Назад в библиотеку

Повышение работоспособности рамной крепи путем взрывной разгрузки пород


Автор: Литвинский Г.Г., Павлов Е.Е.

Эффективность разработки угольных месторождений в значительной мере связана с проблемой обеспечения устойчивости подготовительных выработок. В настоящее время их эксплуатационное состояние на шахтах Донбасса значительно ухудшилось, что обусловлено увеличением глубины разработки, интенсивным проявлением горного давления а также, в значительной мере, низким качеством сооружения (большие пустоты закрепного пространства, отсутствие или плохое качество забутовки, неровный контур выработки и др.), что раскрыто в работе [1]. Неудовлетворительное состояние выработок и необходимость их ремонта приводят к резкому возрастанию трудовых и материальных затрат, замедлению горно-подготовительных и очистных работ, снижению технико-экономических показателей шахты.

В настоящее время более 90 % горных выработок крепят металлической податливой крепью, эксплуатационное состояние которой обеспечивают различными способами:

  1. Применением рациональных способов охраны горных выработок (проведение с запасом на осадку, разгрузка щелями и с помощью БВР и др.);
  2. Повышением несущей способности конструкции крепи (увеличение сечения профиля, большая жесткость узлов податливости т.п.);
  3. устранением повреждения крепи от буровзрывных работ;
  4. ремонтами и перекреплением деформированной крепи в эксплуатируемых выработках;

Однако эти способы повышения устойчивости выработок исчерпали свои возможности и не дают требуемого эффекта, поэтому объём ремонта деформированных выработок с каждым годом увеличивается.

В соответствии с техническими условиями проведения горной выработки работоспособность крепи оценивают исходя из идеализированных предпосылок: контур выработки достаточно гладкий, пустоты за крепью отсутствуют, а при их наличии они заполнены мелкой породой, нагрузка на рамную крепь равномерная со всех сторон и т.д. Однако в реальных условиях сооружения большинства горных выработок технические условия [2] не выполняются:

  1. Пустоты закрепного пространства превышают нормативные при буровзрывном способе в 1,7 раза, а при комбайновой выемке в 2 раза.
  2. Закрепное пространство не заполнено забутовкой.
  3. При комбайновой выемке средняя ширина пустот закрепного пространства превышает ширину пустот в выработке, пройденной буровзрывным способом, в 1,15 раза.

Это приводит к деформации рамной крепи, уменьшению её несущей способности в 2…5 раз, и, в конечном итоге, перекреплению и частым ремонтам.

Одним из перспективных способов повышения устойчивости выработки и состояния крепи является перераспределение нагрузки на рамную крепь с помощью взрывной разгрузки массива от напряжений в кровле горной выработки. Так, при взрыве трех зарядов рыхления [3], можно добиться равномерно распределенной нагрузки на крепь, однако при дальнейшей эксплуатации выработки по мере роста смещений пород кровли максимальная нагрузка qmax смещается к центру верхняка, где и возникает максимальный изгибающий момент, что нежелательно. Однако эта актуальная задача по определению работоспособности рамной крепи при различных распределениях нагрузки на раму со стороны массива при взрывной разгрузке кровли до настоящего времени не рассматривалась.

Цель исследований:


Оценить повышение работоспособности рамной крепи способом взрывной разгрузки пород кровли за счёт создания различных видов распределения внешней нагрузки на раму. Задачами исследования являлось установление закономерностей изменения работоспособности рамной крепи при формировании различных видов нагрузки с кровли выработки. Объект исследования – работоспособность рамной крепи, а субъект закономерности управления нагрузкой на крепь.

На кафедре Строительная геотехнология и горные сооружения ДонГТУ предложен способ управления нагрузкой на рамную крепь горной выработки. Сущность взрывного способа создания различного распределения нагрузки на рамную крепь состоит в том, что за счет бурения разгрузочных шпуров и взрывания в них зарядов взрывчатого вещества (ВВ) вокруг выработки создают различные виды распределения нагрузки на рамную крепь (равномерную, параболическую, по закону треугольника и др.)

Предложенный способ для арочной крепи риc. 1 выполняют следующим образом.

Рис. 1 Способ управления нагрузкой на крепь

Рис. 1 Способ управления нагрузкой на крепь горной
выработки двумя зарядами ВВ для арочной крепи
а) до взрывной разгрузки; б) после взрывной разгрузки

При проведении выработки 1 после возведения рамного крепления 2 и установки затяжки 3 по контуру рамы одновременно со шпурами по забою бурят в кровле два боковых разгрузочных шпура 4 в районе узлов податливости 5 рамного крепления 2 на глубину lш таким образом,чтобы заряды 6 ВВ в разгрузочных шпурах 4 располагались в плоскости рамы крепления. Разгрузочные шпуры 4 заряжают камуфлетными зарядами 6 ВВ и взрывают их одновременно с взрыванием шпуров по забою, создавая разгруженную зону в кровле выработки.

Для трапециевидной рис. 2 крепи способ управления нагрузкой на рамное крепление горной выработки выполняют следующим образом.

Рис. 2 Способ управления нагрузкой на крепь

Рис. 2 Способ управления нагрузкой на крепь горной
выработки двумя зарядами ВВ для трапециевидной крепи
а) до взрывной разгрузки; б) после взрывной разгрузки

При проведении выработки 1 после возведения рамного крепления 2 и монтажа затяжки 3 по контуру выработки, бурят в кровле два разгрузочных шпура 4 на расстоянии между зарядом взрывчатки и вертикальной осью выработки b на глубину lз таким образом, чтобы заряды 5 ВВ в разгрузочных шпурах 4 располагались в плоскости рамы крепления и на продолжении линии стойки рамного крепления на глубине, которая равняется расстоянию от заряда к вертикальной оси выработки, а при изменении глубины заряда, расстояние к вертикальной оси выработки определяют по формуле:

             (1)

где:

Lb - длина верхняка рамного крепления;

b - расстояние вертикальной оси выработки к заряду;

β - угол наклона стойки рамного крепления к горизонту;

lз - угол наклона стойки рамного крепления к горизонту;

Для определения грузонесущей способности крепи воспользуемся методом конечных элементов с помощью программного комплекса Лира [4]. Для моделирования следует выбрать достаточно простой профиль, эквивалентный по несущей способности стандартному взаимозаменяемому спецпрофилю для рамной крепи. Вместо стандартного спецпрофиля (рис. 3а) примем равнопрочный по изгибающим моментам квадратный профиль (рис. 3б). Примем для крепи спецпрофиль СВП № 27 (Wх = 100,2 см3) [5], причём коэффициент подобия для момента сопротивления W должен удовлетворять условию:

             (2)

где:

Wк – момент сопротивления для модели крепи с профилем квадратного сечения, см3;

Wх – момент сопротивления профиля СВП № 27 по оси x, см3.

Рис. 3 Схема профилей крепи

а                                                         б

Рис. 3 Схема профилей крепи

Момент сопротивления эквивалентного профиля прямоугольного сечения по оси x определяется по формуле [6]:

             (3)

где:

zmax= h / 2 - pасстояние от нейтральной оси до наиболее удаленных от нее точек, см;

h - высота профиля, см;

J - момент инерции, J = B∙H2/12, см4;

Для эквивалентного квадратного профиля при В=h и Wк=Wx, на одим ширину сторон по формуле:

             (4)

Из типовых сечений в ПК ЛИРА принимаем сталь горячекатаную квадратную с профилем 85х85 мм по ГОСТ 2591-88. Отсюда находим уточненный момент сопротивления профиля прямоугольного сечения по оси x:

             (5)

Погрешность использования квадратного профиля вместо спецпрофиля СВП № 27 составила 2 %, что вполне допустимо для дальнейших расчетов.

Исследуем работоспособность этих крепей при различных видах распределения нагрузки, каждая из которых соответствует суммарной нагрузке на крепь Q = 50 кН, что для равномерной нагрузки даёт q = 10 кН/м (таблица 1). Для моделирования задаемся геометрическими параметрами арочной и трапециевидной крепи, соответствующие типовым сечениям горных выработок.

При выборе типа крепи и плотности ее установки в горной выработке по нормам [7] рассчитывают работоспособность крепи с параболической нагрузкой. Однако, как правило, из-за плохого качества забутовки закрепного пространства либо её отсутствия, нагрузка на верхняк крепи ближе к сосредоточенной силе, вследствие чего работоспособность крепи уменьшается в 1,5…2,5 раза.

Таблица 1 – Виды нагрузок на арочную и трапециевидную рамную крепь


При выполнении всех технических условий по проведению выработок, рабочий отпор крепи в податливом режиме ограничивается жесткостью замков податливости, так например, у арочной податливой крепи КМП-А3 с профилем СВП № 27 и замками ЗПК, отпор составляет 250 кН, а в жестком режиме – 406 кН [7]. Повышение работоспособности крепи в податливом режиме весьма проблематично, т.к. связано с необходимостью повышения сопротивления замка податливости, а вот повышение работоспособности рамной крепи в жестком режиме, когда крепь достигла своей максимальной податливости, возможно путем перераспределения большей части нагрузки на стойки крепи.

Рассмотрим графики изменения изгибающих моментов верхняка трапециевидной и арочной крепи при различных видах нагрузки, полученные путём моделирования методом конечных элементов.

Графики на рисунке 4а показывают изменение отношения М/Ммax изгибающего момента М в верхняке трапециевидной крепи по мере удаления от края верхняка к его центру к максимальному моменту Ммax создаваемому при точечной нагрузке.

а

а

б

б

Из графиков видно, что наименьший изгибающий момент при одинаковом Q имеет рама с нагрузкой, распределённой по закону треугольника (4), что меньше в 3 раза момента от единичной нагрузки (1), в 2 раза меньше момента от параболической (2) и в 1,5 раза от равномерно распределенной (3).

Следовательно,плотность установки трапециевидной крепи после взрывной разгрузки пород можно уменьшить в два раза.

Проанализируем графики изменения показателя М/Ммax по окружности рамной крепи α (где 900 – центр верхняка),

Из графиков видно, что приложенная нагрузка по закону треугольника на рамную арочную крепь имеет наименьший изгибающий момент и в 2 раза меньший момент по сравнению с моментом от нагрузки по параболическому закону. Следовательно, несущая способность арочной крепи КМП-А3 с профилем СВП № 27 будет равна Q = 406 ∙ 2 = 812 кН.

Таким образом, в результате проведенного исследования возможности повышения несущей способности рамной крепи при управлении распределением нагрузки за счет применения способа взрывной разгрузки пород можно сделать следующие выводы:

  1. При выполнении взрывной разгрузки пород в кровле выработки можно обеспечить различные распределения нагрузки:
  2. Показатель изменения изгибающих моментов в обеих конструкциях рамной крепи значительно уменьшается по мере перехода от сосредоточенной к другим видам распределения нагрузок (параболической, равномерной и треугольной);
  3. При использовании способа взрывной разгрузки двумя зарядами рыхления над стойками рамной крепи, обеспечивающем треугольное распределение нагрузки, плотность установки крепи можно уменьшить в два раза для арочной и трапециевидной формы рамы;
  4. Способ взрывной разгрузки пород позволяет существенно повысить устойчивость породных обнажений, что особенно актуально для ведения горных работ на больших глубинах при интенсивном проявлении горного давления.

Список использованной литературы

  1. Павлов Е.Е. Анализ негативных последствий переборов при проходке горных выработок. Сб. научных трудов Донбасского государственного технического университета – Алчевск: ДонГТУ, Вып. 28, 2009 – с. 125-133.
  2. СНиП 3.02.03-84. Подземные горные выработки / Госстрой СССР. – М.: ЦИТИ Госстрой СССР, 1985. – 15 с.
  3. Патент 29057 Україна, МПК8 Е 21 D 11/00. Спосіб вибухового розвантаження порід навколо виробки / Литвинський Г.Г., Павлов Є.Є.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. – № а200711987 ; заявл. 30.10.2007 ; опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1. – 3 с.: іл.
  4. Программный комплекс ПК ЛИРА – Киев: НИИАСС. 1995-2002 г.
  5. Справочник по креплению горных выработок. Изд. 2, перераб. и доп. М., Недра, 1976. - 508 с.
  6. Сопротивление материалов, Н.М. Беляев, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва Наука,1976. 608 с.
  7. СОУ 10.1.00185790.011:2007. Підготовчі виробки на пологих пластах. вибір кріплення, способів і засобів охорони: [чинний від 2008-04-01]. – К.: Мінвуглепром України, 2007. – 113 с.