Научная статья на тему 'Исследование влияния напряженного состояния массива на устойчивость анкерной крепи'

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

CC BY
273
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Подосенов А. А.

Приведены результаты исследований по оценке влияния естественных напряжений в горном массиве на устойчивость выработок, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Подосенов А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE STUDY ON THE EFFECT OF STRAINED STATE OF ROCK MASS ON THE ROOF BOLTING STABILITY

The results assessment study of residual stress effect in the rock mass on the drifting fixed with steel polymeric roof bolting are given.

Текст научной работы на тему «Исследование влияния напряженного состояния массива на устойчивость анкерной крепи»

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.)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.