CC BY
43
© М.А. Ильяшов, 2008
УДК 622.831 М.А. Ильяшов
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАБОТЕ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ЛАВ
Мировая практика разработки угольных месторождений подземным способом свидетельствует, что обеспечение рентабельности угледобычи возможно только путем внедрения прогрессивных техникотехнологических решений, направленных на снижение издержек производства. В условиях интенсификации очистных работ, возрастании нагрузок на лавы и, соответственно, скорости подвигания фронта очистных работ особую актуальность, в настоящее время приобретают разработка и внедрение новых способов поддержания выработок добычного участка, особенно в зоне концевых участков лав.
Несмотря на относительно высокую степень механизации процессов добычи, уровень тяжелого ручного труда на концевых участках лав остается достаточно высоким. Например, на шахтах Украины трудоемкость работ на сопряжениях «штрек-лава» достигает 50 % от общей на добычном участке. Кроме того, концевые участки лав являются наиболее травмоопасными зонами шахты. Так более половины несчастных случаев, не связанных с выбросами и воспламенениями метана, происходят именно вблизи сопряжений «штрек - лава». Подавляющее большинство их обусловлено обрушением кровли.
Опыт работы угольных шахт Центрального Донбасса показал, что традиционные способы поддержания горных выработок, характеризуемые ограниченными параметрами податливости и несущей способности, не в состоянии противостоять повышенному горному давлению в зоне влияния очистных работ. В результате нарушается производственный цикл работы добычных участков. Все это -результат недостаточной изученности проявлений горного давления в подготовительных выработках, а также нерешенности вопросов создания более совершенных и эффективных способов их поддержания, что приводит к большим экономическим и материальным издержкам.
Выполненные на шахте «Красно-армейская-Западная № 1» исследования устойчивости выемочных штреков, поддерживаемых традиционным способом, показали, что его характер при базовом способе крепления в условиях повышенного горного давления определяется формированием по длине выработок пяти основных зон напряженно-деформированного состояния породного массива, расположенных, соответственно: вне области влияния очистных работ, 60-70 м впереди лавы, в интервалах 0-40 м, 40-200 м и более 200 м позади лавы. При этом радиус зоны неупругих деформаций достигает 5-7 м, величины
смещений пород и потеря сечения штреков в зависимости от времени подчиняются экспоненциальному закону, а в зависимости от расстояния до лавы - линейному. Коэффициент асимметрии нагрузок на крепь достигает 2-3, а остаточное сечение штреков после прохода лавы составляет 40-50 % от проектного. Указанные обстоятельства не позволяют использовать выработки повторно для отработки смежного столба.
Повышение устойчивости выработок настоятельно требует использования комбинированных охранных систем. Установлено, что для системы разработки с прямоточным проветриванием и выдачей струи в отработанное пространство целесообразной является применение рамной крепи совместно с анкерными системами, а также литой полосой позади лавы и крепью усиления. Схема такого комбинированного способа охраны выемочного штрека представлена на рис. 1.
Состояние системы «комбинированная охранная конструкция - породный массив» оценивалось комплексом
Рис. 1. Схема комбинированного способа охраны выемочного штрека: 1 - охраняемый штрек, 2 - арочная крепь, 3 - система разноглубинных анкеров, 4 - крепь усиления, 5 - литая полоса
методов: визуальными наблюдениями и инструментальными измерениями деформаций контура, виброа-кустической диагностикой арочной и анкерной крепи.
Характер деформаций контура выработки с использованием описываемой комбинированной охранной конструкции иллюстрируется круговой диаграммой, представленной на рис. 2.
Виброакустическая диагностика позволила раздельно оценить работу анкерной и рамной крепей, совместно определяющих форму контура выработки.
Процесс вибродиагностики анкерной крепи заключается в возбуждении контролируемого анкера ударом по его торцевой части и регистрации колебаний на торце смежного анкера, служащего в данной ситуации звуко-проводом. Информативным параметром является наибольшая из амплитуд виброскорости в частотных полосах, отображаемых портативным шахтным анализатором спектра ИСК-1Ш. Чем меньше амплитуда виброскорости, тем сильнее закреплен анкер в породном массиве, причем степень защемления для изгибных колебаний оказывает влияние на их амплитуду существенно больше, чем длина анкера.
Результаты вибродиагностики участка выемочного штрека за лавой (2-й южный конвейерный штрек блока № 8 шахты «Красноармейская-Западная № 1») представлены в табл. 1. Нуме-
Поз. Характер деформирования контура Отн. доля, %
а) контур практически не деформирован 5,9
б) симметричная нагрузка на верхнюю часть охранной конструкции 45,1
в) асимметричная деформация с максимумом со стороны отработанной лавы 39,2
г) асимметричная деформация с максимумом со стороны угольного целика 5,9
д) другие варианты деформации 3,9
рация анкеров от 1 до 11 идет согласно рис. 1 по часовой стрелке - от нетронутого пласта до литой полосы. Расстояние Ь от лавы для сечений, в которых выполнялись измерения, изменялось ступенчато с шагом 5 м. В ячейках таблицы представлены относительные величины амплитуды виброскорости, выраженные в децибелах. Значения информативного параметра, соответствующие повышенному натяжению более защемленных анкеров, выделены заливкой.
Анализ результатов табл. 1 показывает, что распределение нагрузки на анкера неравномерно. Наблюдается чередование зон повышенной и пониженной пригрузки вдоль оси штрека. На этом фоне просматривается общая тенденция возрастания натяжения анкеров по мере удаления лавы. Наиболее нагруженными является анкера в верхней части выработки со стороны выработанного пространства, что хорошо согласуется с результатами визуальных наблюдений за формой контура выработки.
Принципиальным отличием при вибродиагностике арочной крепи является то, что возбуждение и прием колебаний осуществляется в пределах одного звена. Рекомендуемая база для вибродиагностики арочной крепи составляет порядка 1 м. Следует учитывать, что точки возбуждения колебаний и их регистрации неравноценны. Колебательный процесс однозначно определяется параметрами удара и свойствами исследуемого объекта в ближней к точке возбуждения зоне. Остальная часть звена служит звукопроводом. Обладая слабо-выраженными резонансными свойствами, она может изменять спектральный состав пришедшего к приемнику сигнала, но это изменение менее существенно, чем в точке удара. С учетом вышесказанного, за точку, к которой относят результаты вибро-диагостики, принимается точка удара. Минимальное значение амплитуды виброскорости характерно для при-груженных звеньев крепи. Таким образом, величина нагрузки на звено
337
Таблица 1
Результаты виброакустической диагностики анкерной крепи в составе комбинированной охранной конструкции
Номер анкера
ь, м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0 12 18 18 9 12 18 24 24 21 15 21
5 15 15 18 21 21 15 21 18 21 21 18
10 21 18 21 24 9 18 18 21 21 27 15
15 18 18 18 9 21 24 18 21 24 24 24
20 15 12 15 21 21 18 15 15 21 15 18
25 24 18 9 21 24 18 21 24 24 18 18
30 12 18 21 24 24 24 21 12 9 9 21
35 21 18 21 21 12 12 15 24 12 21 21
40 15 9 15 15 15 12 18 21 24 18 18
45 21 18 27 18 21 18 27 24 21 21 18
50 21 15 21 24 18 24 15 24 18 18 21
55 27 21 27 21 12 21 9 15 15 18 21
60 24 24 24 21 18 15 9 15 12 21 18
65 18 24 21 15 15 18 21 15 24 12 21
70 12 15 21 21 21 15 15 18 15 18 24
75 24 18 12 15 15 15 24 18 18 15 15
80 18 9 24 18 18 15 21 18 9 12 18
85 15 15 21 24 15 9 18 24 21 12 15
90 9 18 18 15 9 15 15 15 21 24 21
95 21 24 18 12 24 12 9 15 12 12 18
100 15 9 15 21 15 12 12 15 18 15 15
Таблица 2
Обобщенные характеристики нагруженности арочной крепи на участке за лавой
Параметр Номе] р профиля
1 2 3 4 5 6
Ср. амплитуда, дБ Обратная величина 18,0 0,056 20,7 0,048 19,0 0,052 15,6 0,064 21,4 0,047 22,1 0,045
Рис. 3. Схематическая диаграмма распределения нагрузок на арочную крепь
находится в обратной зависимости к значению информативного параметра - амплитуде виброскорости.
Обобщенные характеристики относительной нагруженности арочной крепи на расстоянии до 100 м за лавой представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Рис. 3 свидетельствует, что нагрузка на звенья арки, как и на анкерную систему, характеризуется асимметрией. Наиболее нагруженным является участок в районе замка со стороны выработанного пространства.
Оценка состояния литой полосы является более сложной по причине ограничения доступа к ней после прохода лавы. Для понимания происходящих в ней процессов был выполнен обзор по опыту применения аналогичных конструкций в мировой практике и, прежде всего, в Германии [1, 2].
На шахтах Германии, начиная с 1966 г. для возведения околоштреко-вых полос широко используется при-
родный ангидрит СаБО4. В качестве активаторов применяются смеси К2 Б04 с добавками поверхностноактивных веществ. Такие смеси при водовяжущем отношении 0,08-0,12 обеспечивают прочность твердеющего материала через сутки - 7-12 МПа, а через месяц - 20-30 МПа. Применяется также быстротвердеющее «блиц-деммер», которое состоит из цементного клинкера (54 %), известкового мергеля (40 %), хлористого кальция (1 %) и слабоотожжённого клинкера (5 %).
Предельная величина прочности отвердевших материалов не его основе не превышает 20 МПа. Имеется опыт применения смеси из цемента и гранулированной летучей золы, за-творение которой обеспечивает прочность материала: за сутки - 10-20 МПа, а через месяц - 25-30 МПа. В последние годы в Германии для возведения околоштрековых полос, предотвращения утечек воздуха через выработанное пространство и запол-
нения закрепного пространства при креплении выработок используется около 300 тыс. т ангидрита.
Имеются некоторые наработки в данном направлении и в бывшем СССР [3, 4].
В последние годы зарубежный рынок строительных смесей для горной промышленности представлен целым рядом новых материалов. К ним можно отнести «Текбленд» (Польща) [5], «Про Монт П-Аш61» (Германия), концентраты «Спрай-кон» и «Ади-кон» (Канада). Испытания указанных материалов на угольных шахтах Украины подтвердили возможность их применения для возведения литых полос, выявив при этом ряд недостатков. Важнейшими из них являются сравнительно высокая стоимость и недостаточная прочность в конце срока отвердения.
Специалистами ЗАО «Донецк-сталь»в содружестве с другими организациями разработан и успешно используется в промышленных масштабах материал «БИ-крепь». На состав материала получен патент Украины № 53569А. Он включает:
портландцемент марки 400 - 35 %; песок кварцевый - 50 %; кремнезем - 3 %; хлористый кальций - 2 %; сахар - до 0,1 %.
дробленая карбонатная порода -остальное (около10 %).
Материал для возведения литых полос должен отвечать целому комплексу требований. Помимо приемлемой стоимости он должен обеспечивать технологичность приготовления и доставки раствора на место заливки, иметь удовлетворительные прочностные характеристики на всех этапах твердения, разрушаться плавно, сохраняя при этом значительную часть несущей способности и не терять свои свойства в течение дли-
тельного времени в условиях агрессивной шахтной среды. В лабораторных условиях был выполнен обширный комплекс исследований нового материала. Важнейшим составным элементом исследований было определение его физико-механических свойств в процессе твердения.
Характер изменения во времени прочности материала на односное сжатие представлен на рис. 4.
Сглаженную кривую можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью вида Осж. = а(1-е°’14/),
где параметр а характеризует разброс в составе смеси и отличие в процентном содержании воды при затворе-нии и колеблется в пределах 40-46.
Следует отметить, что приведенные выше данные относятся к твердеющей смеси, затворенной на водопроводной воде. Раствор, приготовленный с использованием шахтной воды, характеризуется несколько более низкими прочностными показателями, но приемлемыми для возведения полосы.
Важнейшей характеристикой
строительного материала является его полная диаграмма деформирования. Материал с высокими прочностными характеристиками, но склонный к аккумулированию значительного количества упругой энергии, нежелателен для возведения литой полосы, поскольку она может разрушаться с проявлением динамических эффектов и скачком терять свою несущую способность.
При отвердении материал становится более жестким и естественно возрастает его способность к накоплению упругой энергии. Тем не менее, характер разрушения материала на всех этапах удовлетворителен. Иллюстрацией является диаграмма деформирования образца спустя 21
1 2
Время твердения t, суток
Рис. 4. Изменение прочности на одноосное сжатие материала «БИ-крепь» в зависимости от времени отвердения: 1 - экспериментальная зависимость, 2 - сглаженная зависимость
сутки после приготовления раствора, представленная на рис. 5.
Диаграмма деформирования свидетельствует о том, что после достижения предела прочности на одноосное сжатие уменьшение несущей способности материала с увеличением его продольной деформации происходит достаточно плавно. Кривая в запредельной области выполаживает-ся, определяя остаточную несущую способность материала. Ее ориентировочное значение оставляет около 30 % от величины предела прочности.
Важной характеристикой, которая позволяет оценить величину действующих на литую полосу нагрузок, является механическое напряжение, при котором начинается образование макротрещин в материале. На основе обработки диаграмм деформирова-
ния и фотоматериалов, отображающих изменение состояния образцов в процессе нагружения, получена зависимость начала момента трещинооб-разования от времени твердения образца. Такая зависимость для образцов, приготовленных с использованием шахтной воды, представлена на рис. 6.
Представленная на рис. 6 зависимость позволила дать ориентировочную оценку действующим в литой полосе напряжениям. Суть подхода заключается в следующем. График возведения литой полосы строго документируется и любой ее участок, выполняемый на протяжении одной смены, четко фиксируется по своей протяженности и по времени заливки раствора. Погрешность в определении момента заливки составляет 2-3 часа. При выполнении обследования
45
40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Относительная продольная деформация £, отн. ед. х 10-3
Рис. 5. Диаграмма деформирования материала «БИ-крепь» на 21 сутки после приготовления раствора
го
С
ю
о
о
Время твердении t, суток
Рис. 6. Зависимость напряжения начала трещинобразования в материале «БИ-крепь» от времени твердения
путем местного разрушения одной из стоек деревянной органной крепи со стороны штрека и заливочной емкости обеспечивается доступ для визуального обследования поверхности полосы на ее центральном по высоте участке. Фиксируется расстояние, на котором в полосе обнаружены первые трещины и по записи определяется время отвердения данного участка полосы. Пользуясь представленной на рис. 6 графической зависимостью, определяют соответствующую указанному времени величину напряжения.
При существующей высокой скорости подвигания очистного забоя материал литой полосы не успевает достичь максимально возможных прочностных показателей без нарушения монолитности полосы за счет возрастающего горного давления. Ни на одном из обследованных участков сохранения полосы в монолитном состоянии на всем ее протяжении не выявлено. Время появления первых трещин в полосе варьирует в пределах 7-10 суток. Исходя из приведенного на рис. 6 графика, вертикальные сжимающие напряжения в материале полосы на данных ее участках находятся в пределах 13-15 МПа.
Поскольку реальная прочность полосы на определенный момент времени варьирует в значительных пределах, то приведенные выше цифры ориентировочны. Вторым способом косвенной оценки нагрузки на литую полосу является контроль за положением границы литой полосы с породами почвы. Практически на всех участках почва пласта представлена алевролитом, прочностные характеристики которого определялись в лабораторных условиях при естественной влажности и после влагонасыщения, что имеет место в
шахте ввиду технологических особенностей возведения литой полосы. Прочность алевролита во влаго-насыщеном состоянии значительно снижается по сравнению с первоначальной и составляет около 15 МПа. Напряжения в полосе, достигающие этого значения, фиксируются по началу вдавливания полосы в почву или более грубо по началу пучения в штреке со стороны полосы.
Вышеприведенные результаты натурных исследований, а также данные выполненного в лабораторных условиях физического моделирования показали наличие горизонтальной составляющей напряжений, действующих на комбинированную охранную конструкцию со стороны отработанного пространства. Применительно к арочной крепи это проявляется в деформации ее звеньев, преимущественно в области замка. Действие горизонтальных напряжений на литую полосу создает опрокидывающий момент, который учитывается при выборе параметров полосы путем увеличения ее ширины при возрастании мощности отрабатываемого пласта.
Вертикальная компонента действующих на литую полосу нагрузок в значительной степени определяется состоянием зависающей над выработанным пространством консоли из пород кровли. Классификация типов кровли взята из работы [4] и с учетом адаптации к местным условиям приведена в табл. 3
При быстром подвигании забоя литая полоса не успевает приобрести необходимую для ее эффективной работы прочность и разрушается уже при малых нагрузках. В этом случае она помимо деревянных стоек органной крепи дополнительно усиливается жесткими элементами, воспринимающими на себя нагрузку
Таблица 3
Классификация типов кровли для учета нагрузок на литую полосу
Класс основной кровли по обрушаемости Состав и характеристика порол основной кровли
легкообрушающаяся (I) однородная кровля из аргиллитов и алевролитов общей мощностью более 6-7 т (т - мощность пласта, м), асж до 40 МПа '
среднеобрушающаяся (II) однородная кровля из аргиллитов, алевролитов и песчаников общей мощностью более 6-7 т, асж. до 40 до 80 МПа
труднообрушающаяся (III) над пластом на расстоянии от него менее 3-4 т залегают массивные песчаники, известняки и алевролиты общей мощностью более 2 т, с асж. более 80 МПа
Таблица 4
Выбор конструкции литой полосы
Класс кровли Wкр Конструкция охранной полосы Необхолимая несущая способность, МН/м
т < 1,5 т > 1,5 Ь /т > 3 Ь /т < 3
I 0,75- 0,80 0,80- 0,85 однородная литая полоса с органкой 3-5 5-10
II 0,80- 0,85 0,85- 0,90 комбинация литой полосы и чередующихся по длине железобетонных блоков (ЖББ) 8-10 10-12
III 0,85- 0,90 0,90- 0,95 а) комбинация литой полосы со стенкой со стороны лавы из ЖББ б) комбинация литой полосы с чередующимися ЖББ и железобетонной стенкой со стороны лавы 12-14 13-15 15-20 17-20
сразу же после их установки. Выбор охранной конструкции (табл. 4) помимо мощности непосредственной кровли И определяется параметром критической жесткости Шкр, который комплексно учитывает допустимое опускание кровли над полосой, мощность пласта и ряд других параметров [4].
На базе выполненных исследований разработан технологический регламент по охране подготовительных выработок угольных шахт литыми полосами из твердеющих материалов [6].
Внедрение описанной выше комбинированной охраны выемочного
штрека в условиях шахты «Красноар-мейская-Западная № 1» [7] позволило получить положительный эффект, который содержит следующие составляющие:
• снижение объемов проведения новых выработок за счет повторного использования выемочных штреков;
• снижение металлоемкости
крепи за счет отказа от использования тяжелых спецпрофилей;
• отказ от использования импортных материалов;
• использование шахтной воды в технологическом процессе.
1. Гепте М. Возведение околоштреко-вых полос из гидравлических вяжущих материалов // Глюкауф, ФРГ. - 1970. - № 2. - С. 9-13.
2. Генрих Ф. Опыт возведения око-лоштрековых полос из ангидрита и блиц-деммера // Глюкауф, ФРГ. - 1971. - № 2.
- С. 7-11.
3. Бетоны и растворы для подземного шахтного строительства: Спр. пособие /О.С. Докукин, И.Г. Косков, В.П. Друцко и др. - М.: Недра, 1989. - 211 с.
4. Временная инструкция по охране выемочных выработок полосами из твердеющих материалов. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1981. - 20 с.
5. Тучин А. С. Минерально-цементные материалы фирмы «Фосрок-Поланд» в Украине / А.С. Тучин, 3. Скальски // Уголь Украины. - 2001. - № 9. - С. 51-54.
6. Временный технологический регламент по охране подготовительных выработок угольных шахт литыми полосами из твердеющих материалов / А.Ф. Булат, М.А. Ильяшов, Б.М. Усаченко и др. -Днепропетровск: РИА «Днепр-УАЬ», 2004.
- 33 с.
7. Байсаров Ё.В., Ильяшов М.А., Демченко А. И. Геомеханика и технология поддержания повторно используемых горных выработок - Днепропетровск: Лира, 2005. - 239 с. ЕШЗ
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------------
Ильяшов М.А. - доктор технических наук, профессор, первый заместитель генерального директора Группы «Энерго».
Статья представлена ЗАО «Донецксталь».
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КИСИЁЕВ Виктор Владимирович Разработка методов повышения эксплуатационной надежности скважин подземных хранилищ газа 25.00.17 к.т.н.
