Выполнен анализ условий эксплуатации подготовительных выработок и характера работы крепи в различных горно–геологических условиях. Приведены результаты моделирования подготовительных выработок, закрепленных рамно–анкерной крепью, с использованием метода конечных элементов. Определены рациональные параметры рамно-анкерной крепи выработок, как вне зоны, так и в зоне влияния лавы для поддержания их в устойчивом состоянии. Рекомендован паспорт крепления подготовительных выработок для горно–геологических условий шахты Комсомолец Донбасса.

Проектирование горных выработок, состоящее в установлении формы поперечного сечения, размеров, выборе крепи соответствующей несущей способности и оснастки, основывается на данных геологических изысканий, объем которых, как правило, всегда ограничен. Несовершенство расчетных методов и недостаток исходных данных компенсируется введением в расчеты различного рода поправочных коэффициентов. Считается, что проектируемая таким образом выработка обеспечит безремонтное ее поддержание. Однако, породная среда, даже состоящая из одной литологической разности, существенно неоднородна в пространстве, неравномерно обводнена, содержит системы трещин, слабые контакты и прочие ослабляющие дефекты. С ростом глубины разработок все отчетливее проявляется тенденция горных пород к неравномерному выдавливанию со стороны почвы выработок. Мероприятия, направленные на предотвращение этого процесса, начинают выполняться, как правило, еще на стадии строительства горных предприятий. Таким образом, влияние случайных факторов приводит к тому, что в процессе эксплуатации (а нередко и в период строительства) выработку для обеспечения ее устойчивости приходится ремонтировать, что существенно увеличивает ее стоимость. Устойчивость горных выработок в условиях большого числа взаимовлияющих случайных факторов на стадии проектирования может быть обеспечена двумя путями:

1. установкой в выработке крепи с такой высокой несущей способностью, в конструкции которой учтены самые неблагоприятные условия ее нагружения горным давлением, с одновременным выполнением мероприятий, направленных на упрочнение или разгрузку приконтурного породного массива;
2. установкой менее дорогой крепи с более низкой несущей способностью с тем, чтобы, впоследствии, отдельные участки выработки, потерявшие устойчивость, подвергались ремонту и усилению. Оптимальным образом будет спроектирована та выработка, затраты на сооружение и поддержание которой будут минимальны. Этого можно достичь двумя путями: снижением капитальных затрат, снижением эксплуатационных затрат.

Первая позиция может быть снижена за счет снижения ресурсоемкости основной крепи, однако, при недостаточном обосновании такое решение может привести к значительному росту второй составляющей эксплуатационных затрат. Снижение же второй позиции возможно в случае, если эффективность мероприятий по обеспечению устойчивости выработки обеспечивается на высоком уровне. Это возможно как за счет применения наиболее эффективных в данных условиях видов крепи, так и за счет применения дополнительных мероприятий по охране выработки, что, в свою очередь, приводит к увеличению капитальных затрат. Одним из путей решения этих задач является селективный подход к креплению выработки, основанный на следующем факте, вытекающем из производственного опыта применения крепи в сложных условиях на многих шахтах – зачастую в одной и той же выработке крепь, эффективная на одном ее участке, оказывается совершенно неэффективной на другом. Подход заключается в прогнозировании состояния породного массива с выработкой вдоль ее трассы и креплении ее такими видами крепи, которые являются наиболее подходящими для данного конкретного участка выработки.

В качестве объектов исследований были выбраны выработки по пласту l4, поскольку этот пласт является основным продуктивным пластом, разрабатываемым шахтой „Комсомолец Донбасса“ – по сведениям геологической службы шахты доля пласта в общей добыче составляет 55,2 %. Пласт l4 – преимущественно простого строения, мощностью 0,95…1,10 м, среднесернистый, угол падения 3…8°, гипсометрия волнистая. Преобладает мелко пликативная и тектоническая нарушенность пласта с m = 0,1…0,5 м, дизъюнктивного характера с элементами залегания смесителей. Контакты угля с кровлей и почвой волнистые, извилистые, четкие. Непосредственная кровля – глинистый сланец, структура тонкозернистая, текстура полосатая, слоистая, крепость f = 4, мощность слоя 9,5…13,4 м, трещиноватость 5…10 тр.п.м. Кливаж имеет азимут падения 50…58°. Основная кровля пласта песчано-глинистый сланец с крепостью f = 3…6, неустойчивый, мощностью 9…17 м, местами происходит обрушение пород. Почва пласта представлена глинистым и песчано- глинистым сланцем крепостью f = 4…6, мощностью до 7 м, ниже расположен песчаник f = 8, мощностью до 10 м. Из более, чем 20 км протяженных вскрывающих и подготавливающих выработок, поддерживаемых на шахте Комсомолец Донбасса, большая часть выработок относится к подготовительным, обеспечивающим фронт очистных работ, поэтому в качестве типичного объекта принят конвейерный штрек 5-ой восточной лавы блока 2, длиной 1840 м. Данный штрек также интересен тем, что в качестве крепи здесь на разных участках применена рамная и рамно–анкерная крепь. Удобным является также и тот факт, что исходными данными для анализа состояния выработки и пород вдоль ее трассы являлись как достоверные сведения о геологии пород, собранные геологической службой шахты в период проведения выработки, так и данные наблюдений за состоянием крепи и выработки в целом после ввода ее в эксплуатацию. Это дало возможность связать горно-геологические условия на разных участках выработки с состоянием крепи. Таким образом, выполненный анализ условий эксплуатации выработки и характера работы крепи на различных ее участках показал, что каждый из выделенных участков выработки характерен специфическими условиями работы крепи и поддержания выработки. Причем, установленная крепь не всегда является наилучшей для того участка, на котором она установлена. То есть, выполнив прогноз устойчивости выработки, можно более обоснованно подходить к выбору крепи и осуществлять указанное выше селективное крепление. Для создания эффективных способов поддержания и охраны подготовительных выработок должны быть установлены закономерности геомеханических процессов, протекающих в окрестности рассматриваемых выработок. Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии (НДС) породного массива в окрестности подготовительной выработки может быть получено путем применения методов механики сплошной среды, механики дискретной среды, на основе экспериментально-аналитических методов, использующих закономерности, полученные экспериментальным путем в сочетании с аналитическими решениями. Выбор расчетного метода определяется принятой гипотезой горного давления и соответствующей моделью среды.

Математическая модель деформирования породной среды в окрестности местных нарушений сплошности, в том числе в окрестности выработки, должна отображать основные явления, возникающие вследствие концентрации напряжений и возможного сопутствующего изменения физико-механических свойств окружающего материала. Получение замкнутых математических решений для такого сложного объекта, каким является подготовительная выработка, находящаяся в породном массиве с неоднородной структурой, невозможно в принципе. Единственный путь, ведущий к эффективному решению поставленной задачи, заключается в разработке и исследовании компьютерных моделей на основе какого–либо хорошо разработанного численного метода. Анализ применяемых методов исследования НДС горного массива позволяет сделать вывод о целесо- образности применения для расчета напряженно–деформированного состояния массива в окрестности подготовительной выработки, сопряженной с лавой, метода конечных элементов [1,2]. Для горно-геологических условий пласта l4 шахты „Комсомолец Донбасса“ методом конечных элементов моделировалась подготовительная выработка площадью сечения 13,8 м2 в свету с линейными размерами: ширина – 5 м, высота – 3,5 м, расположенная на глубине 600 м, что соответствует горному давлению 17,9 МПа. Размеры выработки соответствуют типичным штрекам, которые эксплуатируются в условиях шахты „Комсомолец Донбасса“. Математическая модель взаимодействия рамно-анкерной крепи с приконтурным массивом горных пород была реализована путем решения упругопластической задачи в плоско деформированной постановке. Для исследований были рассмотрены 8 характерных ситуаций размещения выработки вне зоны влияния лавы и 9 основных ситуаций размещения выработки в зоне влияния лавы: 1. Подготовительная выработка в массиве, закрепленная арочной податливой крепью. 2-8. Подготовительная выработка в массиве, закрепленная арочной податливой крепью + (1…7 анкеров), установленной в кровле (рис. 1). 9. Подготовительная выработка, закрепленная арочной податливой крепью, при проходе лавы. 10–16. Подготовительная выработка, закрепленная арочной податливой крепью + (1…7 анкеров), установленной в кровле, при проходе лавы (рис. 2). 17. Подготовительная выработка, закрепленная арочной податливой крепью + шесть анкеров, установленные в кровле, и один анкер со стороны очистной выработки, при проходе лавы.

При моделировании выше описанных ситуаций, варьировались длина анкеров от 2,5 м до 3,5 м, места установки и углы наклона анкеров.

Рис. 1. Расчетная схема рамно-арочной выработки

Расчетная схема при решении задачи для выработки, закрепленной рамно-анкерной крепью (7 анкеров). Получены картины полных перемещений вокруг подготовительных выработок, расположенных как в зоне, так и вне зоны влияния очистных работ, на основе которых выполнялась оценка эффективности применения предложенных в работе мероприятий по поддержанию выработок.

Рис. 2. Расчетная схема рамно-анкерной выработки

Расчетная схема при решении задачи для выработки, закрепленной рамно-анкерной крепью (7 анкеров), условные обозначения см. рис. 1, k – коэффициент пригрузки, учитывающий влияние очистных работ.

Анализ результатов моделирования подготовительной выработки вне зоны влияния лавы позволяет сделать вывод о том, что рациональные параметры рамно-анкерной крепи в данных условиях: арочная крепь с шагом установки 1,2 м + анкерная крепь, установленная между рамами, плотность – 0,7…1,0 анк./м2 и длиной 2,5…3 м. Анализ результатов моделирования подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ позволяет сделать вывод о том, что рациональные параметры рамно анкерной крепи для поддержания подготовительной выработки для повторного ее использования: арочная крепь с шагом установки 1 м + анкерная крепь, установленная между рамами, плотностью – 0,9…1,1 анк./м2 и длиной 2,5…3 м + 1 анкер длиной 2,5…3 м со стороны лавы на высоте 2 м под углом 250. Поскольку идет речь о подготовительных выработках, в последствии испытывающих интенсивное влияние очистных работ, в качестве рационального способа крепления выработок может быть рекомендован способ совместной установки анкерных систем с параметрами, указанными выше, и штатной рамной крепи. Параметры установки арочной крепи должны выбираться в зависимости от местной горно-геологической ситуации.

На участках с благоприятной ситуацией (незначительная нарушенность, отсутствие геологических особенностей строения углепородной толщи) рациональным является установка рам арочной крепи с шагом, предусмотренным штатными типовыми паспортами крепления выработок данного назначения по данному пласту. При этом параметры установки анкеров соответствуют рекомендуемым – плотность 0,8 анк./м2 и длина 2,5 м. На участках с неблагоприятной ситуацией, к которым относятся участки с повышенной трещиноватостью массива, участки мелкоамплитудных геологических нарушений, снижающие устойчивость массива, и иные участки трассы выработки, на которых наблюдается по факту или ожидается в соответствии с геологическим прогнозом снижение устойчивости пород, плотность установки анкеров может быть повышена до 1,1 анк./м2, длина – до 3,0 м. При этом шаг установки рам арочной крепи либо остается прежним (при сравнительно небольшом снижении устойчивости массива), либо также уменьшается на величину, предусмотренную типовыми паспортами крепления, используемыми в настоящее время на шахте. Локальные участки выработки, на которых ожидается либо наблюдается значительное снижение устойчивости породного массива (до уровня III и IV категории устойчивости по СНиП II–94–80 Подземные горные выработки), в особенности на участках с вертикально или почти вертикально ориентированными трещинами, допустимо и необходимо крепить только рамной крепью без применения систем анкерного крепления, малоэффективных в таких условиях. Параметры установки рам при этом должны соответствовать рекомендациям соответствующих нормативных документов по проектированию крепи в сложных условиях и типовым паспортам по установке арочной металлической крепи в сложных условиях из числа тех, что уже применялись на данном пласте на шахте Комсомолец Донбасса.

Таким образом, предложен рекомендованный паспорт крепления рамно-анкерной крепью подготовительной выработки для конкретных горно-геологических условий на основе результатов натурных наблюдений и математического моделирования с параметрами: арочная крепь с шагом установки 1 м + анкерная крепь, установленная между рамами, плотностью – 0,9…1,1 анк./м2 и длиной 2,5…3 м + 1 анкер длиной 2,5…3 м со стороны лавы на высоте 2 м под углом 250. При этом следует иметь в виду, что все паспорта на крепление, как с применением анкерных систем, так и без них, должны разрабатываться, согласовываться и утверждаться в установленном порядке.

Список источников

1. Амусин Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. – М.: Недра, 1975. – 144 с. Amusin B.Z. Finite elements method in solution of problems of mining geomechanics / B.Z. Amusin, A.B. Fadeyev. – M.: Nedra, 1975. – 144 p.
2. Ержанов Ж.С. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород / Ж.С. Ержанов, Т.Д. Каримбаев. – Алма–Ата.: Наука, 1975. – 238 с. Yerzhanov Zh.S. Finite elements method in problems of rock mechanics / Zh.S. Yerzhanov, T.D. Karimbayev – Alma-Ata: Nauka, 1975. – 238 p.