CC BY
73
© Е.В. Бахтин, C.B. Кузьмин, С.А. Мешков, 2015
УДК 622.28.044
Е.В. Бахтин, С.В. Кузьмин, С.А. Мешков
МОНИТОРИНГ СТРУКТУРЫ ПОРОЛ КРОВЛИ И СОСТОЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ И ПОЛГОТОВИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»
Представлены данные по результатам проведенных визуальных и инструментальных обследований пород непосредственной кровли и состояния крепления подземных горных выработок в условиях шахты «Талдинская - Западная - 2» ОАО «СУЭК — Кузбасс». Объектом исследований являются капитальные и подготовительные горные выработки, окружающий (приконтурный) массив пласта 70, разрабатываемый шахтой. Исследованы структура пород непосредственной кровли угольного пласта, характер и условия развития исходной системы трещиноватости до зон расслоений активно влияющих на качество работоспособности анкерной крепи, и как следствие сохранение эксплуатационных параметров подземных выработок. Приведен возможный способ локации зон повышенной трещиноватости и рекомендации по недопущению их дальнейшего развития.
Ключевые слова: зона трещиноватости, приконтурный массив, инструментальное обследование, систематическое наблюдение, видеоэндоскоп, штанговыдергиватель.
Вследствие особенностей процессов метаморфизма каменноугольных месторождений всегда присутствует, в различной степени, первичная трещиноватость углей и вмещающих горных пород. Поэтому при разработке угольных месторождений подземным способом достаточно часто, ввиду неблагоприятных горно - геологических условий залегания полезного ископаемого, высокой интенсивностью и концентрацией ведения горных работ, встречаются вопросы сохранения параметров горных выработок в течение всего срока их эксплуатации, что неизбежно приводит к дополнительным затратам экономических и трудовых ресурсов.
В связи с этим «Научным центром геомеханики и проблем горного производства» Национального минерально-сырьевого университета «Горный» была выполнена научно - исследовательская работа, целью которой был поиск эффективных способов контроля состояния крепления выработок, для своевременного принятия мер по поддержанию качественного состояния горных выработок [1].
Необходимость данной работы была вызвана проблемой сохранения сети подземных горных выработок, разрабатываемого шахтой «Талдинская - Западная - 2» пласта 70.
Метод выполненных исследований - визуальный осмотр и проведение инструментальных обследований, характеризующих текущее состояние крепления горных выработок, структуры и степени устойчивости вмещающих пород, оценка несущей способности анкерной крепи.
Шахта «Талдинская - Западная - 2» территориально расположена в Прокопьевском районе Кемеровской области, в пределах юго-западного крыла Талдинского месторождения. Угольный пласт 70, мощностью в среднем 5,04 м, уголь энергетический марки Л, угол падения от 0° до 15°, глубина залегания пласта в пределах горного отвода шахты от 20 до 550 м (в оси Талдинской брахисинклинали), характеризуется сложным строением - повсеместно отмечаются прослои алевролита в количестве от 1 до 6, мощностью от 0,03 до 0,1 м, трещиноватый, слабоустойчивый, склонен к кливажу, слабой и средней механической прочностью ({ = 0,7 — 1,1). Вмещающие породы примерно в равном соотношении представлены песчаниками различной зернистости (42%), как правило залегают в кровли пластов, алевролитами (40%), залегающие в почве пластов, содержание аргиллитов не превышает 2%.
В рамках изучения проблемы обеспечения устойчивости подземных горных выработок шахты «Талдинская - Западная - 2» объектами проведенных визуальных и инструментальных исследований явились капитальные выработки: вентиляционный, конвейерный и путевой стволы пласта 70, дренажный штрек - подготовительная выработка на стадии проведения.
Конвейерный ствол пласта 70 - капитальная горная выработка пройдена по пласту 70 комбайновым способом шириной - 5,2 м, высотой - 3,5 м, сечением - 18,2 м2; крепление: кровли - анкерами А20В длиной 2,75 м с закреплением 3 полимерными ампулами длиной 400 мм, либо 2 полимерными ампулами длиной 1000 мм, устанавливаемыми по 5 штук в ряду под кровельную планку «штрипс» длиной 4,9 м, шаг установки 0,8-1,0 м, с перетяжкой металлической решетчатой затяжкой; боков - анкерами А20В (либо их аналогами) длиной 1,8 м под металлические демпферные шайбы 300*300*8 мм, шаг установки 0,8-1,1 м, с перетяжкой металлической решетчатой затяжкой (либо сеткой «Рабица»).
На отдельных участках выработки, а также на сопряжениях, в качестве усиления крепления, установлены анкера второго уровня АК-01, между рядами анкеров первого уровня, длиной до 6,0 м (до 4 анкеров в ряду). Типовой паспорт крепления капитальных выработок представлен на рис. 1.
Вентиляционный и путевой стволы пласта 70 - капитальные горные выработки пройденные по пласту 70 с параметрами проведения и крепления выработки полностью аналогичными параметрам проведения конвейерного ствола пласта 70.
Лренажный штрек - подготовительная горная выработка, предназначена для подготовки выемочного участка 70-10, проводится по пласту 70 комбайновым способом шириной -5,2 м, высотой - 4,2 м, сечением - 21,34 м2; крепление: кровли - анкерами А20В длиной 2,75 м с закреплением 2 полимерными ампулами длиной 1000 мм, устанавливаемыми по 6 штук в ряду под кровельную планку «штрипс» длиной 5,1 м, либо с использованием кровельных демпферных шайб 300*300*8 мм, шаг установки 1,0 м, с перетяжкой металлической решетчатой затяжкой; бока: целикового бока - анкерами А20В (либо их аналогами) длиной 1,8 м, устанавливаемыми по 3 штуки в ряду под металлические демпферные шайбы 300*300*8 мм, шаг установки 1,0 м, с перетяжкой металлической решетчатой затяжкой (либо сеткой «Рабица»), в зоне неустойчивых пород; забойного бока - стеклопластиковыми (либо сталеполимерными) анкерами длиной 1,8 м, устанавливаемыми по 3 штуки в ряду под металлические демпферные шайбы 300*300*8 мм, шаг установки 1,0 м, с перетяжкой металлической решетчатой затяжкой (либо сеткой «Рабица»), в зоне неустойчивых пород.
Рис. 1. Типовой паспорт крепления (усиления крепления) при проведении капитальных выработок
Типовой паспорт крепления подготовительных выработок представлен на рис. 2.
Визуальные обследования проводились в два этапа, проведенные с интервалом времени через три месяца, на предмет состояния капитальных и подготовительных выработок, окружающего (приконтурного) массива показывают следующие результаты.
Имеются все внешние признаки деформаций закрепленного массива, элементов крепи боков и кровли:
— происходит дальнейшее развитие системы трещиновато-сти закрепленного массива;
— наблюдается развитие новых вывалов горной породы (куполение) из кровли между анкерами, разрушение присутствующего на контакте с угольным пластом прослоя углистого алевролита вдоль нижнего борта конвейерного ствола;
Рис. 2. Типовой паспорт крепления при проведении подготовительных выработок
— наблюдается отжим угля вдоль верхнего борта дренажного штрека по контакту с кровлей пласта с развитием системы трещиноватости, уходящей вглубь угольного пласта;
— в ранее указанных и вновь обозначенных местах имеются деформации кровельных планок «штрипс», демпферных шайб с различной степенью разрыва гайкой анкера тела данных элементов крепи.
Состояние кровли участков конвейерного ствола пл. 70, в которых выполнено усиление крепления анкерами глубокого заложения (АК - 01) в целом удовлетворительное, несмотря на уже присутствующую систему трещиноватости закрепленного массива и увеличенную «пригрузку» демпфирующих элементов крепи.
Проведение инструментальных исследований состояли из оценки приконтурного массива по двум критериям. Первый критерий - определение усилий натяжения и несущей способности анкерной крепи, при помощи прибора (штанговыдерги-вателя) ВШГ - 20 (рис. 3). Второй критерий - определение структуры, степени трещиноватости и размеров зон расслоений кровли закрепленных пород проведено при помощи промышленного видеоэндоскопа ШцЫегУК 350 (рис. 4).
Рис. 3. Штанговыдергиватель ВШГ - 20
В процессе проведения определений несушей способности анкерной крепи в шахте по манометру фиксировалось подаваемое давление в гидросистему ВШГ - 20, затем по тарировочному графику определялась прилагаемая нагрузка на анкер. Величина вдавливания (смешения) кровельной планки «штрипса» в кровлю, определялась по мерной линейке прибора. Для оценки фактической несушей способности анкерного крепления к анкерной штанге прикладывалось выры-ваюшее усилие Иф, пре-вышаюшее расчетное усилие несушей способности крепи Nn, но не превышающее разрывное усилие штанги Ир.
Для проведения контрольных наблюдений были выбраны рабочие анкеры крепления кровли А20В, установленные в капитальных горных выработках: вентиляционном, конвейерном, путевом стволах пласта 70 и в проводимой подготовительной выработке - дренажном штреке.
Проведенные испытания показали высокую степень несушей способности анкеров. Сталиполимерные анкеры, из винтового профиля А20В, выдержали приложенное вырываюшее усилие до 150 кН, допустимая нагрузка по данному типу анкеров составляет 126 кН, разрывное усилие - 164 кН. Срыв
Рис. 4. Промышленный видеоэндоскоп Wuhler VIS 350
«замка» и выход анкеров из шпуров не наблюдался. Зафиксированные значения смещения (вдавливания) демпферных шайб (либо «штрипса») по линейке блока цилиндров не превысили 45 мм, что обусловлено, главным образом, поджатием зон расслоений и трещиноватости вмещающих пород непосредственной кровли выработки.
Визуальное обследование закрепленного горного массива производилось через смотровые шпуры, пробуренные в кровле обследуемых капитальных и подготовительных выработок на глубину до 7 метров. Плавным, поступательным перемещением зонда видеоэндоскопа до забоя шпура и обратно, производилось видеонаблюдение строения горного массива с одновременной записью получаемого изображения на карту памяти прибора.
Участки горных выработок, определенных к видеонаблюдению, были выбраны учитывая структуру и тип пород кровли, находящегося в эксплуатации пласта 70 в местах с наиболее развитой системой трещиноватости, выявленных по результатам визуального осмотра выработок, а также в местах проведения инструментального контроля определения несущей способности анкерной крепи кровли капитальных и подготовительных выработок.
При проведении видео обследований структуры кровли по путевому и конвейерному стволам пласта 70 выявлено присутствие во всех точках контроля зон с различной степенью тре-щиноватости: от слабо развитой трещиноватости до сильного развития системы трещиноватости, вплоть до участков с зонами расслоений. Кроме того, также во всех точках контроля, визуально наблюдаются слои мягкого, пластичного, пористого характера горной породы, склонного к насыщению водой, залегающих в кровле выработок местами с расстояния 1,6 м. от устья шпура и выходящими за пределы глубины проведенных видео наблюдений (более 7 м от устья шпура).
Видео наблюдение непосредственной кровли капитальных выработок до глубины 140 м ведения горных работ выявило формирование структуры горных пород слаботрещиноватых с расстоянием между трещинами более 1 метра. Также наблюдаются присутствующие мягкие, пластичные горные породы кровли, с незначительными интервалами перехода к более крепким породам, наблюдаемые по всей глубине смотрового шпура.
>
Рис. 5.1 »Л
- > - ч % *
V л \
Чх) \
'•'■Ii 1
t Зона тре
1,51 м > ватостш
Рис. 5.1 - 5.2. Примеры слаботрещиноватой структуры и мягких, пластичных пород приконтурного массива непосредственной кровли горных выработок
Примеры структуры пород непосредственной кровли со слабым развитием системы трещиноватости и мягких, пластичных пород представлены на рис. 5.1, 5.2 соответственно (здесь и далее значение указанное в нижнем левом углу рисунка обозначает расстояние данного кадра от устья смотрового шпура).
С увеличением глубины ведения подземных горных работ наблюдается структура горных пород от среднетрещи-новатой до сильнотрещиноватой с расстоянием между взаимно пересекающимися трещинами на расстоянии до 0,5 метра, а также местами развивающейся системой вертикальных трещин. Примеры зон с развитой степенью тре-щиноватости, в структуре пород кровли, представлены на рис. 6.1 - 6.3.
Кроме того с развитием трещиноватости, в местах выполнения видео наблюдения зафиксировано наличие зон расслоений горных пород на глубине 1,66 м, 2,29 м, 2,86 м от устья шпура (рис. 7.1 - 7.3 соответственно).
По результатам обследования выявлено, что характеристика структуры непосредственной кровли капитальных выработок наблюдается в целом аналогичной во всех местах проведения контроля. При обследовании подготовительной выработки (дренажный штрек находится в стадии проведения, срок эксплуатации исследуемого участка выработки менее одного месяца)
■татос-
йс. 6.3
ваг1»£йгй
Рис. 7.3
2,86. м
ЗонараСряоения
Рис. 6.1 - 6.3. Примеры развитой системы трещиноватой структуры
Рис. 7'. 1
Рис. 7.2
Рис. 7.1 - 7.3. Примеры развития трещиноватости зоны расслоений в структуре приконтурного массива
выявлено, что горные породы непосредственной кровли представлены теми же породами, что и кровля капитальных выработок, однако структура кровли достаточно монолитна, развитие зон трещиноватости не наблюдается.
Проведенные видео наблюдения структуры пород кровли подземных горных выработок наглядно демонстрируют переход структуры, неоднородной по своему составу непосредственной кровли, достаточно единой монолитной плиты с первичной системой трещиноватости от момента проведения выработок по угольному пласту (время эксплуатации выработок менее одного месяца) до сильнотрещиноватой с несколькими зонами расслоений, развивающейся, как в пределах мощности закрепленного массива стандартными анкерами (2,75 м), так и проходящими выше «замков» анкерной крепи, с увеличением срока эксплуатации.
Анализ проведенных визуальных и инструментальных обследований состояния крепи капитальных и подготовительных горных выработок, приконтурного массива показывает, что на состояние и целостность структуры пород непосредственной кровли горных выработок, находящихся в эксплуатации на шахте «Талдинская - Западная - 2», а соответственно и прочностные характеристики пород кровли, и как следствие состояние устойчивости крепления подземных горных выработок, наиболее весомо влияют: сроки эксплуатации данных выработок, неблагоприятные горно-геологические условия, высокая концентрация ведения горных работ. Присутствующие слои мягких, пористых мелкозернистых алевролитов, склонные к размоканию при попадании воды, представляющие структуру непосредственной кровли пласта 70, залегающие как по мощности закрепленного массива, так и выше «замковой» части анкеров стандартной длины (2,75 метра) и более, создают предпосылку к развитию зон трещиноватости, а в дальнейшем и зон расслоений горных пород, что неблагоприятно сказывается на состоянии сохранности подземных горных выработок.
В целях оптимизации ведения подземных горных работ и снижения затрат на поддержание выработок, предлагается возможный способ выявления на ранних стадиях и прогрессирующих с развитием ведения подземных горных работ зон трещиноватости и дальнейшего расслоения пород непосред-
ственной кровли (приконтурного массива). Основой данного способа является проведение мониторинга (систематического наблюдения) структуры непосредственной кровли выработок через сеть смотровых шпуров, пробуренных на стадии проведения подземных горных выработок, с анализом о характере и величине раскрытия зон трещиноватости, расслоений в локальном месте проведения контроля и определения распространения данных зон по напластованию вмещающих пород. Полученные данные являются основанием для принятия решений о необходимости проведения мероприятий направленных на усиление крепления выработок, своевременность выполнения которых значительно повышает безопасные условия труда шахтеров и снижает экономические затраты в случае устранения незапланированных (аварийных) ситуаций.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обоснование устойчивости подземных горных выработок шахты «Талдинская -Западная - 2» с учетом влияния открытых горных работ разреза «Заречный». Этап 2: Отчет о НИР. - Рук. Розенбаум М.А. - СПб.: НМСУ «Горный», 2014. 23 с. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бахтин Евгений Валерианович — горный инженер, ведущий инженер лаборатории геомеханики Научного центра геомеханики и проблем горного производства, [email protected],
Кузьмин Сергей Владимирович — горный инженер, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории геомеханики Научного центра геомеханики и проблем горного производства, [email protected], Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Мешков Сергей Анатольевич — горный инженер, зав. горными работами шахтопроходческого управления, [email protected], ОАО «СУЭК-Кузбасс».
UDC 622.28.044
MONITORING ON ROCK STRUCTURE OF IMMEDIATE ROOF AND BRACING ON PERMAMENT AND OPENING MINE WORKINGS AT MINE RUN BY SUEK - KUZBASS OJSC
Bakhtin E.V., mining engineer, leading engineer of Research Center on Geomechanics and Mining production, e-mail:[email protected], National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Kuzmin S.V., mining engineer, Inferior research fellow of Research Center on Geomechanics and Mining production, e-mail: [email protected], National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Meshkov S.A., mining engineer, mine overseer of shaft contracting company run by SUEK-Kuzbass OJSC, e-mail: [email protected], Russia.
This article presents the results of visual and instrumental investigation of immediate roof and conditions of bracing mine workings of Taldinskaya Zapadnaya - 2 mine run by SUEK-Kuzbass OJSC. The main object of study is permament and opening mine workings, which surrounding seam 70. The research presented rock structure of immediate roof of coal seam, character and condition developmental of fracture system up to sheeted zone, which has affect at quality of bracing. The paper has practicable zone of excessive fissuring and ways to fight with them.
Key words: rock-fracture zone, instrumental investigation, systematic investigation, video endoscope, bolt-down.
REFERENCES
1. Obosnovanie ustojchivosti podzemnyh gornyh vyrabotok shahty «Taldinskaja-Zapadnaja - 2» s uchetom vlijanija otkrytyh gornyh rabot razreza «Zarechnyj» (Analysis on opening strength of Taldinskaya Zapadnaya - 2 in view of influence on open-pit mining of open-pit Zarechnyi). Jetap 2: Otchet o NIR. Ruk. Rozenbaum M.A. SPb.: NMSU «Gornyj», 2014. 23 3.
