CC BY
57
--© В.Ф. Демин, С.Б. Алиев,
Н.Л. Разумняк, Т.В. Демина, 2012
В.Ф. Демин, С.Б. Алиев, Н.Л. Разумняк, Т.В. Демина
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ
Исследован характер взаимодействия анкерного крепления подготовительных горных выработок с вмещающими породами и установлена их устойчивость в зависимости от влияющих горнотехнических факторов. Произведена оценка параметров деформационных и геомеханических процессов в подготовительных выработках посредством проведения мониторинга их контуров. Выявлены закономерности изменения деформированного состояния углепородных массивов при применении анкерной крепи в зависимости от горногеологических и горнотехнических условий разработки. Проведенные исследования обеспечивают принятие обоснованных технологических решений по технологии проведение выемочных выработок.
Ключевые слова: подземные выработки угольных шахт, гор-но-геологические и горно-технических условиях ведения горных работ, геомеханические процессы, приконтурный углепо-родный массив.
На угольных шахтах зарубежной практике происходит неуклонное увеличение объемов использования анкерного крепления, доля которого сегодня составляет в Австралии - 87, Китае -83, США -52, России - 60 %, что приводит к снижению расхода металлопроката в 5-6 раз, а также бетона, лесоматериалов; повысить производительность работ при креплении выработок 3-5 раз; повысить темпы проходки в 2-3 раза; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии во время эксплуатации. Вместе с тем, объемы применения анкерной крепи на шахтах Карагандинского бассейна в настоя-
щее время не превышают 35 км (или 54 % от годового объема проводимых выработок).
Причинами ограниченных объемов применения анкерного крепления выработок являются: усложнение горногеологических и горнотехнических условий с переходом на глубину разработки более 600 м. Здесь существенно увеличились размеры зон опорного давления в окрестности очистных выработок и интенсивность проявлений горного давления в выработках. Возросли на 35-40 % площадь поперечного сечения выработок, в особенности выемочных штреков лав, и объемы бесцеликовой охраны выработок на границе с выработанным пространством, с расположением их в зонах сдвижения и обрушения пород соседних отработанных лав; недостаточная изученность геомеханических процессов в породах вокруг выработок на нижних горизонтах и работоспособности анкерной крепи в этих условиях. Препятствием внедрению анкерной крепи на шахтах также является отсутствие нормативной базы, позволяющей с учетом конкретной геомеханической ситуации и опыта использования, обосновано принимать параметры крепления. Поэтому исследование закономерностей и особенностей деформирования породного массива с учетом времени, прошедшего с момента обнажения пород, вмещающего выработки с анкерным креплением для обоснования его рациональных параметров, являются актуальной задачей.
Процесс деформирования массива, вмещающего горные выработки с анкерной крепью, происходит в следующей последовательности. В период проведения выработки, до момента установки анкеров, происходит образование зоны мгновенного разрушения и перераспределение напряжений, что приводит к развитию фронта разрушения от контура выработки вглубь массива. После установки анкерной крепи разрушение массива замедляется, вплоть до момента образования несущей породно-анкерной конструкции. После этого расслоение пород вблизи контура прекращается, а образованная породно-анкерная конструкция воспринимает на себя нагрузку от разрыхления пород, сдерживает развитие фронта разрушения вглубь массива и смещения пород в направлении контура выработки.
Основной причиной ухудшения состояния подготовительных выработок является снижение отношения прочности пород к геостатическому давлению с ростом глубины горных работ. Дополнительным фактором вредного влияния является наличие целиков и краевых частей угольных пластов, расположенных над выработками. В зоны влияния повышенного горного давления (ПГД), попадает ежегодно от 20—30 % всех поддерживаемых выработок, их состояние оценивается от удовлетворительного до весьма плохого.
Влияние целиков и краевых частей угольных пластов исследовалось для обоснования рациональных способов расположения, охраны и поддержания горных выработок, прогноза и профилактики динамических явлений, управления горным давлением в очистных забоях.
Возможность эффективного применения анкерной крепи определяется целым рядом факторов, связанные с условиями залегания, особенностями технологии разработки, а также с самой технологией анкерного крепления.
Влияющими горно-геологическими факторами при этом являются: глубина залегания, что определяет величину вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления; мощность пласта; угол залегания пласта; свойства вмещающих пород. К горно-техническим факторам отнесены: расположение подготовительных выработок относительно очистных забоев и порядок с последовательностью их использования; требуемая форма и размеры поперечного сечения выработки.
Природные факторы включают геологические, тектонические и гидрогеологические условия, которые характеризуются залеганием угольного пласта (мощность, строение и степень метаморфизма) и свойства вмещающих пород (непосредственной и основной кровли и почвы пласта), а также гранулометрический и вещественный составы слагающих зерен и цементирующих их веществ, показателями сопротивления их сжатию, растяжению или сдвигу, нарушенностью и водообильностью, устойчивостью отдельных слоев пород.
Проявления технологических факторов обуславливается глубиной разработки, направлением и скоростью подвигания подготовительных забоев, способами проведения и охраны,
видами крепи и технологической схемой крепления горных выработок.
Основными видами деформаций горных пород являются: обрушение, высыпание, выдавливание, куполение, отжим угля, выбросы угля и пучение пород почвы. Совокупность неблагоприятных факторов (глубина расположения выработки, проведение выработки в зоне повышенного горного давления, увеличение концентрации работ) влияющих на состояние приконтурного массива приводит к ухудшению условий поддержания выработки и практически отсутствующей возможностью ведения горных работ (рис. 1).
Рис. 1. Проявления горного давления при использовании анкерного крепления горных выработок: а - нестабильное состояние кровли выработки; б - панорама укрепления углов выработки; в - купол, образовавшийся в кровле выработки; г - просевшая кровля выработки; д - деформация стержня анкера; е - трещины в кровле выработки
В ходе проведения выработок часто встречаются сложные зоны для ведения горных работ: повышенного горного давления, проезд под ранее пройденными выработками, в непосредственной близости скважин, в зонах геологических нарушений различного характера, потеря устойчивости вмещающих пород, изменение параметров залегания, сбитие с выработками, проникновение воды.
Факторами, влияющими на возможность применения анкерной крепи в подготовительных выработках, являются: прочность закрепления анкеров во вмещающих породах; размеры области опасных деформаций пород вокруг выработок; величина смещения пород кровли, боков за срок службы выработки и предельная величина безопасного смещения (опускания) закрепленных анкерами пород кровли в выработке за срок ее службы.
Подготовительные выработки шахт Угольного департамента «АрселорМиттал Темиртау» прямоугольной, применяемой преимущественно (шириной 5 м и высотой 3,0-3,3 м) и арочной формы (высотой и шириной 4,7х3,3 м) поперечного сечения при комбинированной крепи (конвейерные штреки и бремсберги) закреплены анкерной крепью, который включает 12-14 сталеполимерных кровельных с шагом установки 0,5 между рядами (через один под штрипс) и 0,65 м в рядах и 4-6 стеклопластиковых боковых анкеров, преимущественно под штрипс (швеллер № 10, полосу 150х5 мм) с сетчатой затяжкой типа ММ поддерживаемого пространства. Кровельные анкера типа АМВ длиной 2,4 м, а боковые типа Ам длиной 1,6 м под углом 35-40° к напластованию, устанавливаемые с сеткой 1х1 м для полного заполнения шпура на 4 химические ампулы АМК-М. При арочной форме выработок применяется комбинированная крепь, состоящая из металлоарочной крепи из арок СВП 27 через 0,5 м и анкерной через 0,5 м в количестве 9 кровельных и 2 боковых (длиной 1,8 м) анкеров или без них с затяжкой металлической сеткой. В ослабленных зонах или с неустойчивыми боковыми породами дополнительно
устанавливаются боковые стойки из профилей СВП27 с закреплением анкерами к бокам выработки через 1м.
Прочность пород кровли изменяется от 20 до 40 МПА. Объем крепления составляет при проведении при креплении анкерной крепью в чистом виде полевых выработок 100-140 м/мес., пластовых 130-200 м/мес. — по углю на невыбросо-опасных забоях и 90-120м/мес. — по углю на выбросоопас-ных забоях, 120-180 м/мес. — по смешанным забоям. Объем крепления составляет при проведении при креплении смешанной крепью полевых выработок 60-100 м/мес., пластовых 140-200 м/мес. Для разрезных печей (размеры ширина - 6,5 м, высота 2,5 м) темпы проходки 50-80 м/мес. Срок службы выработок составляет 3-4 года.
В тех случаях, когда применение анкеров нецелесообразно (трещиноватые, неустойчивые, обводненные породы, наличие тектонических нарушений и др.), применяются другие способы усиления крепи. Вместе с тем анкерная крепь может эффективно применяться не только в выработках, сохраняемых повторно, но и в погашаемых за лавой или проводимых вприсечку к выработанному пространству в тех случаях, когда условия ее применения соответствуют горногеологической обстановке.
Для установления влияния горно-технологических факторов и параметров заложения выработок относительно элементов залегания угольных пластов на их устойчивость на шахтах Угольного департамента АО «Арселор Миттал Те-миртау» были проведены наблюдения 28 выработок (шахты им. Кузембаева, им. Костенко, «Саранская», «Тентекская», «Абайская», «Шахтинская», им. Ленина, «Казахстанская») (табл. 1).
Анализ результатов производился с учетом следующих факторов:
- расположение выработки: в целике, в присечку, в зоне влияния очистных работ, вне ее;
- вид крепления: металлическое рамное, смешанное (ме-талло-анкерное) и анкерное.
Анализ и обобщение состояния подготовительных выработок шахт бассейна показали, что на стадии проходки при-
мерно в 25-30 % из них происходят опасные деформации и потери устойчивости породных обнажений, в этом числе 40 % из них вне зоны влияния очистных работ и 60 %-в зоне влияния. Потери устойчивости породных обнажений приводят к снижению скорости проведения выработок на 4045 % и увеличению Таблица 1
Плотность установки анкерного крепления в зависимости от площади поперечного сечения горной выработки
Пло щадь сече- Количество анкеров на м2, анк/км2 1,0 1,25 1,35 1,5 1,75 1,85 2,0
ния Расстояние 1,0 0,9 0,85 0,8 0,75 0,72 0,7
выра- между анке-
ботки в рами в ряду и
рядами анке-
свету, ров, м
м2
12,8 14,4 17,6 20,3 анкеров в ряду, анк/м анкеров, анк на 1 м, анк/м анкеров: в ряду, анк/м анкеров: в ряду, анк на 1 м, анк/м анкеров в ряду, анк/м анкеров, анк на 1 м, анк/м анкеров в ряду, анк/м анкеров, анк на 1 м, анк/м 4,0 4,0 5,0 5.0 5,0 5,0 6,0 6,0 4,0 4,4 5,0 5.6 6,0 6.7 6,0 6.7 5,0 5,9 5,0 5,9 6,0 7,0 7,0 7,9 5,0 6,2 6,0 7,5 6,0 7,5 7,0 8,8 5,0 6,7 6,0 8,0 7,0 9,4 8,0 10,6 6,0 8,4 7,0 9,7 7,0 9.7 8,0 11,1 6,0 8,6 7,0 10,0 7,0 10,0 8.0 11,4
расхода крепежных материалов. Кроме того, 35-40 % несчастных случаев на горно-подготовительных работах обусловлены потерей устойчивости породных обнажений и обрушением пород кровли, и боков выработок.
На рис. 2 представлена динамика конвергенции выработки в зависимости от типа крепления. а
250
я
200
и
X «> 150
К
к с; 100
ю
50
.3
/
/ 1
50 100 150 200
Время поддержания выработки в сутках
250
Рис. 2. Динамика конвергенции выработки в зависимости от типа крепления: а - смещения контуров: 1 - анкерная крепь; 2 - комбинированная крепь; 3 - усиленная в зонах нарушений или опорного давления; б - геомеханика смещений вокруг выработки
б
С ростом глубины разработки (до 750-800 м), увеличения сечения горных выработок (до 18-20 м2), при сроке поддержания 3-5 лет, растут смещения пород кровли (0,3-0,5 м и более), почвы (0,4-0,6 м и более) на их контуре при нагрузке на крепь (до 800-900 кН), что требует повышенной плотности рамной крепи (2,6-2,7 рам/пог. м и применения смешанного крепления) и обуславливает повышенные затраты на проведение Таблица 2
Ожидаемые смещения кровли и почвы в выработках
Характер проведения Расчетные значения
выемочной выработки Чоч, мм/сут Чу, мм/сут Ro1, мм Ro2, мм Rа, мм Rо, мм
Пройденная в массиве 0,6 - 60 - - 250
Присечная 1,2 - 110 - - 500
Оформляемая за лавой - 1,5 - 110 160 680
Поддерживаемая за лавой 0,60,9 0,8 - 1,6 60 110 140160 850
горных выработок: где ^ и Уу — скорость смещений пород, соответственно, вне зоны влияния очистных работ и в зоне установившегося горного давления; И01, Я02, Ка, Ко — смещения пород в зоне, соответственно, временного опорного давления впереди первой, второй лавы; активных сдвижений кровли за первой лавой; общая величина ожидаемой конвергенции (табл. 2).
Результаты исследований свидетельствуют о более сложных условиях поддержания выработок, формируемых позади лавы в 1,3-2,5 раза и повторно используемых 1,7-3,5 раза по сравнению с присечными и выработками, пройденными в угольном массиве. Если давление вдоль выемочной выработки возросло, например, на 60 МПа, то конвергенция составляет в отстающей выработке 16 %, в выработке, пройденной одновременно с лавой растет на 26 %, а в опережающей выработке - около 37 % первоначальной высоты. Отстающая выработка имеет более высокое сопротивление при
возрастающем давлении, чем другие выработки и крепь в ней в два раза устойчивее, чем при опережающей выработке.
Установлено влияние плотности установки анкеров на развитие вокруг выработки деформаций при влиянии фронта очистных работ воздействием анкерной крепи путем создания вокруг выработок упрочненной зоны.
Установлено, что на пучение пород почвы существенное влияние оказывает применение анкерной крепи в комбинации с металлоарочной податливой крепью. В выработке с комбинированной и анкерной крепью пучение составило 0,10,15 м, а в выработке с металлоарочной крепью (МРК) — 0,40,5 м. Опускание кровли при этом в обоих случаях мало отличается и составляет 1,0-1,1 м.
Начало интенсивных смещений пород наблюдаются на расстоянии 80-120 м от лавы (при максимуме нагрузки 250 — 350 кН и допустимой 260 кН, при шаге крепи МРК- 0,95 м) от линии очистного забоя с максимальным смещением кровли 0,5-1,1м по кубической параболе при изменении мощности пласта от 1,5 до 4,0 м. Смещения боковых стенок на 20-45 % меньше смещений кровли. При этом смещения боков со стороны выемочного столба на 25-45 % больше, чем со стороны нетронутого массива.
Расслоение пород на глубине 2,0-2,5м составило 0,20,25 м при мощности пласта 1,5-2,0м и соответственно 0,5-0,55м при мощности пласта — 3,5-4,5м.
Нагрузка на крепь при мощности пласта 2,0 и 4,0м составили со стороны кровли 50 и 80 кН, со стороны выемочного столба 45 и 70 кН, со стороны нетронутого массива 40 и 65 кН (меньше на 7-8 %). Трещинообразование на пластах мощностью 1,5-2,0 м и 3,5-4,0 м развивалось под влиянием опорного давления на глубину 2,5 и 4,5 м, в боках — 0,9 м и 1,2-1,7 м с расстоянием между трещинами 0,1-0,3м, что позволяет применение анкерной крепи длиной 2,3-2,4м с установкой ее под углом к напластованию.
Анкерное крепление позволяет снизить смещения кровли (рис. 3, а, б) и почвы (рис. 4, а, б) соответственно в 1,8 и 2,0, а коэффициент уменьшения смещений почвы и кровли выработки соответственно в 0,55 и 0,45. Установка анкеров
уменьшает смещения пород кровли и почвы, за счет уменьшения размеров зон расслоения в среднем в 1,5 раза. Плотность установки анкеров в пределах рассматриваемых изменений (0,8-1,2 анкер/м2) не существенно влияет на деформацию выработок.
При повышении прочности пород непосредственной кровли за счет крепи усиления в виде анкерной крепи, растет прочность вмещающих пород за счет их «сшивки» анкерами
а
ик,м
0,8
I ^11
50
150 Ь.м
4 3 2
Ч. х. а с в
0.4
00
б
0,35 0,7 ик,м
Рис. 3. Зависимость коэффициента влияния анкерования ^к — б) на смещения пород кровли ^к — а) от расстояния от лавы к плотности установки анкеров (Па, анкер/м2): I - с металлоарочной (МРК); II - с анкерной и МРК, Па: а - 0,8; б - 1,0; в - 1,2
а
и,М
1.0
0.5
50 100 150 Ь,м
б
Un,M 0,6
0,3
4 3 2 ^____ • ' 1
ЧХ
Ч •,. \ а 6 в
0,6 1.2 ип,м
Рис. 4. Зависимость коэффициента влияния анкерования на смещения пород почвы от расстояния от лавы ^, м): 1 - в створе с лавой; 2 - в 40 м; 3 - в 80 м; 4 - в 120 м
(увеличилась в 1,2-1,3 раза). Величина общей деформации боков выработки при металлоарочной крепи составляла в среднем 0,55 м или в 2 раза больше деформаций, чем при анкерной усиливающей крепи. Проведенные исследования показали эффективность крепления подготовительных выработок комбинированной анкерно-арочной крепью для обеспечения их устойчивости поддержания, так как этих условиях максимальные смещения боков выработки в 3 раза, а пучение пород почвы в 4 раза меньше, чем при применении только металлоарочной крепи, еш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Демин Владимир Федорович — доктор технических наук, профессор, Демина Татьяна Владимировна — кандидат технических наук, старший преподаватель,
Карагандинский государственный университет,
Алиев Самат Бикитаевич — доктор технических наук, профессор, Евразийская экономическая комиссия, заместитель директора департамента,
Разумняк Н.Л. — доктор технических наук, профессор, советник генерального директора «ННЦГП — ИГД им. А.А. Скочинского».
