Исследование влияния напряженного состояния массива на устойчивость анкерной крепи Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622. 281.74 А.А. Подосенов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА НА УСТОЙЧИВОСТЬ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

Семинар № 15

У^сновным направлением способа крепления и поддержания выработок на шахтах ОАО «Воркутауголь» принята сталеполимерная анкерная крепь.

Проведенные исследования геомеха-нических процессов в массиве и устойчивости выработок, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью на шахте "Северная", «Комсомольская» «Заполярная» и промышленные испытания сталеполимерной анкерной крепи при проведении выработок по удароопасным пластам в различных горногеологических условиях шахт ОАО "Воркутауголь" показали, что применение анкерной крепи при проходке способствует созданию безопасных условий, обеспечивает снижение трудоемкости работ и более высокие скорости подвигания, превышающие достигнутые с рамной крепью в 1,5-2,5 раза.

Шахтами ОАО «Воркутауголь» отрабатываются Воркутское и Воргашор-ское месторождении, особенностью которых является изменчивость литологического строения вмещающих пород и тектоническая нарушенность.

По сравнению с Воргашорским месторождением Воркутское характеризуется более сложными геодинамически-ми условиями.

Геодинамическая характеристика месторождения определяет выбор технологических схем развития и ведения работ, обоснование применяемой техноло-

гии проведения и крепи выработок, а также порядок обеспечения геодинамически безопасных условий на пластах склонных к горным ударам. Поэтому для решения вопросов управления состоянием горного массива в исходные данные при проектировании выработок с анкерной крепью геодинамическая характеристика должна включать показатели, необходимые для эффективного применения анкерной крепи и повышения устойчивости выработок. Такими являются показатели, определяющие направления действующих напряжений и критерии оценки напряженного состояния горного массива на участке проведения выработки с анкерной крепью, сведения о расположении тектонически напряженных зон и участков угольных пластов с высокими напряжениями [1].

Высокие значения естественных напряжений отрицательно сказываются на устойчивости выработок закрепленных сталеполимерной анкерной крепью [2].

Несмотря на то, что расчетные и фактические параметры анкерной крепи в основном соответствуют нормативным требованиям, в выработках с анкерной крепью в геодинамически опасных условиях с повышенными горизонтальными напряжениями возникают, как показали исследования, повышенные смещения кровли и боков, неустойчивое состояние отдельных участков из-за недостаточной плотности установки боко-

Места замеров: Глубина, Величина Коэффициент

шахта, пласт м напряжений, МПа концентрации на-

пряжений, уН

при применении анкерной к репи

Шахта Северная Пласт Четвертый выемочный столб 123-ю 920 вертикальное 23 горизонтальные 14; 37 1,1 0,6 ; 1,6

Шахта Заполярная Пласт Четвертый выемочный столб 414-з 780 вертикальное 20 горизонтальные 31 ; 18 1,02 1,6 ; 0,9

Шахта Комсомольская Пласт Четвертый выемочный столб 612-с 1000 вертикальное 28 горизонтальные 40 ; 30 1,12 1,6 ; 1,4

пл. Мощный выемочный столб 622-с 1010 вертикальное 26,5 горизонтальные 34,5 ; 37 1,05 1,3 ; 1,4

вых анкеров или из-за их отсутствия. Разрушение боков выработки способствует интенсивному пучению почвы. Подрывка почвы и зачистка почвы сопровождается при анкерном креплении дополнительным смещением кровли и разрушением боков. Величина дополнительных смещений кровли ДЬ при величине подрывки почвы Ь определяется зависимостью Д Ь = 0,13 Ь; величина разрушения боков со стороны массива

Вм = ^2; со стороны целика

Вц = ^.

Дополнительные смещения кровли при подрывке почвы приводят к необходимости установки стоек усиления.

Для обеспечения устойчивого состояния выработки с анкерной крепью в условиях, когда не ведется подрывка почвы, при величине отжатого массива, потерявшего связь с массивом, до 0,3 м необходимо упрочнять бока выработки. С учетом дополнений в нормативные документы плотность установки боковых ан-

керов должна быть не менее 1 анкера /м2. При величине отжатого массива 0,50,8 м необходима установка крепи.

Исследованиями напряженного состояния нетронутого горными работами массива установлено, что практически по всем участкам месторождения проявляются сжимающие напряжения в суб-широтном и меридиональном направлениях. Причем на отдельных участках максимальные горизонтальные напряжения, направленные в субширотном

направлении, достигают 1,2-1,8 уН, напряжения в меридиональном направлении изменяются от 0,7 до 1,3 уН, а вертикальные напряжения не превышают

1,0-1,1уН.

Для определения ориентировки и величины горизонтальных напряжений был систематизирован материал ранее выполненных исследований, проведены дополнительные замеры (см. таблицу). Замеры горизонтальных напряжений производились в скважинах, пробурен-

ных с оконтуривающих и передовых выработок при взаимно перпендикулярном их расположении. При бурении разгрузочных, дегазационных скважин использовался метод буровых скважин и частичной разгрузки. Производились замеры, в больших скважинах использовались КДМ и в малых консольные тен-зодеформометры. Общее напряженное состояние массива определялось в зонах предельного и запредельного состояния по деформации скважин по диаметру и оси, дополнительно выполнялись замеры по выходу штыба, по температуре с оценкой трехосного напряженного состояние массива и, соответственно, коэффициентов концентрации напряжений.

Результаты замеров напряженно-деформированного состояния горного массива по Воркутскому месторождению приведены в таблице.

Выполненная оценка НДС массива и положения горных работ на отрабатываемом участке месторождения указывают на сложную геодинамическую характеристику месторождения, что необходимо учитывать при проектировании и расчете крепей подготовительных выработок, особенно с анкерной крепью.

Особенно важной мерой для создания геодинамически безопасных условий отработки удароопасных пластов является выбор рационального расположения горных выработок с анкерной крепью относительно направлений действия горизонтальных напряжений в массиве, что способствует повышению их устойчивости, снижает вероятность и интенсивность динамических проявлений горного давления.

Известно, что нормальные горизонтальные напряжения, действующие в массиве горных пород, определяют форму разрушения, величины касательных (сдвигающих) напряжений и разме-

ры свода давления над выработкой. Горизонтальные напряжения могут также способствовать деформациям и изгибу слоев кровли и почвы.

Выработки, ориентированные перпендикулярно максимальному главному напряжению подвергаются более значительным повреждениям, чем в случаях взаимно параллельного их расположения.

Влияние горизонтальных напряжений определяется прочностью, слоистостью пород и сцеплением слов по контакту. При «подшивке» нижних слоев кровли к прочному слою при высоких горизонтальных напряжения и подвижках возникают явления среза анкеров по контакту между слоями и обрушения нижних, а в последующем и верхних слоев кровли. Для повышения устойчивости выработок при высоких горизонтальных напряжениях необходимо увеличивать плотность анкерной крепи на 20-30 %, использовать анкера повышенной несущей способности в 1,5-2 раза, для сохранения работоспособности крепи при перераспределении нагрузки из-за среза крайних анкеров. При этом крайние анкера с одной и другой стороны,

забуренные под углом 73-75° должны быть длиннее на 0,5-0,7 м, устанавливаемых в центре.

Инструментальные наблюдения за смещением кровли и сдвижением породоугольного массива, выполненные при проведении промиспытаний в выработках, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью с учетом направления действия горизонтальных напряжений, в различных условиях шахт ОАО «Воркутауголь» позволили определить высоту зоны расслоения пород кровли, параметры устойчивости выработок вне зоны и в зонах влияния очистных работ (рисунок).

На основании обработки полученных материалов исследований по сдвижению углепородного массива получено выражение (1).

Выражение (1) предназначено для оценки устойчивости кровли и расчета основных параметров анкерной крепи по прогнозной оценке высоты зоны разрушения пород над выработкой в зависимости от напряженно-деформированного состояния горного массива и «угла встречи» между направлением действия главных горизонтальных напряжений и выработкой:

°лкн

и =

(1)

где Ь - высота расслоения пород над выработкой, м; В - ширина выработки, м; т - мощность пласта, м; е - основание натуральных логарифмов; у -объемный вес пород, равный 0,025 МПа/ м; Н - глубина ведения работ, м; стсж -прочность пород на сжатие, МПа; К -коэффициент концентрации напряжений в массиве до проведения выработки; р -угол между направлением выработки и максимальным горизонтальным напряжением, град.

Выражение (1) получено для углов встречи с максимальным горизонтальным напряжением р = 60-80°. Оптимальная величина угла встречи с учетом наличия другой системы горизонтальных напряжений, их взаимно перпендикулярного расположения и близких по величине значениях находится в интервале от 15° до 45-50°. Из выражения (1) следует, что при изменении угла встречи от 90-80° до 30° можно уменьшить высоту расслоения кровли на 30 %. Кроме этого, при горизонтальных напряжениях, расположенных под углом

р = 70-85°, возникает вероятность проявления в зоне опорного давления динамических разломов почвы при прочных породах или значительное пучение при слабых породах почвы.

Высота расслоения пород в момент проведения выработки, определенная по вышеприведенному выражению для глубины 800-1140 м вне зоны опорного давления и аномальных естественных напряжений, при прочности пород на растяжение 3 МПа и 4 МПа, при прочности на сжатие 30 и 40 МПа и ширине выработки 4,5-5 м для пластов Пятого, Четвертого, Тройного, составит, соответственно, 2,4/1,8; 2,6/2,0; 3,0/2,4 м. Следовательно, применяемая длина анкеров 2,2 м при прочности пород кровли на сжатие 40 МПа может обеспечить устойчивое состояние кровли лишь при ширине выработки до 4,5-5 м. При прочности пород на сжатие меньше 40 МПа устойчивое состояние кровли выработки применяемая длина анкеров 2,2 м обеспечивает лишь за счет увеличения плотности установки анкеров на 20-30 %.

Из анализа материалов замеров и графика смещений кровли, приведенного на рисунок следует, что в зоне опорного давления высота расслоения пород увеличивается на 20-30 % за счет сдвижения пород при перераспределении напряжений в массиве, а также за счет деформации податливых целиков и разрушения краевых частей и достигает (0,5-0,7) В, поэтому эффективность использования анкерной крепи с высотой анкерования 2,1 м в выработках шириной свыше 4,5 м значительно снижается ввиду необходимости установки крепи усиления.

м

Величины расслоения пород над выработками вне зоны и в зонах опорного давления в зависимости от времени поддержания

Исследования показали, что в определении расчетной прочности пород требуется уточнение. Необходимая величина заанкерованного слоя кровли может быть определена из выражения (2) на основании сравнения расчетов средневзвешенной прочности пород [2] и определения прочности в пределах за-анкерованного слоя, полученного из обработки результатов замеров устойчивости кровли по глубинным реперам в выработках, расположенных вне зоны влияния опорного давления:

На =

12

3(Т„

(2)

Где Иа - величина заакерованного слоя, м; I - величина устойчивого пролета заанкерованного слоя, м (при ширине выработки В = 4-6 м); ар - прочность породы на растяжение, МПа (при ор = 3-5 МПа);

Так как разрушение угля и пород в боках выработки со стороны целика и краевой части определяются высоким коэффициентом концентрации, превышающим нормативные расчетные в 1,51,9 и преимущественным проявлением горизонтальных напряжений, поэтому устойчивость боков выработки, целика и соответственно выработки с анкерной крепью зависит от своевременного возведения боковых анкеров с отставанием от забоя не более 1 м.

Таким образом, на основании выполненных исследований по оценке влияния естественных напряжений в горном массиве на устойчивость выработок, закрепленных анкерной крепью можно сделать следующие выводы:

- устойчивость выработок в значительной степени определяется величиной и направлением действия горизон-

м

тальных напряжений относительно оси выработки;

- при оптимальном угле встречи с направлением горизонтальных напряжений высота расслоения кровли над выработкой снижается на 30 %;

- для повышения устойчивости выработок при высоких горизонтальных напряжениях необходимо увеличить плотность анкерной крепи по кровле на 2030 %;

- количество анкеров на 1 м высоты выработки независимо от прочности пород должно составлять не менее 1 анк./м, при плотности крепи боков выработки 1,0-1,2 анк./м2;

1. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России-СПБ., 2007.70 с. (М-во топлива и энергетики РФ. Гос. науч.-исслед.институт горн. геомех. И маркшейд. дела - Межотраслевой науч. центр ВНИМИ)

- при проведении и поддержании выработок во всех классах устойчивости непосредственной кровли расстояние между рядами анкеров в кровле и боках выработки не должно быть больше 1,0 м;

- длина анкеров, устанавливаемых в боках выработки должна приниматься не менее высоты анкерования кровли выработки;

-при расчете средневзвешенной прочности пород по высоте кровли, ограничиться определением прочности пород кровли в пределах высоты установки анкеров - высоты анкерования кровли.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: Сборник докумен-тов-М.; Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000.-320 с. ЕЕШ

— Коротко об авторе ------------------------------------------------------------------

Подосенов А.А. - инженер, ст. научн. сотрудник лаборатории геомеханики Печорниипро-екта.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.В. Мельник.

------------------------------------------------ РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

3. Дмитриев А.Г. Методы сегментации экспериментальных кривых (681/03-09 — 21.01.09)

5 с.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

12_Подосенов15

Н:\Новое по работе в универе\ГИАБ-2009\ГИАБ-3\07 С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго80й\ШаблоныШогта1Ло1т © А

123

14.01.2009 17:17:00 4

21.01.2009 15:47:00 Пользователь

1 мин.

23.03.2009 23:22:00 6

2 097 (прибл.)

11 956 (прибл.)