CC BY
10
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И
ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
I Ю.А. Масаев // Yu.A. Masaev
канд. техн. наук, профессор ФГБОУ ВО КузГТУ 650000, г.Кемерово, ул. Весенняя 28
candidate of techical sciences, professor FGBOU VO KuzGTU, 650000, Kemerovo, st. Vesenya 28
I В.Ю. Масаев // V.Yu. Masaev
канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО КузГТУ 650000, г.Кемерово, ул. Весенняя 28
candidate of techical sciences, associate professor FGBOU VO KuzGTU, 650000, Kemerovo, st. Vesenya 28
УДК 622.268 ; 622.281
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПИ ПРИ ПРОХОДКЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
SUPPORT ELEMENTS' INTERACTION REGULARITIES INVESTIGATION WHEN DRIVING MINE WORKINGS IN COAL MINES
Добыча полезных ископаемых в Кузбассе ведется уже более 100 лет и одной из главных проблем является обеспечение безопасности труда в подземных условиях, исключение обрушений породных обнажений. Породный массив всегда находится в напряженном состоянии, и на проводимые горные выработки действует горное давление, характер проявления и величина которого в разных элементах выработки (кровля, боках, подошве) может быть различной. И поэтому в зависимости от назначения горной выработки и ее размеров конструкция, несущая способность и деформационная характеристика крепи должны приниматься с учетом конкретных горно-геологических условий. В настоящее время широкое применение находит рамная крепь, анкерная и анкер-металлическая крепь. В статье приведены результаты исследований несущей способности этих видов крепей, проведенные в натурных условиях при проведении основных горных выработок в 11 угольных шахтах Кузбасса.
Extraction of minerals in Kuzbass has been going on for more than 100 years and one of the main problems is to ensure labor safety in underground conditions, to prevent the collapse of stripped rock. The rock mass is always in a stressed state and rock pressure acts on the driven mine workings, the manifestation nature and the magnitude of which in different elements of the working (roof, sides, bottom) can be different. And therefore, depending on the purpose of the mine working and its dimensions, the structure, bearing capacity and deformation characteristics of the support should be taken with the account of specific mining and geological conditions. At present, frame support, anchor and anchor-metal support are widely used. The article presents these types of supports' bearing capacity study results, carried out in real conditions during the main mine working driving in 11 coal mines of Kuzbass.
Ключевые слова: ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ, ЗАМЕРНЫЕ СТАНЦИИ, КОЭФФИЦИЕНТ УСТОЙЧИВОСТИ, ПЛОЩАДЬ ОБНАЖЕНИЙ, ПОРОДНЫЕ ОБНАЖЕНИЯ.
Keywords: INSTRUMENTAL OBSERVATIONS, MEASURING STATIONS, STABILITY COEFFICIENT, STRIPPED AREA, ROCK STRIPPING.
Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом требует строительства подземных сооружений различного назначения, и для этого необходимо выполнение инженерных меропри-
ятий, чтобы обеспечить надежную эксплуатацию возводимых сооружений в течение всего периода их использования.
Крепление горных выработок предназначено для предотвращения смещения и обруше-
ния окружающих горных пород и обеспечения необходимых для эксплуатации формы и размеров поперечного сечения. И для выбора того или иного вида крепи необходимо выполнение комплекса функциональных, технических и экономических требований, учитывающих состояние породного массива и условия эксплуатации крепи.
Для решения поставленных задач по установлению закономерностей совместной работы рамной и анкерной крепей, а также закономерностей проявлений горного давления в выработках, закрепленных крепью АМК, проводились шахтные исследования горного давления в капитальных и подготовительных выработках ряда шахт Кузбасса. Целью и задачами исследований являлись выяснение физической природы и общих закономерностей механизма взаимодействия элементов крепи и массива в различных горно-геологических и технологических условиях сооружения выработки и установление качественных и количественных зависимостей степени влияния основных горно-геологических и технологических факторов на величину и характер деформирования окружающих пород в выработках.
При этом предусматривалось проведение комплекса шахтных исследований с инструментальными наблюдениями для изучения устойчивости породных обнажений в горных выработках, а также проведение комплекса шахтных исследований с оборудованием специальных контурных замерных станций для наблюдений за смещениями крепи и пород приконтурной части выработок.
В комплекс шахтных наблюдений за устойчивостью породных обнажений были включены: обследование и визуальные наблюдения за состоянием горных выработок; инструментальные наблюдения в выработках; исследование про-ностных и деформационных характеристик пород.
При проведении комплекса наблюдений производился сбор необходимых данных и материалов и при этом устанавливались горно-геологические и технологические условия (прочность, мощность, обводненность, структурно-текстурная нарушенность массива, глубина, наличие соседних выработок и др.), в которых обеспечивается определенная степень устойчивости пород данного состава и свойств, и работоспособность применяемых конструкций крепей, а также характер поведения пород и крепи и степень их устойчивости в выработках (площадь обнажения и время сохранения ими устойчивого
состояния и др.).
Инструментальными наблюдениями изучалось поведение пород и крепи в выработках или на участке выработок, где условия поддержания отличались одним изучаемым фактором (например, выработка закреплена однотипной крепью, но пройдена на разных участках по различным породам); количество и элементы основных трещин в породах или крепи и их развитие во времени; относительные и абсолютные смещения пород и крепи и др.
При проведении комплекса шахтных наблюдений за устойчивостью породных обнажений и в период обследования выработок производился отбор проб основных литологических разновидностей, в которых проводились или поддерживались горные выработки.
При проведении комплекса исследований с помощью контурных замерных станций изучались свойства породного массива, в котором располагались горные выработки, величины смещений пород кровли и бортов, площадь обнажения пород и время сохранения устойчивого состояния, а также взаимодействие массива пород и применяемого типа крепи. При исследовании изучались основные параметры массива пород, а именно: структура, прочностные и деформационные характеристики пород, элементы залегания и интенсивность трещиноватости массива, и степень обводненности горных пород.
Величины смещений пород и крепи на контуре сечения выработок изучались на специально оборудованных контурных замерных станциях. Наблюдения проводились на 11 замерных станциях, установленных вне зоны влияния очистных работ. Относительные смещения реперов определялись с помощью специальной рулетки с точностью до 0,1 мм. Абсолютные смещения контура определялись по относительным с помощью метода «засечек» и графоаналитическим методом. Сравнение результатов, полученных этими методами, показало, что расхождение в них не превышает 10 %.
Контурные реперы закладывались вблизи забоя проводимой выработки в ее кровлю и борта на глубину 0,5 м от контура выработки. Реперы - металлические стержни - закреплялись в забое скважины с помощью деревянных или бетонных пробок и устанавливались с таким расчетом, чтобы после установки постоянной крепи была возможность производить соответствующие измерения между парными реперами. Для получения достоверных измеряемых величин смещений между реперами на каждой замерной станции закладывались 2 сечения реперов по
контуру на расстоянии 2,0-3,0 м друг от друга.
Прочность пород в районе замерной станции определялась по стандартной методике на образцах цилиндрической формы диаметром 42±3 мм, с отношением высоты к диаметру равным единице. Определялась также средневзвешенная прочность пород в кровле выработки на высоту равную 1,5 радиусам выработки.
Замерные станции устанавливались на 11 шахтах Кузбасса при проведении основных, откаточных и вентиляционных штреков в идентичных условиях - площадь поперечного сечения горных выработок в свету была от 10,3 м2 до 12,9 м2, глубина заложения горных выработок от 150 до 280 м, прочность горных пород составляла от 55 до 80 МПа, для крепления горных выработок применялась крепь СВП-22. Время наблюдения и снятия показаний замерных станций зависело от условий проведения горных выработок и составляло от 100 до 200 суток.
Горно-геологические условия участка, на котором устанавливались контурные замерные станции, оценивались коэффициентом устойчивости пород п, определяемым по формуле:
п = ——
(1)
где Яр - средневзвешенный предел прочности горных пород, пересекаемых выработкой; Ян -напряжения, действующие на контуре незакрепленной выработки.
(2)
где Я. - прочность горной породы в образце / -го слоя, МПа; Кст - коэффициент, учитывающий снижение прочности пород /-го слоя (отдельности) за счет имеющихся в нем дефектов строения (коэффициент структурно-текстурного ослабления пород); Ко - коэффициент, учитывающий снижение прочности пород /-го слоя за счет контактов напластования между /-ми слоями, отдельностями (коэффициент контактного ослабления); К - коэффициент, учитывающий снижение прочности пород /-го слоя при обводнении; Кдл - коэффициент, учитывающий снижение прочности пород /-го слоя при длительном воздействии нагрузки (коэффициент длительной прочности); М - мощность /-го слоя породы, м.
' Я = уНКфКвлКво , (3)
где у - средневзвешенный объемный вес пород, МН/м3; Н - глубина заложения горной выработки, м; К - коэффициент концентрации напряже-
ний, зависящий от формы поперечного сечения горной выработки; Кл - дополнительный коэффициент концентрации напряжений, учитывающий влияние соседних горных выработок; Ко
- дополнительный коэффициент концентрации напряжений, учитывающий влияние очистных работ (Ко =1).
На рисунке 1 приведены наиболее характерные вывалы пород кровли и бортов выработок различной формы поперечного сечения, а также графики потери устойчивости пород во времени при различных значениях коэффициента устойчивости (5" - площадь устойчивого обнажения м2; Т - время сохранения устойчивого состояния, час). Из графика видно, что при значениях коэффициента устойчивости п > 0,65, породные обнажения, имеющие площадь свыше 200 м2 способны сохранять устойчивость в течение 80 и более час., при значениях коэффициента устойчивости п < 0,3, площадь устойчивого обнажения не превышает 20-25 м2, а время сохранения устойчивого состояния - 4-5 час.
Анализ результатов исследований позволил установить связь между величиной коэффициента устойчивости, площадью обнажения и временем сохранения им устойчивого состояния.
Для каждого участка определялись также площадь устойчивого обнажения пород и длительность обнажения без обрушений и вывалов.
Исследования показали, что развитие смещений массива носит затухающий характер и стабилизируется, примерно через 2-4 месяца после его обнажения. Максимальные смещения (итх) в кровле выработки составляют 280-300 мм, в бортах - 170 мм.
Наиболее интенсивно смещения развиваются в первые 30-35 суток существования выработки. Реализуемая за это время часть смещений (изо) в значительной степени зависит от величины коэффициента устойчивости. При значениях коэффициента устойчивости п, находящихся в пределах 0,8>п>0,6 в течение 30-35 суток смещения на 70-80 %, а при значениях коэффициента устойчивости в пределах 0,5>п>0,3
- на 40-60 %.
На рисунке 2 приведена графическая зависимость U = /(п) для комбинированной анкер-металлической крепи по результатам инструментальных замеров и обследований горных выработок. Для приведенного на рисунке поля точек получено следующее уравнение регрессии: и = -0,002 - 0,023/п + 0,39/п2 (коэффициент корреляции - 0,876). Из графика видно, что с ростом значений коэффициента устойчивости
n = 0,88
n = 0,64
S, м
320
380 T, 4.
S, m2
110
85 35
0 36 48
72 T, 4.
S, m"
28 20 15
0 6 10 14T, 4.
S, m2
0,5
Т.ч.
w n
H
s
CD
S, m2
Т,ч.
S, m2
Т.ч.
^ n = 0,3
S, m2
Т.ч.
S, m2
n = 0,1
Рисунок 1. Характерные вывалы пород кровли и бортов в зависимости от коэффициента устойчивости (п) Figure 1 - Typical rock falls of the roof and side walls, depending on the stability coefficient (n)
Т,ч.
Таблица 1. Классификация породных обнажений по степени устойчивости Table 1. Rock stripping classification according to the stability degree
Степень устойчивости породных обнажений Значение коэффициента устойчивости Краткая характеристика пород кровли Мощность пород кровли, м Прочность пород кровли, МПа Площадь устойчивого обнажения пород, м2 Время сохранения устойчивого состояния, ч
Устойчивые n > 0,65 Массивные, однородные и слабослоистые, прочные песчаники и алевролиты 3-6 и более 70-120 и более 200-250 и более 50-250 и более
Средней устойчивости 0,65 > n > 0,31 Массивные, слоистые и трещиноватые песчаники и алевролиты средней прочности 0,7-1,5 30-80 180-200 4-48
Неустойчвые 0,3> n >0,1 Непосредственно в кровле залегают слабые, слоистые и трещиноватые породы. Встречаются про-пластки угля и макродефекты строения 0,1-0,8 20-40 3-26 0,5-4
Весьма неустойчивые n<0,1 Весьма слабые, трещиноватые и тонкослоистые породы, общей мощностью не выше 0,5-0,6м ("ложная" кровля). Мощность слоев и отдельностей менее 0,1-0,15м 0,1-0,5 и менее менее 20 Породы обрушаются в момент обнажения или через 5-15 мин по мере подвигания забоя выработки
величины смещений уменьшаются. Так, при возрастании коэффициента устойчивости с 0,1 до 1,0 величина смещений уменьшается на 1000 %.
Проведенные шахтные исследования устойчивости породных обнажений, инструментальные наблюдения в выработках, закрепленных крепью АМК, изучение комплекса физических свойств горных пород показали, что в качестве критерия, характеризующего степень устойчивости породных обнажений может быть принят коэффициент устойчивости п, определяемый по формулам.
Использование данного критерия позволило классифицировать породные обнажения по степени их устойчивости. Предложенная классификация произведена для пород кровли и бортов подготовительных и капитальных вы-работок шириной до 6 м вне зоны влияния очистных работ. Классификационными признаками являются величина площади обнажений пород и длительность обнажения без обрушений и вывалов. По данной классификации породы кровли и бортов
проводимых выработок разделены на четыре категории (таблица 1). Для каждой определены диапазоны значений коэффициента устойчивости, прочностных характеристик пород, площади обнажения и сохранения им устойчивого состояния.
Так, породные обнажения, принадлежащие к первой категории и считающиеся устойчивыми, имеют площадь 200 м2 и более и способны оставаться в таком состоянии 50-250 часов и дольше. Вмещающие породы, как правило, представлены массивными однородными и слабослоистыми песчаниками, имеют прочность на сжатие 80-120 МПа и более. Коэффициент устойчивости породных обнажений более 0,65.
Породные обнажения средней устойчивости могут иметь площадь до 180-200 м2 и сохраняют устойчивость в течение 4-48 час. Вмещающие породы представлены массивными, слоистыми и трещиноватыми песчаниками и алевролитами с прочностью 40-80 МПа. Коэффициент устойчивости породных обнажений II
категории изменяется в пределах от 0,31 до 0,65.
Неустойчивые породные обнажения обру-шаются через 0,5-4 часа и могут иметь площадь до 26 м2. Вмещающие породы слабые, слоистые и трещиноватые, с прочностью 30-40 МПа. Ко-
Рисунок 2. Зависимость смещений контура выработки (и) от величины коэффициента устойчивости (n)
Figure 2 opening contour displacements' dependence (и) on the value of the stability coefficient (n)
эффициент устойчивости породных обнажений III категории изменяется в пределах от 0,1 до 0,3.
Породные обнажения IV категории являются весьма неустойчивыми. Вмещающие породы представлены весьма слабыми, трещиноватыми и тонкослоистыми аргиллитами и алевролитами общей мощностью не более 0,50,6 м и прочностью - менее 20 МПа. Породы об-рушаются в момент обнажения или через 5-15 мин по мере подвигания забоя выработки. Коэффициент устойчивости породных обнажений этой категории обычно менее 0,1.
Разработанная классификация позволяет:
- оценить механическое состояние породного массива, вмещающего выработку, то есть установить возможность сохранения выработкой устойчивого состояния и произвести количественную оценку возникающих при этом процессов и явлений;
- произвести выбор типа крепи для капитальных и подготовительных выработок с целью поддержания их в конкретных горно-геологических условиях, а также решать вопросы о необходимости применения предохранительной крепи в призабойном пространстве выработок;
- установить отставание постоянной крепи от забоя проводимой выработки, что чрезвычайно важно при проходке выработок скоростными методами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Курленя, М. В. Развитие экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок / М. В. Курленя,
Масаев, Ю. А. Совершенствование конструкций анкерных крепей для сооружения горных выработок / Ю. А. Масаев, А. П. Политов, А. И. Ко-пытов, В. Ю. Масаев // Вестник научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. № 4, 2018. - С. 66-74.
Соломойченко, А. А. Определение влияния напряжений и деформаций в окрестностях подготовительных выработок. Известия высших учебных заведений. Горный журнал, № 1, 2015. - С. 68-72.
Масаев, В. Ю. Сопоставление устойчивости выработок с различными типами крепей на физических моделях / В. Ю. Масаев, Фам Мань Хао, Е. Н. Свиридов // Повышение эффективности горнопроходческих работ. Межвуз. сб. научн. тр. КузПИ, 1989. - С. 217-232.
Масаев, В. Ю. Исследование условий применения облегченных крепей в подготовительных выработках шахт Томусинского района Кузбасса / Крепление, поддержание и охрана горных выработок // Ин-т горн. дела СО АН СССР, Новосибирск, 1985. - С. 109-114.
Грицко, Г. И. Определение напряженно-деформированного состояния массива вокруг протяженных пластовых выработок экспериментально-аналитическим методом / Г. И. Грицко, В. Н. Цыцаркин // ФТПРПИ, № 3, 1995. - С. 18-22.
Демин, В. Ф. Напряженно-деформированное состояние приконтурного углепородного массива / В. Ф. Демин, Д. С. Шонтаев и др. // Научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь». № 5, 2020. - С. 63-67.
8. Абрамов, И. Н. Комплексный эксплуатационный геомониторинг состояния подземных сооружений с облегченной крепью / Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений // Труды V Международной конференции. - Екатеринбург, 2016. - С. 150-153.
REFERENCES
Kurlenia, M.V., Baryshnikov, V.D., & Gokhova, L.N. (2012). Razvitiye ek-sperimental'no-analiticheskogo metoda ot-senki ustoychivosti gornykh vyrabotok [Experimental-analytical method development for assessing the mine working stability].FTPRPI, 4, 20-29 [in Russian].
Masaev, Yu.A., Politov, A.P., Kopytov, A.I., & Masaev, V.Yu. (2018). Sovershenstvovaniye konstruktsiy ankernykh krepey dlya sooruzheniya gornykh vyrabotok [Im-provement of anchor support structures for the construction of mine workings]. Vestnik Nauchnogo tsentra VostNII po promyshlennoi i ekologicheskoi bezopasnosti -Scientific Center
научн о-техни§Я]Ш1 журнал №K3Q21
ВЕСТНИК
21
VostNII Herald of Industrial and Environmental Safety, 4, 66-74 [in Russian].
Solomoichenko, A.A. (2015). Opre-deleniye vliyaniya napryazheniy i de-formatsiy v okrestnostyakh podgoto-vitel'nykh vyrabotok [Stress and de-formation effect detection in the vicinity of preparatory workings]. Izvestiya vysshikh ucheb-nykh zavedeniy. Gornyy zhurnal - Proceedings of higher educa-tional institutions. Mining magazine, 1, 68-72 [in Russian].
Masaev, V.Yu., Fam Man' Xao, & Sviridov, Ye,N. (1989). Sopostavleniye ustoychivosti vyrabotok s razlichnymi tipami krepi na fizicheskikh modelyakh [Comparison of working stability with different support types on physical models]. Improving the efficiency of mine heading operations. Interuniversi-ty collection of scientific works of KuzPI, 217-232 [in Russian].
Masaev, V.Yu. (1985). Issledovaniye usloviy primeneniya oblegchennykh krepey v podgotovitel'nykh vyrabot-kakh shakht Tomusinskogo rayona Kuzbassa [Conditions study for the use of lightweight supports in the preparatory workings of the Kuzbass To-musinsky district mines]. Supporting, maintenance and protection of mine workings // Institute of Mining of the USSR Academy of Sciences Siberian Branch, Novosibirsk, 109-114 [in Rus-sian]. Gritsko, G.I., & Tsytsarkin, V.N. (1995 Opredeleniye napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya mas-siva vokrug protyazhennykh plas-tovykh vyrabotok eksperimental'no-analiticheskim metodom [Determina-tion of the rock mass stress-strain state around the extended seam workings by the experimental-analytical method]. FTPRPI, 3, 18-22 [in Russian].
Demin, V.F., Shontaev, D.S., et al. (2020). Napryazhenno-deformirovannoye sostoyaniye prikonturnogo ugleporod-nogo massiva [Stress-strain state of the contour coal-rock mass]. Ugol - Coal, 5, 63-67 [in Russian]. Abramov, I.N. (2016). Kompleksnyy ekspluatatsionnyy geomonitoring sos-toyaniya podzemnykh sooruzheniy s oblegchennoy krep'yu [Integrated oper-ational geomonitoring of the light-weight support underground structures state]. Proceedings from Design, con-struction and operation of underground structure complexes. V Mezhdunarod-naia konferentsia - 5th International Conference (pp. 150-153). Yekaterin-burg [in Russian].
г ^
да О / у JU
г Л •• Г
ООО "Горный-ЦОТ" ¡ndsafe.ru
ИЗСТ-01
ИЗМЕРИТЕЛЬ ЗАПЫЛЕННОСТИ СТАЦИОНАРНЫЙ
