕНИЯ НА ШАХТЕ КАЛИНИНА

Для определения рациональных параметров поддержания выемочных выработок глубоких шахт в зоне влияния очистных работ при сплошной системе разработки на шахте им. М.И.Калинина в конвейерном штреке 2-й западной лавы пласта h₁₀ проводилась опытно-промышленная проверка продольно-жесткой крепи усиления (рис. 5). Пласт h₁₀ «Ливенский» мощностью 1,14–1,3 м и углом падения 20-23° отрабатывался на глубине 1180 м.

Рис. 5 Схема горных выработок 2-й западной лавы пласта h10 «Ливенский» шахты им М.И.Калинина

Конвейерный штрек был закреплен пятизвенной арочной податливой крепью (АП-5/13,8) из спецпрофиля СВП-27 с шагом установки рам крепи 0,5 м (рис. 6, 7).

На первом этапе опытно-промышленной проверки применялась однобалочная крепь продольно-жесткого усиления на участке штрека длиной 80 м.

Крепь усиления представляла собой длинную балку из отрезков прямолинейного спецпрофиля СВП-27 длиной по 4м, которые соединялись внахлест на 0,5 м двумя хомутами. Балка подвешивалась на 2-х специальных крючьях с планками и гайками по центру каждого верхняка крепи. На втором этапе для предотвращения интенсивных боковых смещений контура выработки со стороны напластования пород в штреке была установлена двухбалочная усиливающая крепь с симметричным расположением балок по верхняку на расстоянии 1,8 м друг от друга.

Применение двухбалочной усиливающей крепи (рис. 6) позволило более эффективно использовать периметр арочной крепи за счет пространственной консолидации комплектов крепи и создания жесткой каркасной конструкции.

Рис. 6 Состояние крепи конвейерного штрека без крепи усиления на расстоянии 120 (а) и 230 м (б) от лавы

В результате анализа визуальных и инструментальных наблюдений было установлено, что максимальные проявления горного давления наблюдаются по напластованию пород кровли (рис. 6, а). При этом в процессе деформирования породного контура происходило образование локальных зон повышенного давления, в которых фокусировались повышенные нагрузки на отдельные элементы крепи и формировались породные складки (рис. 6, б). Разуплотнение породных отдельностей происходило за счет расслаивания и растрескивания слоев кровли и боков на контуре выработки.

Поэтому на третьем этапе исследований, для повышения качества работы жестко-продольной крепи усиления, расположение балок по профилю верхняка было изменено таким образом, что одна балка была размещена по центру верхняка, а вторая – на 0,2 м выше замка арочной крепи - по линии действия максимальной нагрузки со стороны напластования пород кровли (рис. 7).

Рис. 7 Состояние крепи конвейерного штрека при 2-х симметричных (а) и асимметричных (б) продольных балках соответственно на расстоянии 120 и 230 м от лавы

Применение жестко-продольной усиливающей крепи позволило консолидировать условия работы разрозненных рам основной крепи за счет перераспределения повышенной и неравномерной нагрузки между перегруженными и недогруженными комплектами арочной крепи.

При этом наличие жестко-продольной усиливающей связи создало предпосылки для образования в кровле пласта и в боку выработки локальных грузонесущих зон, препятствующих развитию процесса складкообразования (рис. 7, б)

На рис. 8 представлены результаты инструментальных наблюдений за смещениями боковых пород без применения и при наличии крепи усиления.

Рис. 8 График зависимости вертикальных (а) и горизонтальных (б) смещений и соответственно (в) и (г) скоростей смещений породного контура конвейерного штрека 2-й западной лавы пласта h₁₀: 1 – на контрольном участке без продольно-балочной крепи усиления; 2 – на первом экспериментальном участке при использовании одной центральной балки из СВП-27; 3 и 4 – на втором и третьем экспериментальных участках соответственно при двух симметричных и двух асимметричных балках и опережении лавы забоем конвейерного штрека на 45 м

Из приведенных графиков видно, что применение одинарной продольно-жесткой усиливающей крепи позволяет снизить в 1,7-1,8 раза смещения пород кровли и в 1,3 – 1,4 раза уменьшает смещения боков выработки.

Кроме того, при опережении лавы транспортным штреком на 45-50 м в подготовительной выработке перед очистным забоем формируется зона опорного давления, наличие которой приводит к интенсивным смещениям породного контура.

Вертикальные смещения без крепи усиления в створе с лавой составляют 3,0 м, а горизонтальные – 1,5 м, а на расстоянии 100 м за лавой – соответственно 5,75 и 3,2 м. При одной продольной балке вертикальные и горизонтальные смещения в створе с лавой были снижены соответственно на 0,8 и 0,4 м по сравнению с контрольным участком, а при 2-х балках - на 1,6 и 0,75 м. На расстоянии 100 м за лавой, аналогичные разности этих смещений при одной и двух балках составили соответственно 1,5/0,65 м и 2,75/0,98м.

Эффективность применения жесткой связи комплектов арочной крепи можно объяснить изменением механизма взаимодействия основной крепи выработки с породными отдельностями приконтурной части непосредственной кровли, 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 над балками вдоль выработки образуются грузонесущие своды из породных отдельностей непосредственной кровли.

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

5 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОДОЛЬНО-БАЛОЧНОЙ КРЕПИ УСИЛЕНИЯ

Аналитические исследования с применением метода сил строительной механики [8] позволили установить рациональную длину усиливающего сегмента жесткости по величине его центрального угла (рис. 9).

Рис. 9 Расчетная схема нахружения арочной крепи: 1 - верхняк крепи, 2 - стойки (ножки) крепи, 3 - усиливающий сегмент жесткости

Уравнения метола сил для условий предсталеных на рис. 9 и рис. 10 можно записать в виде:

где δ_ik - перемещения балки от воздействия силы Х_k = 1 по направлению действия силы Х_i = 1;

y_ii - “i” перемещения в верхнем сечении 1-й арки от единичной силы Х_i = 1;

y_iq - “i” перемещения в верхнем сегменте 1-й арки от нагрузки q_i по направлению действия силы X_i = 1.

Перемещения балки δ_ik найдем с помощью метола начальных параметров.

Рассмотрим первое единичное сечение :

Для первого единичного состояния можно записать уравнение метода сил в виде:

Отсюда находим начальные параметры:

Рис. 10 Схема силового взаимодействия комплектов арочной крепи и балки для первого единичного состояния

При х = l, х = 2l, х = 3l находим перемещения в точках 2, 3 и 4 от действия силы Х₁ = 1, т.е.

Суммарные изгибающие моменты и продольные силы от нагрузки с величиной q_m = β q, (β> <1), p_m = k q_m , (m - номер арки) и сил взаимодействия между крепью и продольной жесткой балкой Х_m на участке арочной крепи определяется из следующих зависимостей:

График зависимости изгибающих моментов от величины центрального угла сегмента жесткости в 4-х разиозагружениых соседних комплектах арочной крепи представлены на рис. 11.

Рис. 11 Графики зависимостей изгибающих моментов (а) и продольных сил (б) от величины центрального угла сегмента жесткости, возникающих в комплектах арочной крепи при их неравномерном нагружении по длине выработки

Определим значения изгибающих моментов и продольных сил на границе сегмента жесткости первой арки (m = 1) при одном профиле СВП №22, φ = 35°, W_max = 81,33 см³,W_min = 74,8 см³, F = 27,91 см².

М = 0,06049·153,6 = 9,292 кНм, N = - 0,81026·76,8 = - 62,23 кН.

В наружных волокнах напряжения составят:

Во внутренних волокнах напряжения составят:

Таким образом и сжимающие и растягивающие напряжения в сегменте жесткости меньше допустимых для Ст. 5 ([σ] = ± 240 MПa).

Таким образом, возникающие в арочной крепи из СВП №22 напряжения меньше допустимых.

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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. Для этого вслед за лавой вдоль выработки возводится жесткая литая полоса из цементно-минерального раствора, а в проходческом забое в кровле пласта радиально устанавливаются 3 сталеполимерных анкера в сочетании с двумя продольными балками из СВП-27 (рис. 12).

Успешный опыт использования комбинированных способов охраны и средств поддержания интенсивно деформирующихся подготовительных выработок на шахтах «Южнодонбасская №3» и «Красноармейская-Западная №1» позволяет сделать вывод о возможности их применения в глубоких шахтах Донбасса.

Рис. 12 Комбинированный способ обеспечения устойчивости подготовительной выработки: 1 арочная крепь; 2 – продольная балка из СВП-27; 3 – сталеполимерный анкер; 4 – элементы крепления балки к верхняку крепи; 5 – литая полоса из цементно-полимерной смеси в пластиковой оболочке

Сочетание продольно-балочной крепи усиления с литой полосой и анкерованием кровли пласта обеспечит снижение затрат на установку системы химических анкеров и позволит консолидировать комплекты арочной крепи по длине выемочного поля при поддержании подготовительной выработки на различных участках влияния очистных работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Якоби, О. 1987. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. 566 с. Москва: Недра.
2. Литвтнский, Г.Г. & Гайко, Г.И. & Кулдыркаев, М.И. 1999. Стальные рамные крепи горных выработок. 216 с. Киев: Техніка.
3. Байсаров, Л.В. & Демченко, А.И. & Ильяшов, М.А. 2001. Охрана штреков литыми полосами при разработке пологих пластов средней мощности. Киев: Уголь Украины. #9. C.3-6.
4. Байсаров, Л.В. 2003. Ресурсосберегающая технология крепления и производства работ по возведению литых полос при поддержании конвейерных штреков. Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАНУ. №47. Днепропетровск: С.46-52.
5. Ильяшов, М.А. & Байсаров, Л.В. 2006. Новые технологические решения в охране концевых участ-ков высоконагруженных лав. Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАНУ. Днепро-петровск: #61. С.79-92.
6. Петренко, Ю.А. & Касьян, Н.Н. & Новиков, А.О. & Сахно, И.Г. 2004. Новый подход к расчету параметров анкерной крепи. Физико-технические проблемы горного производства. #7. Донецк: С.162-172.
7. Касьян, Н.Н. & Петренко, Ю.А. & Новиков, А.О. & Гладкий, С.Ю. & Сахно, И.Г. , 2006. Исследование влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок. ХII Международный симпозиум «Геотехника-2006». Гливице-Устронь: С.455-467.
8. Бондаренко, Ю.В. & Соловьев, Г.И. & Захаров, В.С. 1999. Изменения деформаций контура кровли выемочной выработки при использовании каркасной крепи усиления. Известия Донецкого горного института. #1. Донецк: С.66-70.
9. Соловьев, Г.И. & Панфилов, Ю.Н. 2005a. О продольно-жестком усилении основной крепи подгото-вительных выработок глубоких шахт. Известия Тульского государственного университета. Тула: С.177-185.
10. Соловьев, Г.И. 2005b. Определение параметров продольно-жесткой усиливающей крепи для вые-мочных выработок глубоких шахт. Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ. Москва: #9,. С. 230-233.
11. Соловьев, Г.И. 2006. Особенности физической модели самоорганизации боковых пород на контуре выемочной выработки при продольно-жестком усилении арочной крепи. Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: #1. С.11-18.