Научные исследования и практика работы шахт показывают, что современным требованиям экономически эффективной и безопасной угледобычи на шахтах Российской части Донбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 0,85–2,0 м на глубинах от 100 до 1160 м, с средне и труднообрушающимися породами кровли, наиболее полно отвечает технология сохранения выработок для повторного использования с помощью применения эффективных анкерных и рамных крепей, а также крепей усиления при охране выработок искусственными охранными конструкциями.
Исследования, проведенные в выемочных выработках на действующих шахтах региона, показывают, что в 90 % выемочных штреков не отмечается существенного пучения пород почвы, сложенных крепкими песчаниками и песчаными сланцами, а конвергенция кровли и почвы обусловлена в основном смещениями пород кровли. При этом доля смещений пород кровли в зоне за первым очистным забоем составляет от 49 до 79 % от величины её общих смещений за весь срок службы выемочных выработок.
Для всех повторно используемых выемочных выработок на шахтах региона с использованием действующих нормативных документов [1, 2] производится расчет ожидаемых смещений кровли, по которым выбираются параметры анкерной и рамной крепи, крепи усиления и охранных конструкций.
Смещения кровли за весь срок службы повторно используемого выемочного штрека при его креплении анкерной крепью и крепью усиления, определяемые по Инструкции [1] не должны превышать 300 мм, а при креплении трехзвенной арочной металлической крепью согласно Инструкции [2] – 350-400 мм (без учета зазоров за крепью). При превышении этих значений, по представлению разработчиков Инструкций [1, 2]
анкерные крепи разрушаются, а рамные деформируются и требуют ремонта.
С учетом неизбежных смещений кровли в зоне опорного давления второго очистного забоя на величину до 50-100 мм, это означает, что в зоне за первым очистным забоем фактические смещения кровли по оси штреков не должны превышать 200-350 мм.
Обеспечение указанных выше предельных смещений кровли согласно Инструкциям [1, 2] возможно практически в любых горно-геологических условиях (за исключением зон повышенного горного давления от целиков и краевых частей смежных пластов), при условии, если повторно используемые штреки закреплены анкерной сталеполимерной или рамной крепью с расчетным сопротивлением 60-110 кН на 1 м2 кровли, а в зоне влияния первого очистного забоя в штреках будет дополнительно установлена крепь усиления из 2-3 деревянных или податливых металлических стоек с расчетным сопротивлением до 75-100 кН на 1 м2 кровли.
При этом охрана штреков за первым очистным забоем на пластах мощностью до 2 м должна производиться жесткими и ограниченно-по-датливыми охранными конструкциями (тумбами из железо-бетонных и деревянно-бетонных блоков, органными рядами из деревянных стоек, литыми полосами), обеспечивающими податливость не более 15-25 % от вынимаемой мощности пласта.
Суммарное сопротивление органных рядов по Инструкции, устанавливаемых под деревянные верхняки и на деревянные лежни, на 1 м длины штрека должно составлять от 1500 до 2500 кН (6-12 стоек на 1 м), тумб из деревянно-бетонных блоков типа БДБТ и БДБ от 3000 до 5000 кН на 1 м (1-2 тумбы на 1 м), а литых полос 12000-17000 кН на 1 м.
Несмотря на установку в выработке крепей с необходимым расчетным сопротивлением и охранных конструкций с требуемой жесткостью и плотностью установки практика поддержания повторно используемых выработок на шахтах региона показывает, что фактические смещения кровли в выемочных штреках за первым очистным забоем, часто значительно превышают указанные выше расчетные значения.
На шахте «Гуковская» ОАО «Гуков-уголь» поддерживался для повторного использования штрек №453 на пласте К51-в мощностью 1,86 м. Непосредственная кровля штрека представлена слоистым песчаным сланцем с остатками детрита по напластованию, мощностью 5,5 м и прочностью на одноосное сжатие 58-65 МПа. Штрек, залегающий на глубине 525 м, крепился рамной арочной крепью и крепью усиления в виде двух деревянных стоек устанавливаемых под каждую раму. При суммарном расчетном сопротивлении податливой рамной крепи и крепи усиления равном 175 кПа, штрек охранялся трехрядным органным рядом, установленным на брус и под брус в соответствии с требованиями Инструкций [1, 2].
При смещениях кровли более 1440 мм на расстоянии 20 м за лавой из-за поломки органного ряда и интенсивных деформаций рамной крепи и крепи усиления штрек не перекреплялся, а в присечку к нему проходился вентиляционный штрек.
В штреке №0356 пласта Ι3 шахты «Западная» при вынимаемой мощности пласта 1,75 м в непосредственной кровле залегает тонкослоистый песчано-глинистый сланец, мощностью от 2 до 7 м и прочностью 55-60 МПа. Основная кровля сложена среднеобрушающимся песчаником. Глубина заложения штрека составляет 750 м.
При суммарном расчетном сопротивлении податливой рамной крепи и крепи усиления равном 238 кПа (2,22 рамы и 4,44 деревянных стоек крепи усиления на 1 м длины штрека), штрек охранялся тумбами из деревянно-бетонных блоков типа БДБ в количестве 2,0 тумбы на 1 м длины штрека и однорядным органным рядом.
Смещения кровли над тумбами не превысили 300-400 мм (17-23 % от вынимаемой мощности пласта). В этих ус-ловиях расчетные смещения кровли по оси штрека согласно Инструкциям [1, 2] не должны превышать 300 мм. Однако уже на расстоянии 20 м за линией очистного забоя смещения кровли в штреке составили 1410 мм, и штрек был перекреплен с подрывкой пород кровли.
В штреке № 23 пласта К2 шахты «Обуховская» при поддержании штрека на глубине 680 м при суммарном расчетном сопротивлении анкерно-рамной крепи и крепи усиления из податливых стоек трения равном 279 кПа, штрек охранялся тумбами из деревянно-бетонных блоков типа БДБ в количестве 1,4 тумбы на 1 м длины штрека и однорядным органным рядом.
>Смещения кровли над тумбами не превысили 300-340 мм (20-26 % от вынимаемой мощности пласта). Однако на участках штрека №23, где в кровле залегал тонкослоистый и обводненный песчаный сланец прочностью 70-90 МПа с ослабленными контактами в виде «зеркал скольжения», глинки трения и углистых пропластков, мощностью 2,5-6 м, смещения кровли не стабилизировались, а отмечалось постепенное выпучивание заанкерованных пород непосредственной кровли.
В результате через год после отработки лавы №23 смещения кровли по оси штрека увеличились до 800-1000 мм, и из-за недостаточной высоты
штрек пришлось частично перекрепить.
Дальнейшее увеличение плотности установки анкерной и рамной крепи, а также крепи усиления в штреках нецелесообразно из-за отсутствия требуемых Правилами безопасности зазоров для транспортных средств и людей, а также по технико-экономи-ческим причинам из-за невозможности обеспечения ско-рости проведения выработок достаточной для воспроизводства фронта очистных работ.
Для повторно используемых подготовительных выработок, поддерживаемых на шахтах Российского Донбасса, весьма актуальной задачей является изыскание эффективных крепей усиления с высокой несущей способностью, оптимальной податливостью и невысокой стоимостью.
По указанным причинам было предложено использовать крепь усиления в виде тумб БДБ в повторно используемых подготовительных выработках со смещениями кровли от 800 до 2000 мм на шахтах с наиболее сложными горно-геологическими условиями («Гуковская», им. 50-летия Октября, «Алмазная», «Западная», Обуховская»), отрабатывающих угольные пласты на глубинах от 700 до 1160 м.
При поддержании конвейерного штрека №417 на шахте им. 50-летия Октября, расположенном на глубине 1120 м, закрепленном рамной крепью типа КМП-АЗ из СВП27 с плотностью установки 1,11 рам на 1 м и при установке под каждую раму двух деревянных стоек крепи усиления и охране штрека тумбами БДБ смещения кровли на расстоянии 20 м за лавой составляли от 1500 до 1700 мм.
Деформации крепи и вывалы из кровли потребовали осуществлять перекрепление штрека перед лавой №419, отстающей от лавы №417 на 70-100 м. При испытаниях из-за недостаточной поставки блоков БДБ на шахту не удалось выдержать рекомендуемый шаг установки тумб БДБ в штреке равный 1,8 м.
В процессе проведенных испытаний выявилась излишняя податливость блоков тумб БДБ используемых в качестве крепи усиления, была зафиксирована потеря устойчивости отдельных тумб, и разрушение верхнего блока верхняком рамной крепи.
Для устранения указанных явлений рекомендовано для блоков БДБ, используемых для выкладки тумб на штреке, уменьшить высоту выступов над обоймами блоков до 5 мм, что позволит уменьшить общую податливость тумбы до 100-150 мм. Для повышения устойчивости тумб следует помещать их без зазора между четырьмя деревянными стойками, устанавливаемых на брус и под брус под кровлю выработки между рамами крепи или анкерными подхватами.
Рис. 1. Основные характеристики и стоимость используемых
на шахтах региона крепей усиления
Список использованной литературы
1. Инструкция по расчету и применению анкерных крепей на угольных шахтах России. ВНИМИ. СПб., 2000. – 69 с.
2. Инструкция по выбору рамных подат-ливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп./ ВНИМИ. Л., 1991. – 125 с.
3. 3. Беликов В.В., Беликов А.В. Эффективные параметры анкерной сталеполимерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций для
поддержания выемочных выработок глубоких шахт. Научно - технические проблемы разработки угольных месторождений шахтного и подземного строительства: Cб. науч. тр./Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. с. 76-79.