Перспективы развития и эфективность новых способов сохранения выемочных выработок глубоких шахт

Авторы: Захаров В.С. (шахта “Южнодонбасская”№3), Мартыненко В.Ф. (шахта им. Е.Т. Абакумова), Каплюхин А.А. (ДонГТУ)
Описание: Опыт ведения горных работ в условиях глубоких шахт Донбасса показывает, что проблема поддержания выемочных выработок в зоне влияния очистных забоев является одной из основных задач совершенствования технологии добычи угля.
Источник:http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2002/fgtu/malysheva/diss/diss.htm

1. Актуальность темы. Анализ современных представлений о механизме деформирования массива горных пород в окрестности выемочных выработок, и в частности, на сопряжении их с очистными забоями позволяет сделать вывод о том, что горной наукой созданы достаточно надежные теоретические основы для разработки эффективных способов охраны и поддержания выемочных выработок практически в любых условиях. Детально изучены особенности проявления опорного давления лавы, следствием которых являются повышенные деформации контура примыкающих к ней выработок. Глубоко исследован вопрос характера деформирования пород, формы и количественных параметров зоны неупругих деформаций вокруг выработок. Однако разнообразие горно-геологических условий и их существенная изменчивость в пределах выемочных полей действующих очистных забоев создает значительные трудности при прогнозировании возможных проявлений горного давления в выемочных выработках. Существующие методики определения параметров проявлений горного давления, основной из которых является отраслевая методика ВНИМИ, не в полной мере позволяют учесть совместное влияние жесткостно-силовых параметров опорных конструкций и различных технологических решений по усилению основной крепи выработки при прогнозе ожидаемых в выработке смещений, что весьма важно не только на этапе выбора рациональной крепи и способа охраны, но и при выполнении проектных работ по оценке целесообразности проектирования новых шахт, горизонтов выемочных полей. Таким образом, выбранная тема является весьма актуальной для шахт осуществляющих угледобычу в сложных условиях больших глубин разработки.

2. Цель работы заключается в выборе рационального способа охраны интенсивно деформирующейся выемочной выработки в зоне влияния очистных работ при учете совместного влияния жесткостно-силовых параметров опорных конструкций, возводимых по бровке лавы и параметров технологических решений по усилению основной крепи выработки.

3. Научная новизна. В работе предлагается новая концепция методики выбора рационального способа поддержания и охраны выемочной выработки в зоне воздействия очистных работ на основании учета совместного влияния жесткостно-силовых характеристик проектируемых технологических решений для конкретных условий применения.

4. Практическая ценность. Выход угольной промышленности из сложившейся в силу целого ряда обстоятельств кризисной ситуации невозможен без существенных инвестиций в отрасль на реконструкцию действующих и строительство новых производственных мощностей, что сопряжено с необходимостью выполнения предпроектной проработки возможных вариантов бизнес-планов на базе учета основных затратных механизмов, одним из которых и является крепление, охрана и ремонт подготовительных выработок. Как показывает опыт применения отраслевой методики расчета параметров проявлений горного давления в выемочных выработках глубоких шахт, результаты расчета могут быть использованы лишь для сравнительной или относительной оценки. Абсолютные величины расчетных характеристик отличаются от фактических от 30 до 70 и более %. Разработка методических положений, которые позволят уточнить отраслевую инструкцию в плане учета особенностей механизма взаимодействия опорных конструкций, возводимых по бровке лавы, и параметров технологических решений по усилению основной крепи подготовительной выработки создаст предпосылки для повышения эффективности ведения подземной угледобычи.

5. Результаты реализации работы. Результатом реализации работы является подача заявки на изобретение, а также научный доклад, подготовленный по результатам ранее проведенных исследований, на международную научно-техническую конференцию 2002 года в г. Днепропетровске на тему “О смещениях породного контура выемочной выработки при жестко-каркасном усилении ее крепи” (авторы д.т.н. Бондаренко Ю.В., к.т.н. Соловьев Г.И., к.т.н. Мороз О.К., аспиранты Кублицкий Е.А. и Петренко А.В., студентка Малышева Н.Н.).

6. Методы исследований. В настоящей работе применяются следующие методы исследований: обзор литературных источников и патентный поиск по данной теме; инженерный анализ эффективности применения существующих способов и средств крепления и охраны подготовительных выработок глубоких шахт; инструментальные и визуальные наблюдения за проявлениями горного давления в различных зонах поддержания подготовительных выработок при использовании шахтных способов крепления и охраны выработок и предлагаемой новой крепи усиления; лабораторные исследования на структурных моделях и на моделях из эквивалентных материалов; аналитические исследования с использование методов сил, конечных разностей и конечных элементов. В работе для оценки адекватности отдельных элементов методики оценки эффективности разрабатываемых технологических решений широко используются результаты натурных и лабораторных исследований за проявлениями горного давления в выемочных выработках глубоких шахт, полученные преподавателями и научными сотрудниками горного института ДонНТУ .

7. Апробация работы. Основные положения разрабатываемой методики будут апробированы при выполнении НИР, которая выполняется сотрудниками кафедры “Разработка месторождений полезных ископаемых” ДонНТУ на шахтах им. Е.Т Абакумова и им. М.И. Калинина ГХК “Донуголь” с целью опытно-промышленной проверки новых способов сохранения устойчивости выемочных выработок в зоне влияния очистных работ.

Содержание работы. Основной особенностью эксплуатации подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ является, значительные смещения пород на контуре выработки, что приводит к предельным деформациям и разрушению крепи. Устойчивость выработок характеризуется в первую очередь сохранностью её проектного сечения и целостностью крепи за весь срок её службы. В связи с этим способы повышения устойчивости подготовительных выработок направлены на улучшение режима работы крепи и условий их поддержания. С увеличением глубины разработки происходит качественное изменение механизма деформирования боковых пород, как на контуре, так и в окрестности очистных и подготовительных выработок. Это происходит из-за образования вокруг горной выработки зоны неупругих деформаций вследствие развития на её контуре деформационных процессов как результата реализации потенциальной энергии подработанного и надработанного массива пород. Исследования Ю.З. Заславского , Т. Глушко, И.Л.Черняка, К.В. Кошелева показали, что размеры этой зоны для подготовительных выработок достигают трех- четырех диаметров, где под диаметром подразумевается наибольший линейный размер поперечного сечения выработки. Наблюдениями установлено, что сформировавшаяся до влияния очистных работ зона неупругих деформаций в среднем превышает радиус выработки в 2-3 раза, а под влиянием опорного давления лавы увеличивает свои размеры в 1,3-2 раза. При этом в зоне опорного давления наблюдается существенный рост трещиноватости массива внутри области неупругих деформаций, а величина и скорость смещений пород на контуре выработок и в глубине массива увеличивается в 1,8-2,5 раза. На основании обобщения многочисленных шахтных наблюдений и лабораторных исследований механизма деформирования боковых пород на контуре и в окрестности подготовительных выработок в различных зонах их поддержания и при различных способах охраны и крепления И.Л. Черняк отмечает, что в зависимости от соотношений предела прочности боковых пород и напряжений в массиве могут иметь место три типа деформаций .

При первом типе деформаций пород, характеризующийся образованием вокруг выработки зоны упруго-вязких деформаций, процесс деформирования протекает без нарушения сплошности пород и имеет затухающий характер во времени и пространстве. Когда напряжения на контуре выработки, превышающих предел длительной прочности, но меньших мгновенной прочности породы, имеет место второй тип деформаций боковых пород. Снижение прочности пород является следствием образования микротрещин на контуре выработки, способствующих дальнейшему росту неупругих деформаций. В результате чего локальные разрушения объединяются в более крупные с интенсификацией процессов деформирования и смещения пород в выработку. Но, обладая еще значительной остаточной прочностью, породы по мере удаления вглубь массива оказывают существенное сопротивление разрушению с одновременным уменьшением тангенциальных напряжений. По достижение некоторого расстояния от контура выработки, разрушение пород не происходит и в этой части массива образуется зона упруго-вязких деформаций. Со временем часть этой зоны разрушается и переходит в зону длительного разрушения пород. Наиболее неблагоприятный с точки зрения поддержания выработки третий тип деформаций имеет место, когда напряжения на контуре выработки превышают мгновенную прочность породы. При этом деформирование пород происходит вслед за проведением выработки и зона, где породы разрушаются сразу при достижении максимума интенсивности напряжений, является зоной условно-мгновенного разрушения пород. За ней следует зона упруго-вязких деформаций, в пределах которой во времени образуется участки длительного разрушения пород. Такой процесс деформирования боковых пород проявляется на глубинах 600-1000м при породах с пределом прочности на одноосное сжатие 30-100МПа. При анализе способов проведения, крепления, поддержания и охраны выемочных выработок в зоне влияния очистных работ выделим следующие способы повышения устойчивости выработки: изменение размеров и формы поперечного сечения выработки, типа и параметров крепи; расположение выработки в зоне пониженного горного давления, а также снижение напряжений в приконтурном массиве; применение различных способов и конструкций охраны впереди и позади очистного забоя; упрочнение приконтурного массива пород. Проведение выработок завышенным сечением на величину прогнозных смещений пород и применение крепи с повышенной конструктивной податливостью часто оказывается неэффективным из-за превышения ожидаемых смещений и величины податливости крепи.

Повышение несущей способности крепи достигается увеличением номера применяемого спецпрофиля, плотности установки рам крепи по длине выработки, применением временных усиливающих крепей, повышением трения в замках податливости. Первые два способа не обладают существенной эффективностью и сопровождаются увеличением металлоёмкости и стоимости крепи 1м выработки. В качестве временных усиливающих крепей используются деревянные и гидравлические стойки, металлические стойки трения, которые устанавливаются в выработке впереди лавы вне зоны опорного давления. Крепи усиления оказались достаточно эффективной мерой по снижению опускания и расслоения пород кровли, а также уменьшению величины пучения почвы, что доказывают наблюдения на шахте им. А.Г. Стаханова, где установка гидравлических стоек типа ГСК позволила уменьшить смещения кровли выработки в 100м за лавой в 2.1 раза, а почвы – в 1.2 раза. Применение двустоечной крепи КУ с сегментным соединительным верхняком позволило при рабочем сопротивлении усиления в 500кН и податливости 700мм повысить сопротивление металлической арочной крепи в 3-4 раза за счёт активного противодействия опусканию блоков пород кровли. Недостатком усиливающих крепей является то, что они загромождают сечение выработки в средней её части, требуют дополнительных зазоров с применяемым транспортом, увеличивают металлоемкость 1м выработки, а, следовательно, и её стоимость. Весьма перспективной является новая податливая четырехзвенная крепь АПК направленной податливости и повышенной несущей способности конструкции С.М. Липковича и С.В. Краснова (ДонГТУ). Крепь прошла успешную опытно-промышленную апробацию на ряде глубоких шахт пологого и крутого падения производственных объединений “Макеевуголь” и “Артёмуголь” и подтвердила свои высокие технологические характеристики, обусловленные принципиально новой конструктивной схемой. За счёт расположения одного из замков податливости в верхняке по направлению максимальных нагрузок около 50% всех смещений крепи реализуется в этом замке, что исключает разрыв замков и выдавливание верхняка в полость выработки. Эффективная работа крепи подготовительной выработки, наряду с её высокой несущей способностью и конструктивной податливостью, во многом предопределяется равномерностью нагружения крепи по периметру. В противном случае из-за несоответствия форм крепи и обнажения пород крепь реализует 20-80% своей несущей способности. Забутовка закрепного пространства породой или его тампонаж песчано-цементными растворами позволяет более чем в 6 раз снизить скорость смещений боковых пород и предотвратить искривление верхняка крепи за счёт исключения локальных точечных нагрузок. Однако этот способ не нашёл широкого применения на шахтах Украины из-за высокой трудоёмкости возведения и переноски опалубки для выполнения.

К способам, улучшающим режим работы крепи, следует отнести способ предотвращения развития зоны неупругих деформаций на контуре подготовительной выработки, разработанный М.П. Зборщиком и А.Ф. Морозовым . Сущность способа заключается в предварительном распоре верхняка относительно почвы и ножек крепи с помощью гидростоек на участке, предшествующем зоне опорного давления. Что перераспределяет и выравнивает нагрузки со стороны пород по периметру крепи. Эффективность способа подтверждена опытно-промышленной проверкой на шахтах производственного объединения “Макеевуголь”. Среди способов повышения устойчивости второго направления следует выделить группу способов активной разгрузки приконтурного массива пород: проведение выработок широким ходом, гидравлическое воздействие на пласт и боковые породы, охрана выработки разгруженными ленточными целиками, выбуривание угля в скважинах, обрезное торпедирование зависающих вдоль выработки прочных пород, взрывощелевая разгрузка, взрывание камуфлетных зарядов. Способ разгрузки массива бурением по пласту разгрузочных скважин диаметром 150-250мм осуществляется за счёт создания эффекта раздавливания краевой части пласта, пик опорного давления смещается вглубь массива на длину скважины. Исследованиями установлено , что длина скважин 10м является оптимальной. Способ наиболее эффективен при проведении выработки вслед за лавой. В ходе исследований сотрудники кафедры РПМ ДонГТУ установили, что при проведении выработки вслед за лавой и охране её двусторонней бутовой полосой наблюдается плавный характер нагружения крепи выработки с незначительной скоростью прироста смещений боковых пород по мере подвигания лавы, за счёт отсутствия резких градиентов смещений пород в боках выработки. Смещения кровли составили в среднем 500-600мм, пучение почвы – 250-300мм.

Прочные породы основной кровли пласта после обрушения непосредственной кровли прогибаются без обрушения в сторону выработанного пространства в виде консоли. Часть веса этих пород передаётся как дополнительная пригрузка на крепь подготовительной выработки и на породы почвы пласта, способствуя деформациям крепи и пучению слабых пород почвы. На устранение этого явления направлен способ обрезного торпедирования основной кровли, разработанный сотрудниками ДонУГИ и МГИ. Одним из эффективных способов предотвращения пучения слабых пород почвы является создание в почве пласта разгрузочных щелей с различными параметрами (длиной, шириной и углом наклона). Наибольшее распространение получила взрывощелевая разгрузка, эффективность которой подтвердил опыт применения на шахтах Донбасса и других регионов. Исследования, проведенные К.В. Кошелевым, показали, что применение взрывощелевой разгрузки позволило уменьшить величину пучения почвы в 2-2.5 раза, но одновременно отмечено увеличение смещений кровли выработки в 1.5 раза Предотвращение пучения почвы образованием наклонных камуфлетных полостей в почве выработки по обе её стороны на глубину 1-2м позволяет снизить величину пучения почвы в 2-3 раза. Способ был предложен и испытан И.Л. Черняком и С.Д. Сониным на шахтах Подмосковного бассейна. Сущность способа заключается в нарушении сплошности пород почвы и её контакта с породами зоны опорного давления, удалённой вглубь массива. В конце 70-х – начале 80-х годов Н.И. Десятерик и В.Е. Кордаков предложили способ охраны транспортных штреков разгруженными от повышенного горного давления ленточными целиками угля. После проведения передового просека оставленный целик угля, ширина которого была уменьшена с 12-15м до 3.5-5м, подрезался у почвы плоским баром врубовой машины “Урал –33”. Так как в образованной щели оставалось до 50% угольной мелочи целик имел податливость, был разгруженным от опорного давления, раздавливался и не передавал повышенных напряжений в почву и на боковые элементы крепи штрека. Способ не нашёл широкого применения из-за увеличившегося объёма подготовительных работ и увеличения потерь угля.

При отработке пластов длинными очистными забоями (лавами) в почве и кровле над зоной полных сдвижений образуются области пониженного горного давления. Напряжения пород на контуре выработки, проведенной в одной из этих зон, оказываются ниже геостатических и не вызывают повышенных нагрузок на крепь. Способ не нашёл широкого применение на многих шахтах, т.к. не всегда план развития горных работ позволяет осуществить под - или надработку выработки. Способ проведения выработки по обрушенным и уплотнённым породам весьма эффективен при соблюдении двух условий: 1) к моменту проведения влияние очистных работ должно быть минимальным, т.е. сдвижение пород кровли должно завершиться; 2) обрушенные породы должны достаточно уплотниться, что определит устойчивость их обнажений при проведении и эксплуатации выработки.

Выработки, пройденные вприсечку к выработанному пространству, находятся в зоне пониженного горного давления, которая формируется при разрушении краевой части угольного пласта у границ очистных работ. С увеличением глубины эффективность способа возрастает. Однако суммарная величина смещений в присечных выработках сравнительно велика: 75% всех смещений наблюдается в зоне влияния лавы. Способ нашёл широкое распространение на шахтах Донбасса и других бассейнов СНГ. К третьему направлению способов по сохранению устойчивости следует отнести бесцеликовые способы охраны выработок позади очистных забоев: бутовые полосы, костры и бутокостры, органные ряды, стенки из железобетонных блоков, литые полосы из быстротвердеющих материалов, пневмобаллоны, а также различные сочетания способов. Основное назначение околоштрековых охранных сооружений – создание отпора давлению приконтурного массива пород кровли, который при выемке пласта ложится на крепь выработки, и предотвращение их обрушения. Кроме функций грузонесущей конструкции некоторые охранные сооружения играют роль обрезной крепи, тем самым, снижая величину веса зависающих породных консолей в выработанном пространстве. Широкое распространение в Донбассе для охраны подготовительных выработок получили породные бутовые полосы, основным достоинством которых является возможность оставления породы в шахте. Однако высокая трудоёмкость возведения полос вручную, значительный расход крепёжного леса при возведении широких полос, а также большая их податливость (до 50%) снижают эффективность их применения. По данным исследований ДонУГИ более 20% протяженности выработок, охраняемых породными полосами, находятся в неудовлетворительном состоянии. Хорошие результаты в плане поддержания даёт применение закладочного комплекса “Титан-1”, повышающего плотность породной полосы и обеспечивающего снижение её усадки. У

величение объёма применения комбинированных систем разработки с поддержанием штреков за лавой обусловило выполнение значительного числа работ, направленных на создание искусственных опорных околоштрековых конструкций. Наименее трудоёмкими являются способы охраны деревянными кострами и чураковыми стенками, но их малое сопротивление и большая податливость приводят к значительным смещениям пород кровли, и ограничивает эффективность и объем их применение на больших глубинах. Более высокой несущей способностью обладают накатные костры, бутокостры, кустокостры, многорядная органная крепь, а также костры из шпального бруса, заполненные породой, но податливость этих сооружений также высока (до 30%). Кроме того, их малая эффективность обусловлена отсутствием начального распора, а также повышенным расходом материалов, большей трудоёмкостью возведения. В последние годы для охраны выемочных выработок получили распространение опоры высокой прочности и ограниченной податливости – тумбы из железобетонных блоков БЖБТ, способные воспринимать усилия до 100кН на 1 метр выработки. По данным ДонУГИ 18.8% охраняемых БЖБТ выработок находятся в неудовлетворительном состоянии. Эффективность их применения снижается при наличии в кровле мощных труднообрушающихся пород. Недостатками этого способа являются неравномерность нагружения тумб вследствие неровностей поверхности кровли, их низкая устойчивость при мощности пласта более 1.5 м, неравномерная податливость, обусловленная не всегда высоким качеством работ по их сооружению.

С середины 60-х годов в Германии и Великобритании, а спустя 10-15 лет и в нашей стране опробован и применяется способ охраны подготовительных выработок литыми околоштрековыми полосами из твердеющих материалов. В качестве твердеющего материала используется строительный бетон или быстротвердеющий фосфогипс, природный или искусственный ангидрит, доломитная пыль. Этот способ охраны устранил ряд вышеуказанных недостатков. Обладая высокой прочностью и заполняя все неровности кровли и почвы, материал создаёт равномерно нагружаемую опорную конструкцию с высокой несущей способностью, обеспечивая благоприятный режим её работы и работы крепи выработки. Однако применение литых полос при слабых породах почвы приводит к интенсификации их пучения. Промышленное внедрение этого способа охраны на шахтах Донбасса показало его достаточно высокую эффективность. К четвёртому направлению повышения устойчивости следует отнести тампонаж трещиноватых пород скрепляющими веществами, применение анкерных крепей. В качестве скрепляющих веществ используются карбомидные, полиэфирные смолы и водоцементные растворы, которые через пробуренные по периметру выработки шпуры нагнетаются в трещиноватую зону боковых пород и образуют по контуру грузонесущую оболочку. Эта оболочка аналогична бетонной крепи капитальных выработок, но роль наполнителя в ней играют блоки растресканной породы. Применение анкерной крепи широко распространено в угледобывающих странах Европы, но в связи с переходом горных работ на большие глубины при применении систем разработки длинными забоями она чаще применяется как вспомогательное средство для усиления и повышения эффективности работы основной крепи . Анкерная крепь, “подшивая” неустойчивые приконтурные слои к прочным монолитным породам, препятствует расширению зоны неупругих деформаций вокруг выработки. На шахтах Германии при креплении капитальных и подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ выработок показала высокую эффективность новая комбинированная анкерно-бетонная крепь. При этой крепи обеспечивается создания грузонесущего бетонно-анкерного свода, изолирующего породы от вредного влияния шахтного воздуха и препятствующего распространению зоны неупругих деформаций вглубь массива. Трудоёмкость возведения и общая стоимость анкерно-набрызгбетонной крепи значительно ниже традиционных арочной и рамной крепей за счёт механизации большинства процессов её возведения. Предложенный Г.Г.Литвинским способ создания в почве выработки разгруженного от напряжений обратного свода из упрочнённых пород является комбинированным среди способов второго и четвёртого направлений и более известен под названием – активная разгрузка с последующим упрочнением пучащих пород (АРПУ). Опытно-промышленная проверка этого способа на шахтах Донбасса подтвердила его достаточно высокую эффективность. Количественное влияние факторов близости очистных работ и глубины разработки на устойчивость выемочных выработок можно оценить на основании анализа фактических затрат на их поддержание. В работе приведено сопоставление значений коэффициентов влияния глубины разработки на стоимость поддержания штреков и величин коэффициента изменения опорного давления и показано, что они возрастают с глубиной примерно в одинаковой степени. С увеличением глубины ведения горных работ от 300 до 900м различие в их значениях не превысило 10-12%. Это позволяет утверждать, что стоимость поддержания пластовых выемочных выработок при прочих равных условиях обусловлено величиной опорного давления.