CC BY
70
--© 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
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ КРЕПЛЕНИЯ С ВМЕЩАЮЩИМИ ПОРОДАМИ ВОКРУГ ВЫРАБОТКИ
Проведены исследования для установления характера проявлений горного давления при анкерной, комбинированной и арочной металлорамной крепях горных выработок Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля вмещающих породных массивов в зависимости от горно-геологических факторов. Выполненные исследования позволяют установить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на деформации во вмещающих породах и установить рациональные параметры применения крепи в подготовительных горных выработках. Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив горных пород, крепление горных выработок, взаимодействия различных видов крепления выработки с вмещающими породами.
важную роль в повышении эффективности производства играет решение проблемы совершенствования технологии крепления и надежного поддержания выработок. Увеличение глубины разработки при относительно невысокой прочности пород и применении крепей с недостаточной несущей способностью и конструктивной податливостью являются основными причинами неудовлетворительного состояния горных выработок. На существующих в Карагандинском угольном бассейне глубинах разработки (500—800 м) современными крепями невозможно добиться безремонтного поддержания выработок. Одним из рациональных путей улучшения состояния выработок и экономии материальных ресурсов является применение комбиниро-
ванной (металлоарочной и анкерной) и чисто анкерной крепи. К настоящему времени в производственной практике накоплен достаточный опыт применения технологических схем возведения комбинированной и анкерной видов крепи в горных выработках. Однако, как показывают натурные наблюдения, состояние горных выработок, особенно выемочных, не всегда удовлетворительное. Наиболее слабым звеном в решении вопросов по повышению эффективности использования такого крепления является недостаточная изученность геомеханических процессов вблизи горных выработок.
Для определения функциональных возможностей различных видов крепи проведены сравнительные исследования для установления характера проявления горного давления при анкерной, комбинированной и рамной крепях горных выработок и выявления работоспособности анкерной крепи и рациональных схем ее применения.
В задачи исследований входило: установить характер сдвижения горных пород при различном структурном их строении для наиболее типичных кровель выработок; определить особенности проявления горного давления на крепь, когда выработки расположены в зоне и вне зоны влияния очистному забою; исследовать роль анкерной крепи на сопряжениях с очистными забоями.
Для решения поставленных задач были проведены сравнительные наблюдения за проявлением горного давления в выработках с различным сроком службы и назначением на пологих и наклонных пластах. Наблюдения проводились за сдвижением и расслоением горных пород путём использования глубинных реперов. Прочность закрепления анкеров в скважинах определялась гидравлическими приборами ПА-3, ПА-4, и ПКА, а изменение натяжения в анкерах - гидравлическими динамометрами ДА-1, ДГА и самописцами типа СПУ.
Давление на стойки рамной крепи определялось путём применения механических и тензометрических динамометров с записью показаний на ленточной диаграмме.
Проявления горного давления в выработках преимущественно зависит то состава пород кровли и их крепости,
размеров выработки, слоистости и трещиноватости горных пород, параметров крепи, глубины разработки, вида крепи, наличия отжима в боковых стенках выработки, размера охранных целиков угля, влияния остаточного и временного опорного горного давления (зон повышенного горного давления — ПГД, очистных работ, наличия зон подработки — надработки).
Замеры производились в конвейерном штреке 42к10-з шахты им Кузембаева УД АО «АрселорМиттал Темиртау», закрепленном различными видами крепи. Установлены опускания кровли Ahk, сближения боков Му на участке угольного пласта и Мп на участке подрывки и расслоения 2,5 — метрового слоя кровли Ahp, Деформация контуров подготовительной выработки в зависимости от расстояния от очистного забоя (V - скорость, м/сут; и - абсолютные значения смещений, м) и представлены на рисунке 1.
Исследования проводились в течение 200 сут. с момента установки крепи в нетронутом массиве с целью определения закономерностей сдвижения вмещающих пород в выработках прямоугольной и арочной формы, закреплённых рамной и комбинированной (анкерно-рамной) и анкерной крепью. Наиболее интенсивно кровля опускается в непосредственной близости от проходческого забоя. За первые сутки величина опускания кровли на участке с анкерной крепью составила 20 % опускания в течение всего периода наблюдений 200 сут., с арочно — рамной 30 % и с рамно — анкерной - 5 %, а за первые 10 сут. - соответственно 35, 45 и 25 %. В начальный период в движение пришла значительная толща пород: за 10 суток репера на глубине 2,5 м опустилась на участке с арочной крепью на 10 мм, или 80 % всего опускания этого репера в нетронутом массиве, с анкерной - 35 мм (50 %) и с анкерно-рамной - 14 мм или 20 %.
Период наблюдений за устойчивостью выработки в зоне влияния очистных работ составил 20 месяцев. Смещения пород кровли в 20 м перед лавой, в створе с лавой и 100 м позади неё соответственно составили: рамной крепью - 0,31, 0,49, 1,11 м; анкерно-рамной крепью - 0,07, 0,09, 0,21 м (или меньше в 3-4 раза) — рис. 2.
Сближение кровли и почвы выработках составило 750800 мм, из них 65 % смещений приходилось на пучение пород почвы. Конвейерные выработки были пройдены узким забоем и поддерживались позади лавы для повторного использования. Размер зоны опережающего опорного давления лавы составил 120-130 м и в выработке наблюдалось интенсивное пучение почвы, деформация крепи. В 20-30 м впереди забоя лавы производилась подрывка пород почвы на глубину 0,8-1,0 м, сближение кровли и почвы в выработке на линии очистного забоя составило 0,126 м.
Позади лавы интенсивность смещений оставалась довольно высокой, и в 100-150 м производилось перекрепление и вторичная подрывка почвы выработки.
о.ою
0.005
-100 -60 -20 20 60 100 1,
и, м
0.375 0.25 0.125
в
: м Ч'у I 0.015
о.ою
0.005
-100
У / Ал
/гЧ
б
-ЮО -60 -20 20 60 100 1, м
Рис. 1. Деформация контуров подготовительной выработки в зависимости от расстояния до очистного забоя: а) - 1 и 2 - сближе-
ние (и) и интенсивность деформации (V) пород кровли и почвы; б) - 3, 4 и 5 - опускание кровли, сближение боков и пучение почвы; в) - 6, 7 и 8 -скорость деформации кровли, боков и почвы
Максимальные вертикальные смещения пород кровли впереди линии очистного забоя в 10-20 м от лавы составляли 0,025-0,03 м с последующим затуханием на расстоянии 30—35 м. Смещение пород кровли в поддерживаемой части достигали величины 0,52-0,55м. Величина вертикальных смещений на сопряжении конвейерного штрека с лавой составляло 0,025-0,045 м.
Произведенные расчеты показывают, что с ростом глубины разработки (до 750-800 м), увеличения сечения горных выработок (до 18-20 м2), при сроке поддержания 3-5 лет, вырастут 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 обуславливает повышенные затраты на проведение и поддержание выработок.
Проведенные сравнительные исследования проявлений горного давления в выемочных выработках с различными видами крепления позволили установить характер их эксплуатационной работоспособности. При этом деформации выработок, комбинированной анкерно-рамной крепью, меньше в 4 -5 раз, чем при металлорамной крепи.
Также интенсивно растут смещения пород в выемочных выработках в зависимости от глубины разработки с изменением управляемости в направлении от легкоуправляемых к трудноуправляемым (рис. 3).
Исследование деформационных процессов в эксплута-ционных выработках в зависимости от способа охраны выработки с углублением горных работ показало, что особенно резко возрастают деформации вмещающих пород и нагрузки на крепи подготовительных выработок, расположенных в зоне влияния очистных выработок, и охраняемых угольными целиками. С переходом на нижние горизонты существенно возрастают размеры зон влияния опорного давления, причем наиболее интенсивно начиная с глубины 500 м.
В выработках, охраняемых по способам массив-целик (шириной обычно от 8 до 20 м), целик — целик (шириной 15—25 м)
и массив-бутовая полоса (шириной 6—10 м), деформирует крепь, и их приходится за срок службы перекреплять от 2 до 5 раз.
50 ЮО 150 200 250 Т
в -Н,
ьо
б -и
50 ЮО 150 200 250
3
50 ЮО 150 200 250 Т.ц
Рис. 2. Деформирование массива пород вокруг подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ в зависимости от срока их поддержания: а) — сближения боков на участках угольного пласта Д|у и подрывки д|„; б) — опускания кровли Д|1к,; в) — расслоение пород ДНр; при крепи: 1 - рамной; 2 - анкерной; 1 - анкерно - рамной
а
На рис. 4 приведены средние величины смещения кровли и почвы в выемочных выработках сечением 12-14 м2, закреплённых арочной металлокрепью, со сроком службы 1518 мес. по пластам мощностью от 1,2 до 3,0 м с углом падения до 300 и со среднепрочными боковыми породами) под влиянием очистных работ в створе с забоем лавы в зависимости от глубины их расположения, способа охраны и мощности пласта. С увеличением глубины расположения выработок интенсивно возрастают деформации вмещающих пород с увеличением смещения пород со значительным опережением роста глубины разработки при различной управляемости пород кровли пласта.
На рис. 5 представлены зависимости интенсивности смещений (К) от глубины расположения и площади сечения выработки.
Смещения возрастают с увеличением размеров поперечного сечения выработок, при этом существенное влияние принадлежит ширине поперечного сечения. Смещения убывают с удалением от контура в глубь массива, что свидетельствует о формировании зоны растяжения и ее величина достигает 9 м. Смещения, мм
4500 4000 3500 3000 2 5 0 0 3000 1500 1000 500 О
Рис. 3. Зависимость смещения пород в выемочных выработках от глубины разработки: а) - при легкоуправляемой; б) — при среднеуправ-ляемой; в) - при трудноуправляемой кровле; 1 - арочная; 2 - анкерная; 3 -комбинированная крепи.
\ х -—
.Д><5С:1
/ _--
/// О _ ——3
— 3 3
200 400 600 800 1000
Глубина разработки Н ,м
^ость поста 0,3 — 1,-4 те 15-30 м
Рис. 4. Смещение кровли и почвы в выемочных выработках под влиянием очистных работ, расположенных на различной глубине: 1
— при охране выработки по способу массив — массив, 2 — массив-целик (шириной 8-12 м), 3 — массив-бутовая полоса (шириной 8 — 10 м), 4 -массив — выработанное пространство
К
22 20 1,8 1.6 и 1.2 1,0 о,в
1/
У ^
--
4 5
ширина ОыраВоткц м
12 при гН/ИсжШ 1,0.2 ЗА при 1Н/Иок?ЮЗ;0А
1 2 3 и
Рис. 5. Зависимость интенсивности смещений (К) от глубины расположения и площади сечения выработки: 1,3 — смещение почвы и кровли выработки; 2,4 — смещения боков выработки
На рис. 6 представлена зависимость изменения скорости смещения пород кровли (1) и боков (2) выработки от сопротивления крепи.
о , М м/сут
Рис. 6. Зависимость изменения скорости смещения пород кровли (1) и боков (2) выработки от сопротивления крепи
Оценка нагрузочных характеристик анкерного крепления горных выработок производилось реперными станциями.
Р,КН
Рис. 7. Проявление горного давления при анкерном креплении подготовительных выработок: 1 — стержни круглого поперечного сечения 22 мм; 2 — стержни из арматурной стали 22 мм; 3 — стержни шестигранные; 4 — стержни круглого поперечного сечения с нарезками
Максимальные вертикальные смещения пород кровли впереди линии очистного забоя в 10-20 м от лавы составляли 25-30 мм с последующим затуханием на расстоянии 30-35 м. Смещение пород кровли в поддерживаемой части достигали величины 520-550мм. Величина вертикальных смещений на сопряжении конвейерного штрека с лавой составляла 25-45 мм.
Проявление горного давления при анкерном креплении подготовительных выработок при различных профилях металлических стержней представлены на рис. 7.
Выявленные закономерности смещений, зон трещинооб-разования в зависимости от влияющих факторов позволят устанавливать параметры крепления для повышения устойчивости подготовительных горных выработок, что также позволит разрабатывать новые и адаптировать существующие технологии эффективного и безопасного проведения горных выработок на пологих и наклонных угольных пластах с изменением горно-технологических условий эксплуатации. 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».
