CC BY
48
DOI: 10.26730/1999-4125-2018-2-45-52 УДК 622.256.753
УВЕЛИЧЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАМНОЙ КРЕПИ ПУТЕМ ПОЛНОГО ЗАПОЛНЕНИЯ ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА ТАМПОНАЖНЫМ МАТЕРИАЛОМ
INCREASE OF THE CAPACITY OF THE FRAME SUPPORT BY FULL FILLING OF THE BEHIND-ANCHORING SPACE WITH BACKFILL MATERIAL
Тациенко Виктор Прокопьевич1,
доктор техн. наук, e-mail: [email protected] Victor P. Tatsienko, Dr.Sc. (Tech.) Лисковец Александр Сергеевич1, ст. научный сотрудник, e-mail: [email protected] Alexander S. Liskovets, senior researcher Саблин Максим Викторович2, главный инженер, e-mail: [email protected] Maxim V. Sablin, chief engineer
кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
]T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 Vesennyaya street, Kemerovo, 650000, Russian Federation
2Шахтоуправление им. А Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс», 652519, Россия, г. Ленинск-Кузнецкий, ул. Шилина, 1
2A.D Ruban Underground Mining Office of JSC «SUEK-Kuzbass», 1 Shilina street, Leninsk-Kuznetzky, 652519, Russian Federation
Аннотация: В данной статье приведено краткое описание и результаты лабораторных и натурных испытаний рамной крепи с заполнением закрепного пространства тампонажным материалом. Дана характеристика горно-геологических условий на участке проведения наклонного конвейерного ствола участка Сычёвский I Шахтоуправления имени А.Д. Рубана (АО «СУЭК-Кузбасс»). Выполнена проверка качества тампонажа по описанной технологии, определены прочностные характеристики тампонаж-ного камня и степень влияния тампонажного раствора на вмещающий массив. Установлено, что применение армированного полотна в качестве межрамного перекрытия увеличивает прочность тампонажного камня. Сформулированы некоторые рекомендации по использованию армированного полотна.
Abstract: A brief description and results of laboratory and full-scale tests of the frame support with filling of the behind-anchoring space with backfill material are given in this article. The characteristics are given to the mining and geological conditions at the site where the belt incline is being driven at the Sychevsky I section of the A.D. Ruban Mine (JSC SUEK-Kuzbass). The quality of backfill was tested according to the described technology, the strength characteristics of backfill stone and the degree of influence of the grouting mortar on the surrounding rock massif were determined. It is established that the use of reinforced canvas as a between-frame overlap increases the strength of the backfill stone. Some recommendations on the use of reinforced canvas have been formulated.
Ключевые слова: Рамная крепь, тампонирование, закрепное пространство, цементация породного массива.
Key words: Frame support, backfilling, behind-anchoring space, cementation of the rock massif.
Введение.
Тампонаж закрепного пространства в Кузбассе получил широкое распространение при проведении горных выработок в сложных горно-геологических условиях (переход водоносных
горизонтов, неустойчивых пород, зон влияния нарушений и пр.). Технологии тампонажа закреп-ных пустот и инъекционного упрочнения массива горных пород [1-8] в сочетании с традиционными типами крепей использовались на многих шахтах
Кузнецкого бассейна. Основными причинами, сдерживающими применение инъекционного упрочнения как способа повышения устойчивости выработок [9-12], являются отсутствие геомеханического обоснования крепления выработок с учётом водоотдачи тампонажных растворов под давлением, отсутствие конструкций и технологии возведения изолирующих оболочек вокруг выработок, а также работоспособных тампонажных комплексов. Поскольку большинство горно-геологических условий Кузбасса относится к сложным, то задачи, обозначенные в данной статье, являются актуальными.
Материалы и методы.
В рамках исследования технологии увеличения несущей способности рамной крепи способом полного заполнения закрепного пространства были проведены лабораторно-стендовые испытания элементов крепи горных выработок и натурные экспериментальные исследования состояния системы «крепь - тампонажный слой - массив гор-
ных пород» в наклонном конвейерном стволе участка Сычёве кий I Шахтоуправления имени А.Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс». Объектом исследований являлась тампонажная крепь (тампонажный слой, массив горных пород вокруг тампо-нажного слоя). Схема конструкции исследуемой крепи представлена на рис. 1.
Рамная тампонажная крепь (рис 1) горной выработки состоит из металлической рамной крепи, тампонажного слоя, армированного полотна, используемого в качестве межрамного перекрытия, имеющего внутренние поперечные каналы, в которых расположены стержни из армированной стали.
Рамная тампонажная крепь горной выработки возводится следующим образом, после установки рам металлической крепи из спецпрофиля на них укладывают армированное рулонное полотно, изготовленное из фильтрующего жидкость материала. В пространство между армированным полотном и конту ром выработки закачивают тампонаж-ную смесь. Избыточное количество воды (жидкой
Упрочнешм с/юи краевой часта массива тампонажных росяЬсрох
' / *
Авниробанное пшшо
Рис. 1. Схема конструкции исследуемой крепи
/
а 1
Vv щ
870
1130
Рис. 2. Конструкция стенда для испытаний
Таблица 1 - Результаты испытаний элементов крепи
Возраст Наименование образца Максимальная нагрузка, кг Максимальное давление, бар Смещение, мм
Элемент ТК, 50 мм 157 7 2
1 сутки Элемент ТК, 100 мм 560 25 2
Элемент ТК, 150 мм 1360 60 2
Элемент ТК, 200 мм 2464 110 5
Элемент ТК, 50 мм 269 12 2
7 суток Элемент ТК, 100 мм 672 30 2
Элемент ТК, 150 мм 1792 80 2
Элемент ТК, 200 мм 3584 160 6
Элемент ТК, 50 мм 448 20 2
28 суток Элемент ТК, 100 мм 1008 45 2
Элемент ТК, 150 мм 2240 100 2
Элемент ТК, 200 мм 3478 155 5
ж/б затяжка, образец №1 784 35 19
- ж/б затяжка, образец №2 673 30 23
ж/б затяжка, образец №3 112 5 7
фазы), придающее подвижность закачиваемому твердеющему материалу, отфильтровывается через армированное рулонное полотно, после чего тампонажный раствор затвердевает, образуя слой искусственного камня. Таким образом, армированные стержни, которые расположены в специальных каналах внутри рулонного полотна, выполняют роль внешнего армирования.
Испытание образцов элементов крепи горных выработок.
Целью испытаний являлось сравнение параметров элементов крепи. Для проведения испытаний были подготовлены образцы тампонажной крепи, железобетонной затяжки и металлической решётчатой затяжки. Образцы тампонажной крепи
использовались разной толщины и разного возраста (1 сутки, 7 суток и 28 суток), длиной 1200 мм, шириной 300 мм, изготовленные из цементирующего раствора, используемого при проведении тампонажных работ на промежутке конвейерного ствола участка Сычёвский, и армированного полотна. Испытания были выполнены в соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». На образцы была приложена нагру зка с помощью поршня, имеющего площадь контакта 0.001765 м2. Конструкция стенда для проведения испытаний представлена на рис. 2.
Результаты испытаний элементов крепи (образцы тампонажной крепи и ж/б затяжки) представлены в таблице 1.
Таблица 2 - Результаты испытаний образцов элементов крепи
Наименование образца Максимальная нагрузка, кг Максимальное давление, бар Смещение, мм
Армированное полотно 898 40 87
Армированное полотно 785 35 100
Решетчатая затяжка 898 40 97
Решетчатая затяжка 561 25 100
Результаты испытаний образцов элементов крепи (армированное полотно и решетчатая затяжка) представлены в таблице 2.
Результаты и обсуждение.
В ходе лабораторных испытаний элементов крепи было установлено:
- несущая способность элементов крепи изготовленных с применением тампонажной смеси и армированного полотна сопоставима с железобетонной затяжкой;
- показатели сопротивления армированного полотна воздействию внешних нагрузок не уступает показателям решетчатой затяжки.
Кроме того, в ходе исследований было выявлено, что применение армированного полотна в качестве межрамного перекрытия увеличивает прочность тампонажного камня на 30% вследствие своевременного удаления излишней жидкости (воды) из смеси через ткань, при этом происходит оптимизация соответствия твердой и жидкой фазы раствора, что ускоряет процесс схватывания бетона и улучшает его прочностные параметры. В таблице 3 представлены результаты испытаний на одноосное сжатие образцов тампонажного камня, изготовленных с применением стандартной (деревянная плаха, железобетонная затяжка) опалубки (образец №1) и с применением в качестве опалубки армированного полотна (образец №2).
Выбор места проведения натурных испытаний, горно-геологические условия.
Испытание технологии увеличения несущей способности рамной крепи способом полного заполнения закрепного пространства проведено в наклонном конвейерном стволе участка Сычёв-ский I Шахтоуправления имени А.Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс».
Наклонный конвейерный ствол ранее был пройден по пласту Сычёвскому I комбайновым способом и закреплен анкерной крепью. Площадь сечения до 20 м2. Позже было произведено усиление крепления путём установки металлической трёхзвенной арочной крепи А-16-27 с шагом установки 1 м и перетяжкой железобетонной затяжкой. В связи с наличием значительных незабучен-ных пустот в закрепном пространстве, отсутствием непосредственного контакта крепёжных рам с вмещающими породами арочная крепь выполняла
исключительно ограждающие функции. Принимая во внимание длительный срок службы, высокую трещиноватость угля и вмещающих пород, склонность пласта Сычёвского I к самовозгоранию, а также успешное завершение испытаний на поверхностном полигоне технологии тампонажа закрепного пространства с использованием армированного полотна в качестве межрамного ограждения и гибкой опалубки, было принято решение осуществить тампонаж закрепного пространства наклонного конвейерного ствола пласта Сычёв-ский I по указанной выше технологии.
Горными работами на поле шахты «Сычев-ская» выявлены пережимы пласта со стороны кровли, имеющие характер размывов. На этих участках мощность пласта может уменьшаться до 2,7 м. Гипсометрия пласта - сложная. Отмечается значительная пликативная нарушенность, а также наличие антиклинальных складок и мульд с амплитудами 4-^7 м. Складки имеют относительно пологий куполовидный и вытянутый гребнеобразный вид. К местам с максимальной пликативной нарушенностью приурочена и наиболее интенсивная трещиноватость угля и вмещающих пород. С этой же трещиноватостью связаны и имеющие место нарушения сплошности пласта сбросового и взбросового характеров с амплитудами смещения 0Л0-Ю, 15 м. Кроме того, высокая природная трещиноватость угля и вмещающих пород дополнительно усугублена массовыми взрывами при отработке запасов разрезом «Моховский».
Основная кровля пласта представлена крупнозернистыми алевролитами средней устойчивости, трещиноватые с коэффициентом крепости 4+6 по шкале проф. Протодьяконова. Мощность основной кровли составляет в среднем 14 м.
Непосредственная кровля представлена сред-неустойчивым глинистым мелкозернистым алевролитом с коэффициентом крепости 3-^4 по шкале проф. Протодьяконова. Мощность непосредственной кровли составляет 4-^8 м. На отдельных участках наблюдается залегание мелкозернистого песчаника непосредственно над ложной кровлей или вообще отсутствие в непосредственной кровле алевролитов.
Ложная кровля пласта представлена глинистым мелкозернистым алевролитом, весьма неустойчивым, склонным к размоканию, мощностью 0,4-Ю,6 м, коэффициент крепости - 3 по шкале проф. Протодьяконова. Непосредственная почва
Таблица 3 - Результаты лабораторных исследований на одноосное сжатие
Образец Испытание Нагрузка. Н Масштабный коэффициент Предел прочности на растяжение, МПа Предел прочности на сжатие, МПа Коэффициент крепости по шкале Прото дь-яконова
1 1 97,80 0,97 0,54 8,59 0,9
2 440,10 1,08 1,73 27,60 2,8
3 154,85 0,87 1,16 18,56 1,9
4 40,75 0,98 0,22 3,48 0,3
5 130,40 0,91 0,87 13,88 1,4
среднее: 1,4
2 6 203,75 0,91 1,36 21,69 2,2
7 130,40 0,96 0,75 11,96 1,2
8 309,70 0,91 2,02 32,37 3,2
9 195,60 0,96 1,12 17,94 1,8
10 187.45 0,88 1,37 22,00 2,2
среднее: 2,1
пласта представлена мелкозернистым алевролитом мощностью 8-43 м, слаботрещиноватым, склонным к размоканию, с коэффициентом крепости 3^-4. Все вмещающие породы являются сили-козоопасными.
Основные цели проведения испытаний в шахтных условиях:
Подтвердить работоспособность технологии тампонажа закрепного пространства с использованием армированного полотна в качестве межрамного ограждения и гибкой опалубки.
Осуществить проверку качества тампонажа по указанной технологии, прочностные характеристики тампонажного камня и степень влияния тампонажного раствора на вмещающий массив.
Определить возможность использования армированного полотна в качестве затяжки межрамного пространства.
Организация производства работ по проведению испытаний
Насосный агрегат типа ПБН-15КПС был установлен в 50 м от места производства работ. На участке ствола протяжённостью до 5 м производился демонтаж железобетонной затяжки. На данном участке межрамное пространство перетягивалось армированным полотном. Затраты времени на перетяжку одной рамы не превышали 15 мин.
Для исключения протечек тампонажного раствора через торцевые зазоры на первой заходке монтировались два барьерных рукава, в начале экспериментального участка и в конце заходки. После заполнения барьерных рукавов тампонаж-ным раствором осуществлялся тампонаж закрепного пространства.
Продолжительность нагнетания определяется: производительностью насоса; объёмом пустот в закрепном пространстве; уровнем организации труда операторов
Таблица 4 - Результаты определения фактических физико-механических свойств отобранных образ-цов пород (керна)
Структура керна Лабораторное исследование на одноосное сжатие керна скважины №1 наклонного конвейерного ствола участка Сычёвский, ПК26+15,4м
Глубина отбора образца, м Нагрузка. Н Площадь разрушения, м2 Предел прочности на растяжение, МПа Предел прочности на сжатие, МПа Коэффициент крепости по Про-тодьяконо-ву
Цементирующий раствор 0,10 277,1 0,0008 2,17 26,03 2,6
Цементирующий раствор 0,32 211,9 0,0010 1,48 23,69 2,4
Цементирующий раствор 0,45 146,7 0,0010 1,03 20,50 2,1
r^iJÜ
• >«;еяп г з* s &
7 Л 9{П1 2 34 5 в 7 В «Ol 2345 6 7в9СИ 23 4 5 в 7 в Sfcjtl 2 3 1 5 ?7 5 gggt '
Рис. 3. Проникновение цементирующего раствора в углепородный массив
насосного агрегата.
Скорость подачи тампонажного раствора составляла ЗДН4,8 м3/час. В отдельные смены при надлежащей организации труда удавалось осваивать более Ют цементной смеси, в результате было заполнено более 14 м3 закрепного пространства.
После завершения работ по тампонажу закрепного пространства и набора прочности была произведена оценка физико-механических параметров тампонажного материала (камня) и вмещающих пород борта в наклонном конвейерном стволе участка Сычёвский, результаты которой приведены в таблице 4.
В ходе лабораторных исследований керна было установлено:
- наблюдается обратная зависимость между глубиной проникновения цементирующего раствора и коэффициентом крепости тампонажного камня:
- размер обломков исследуемого керна варьируется от 40 до 120 мм, степень трещиноватости оценивается как средняя;
- в процессе заполнения пустого пространства между арочной крепью и бортом выработки глубина проникновения раствора в массив составила 50 мм (рис. 3).
Выводы.
По результатам проведения испытаний технологии повышения несущей способности рамных крепей способом полного заполнения закрепного пространства цементным раствором в шахтных условиях, сформулированы следующие выводы:
1. Заполнение тампонажной смесью закрепно-
го пространства обеспечивает надёжный контакт металлической рамной крепи с вмещающими породами, что способствует предотвращению развития смещений пород и росту нагрузок на крепь.
2. Наблюдается проникновение цементного раствора в окружающий массив, что в свою очередь также обеспечивает высокую степень сцепления смеси с углепородным массивом и упрочняет краевую часть массива.
3. Армированное полотно, играющее роль опалубки, обеспечивает «отжатие» лишней влаги, способствует своевременному набору прочности тампонажного камня.
4. Обеспечивается огнестойкость выработки за счет антистатичности и негорючести армированного полотна, что подтверждено соответствующим заключением ВостНИИ.
5. Трудозатраты на тампонаж закрепного пространства с применением армированного полотна значительно ниже, чем при использовании железобетонной затяжки. Расход железобетонной затяжки сопоставим с расходом сухой смеси при заполнении закрепного пространства толщиной 100 мм. Доставка железобетонной затяжки в забой и ее укладка производится вручную, а тампонаж-ный раствор подается насосным агрегатом, что существенно сокращает трудозатраты при креплении выработки. При этом сопротивление тампонажного слоя толщиной 100 мм внешним нагрузкам сопоставимо с параметрами железобетонной затяжки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 51748-2001. Крепи металлические податливые рамные. Крепь Арочная. Общие технические условия. -М., 2001.
2. Демин В.Ф. Исследование напряжённого состояния приконтурного массива вокруг выемочных выработок в зависимости от влияния горно-технологических факторов / В.Ф. Демин, В.В. Яворский, Т.В. Дехмина // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2015. - № 7-2. -С. 196-200.
3. Маттен В. Заполнение закрепного пространства штреков природным ангидритом / В. Мат-тен, И. Зеегер, X. Цильэссен //Глюкауф. - 1980. -№ 14.
4. Брайт Ф. Заполнение пустот за рамами штрековой крепи методом Буллфлекс / Ф. Брайт, Ю. Крае // Глюкауф. - 1980. - № 13.
5. Касьян, H.H. Новый концептуальный подход к обеспечению устойчивости горных выработок / H.H. Касьян, И.Г. Сахно // Научный вестник национального горного университета. - 2011. - №5 (125).-С. 70-75.
6. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчёту и применению анкерной крепи на угольных шахтах». Москва. ЗАО НТЦ ПД. 2015 г.
7. Бурков, Ю.В. Обоснование и разработка технологии крепления капитальных горных выработок на основе инъекционного упрочнения массивов горных пород / Автореф. дисс. ... докт. техн. наук. -Кемерово. - 1998.
8. Галеман В. Практические примеры механизированного заполнения механизированного заполнения закрепного пространства / Глюкауф. - 1979. - №24.
9. Ирресбергер X. Успехи техники заполнения закрепного пространства в выемочных штреках /Глюкауф. - 1980.-№ 14.
10. Гамаюнов В.В. О направлении развития технологии сооружения горизонтальных и наклонных горных выработок в сложных горно-геологических условиях /В.В. Гамаюнов, В.П. Друцко, В.Г. Гнездилов, Б.В. Алферов, Ю.С. Шаповал // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. - Вып. 51. - С. 92-102.
11. Мартыненко И.И. Новые способы крепления выемочных выработок, основанных на использовании традиционно применяемых серийных крепей / И.И. Мартыненко . И.А. Мартыненко, М.В. Про-копова,И.А. Капралова, Ж.А. Голенева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. -№7. - С. 226-230.
12. Бучатский В.М. Основные направления повышения устойчивости выработок на удароопасных пластах при использовании анкерной и рамно-анкерной крепи на шахтах ОАО «Воркутауголь» / В.М. Бучатский [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - №9. - С. 241-247.
REFERENCES
1. GOST R 51748-2001. Krepi metallicheskie podatlivye ramnye. Krep' Arochnaya. Obshchie tckhniches-kie usloviya. - M., 2001.
2. Demin V.F. Issledovanie napryazhennogo sostoyaniya prikonturnogo massiva vokrug vyemochnykh vyrabotok v zavisimosti ot vliyaniya gorno-tekhnologicheskikh faktorov / V.F. Demin, V.V. Yavorskiy, T.V. Demina // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamentarnykh issledovaniy. - 2015. - № 7-2. - pp. 196-200.
3. Matten V. Zapolnenie zakrepnogo prostranstva shtrekov prirodnym angidritom / V. Matten, I. Zeeger, Kh. Tsil'essen // Glyukauf. - 1980. - № 14.
4. Brayt F. Zapolnenie pustot za ramami shtrekovoy krepi metodom Bullfleks / F. Brayt, Yu. Krae // Glyukauf. - 1980. -№13.
5. Kas'yan N.N. Novyy kontseptual'nyy podkliod k obespecheniyu ustoychivosti gornykh vyrabotok / N.N. Kas' yan, I.G. Sakhno // Nauchnyy vestnik natsional'nogo gornogo universiteta. — 2011. — №5 (125). — pp. 70—75.
6. Federal'nye normy i pravila v oblasti proinyshlennoy bezopasnosti «Instruktsiya po raschetu i priine-neniyu ankernoy krepi na ugol'nykh shakhtakh». Moskva. ZAO NTTs PD. 2015.
7. Burkov Yu.V. Obosnovanie i razrabotka tekhnologii krepleniya kapital'nykh gornykh vyrabotok na os-nove in"ektsionnogo uprochneniya massivov gornykh porod / Avtoref. diss. ... dokt. tekhn. nauk. - Kemerovo. -1998.
8. Galeman V. Prakticheskie primery mekhanizirovannogo zapolneniya mekhanizi-rovannogo zapolneniya
zakrepnogo prostranstva / Glyukauf. - 1979. - №24.
9. Irresberger Kh. Uspekhi tekhniki zapolneniya zakrepnogo prostranstva v vyemochnykh shtrekakh / Glyukauf. - 1980,-№ 14.
10. Gainayunov V.V. O napravlenii razvitiya tekhnologii sooruzheniya gorizontarnykh i naklonnykh gornykh vyrabotok v slozhnykh gorno-geologicheskikh usloviyakh / V.V. Gamayunov, V.P. Drutsko, V.G. Gnezdilov, B.V. Alferov, Yu.S. Shapoval // Geotekhnicheskaya mekhanika: Mezhved. sb. nauch. tr. —Dnepropetrovsk: IGTM NANU, 2004. - Vyp. 51. - pp. 92-102.
11. Martynenko I.I. Novye sposoby krepleniya vyemochnykh vyrabotok, osnovannykh na ispol'zovanii traditsionno primenyaemykh seriynykh krepey / I.I. Martynenko , I.A. Martynenko, M.V. Prokopova, I.A. Kapralova, Zh. A. Goleneva // Gornyy infonnatsionno-analiticheskiy byulleten'. - 2002. - №7. - pp. 226-230.
12. Buchatskiy V.M. Osnovnye napravleniya povysheniya ustoychivosti vyrabotok na udaroopasnykh plas-takh pri isporzovanii ankernoy i rainno-ankernoy krepi na shakhtakh OAO «Vorkutaugol'» / V.M. Buchatskiy [i dr.] // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten1. - 2006. - №9. - pp. 241-247.
Поступило в редакцию 17.03.2018 Received 17.03.2018
