CC BY
36
------------------------------------------------ © А.И. Федоренко 2008
УДК 622.83 А.И. Федоренко
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УДАРООПАСНЫХ ЗОНАХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СИБИРИ
Даны рекомендации повышения безопасности горнопроходческих работ
Семинар № 15
звестно, что для создания устойчивой конструкции любого элемента сооружения и, в частности, подземной горных выработок различного назначения необходимо знать напряженное состояние ее элементов и закономерности его изменения в процессе разработки месторождений полезных ископаемых. Но для определения этих напряжений необходимо также знать исходное поле напряжений массива горных пород разрабатываемых месторождений.
Напряженное состояние отдельных участков массива обусловлено различием прочностных, деформационных и иных свойств литологически различных пород, блоков, отдельностей и их взаимного расположения. Если добавить к этому установленное геодинамическим районированием наличия в массиве тектонически-напря-женных зон и зон разгрузки, обязанным своим происхождением подвижкам в массиве по неровным поверхностям контактов блоков, тектонических нарушений, то можно сделать вывод, что массив горных пород в условиях естественного состояния характеризуется крайне дискретным распределением напряжений.
На основе теоретических и производственных исследований разработаны рекомендации по уменьшению динамического проявления горного давления путем, например, разгрузки массива камуф-
летным взрыванием, компоновкой выработок по возможности параллельно максимальной горизонтальной составляющей напряжения, придание выработки рациональной формы, бурении скважины во врубе и т.д. Это дает положительные результаты. Кроме этого увеличивает безопасность ведения горных работ использование неэлектрической системы инициирования (СИНВ) по сравнению с электрическим, огневым и электроогневым способами. Этот способ находит все большее применение в горной промышленности. Так на горных предприятиях ОАО «Ев-разруда» все шахты перешли на СИНВ как при проведении капитальных и подготовительных, так и нарезных выработок (табл. 1).
При монтаже взрывной сети все шпуровые заряды разбиваются на пучки ударно-волновые трубки (УВТ) которых соединяются детонирующим шнуром в один пучок и взрываются при помощи электродетонатора (рис. 1). Непосредственно в самих шпурах патрон-боевик с детонатором и ударно-волновой трубкой располагаются в донной части шпура (обратное инициирование) (рис. 2). В качестве патрона ВВ для боевика используется аммонит 6ЖВ диаметром 32 мм. Интервалы замедления составляют: во врубовых шпурах - 20 + 80 мс и в остальных шпурах - до 10 с.
Таблица 1
Объемы проходки горных выработок по филиалам ОАО «Евразруда» за 2006 год
Филиал подготовительные капитальные нарезных Общий объем
Горношорский 483 0 9815 10408
Казский 1056 643 4801 6500
Абаканский 1435 90 4800 6325
Таштагольский 571 121 5241 5933
Итого 3545 964 24657 29166
Положительным свойством СИНВ-Ш является то, что работоспособность устройства сохраняется после пребывания в водной среде с рН от 4 до 9 при давлении 0,1 МПа в течение 6 часов, а усилие на разрыв не менее 200 Н, относительное удлинение с сохранением работоспособности при температуре от 10 до 35 °С не менее 100 %. Инициирование УВТ приводит к образованию устойчивого процесса, распространяющегося внутри трубки со скоростью около 2 км/с. Давление в потоке продуктов взрывного процесса не превышает 5 МПа, которое не разрушает волновод,
но достаточно для инициирования капсюля-детонатора.
Монтаж СИНВ-Ш при взрывных работах в подземных условиях аналогично монтажу электрических сис-тем инициирования. В боевике каж-дого шпурового заряда размещается КД устройства СИНВ-Ш заданного времени замедления. Ударно-волно-вые трубки, выходящие из шпуров инициируются одновременно с помо-щью
щего шнура или от устройства СИНВ-П мгновенного действия (СИНВ-П-0). При неболь-шом количестве инициирующих устройств соединение их ударно-волновых трубок с детонирующим шнуром может происходить при помощи специальных соединителей. При большом количестве УВТ собираются в пучки и обвязываются двойной петлей детонирующего шнура. Количество УВТ в одном пучке (связке) может составлять до 15 штук.
Опыт внедрения системы неэлектрического инициирования зарекомендовал ее как надежную систему, которая имеет необходимый и широкий диапазон интервалов замедления.
Рис. 1. Схема расположения
шпуров в забое
Рис. 2. Конструкция шпуровых зарядов
Она обеспечивает высокую безопасность механическим воздействием за счет исключения из состава детонатора первичных инициирующих веществ и незначительного количества взрывчатого вещества (ВВ) в УВТ. Кроме того, данная система нечувствительна к электрическим и электромагнитным воздействиям, позволяющая использовать механизированное заряжание шпуров гранулированными взрывчатыми веществами. Эти и другие достоинства системы позволяют существенно повысить эффек-
тивность и безопасность взрывных работ на горных предприятиях.
В табл. 2 представлены интервалы замедлений при длине ударно-волно-вой трубки 5 м устройств СИНВ-Ш.
Проведение выработок в массиве горных пород физически означает, прежде всего, образование некоторой полости в среде, находящейся в определенном напряженном состоянии под действием сил гравитации и сил тектонического происхождения. Вследствие этого образование полости вызывает
Таблица 2
Интервалы замедления устройств СИНВ-Ш
Наименование устройства Время замедления, мс Наименование устройства Время замедления, мс
СИНВ-Ш-0 2,5 СИНВ-Ш-500 500
СИНВ-Ш-20 20 СИНВ-Ш-600 600
СИНВ-Ш-40 40 СИНВ-Ш-700 700
СИНВ-Ш-60 60 СИНВ-Ш-800 800
СИНВ-Ш-80 80 СИНВ-Ш-900 900
СИНВ-Ш-100 100 СИНВ-Ш-1000 1000
СИНВ-Ш-125 125 СИНВ-Ш-2000 2000
СИНВ-Ш-150 150 СИНВ-Ш-3000 3000
СИНВ-Ш-175 175 СИНВ-Ш-4000 4000
СИНВ-Ш-200 200 СИНВ-Ш-5000 5000
СИНВ-Ш-250 250 СИНВ-Ш-6000 6000
СИНВ-Ш-300 300 СИНВ-Ш-7000 7000
СИНВ-Ш-350 350 СИНВ-Ш-8000 8000
СИНВ-Ш-400 400 СИНВ-Ш-9000 9000
СИНВ-Ш-450 450 СИНВ-Ш-10000 10000
практически мгновенное перераспределение напряжений в массиве и формирование нового напряженно-
деформированного состоя-ния пород в области массива, непосредственно примыкающей к контуру выработки.
Как известно, наиболее лимитирующим элементом при креплении горных выработок является ее кровля. При этом если горизонтальные напряжения будут превышать вертикальные, что характерно для рудников Горной Шории и Хакасии, то в кровле выработок возникают касательные (срезающие) напряжения, величина которых зависит от ряда факторов: величины исходного поля напряжений, направления выработки относительно максимальной составляющей напряжения, формы ее поперечного сечения, соотношения ширины и высоты выработки, физико-механических
свойств массива и др. Однако при прочих равных условиях бока выработки обладают большей устойчивостью по сравнению с ее кровлей.
Для повышения безопасности при эксплуатации горных выработок важную роль играет вид крепления, особенно в условиях проявления горного давления в динамической форме. При разработке и выборе рациональной конструкции крепи и технологии ее возведения руководствуются следующими критериями оценки качества крепления: надежной работе, кон-струкция крепи должна обеспечивать максимальное пользование прочностных свойств сива, окружающего горную выработку. Она должна быть технологичной, удобной для установки и обслуживания, номичной. Этим условиям отвечает комбинация анкерной крепи в сочетании с набрызгбетоном и решеткой. Наличие решетки и анкеров является основным условием устойчивого состояния
ботки, закрепленной комбинированной крепью. Причем наиболее рациональной конструкцией анкерной крепи, на наш взгляд, являются трубчатые анкеры взрывного закрепления, которые можно устанавливать в процессе проведения горных выработок [1, 2].
Сущность технологии крепления заключается в бурении шпуров в забое для проведения горной выработки и бурении шпуров в кровле для установки трубчатых анкеров. Далее оснащаются трубчатые анкеры детонирующим шнуром и водой и осуществляется установка их в шпуры кровли выработки и заряжание шпуров в забое. После этого монтируется общая взрывная сеть из детонирующего шнура для взрывания шпуров и трубчатых анкеров и взрывается. Причем заряды в трубчатых анкерах взрываются мгновенно по сравнению с зарядами шпуров в забое. Таким образом, создается технология проведения и крепления горных выработок одновременно. Лабораторными и аналитическими исследованиями установлено, что анкеры целесообразно располагать не по нормали к контуру выработки, а под некоторым углом. Это увеличивает сдвиговую жесткость массива [3, 4]. Для конкретных горно-геологических условий может быть выбрана своя схема установки анкеров. Наиболее эффективной для всего разнообразия блочности массива является схема приведенная на рис. 3.
Такое расположение анкеров совместно с решеткой и набрызгбетоном позволяет в большей степени связать при-контурный массив в единую несущую конструкцию, которая обладает высокой устойчивостью.
Для обоснования параметров крепления горных выработок вначале рассчитывается коэффициент устойчивости по формуле [5]
КУ =>/[Х] 1 Тср ,
где Ку - коэффициент устойчивости; [т] - предел прочности пород на срез, МПа; тср - действующее напряжение
среза, МПа.
После определения коэффициента устойчивости в кровле и боках горной выработки по табл. 3 определяется категория устойчивости и конструкция крепи.
Если при расчетах получается разная категория устойчивости в кровле и боках выработки, то в этом случае целесообразно использовать дифференцированный способ крепления. Например, если кровля выработки обладает меньшей устойчивостью по сравнению с боками, то она может быть закреплена комбинированной крепью (набрызгбе-тон-анкера-сетка), а бока выработки
Рис. 3. Схема расположения анкеров для крепления горных выработок и монтаж взрывной сети
могут или вообще
не крепиться, или закреплены набрызгбетоном. В этом случае после проведения горной выработки наносится изолирующий слой набрыз-гбетона толщиной 30 мм, основная цель которого предотвратить проникновение агрессивной воздушной и водной среды в трещины приконтурного массива. После этого устанавливается анкерная крепь в кровле с решеткой и при необходимости наносится второй слой на-брызгбетона только по кровле (рис. 4).
При необходимости толщину его можно увеличить до получения нужной грузонесущей способности.
Величину отставания временной крепи от груди забоя определяют из выражения:
L = 2,15 • 10-5 • осж • Ку / у, где L - величина отставания крепи, м; осж - предел прочноси пород на одноосное сжатие, МПа; Ку - коэффициент устойчивости выработки; у - объемный вес горных пород, МН/м3.
Таблица 3
Категории устойчивости и рекомендуемы виды крепей
Степень Категория Коэффициент Рекомендуемые
устойчивости устойчивости устойчивости виды крепей
Весьма 1 > 1 без крепи, набрызгбетон
устойчивые
Устойчивые 2 1-0,65 набрызгбетон-анкера, набрызгбетон-
анкера-сетка
Средней 3 0,65-0,45 набрызгбетон-анкера-сетка-
устойчивости набрызгбетон, другие виды крепей
Неустойчивые набрызгбетон-анкера-сетка-несколько
4 < 0,45 слоев набрызгбетона по кровле, другие виды крепей
£250
Б
6-В
Вад &н&ра до устаиовт после установки
Рис. 4. Паспорт крепления горной выработки: 1 - трубчатый анкер; 2 - уплотнитель; 3 - опорная плита; 4 - детонирующий шнур; 5 - вода
Выводы
1. Для повышения безопасности горнопроходческих работ целесообразно переходить на инициирование шпуровых зарядов при помощи СИНВ.
2. Наиболее рациональной конструкцией крепи горных выработок является крепь, взаимодействующая с массивом горных пород.
1. Кравченко Г. И. Временная технологическая инструкция по применению и установке трубчатых штанг взрывного закрепления / Г.И. Кравченко, В.Г. Венгловский, А.И. Федоренко - Новокузнецк, 1982. - С. 26.
2. Венгловский В.Г. Расчет несущей способности трубчатых штанг взрывного закрепления / В.Г. Венгловский, А.И. Федоренко -Известия вузов. Горный журнал № 2, 2006. - С. 64-68.
3. Федоренко А.И. Теоретические основы повышения устойчивости горных выработок / А.И. Федоренко // Горный информационно-аналитический бюллетень. Изд-во Москов-
3. Для железорудных месторождений целесообразно использовать анкерную крепь в сочетании с решеткой и набрыз-гбетоном.
4. Для увеличения несущей способности приконтурного массива анкерную крепь необходимо устанавливать под определенным углом к контуру выработки.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ского государственного горного университета, 2007, № 9 - С. 389-393.
4. Федоренко А. И. Исследование влияния расположения анкеров на устойчивость обнажений горного массива / А.И. Федоренко // Горный информационно-аналитический бюллетень. Изд-во Московского государственного горного университета, 2007, № 9 - С. 372375.
5. Федоренко А.И. Устойчивость горных выработок / А.И. Федоренко // Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых: Международный науч.-техн. сб. Вып. 4. Новокузнецк: СибГИУ, 1998 - С. 52-59.
1ГД-Ч:1
— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------------
Федоренко А.И. - кандидат технических наук, доцент, директор Осинниковского филиала Сибирского государственного индустриального университета.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.
А
