Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина
КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ ДОНБАССА
Опыт работы очистных забоев глубоких шахт показывает, что применяемые средства крепления и способы охраны подготовительных выработок не обеспечивают их устойчивость в зоне интенсивного влияния очистных работ [1,2]. Это приводит к необходимости выполнения значительных объемов работ по ремонту и перекреплению выемочных выработок из-за больших смещений их породного контура.
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 [3–5]. Опыт отработки угольных
пластов средней мощности (1,8 – 2,2 м) на шахте Красноармейская-Западная № 1
показывает, что для своевременной подготовки очистных забоев, имеющих суточную добычу угля из лавы 3000–4000 т/сут., необходимо обеспечить
повторное использование бывших конвейерных выработок в качестве вентиляционных. Для этого конвейерные штреки охранялись литыми полосами шириной 1,4 м из цементного раствора, подаваемого 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 радиальных сталеполимерных анкеров длиной по 2,9 м, которые равномерно располагались по периметру выработки и наклонялись навстречу лаве на 0 10–15 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, дополнительно устанавливались 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.
Опыт применения литой полосы показал, что потери поперечного сечения выработки после прохода первой лавы составили 20–40 % от проектного, а стоимость возведения 1 м полосы равнялась 150–200 грн/м. Стоимость 13 сталеполимерных анкеров при шаге установки 0,8 м на шахте Красноармейская-Западная № 1
составила 1380 грн/м.
Применение химических анкеров для упрочнения пород непосредственной кровли является достаточно эффективным способом обеспечения устой-
чивости выемочных выработок. Однако стоимость этого способа достаточно высока. На шахте Красноармейская-Западная № 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 анкерованию 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 использoвании 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].
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. 1). Пласт h10 Ливенский
мощностью 1,14–1,3 м и углом падения 20–230 град. отрабатывался на глубине 1180 м.
Рисунок 1 – 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. 2, 3).
Рисунок 2 – Состояние крепи конвейерного штрека без крепи усиления на расстоянии 120 (а) и 230 м (б) от лавы
Рисунок 3 – Состояние крепи конвейерного штрека при 2-х симметричных (а) и асимметричных продольных балках соответственно на расстоянии 120 и 230 м от лавы
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. 2) позволило более эффективно использовать периметр арочной крепи за счет пространственной консолидации комплектов крепи и создания жесткой каркасной конструкции.
В результате анализа визуальных и инструментальных наблюдений было установлено, что максимальные проявления горного давления наблюдаются по напластованию пород кровли (рис. 2, 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. 2, 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. 3, б).
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 жесткопродольной усиливающей связи создало предпосылки для образования в кровле пласта и в боку выработки локальных грузонесущих зон, препятствующих развитию процесса складкообразования (рис. 2, б).
На рис. 4 представлены результаты инструментальных наблюдений за смещениями боковых пород без применения и при наличии крепи усиления. Из приведенных графиков видно, что применение одинарной продольно-жесткой усиливающей крепи позволяет снизить в 1,7–1,8 раза смещения пород кровли и 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 интенсивными смещениями породного контура.
Вертикальные смещения без крепи усиления в створе с лавой составляют 3,0 м, а горизонтальные – 1,5 м, а на расстоянии 100 за лавой – соответственно 5,75 и 3,2 м.
Рисунок 4 – График за висимости 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
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. Физическая модель этого взаимодействия заключается в перераспределении поддерживающего ресурса между недогруженными и перегруженными комплектами 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.
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 анкерами в сочетании с двумя продольными балками из СВП-27 (рис. 5).
Рисунок 5 – 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
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. 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.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. – М.: Недра, 1987. – 566 с.
Литвинский Г.Г., Гайко Г. И., Кулдыркаев М.И. Стальные рамные крепи горных выработок. – К.: Техніка, 1999. – 216 с.
Байсаров Л.В., Демченко А.И., Ильяшов М.А. Охрана штреков литыми полосами при разработке пологих пластов средней мощности // Уголь Украины. – 2001. – № 9. – С. 3–6.
Байсаров Л.В. Ресурсосберегающая технология крепления и производства работ по возведению литых полос при поддержании конвейерных штреков // Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск. – 2003. – № 47. – С. 46–52.
Ильяшов М.А., Байсаров Л. В. Новые технологические решения в охране концевых участков высоконагруженных лав // Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск. – 2006. – № 61. – С. 79 –92.
Петренко Ю. А., Касьян Н.Н., Новиков А. О., Сахно И.Г. Новый подход к расчету параметров анкерной крепи // Физико-технические проблемы горного производства. – 2004. – № 7. – С. 162 –172.
Касьян Н.Н., Петренко Ю. А., Новиков А. О., Гладкий С.Ю., Сахно И.Г. Исследование влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок // ХII Международный симпозиум
Геотехника –2006
, Гливице-Устронь, 2006. – С.455 –467.Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Захаров В.С. Изменения деформаций контура кровли выемочной выработки при использовании каркасной крепи усиления // Известия Донецкого горного института. 1999. № 1. С. 66 –70.
Соловьев Г.И., Панфилов Ю.Н., Толкачев А.Ф., Малышева Н.Н. Определение рациональных параметров арочной крепи с усиливающим сегментом жесткости // Вісті Донецького гірничого інституту, № 1, 2005 р., C. 39 –46.