Ресурсосберегающая технология строительства капитальных горных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.В. Быков, 2004

УДК 622.281.4:693.546.3 А. В. Быков

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

ТЪ 60-70-е годы прошлого столетия в

-Л-М СССР ежегодно проходилось только на угольных шахтах около 1000 км капитальных горных выработок. Обследование большого количества выработок в Донецком бассейне показало, что при буровзрывном способе проходки имело место нерациональное оконтуривание таких выработок, что приводило к значительным объемам перебора породы. Это обуславливало ухудшение условий работы крепи и увеличение объема ремонтных работ. Иногда капитальные горные выработки дважды перекреплялись еще в период строительства угольных шахт, что сопровождалось большим перерасходом строительных материалов - бетона и, особенно, - металла.

Проведенный анализ отечественных технологий строительства подземных горных выработок угольных шахт показал, что их проходят традиционными способами с малым числом новых конструкций крепей. При этом общая производительность труда за последние 25-30 лет на проходке возросла незначительно: с 0,7-0,8 м3/чел.-смену готовой выработки до 1,1-1,3 м3/чел.-смену. Особенно обращает на себя внимание тот факт, что процесс крепления выработок в горнопроходческом цикле остается сложным и трудоемким. Причем при строительстве выработок буровзрывным способом трудозатраты только на крепление составляют от 30 до 50 % всех трудозатрат.

Вместе с тем известно, что с увеличением глубины проходки значительно возрастает и давление на крепь, а значит при таких конструкциях крепей будут и дальше возрастать трудоемкость на их возведение и, соответственно, стоимость. Уже сегодня в Украине стоимость крепления возросла в 2 - 3 раза, трудоемкость - в 3,7 раза, а расход металла -в 2 раза. Выходом из создавшейся ситуации,

по всей видимости, является поиск и создание новых ресурсосберегающих технологий проходки капитальных горных выработок.

По мнению автора, а также ряда других ученых, необходимо создавать эффективные и экономичные инженерные решения по технологии строительства капитальных горных выработок, которые максимально используют закономерности формирования напря-женно-деформиро-ванного состояния пород вокруг выработки при щадящем контурном взрывании и возможность регулирования несущей способности крепи на основе контроля смещений породных обнажений. Для обоснования области эффективного применения ресурсосберегающей технологии строительства капитальных горных выработок автор проводил исследования по оценке состояния пород в приконтурной зоне массива, испытывающих влияние взрывных работ. Наблюдения и анализ поведения трещин проводились с помощью прибора РВП-451, который устанавливался в специальных скважинах и фиксировал количество трещин, их направление, раскрытие, а также расстояние от поверхности выработки. Одновременно делалась количественная оценка переборов пород.

Трещины, вызванные взрывными работами, отчетливо отличаются от природных как при анализе кернов, так и при осмотре стенок скважин. Массив горных пород, примыкающий к выработке, имел неодинаковые разрушения как по длине заходки, так и по высоте выработки. Поверхностные разрушения стенок на тех участках, где располагалась забойка шпура, были меньше, чем на участках расположения заряда. В забое вокруг стаканов шпуров имелись трещины радиальные, идущие от оси шпуров вглубь массива, и кольцевые, расположенные по концентрическим окружностям вокруг шпу-

ров. Радиальные трещины распространялись на 10-15 см от оси шпура.

Проведенные исследования позволили обнаружить в массиве трещины ранее неизвестного вида - параллельные или почти параллельные стенкам выработок. Глубина их распространения, считая от линии оконтури-вающих шпуров, достигала 40-50 см, то есть в 3-4 раза превышала глубину проникновения в массив радиальных трещин. Более того, на участках между оконтуривающими шпурами радиальных трещин в стенках выработки не было замечено, а трещины, параллельные или почти параллельные стенкам выработки, были.

Одной из особенностей обнаруженных трещин являлось то, что они не были локальными, а распространялись в массиве почти по всему периметру выработки, а также вдоль нее. В процессе бурения с промывкой при пересечении первой зоны трещин промывочная вода, поступавшая в выбуриваемую скважину, просачивалась по трещинам в соседние скважины. То же самое наблюдалось при пересечении выбуриваемой скважиной второй и последующих зон трещин.

Установлено, что трещины распространяются в массив по периметру выработки на разную глубину в зависимости от формы сечения выработки и от направления слоистости пород. При прямоугольном сечении в боках выработки на участке залегания однородных песчаников с направлением слоистости, перпендикулярном стенкам выработки, глубина трещино-образования составила 4050 см от линии оконтуривающих шпуров. В кровле, где залегали песчаники почти горизонтальными слоями мощностью 10-20 см, глубина трещинообразования составила 6570 см, а в почве выработки, где параллельно ей залегали тонкослоистые песчаники с мощностью слоев от 0,5 до 3 см, глубина распространения трещин в массив была максимальной и достигла 110-120 см. При сводчатой кровле глубина зоны трещинообразования в кровле была меньше, чем при плоской - 32-34 см. Глубина зоны трещинообразования существенно зависит как от характера и крепости пород, так и от вида ВВ. Замеры переборов пород, проведенные в экспериментальных выработках, показывают, что фактические контуры сечения выработок в проходке, как правило, существенно отли-

чаются от проектных и по форме и по размерам. На шахте № 5 им. В.И. Ленина переборы нередко достигали 36-37 % площади сечения, а излишек сечения выработки - 5 м2. Линейные величины переборов породы при проведении выработок околоствольного двора на шахте им. А.Ф. Засядько достигали 4050 см с каждой стороны выработки, а также со стороны кровли. В результате проведенных работ подтвердилось мнение о необходимости проходить выработки проектным сечением с наименьшими нарушениями окружающих выработку пород за счет использования метода щадящего контурного взрывания. Результаты внедрения этого метода прямо привели шахтостроителей к идее крепить такие выработки более дешевой крепью - набрызгбетоном, анкерами или комбинированной (анкера и набрызгбетон).

Экспериментальная проверка возможности и целесообразности применения в выработках, проводимых методом контурного взрывания, крепи из набрызгбетона была выполнена еще в 1967 г. на шахте им. К. Маркса. Для проведения экспериментов были подобраны параллельные выработки околоствольного двора нового горизонта: порожняковая ветвь угольного опрокида ствола № 3 и порожняковая ветвь ствола № 2. Первая выработка проводилась с использованием метода контурного взрывания и в ней возводилась крепь из набрызгбетона толщиной 7-12 см. Вторая выработка была проведена методом обычного взрывания и закреплена металлической арочной крепью СП-28, предусмотренной проектом. Обе выработки имели площадь поперечного сечения в проходке 12,5 м2 и проводились в крепком песчанике (Г = 12 - 14).

Положительные результаты применения такой крепи на опытных участках позволили автору совместно с сотрудниками кафедры СПСиШ Московского горного института приступить к исследованию и разработке ресурсосберегающей технологии проходки, в основе которой может быть использована крепь регулируемого сопротивления. В общем случае такая крепь представляет собой совокупность вариантов сочетаний отдельных конструкций крепи, устанавливаемых по длине выработки, с рациональными параметрами для различных ее участков, определяемыми на основании непрерывного контроля смещений поверхности (кровли) выработки.

І

-

<

и

0

е-

К

1 о

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ И МАКСИМАЛЬНЫХ СМЕЩЕНИЙ КОНТУРА ВЫРАБОТКИ ПО ЕЕ ДЛИНЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОТПОРА КРЕПИ

ВЫБОР ВАРИАНТОВ БАЗОВОЙ КРЕПИ И ВАРИАНТОВ УСИЛЕНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО

ВЫБОР СПОСОБА КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИИ КОНТУРА ВЫРАБОТКИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СИГНАЛЬНЫХ СМЕЩЕНИЙ И РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ДАТЧИКАМИ ПО ДИНЕ

ВЫРАБОТКИ

О

и

-

и

-с

=;

и

ь

3

О

Сь

г-

и

V

КРЕПЛЕНИЕ ВЫРАБОТКИ БАЗОВОЙ КРЕПЬЮ УСТАНОВКА ДАТЧИКОВ В КРОВЛЮ ВЫРАБОТКИ

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА СМЕЩЕНИЯМИ КРОВЛИ ВЫРАБОТКИ

______________■... I

УСИЛЕНИЕ КРЕПИ ВЫБРАННОЙ КРЕПЬЮ УСИЛЕНИЯ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УСТАНОВКОЙ ДАТЧИКОВ НА УЧАСТКАХ ВЫРАБОТКИ, ГДЕ СМЕЩЕНИЯ ДОСТИГЛИ СИГНАЛЬНЫХ

ЗНАЧЕНИЙ

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА СМЕЩЕНИЯМИ КРОВЛИ ВЫРАБОТКИ И ПОВТОРНОЕ УСИЛЕНИЕ КРЕПИ ПРИ НЕОБХОДИМОСТИ ПРИ КАЖДОМ УСИЛЕНИИ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ УСТАНОВКА ДАТЧИКОВ И КОНТРОЛЬ ЗА СМЕЩЕНИЯМИ КРОВЛИ

ПРОДОЛЖЕНИЕ КОНТРОЛЯ ЗА СМЕЩЕНИЯМИ КОНТУРА ВЫРАБОТКИ ДО ИХ ЗАТУХАНИЯ

Алгоритм проектирования и строительства горных выработок с применением крепи регулируемого сопротивления

В результате исследований был разработан алгоритм проектирования и строительства горных выработок с применением крепи регулируемого сопротивления, блок схема которого представлена на рисунке. В 1984 г. было начато опытно-промышленное внедрение крепи регулируемого сопротивления на шахте «Комсомолец Донбасса» в наклонном

и конвейерном квершлагах комплекса перегрузки угля. Всего было испытано и внедрено 6 вариантов крепи. Большей частью в качестве базовой была принята набрызгбетон-ная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами.

Пятилетний опыт применения контурного взрывания и набрызгбетона при проведении выработок трестом «Горловскуглестрой» привел к экономии 20 тыс. руб. на 1 км пройденных горных выработок и показал

возможность экономии ресурсов особенно при организации скоростных проходок. Так, например, рекордная проходка околоствольного двора на шахте «Красный Октябрь» свидетельствует о целесообразности контурного взрывания и экономической эффективности ресурсосберегающей технологии проведения выработок, разработанной под руководством и при участии автора статьи.

Комплекс проходимых выработок длиной 288 м в около-ствольном дворе гор.790 м этой шахты был выполнен в объеме 3704 м3 за 31 рабочий день за счет внедрения скоростной технологии проходки.

Проходческий забой был оснащен двумя породопогрузочными машинами ППМ-4 в комплексе с консольными перегружателями. Для обуривания забоя применялись бурильные молотки ПР-24ЛБ. Графиком организации работ предусматривалось выполнение проходческого цикла за 4 часа, или шесть циклов в сутки. После установки полка начиналось бурение шпуров. По паспорту буровзрывных работ в выработке сечением 12 м2 в свету бурилось 48 шпуров длиной 1,252,8 м. В обуривании забоя принимало участие 12 проходчиков. В среднем каждый проходчик за 60 мин должен был пробурить четыре-пять шпуров. Одновременно в работе было до 12 бурильных молотков. Результаты скоростной проходки приведены в таблице.

Основные технико-экономические показатели, достигнутые на скоростной проходке

Фактически дос-

Наименование операции тигнутые показатели

Выполнено готовой выработ- 704

ки, м

Подвигание забоя, м 288,4

Численность проходчиков В 87

бригаде, чел.

Месячная производительность 42,56

проходчика, м3/мес.

Выполнение месячного норма- 120

тива, %

Получено экономии благодаря

сокращению общешахтных на- 92,4

кладных расходов, тыс. руб.

Из приведенного материала прежде всего видно, что реализация ресурсосберегающей технологии строительства капитальных горных выработок включает технические и технологические решения, учитывающие закономерности зоны деформирования и разрушения вмещающего выработку породного массива, достоинства контурного щадящего взрывания, на-брызгбетонной крепи и технологии возведения крепи регулируемого сопротивления, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение технического и экономического уровня шахтного строительства за счет снижения его стоимости и продолжительности, увеличения производительности проходчика примерно в 1,5 раза и повышения эффективности проходки выработок примерно в 3-4,5 раза.

Коротко об авторах _______________________________________________

Быков Алексей Владимирович - кандидат технических наук, НТЦ «Шахтострой», Украина.