Авторы: Г.И. Соловьев, В.Л. Самойлов кандидаты техн. наук, А.Ф. Толкачев инж., A.A. Kаплюхин, А.В. Ляхов кандидаты техн. наук (доннту), Ю.Н. Панфилов инж. (шахта им. М.И. Калинина, ГП «Донецкуголь»)
С увеличением глубины подземной угледобычи интенсификация вредных проявлений горного давления во многом предопределяется несоответствием параметров применяемых способов и средств крепления и поддержания интенсивно деформирующихся выемочных выработок особенностям механизма проявления горного давления в зоне влияния очистных работ.
Применяемые в настоящее время способы крепления и охраны выработок глубоких шахт отличаются несоответствием своих количественных и качественных параметров условиям применения, высокой металло- и материалоемкостью, низкой технологичностью выполнения рабочих процессов, высоким уровнем затрат на выполнение работ по ремонту и перекреплению выработок и применения больших объемов ручного труда, высоким травматизмом и аварийностью работ [1–3].
Одним из весьма негативных проявлений горного давления в выемочных выработках, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ, является интенсивные боковые смещения контура выработки.
Исследования сотрудников Донецкого национального технического университета за проявлениями горного давления в выемочных выработках ряда глубоких шахт («Шахтерская Глубокая», «Южнодонбасская №3», им. Е.Т.Абакумова, им. А.А.Скочинского, им. М.И.Калинина и др.) позволили впервые установить такие характерные особенности деформационного процесса, как значительная неравномерность боковых смещений по длине выемочной выработки на соседних близко расположенных ее участках, наличие нелинейной зависимости абсолютной величины боковых смещений от смещений кровли и почвы выработки, существенная несимметричность и неравнозначность боковых смещений породного контура как транспортной, так и вентиляционной выемочных выработок [4–6].
Визуальные и инструментальные наблюдения, выполненные в конвейерном штреке шахты им. М.И.Калинина в зоне влияния очистных работ 2-й западной лавы, позволили установить следующие особенности механизма проявлениями горного давления на контуре выработки (рис. 1).
Наряду с интенсивными боковыми смещениями, как со стороны массива угля при образовании породной складки (рис. 2, а), так и со стороны выработанного пространства при выдавливании ножек в выработку, в конвейерном штреке наблюдались интенсивные продольные деформации породного контура, сопровождающиеся сдвигом, разворотом и закручиванием верхняков и ножек крепи (рис. 2, в) с одновременным завалом рам крепи на выработанное пространство (рис. 2, г). Перечисленные негативные проявления горного давления проявляющиеся совместно со значительными смещения породного контура приводили к потере устойчивости выработки уже на расстоянии 60–80 м за очистным забоем, что сопровождалось необходимостью выполнения больших объемов работ по ремонту и перекреплению выемочной выработки.
Развитие структуры любой технической системы осуществляется через противоречивое взаимодействие двух диалектических процессов: к росту организованности и к увеличению хаоса. Чем более развита и совершенна структура, тем ниже ее энтропия, и наоборот, потеря структурности ведет к нарастанию энтропии, понимаемой в нашем случае как непроизводительное расходование материалов, энергии и труда. Способность преодолевать внутренние противоречия взаимодействующих элементов геотехнической системы и достигать более высокого уровня организации ее структуры составляет суть управления технологическим процессом обеспечения устойчивости выработки.
Предложенный сотрудниками ДонНТУ способ продольно-жесткой консолидации арочной крепи позволил обеспечить устойчивость конвейерного штрека на всем участке его поддержания между промежуточными квершлагами длиной 300–350 м. На рис. 3 представлены 3 варианта продольно-жесткой крепи усиления при одной и двухсимметрично и асимметрично расположенных по длине верхняка балках из спецпрофиля СВП-27, которые отрезками по 4 м подвешивались в проходческом забое конвейерного штрека на двух крюках к каждой раме крепи и соединялись между собой двумя хомутами.
С 2002 по 2005 гг. была проведена опытно-промышленная проверка эффективности нового способа усиления в конвейерном штреке 2-й западной лавы пласта h10 шахты им. М.И.Калинина ГП «Донецкуголь». На рис. 3 представлен характер поэтапного деформирования породного контура и арочной крепи на наиболее характерных участках поддержания выработки — сопряжении ее с очистным забоем и на расстоянии 110 м за лавой.
В результате проведенного эксперимента было установлено, что смещения боков выемочной выработки также имеют неравномерный по ее длине характер и эта неравномерность увеличивается в зоне опорного давления очистного забоя. В качестве меры для измерения неравномерности опусканий соседних точек кровли принято среднее квадратичное отклонение скорости смещения кровли (рис. 4).
Интенсификация боковых смещений контура выемочной выработки происходила также отчасти вследствие перераспределения продольно-жесткой крепью усиления повышенных нагрузок отдельных из комплектов арочной крепи на комплекты недогруженные. При этом наблюдалась реализация части потенциальной энергии давления пород кровли в виде дополнительных смещений боков выработки вследствие создания предпосылок горизонтального распора отдельностей зоны неупругих деформаций в кровле выработке и передачи части нагрузки в бока и почву выработки.
Результаты инструментальных наблюдения за боковыми смещениями породного контура конвейерного штрека представлены на рис. 5.
В результате применения жесткой продольной связи комплектов арочной крепи, боковые смещения породного контура конвейерного штрека при использовании одной балки были снижены на 0,75 м (в 1,7 раза) на сопряжении с лавой и на 0,3 м (в 1,14 раза) на расстоянии 110 за лавой. При использовании крепи усиления из двух балок СВП-27 смещения боков выработки в створе с лавой были снижены в среднем на 1 м (в 2,9 раза), а в 110 м за лавой на 0,5 м (в 1,2 раза) и 0,9 м (в 1,5 раза) соответственно при асимметричной и симметричной схемах расположения продольных балок. При этом следует отметить, что в зоне влияния очистных работ происходило рассогласование месторасположения максимумов скоростей конвергенции относительно окна лавы. При возрастании жесткости продольно-балочной крепи усилении происходил сдвиг месторасположения максимальных значений горизонтальных скоростей смещений в сторону выработанного пространства при одновременном уменьшении абсолютной их величины (рис. 5). Так горизонтальные смещения без усиливающей крепи свой максимум скорости имели на сопряжении с лавой, при одной балке крепи усиления — на расстоянии 15 м за очистным забоем, при двух балках — на расстоянии 20 и 30 м за лавой соответственно для симметричного и асимметричного их расположения. Боковые смещения породного контура со стороны массива угля происходили более интенсивно по сравнению со смещения со стороны выработанного пространства, и эта тенденция прослеживается на всех этапах проведенных исследований (рис. 3, 5).
Такой характер боковых смещений контура выемочной выработки подтверждает гипотезу о существенной неравномерности проявлений горного давления в боках выемочной выработки в зоне активного влияния очистных работ.
Таким образом, при интенсивных боковых смещениях породного контура применение продольно-жесткой консолидации арочной крепи посредством соединения комплектов одинарными или двойными балками из СВП-27 позволяет обеспечить сохранение устойчивости подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ при минимальных затратах средств и отсутствии технологических помех на сопряжении выработки с лавой.