CC BY
94
© И.И. Мартыненко, И.А. Мартыненко, М.В. Прокопова,И.А. Капралова, Ж.А. Голенева, 2002
УДК 622.258
И.И. Мартыненко, И.А. Мартыненко,
М.В. Прокопова, И.А. Капралова, Ж.А. Голенева
НОВЫЕ СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК, ОСНОВАННЫХ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТРАДИЦИОННО ПРИМЕНЯЕМЫХ СЕРИЙНЫХ КРЕПЕЙ
К
традиционно применяемым на шахтах юго-восточного Донбасса серийно изготовляемым крепям выемочных выработок относятся: металлическая податливая арочная трехзвенная крепь типа КМП-А3 — при сводчатой форме поперечного сечения выработок; металлическая анкерная распорнозамковая крепь типа ЭС-1 (с 1994 г. вместо этого типа АШ-1), устанавливаемая вблизи проходческого забоя, и возводимая впереди первой лавы дополнительно к анкерной металлическая податливая трапециевидная крепь типа КПС или ТПМК, а также деревянная или смешанная (деревянные ножки, металлический верхняк) рамные крепи — при трапециевидной (прямо-угольной) форме поперечного сечения выработок.
На основании выполненных исследований [1; 2] установлено, что проблемы поддержания выемочных выработок шахт региона часто обусловлены несовершенством применяемых способов крепления: арочного — ввиду оставления незаполненными пустот над верхняками; анкерного — из-за низкого предварительного натяжения штанг и медленного нарастания их сопротивления извлекающей нагрузке. Так как заполнение закрепленных пустот в своде вручную породой или деревом недостаточно эффективно, то представляют интерес работы по апробации способов арочного крепления с заполнением за-крепного пространства твердеющим материалом (ЗЗПТМ). Применение анкерной крепи при проведении
выработок со сводчатой формой поперечного сечения позволяет производить ЗЗПТМ любым способом на произвольном расстоянии от проходческого забоя, что дает возможность минимизировать отрицательное влияние работ по заполнению на скорость проведения выработок. Это утверждение справедливо лишь при качественном анкерном креплении, поэтому работы по апробации способов арочного крепления с ЗЗПТМ при анкерном упрочнении вмещающих выработки пород, а также по совершенствованию способов установки анкеров представляются актуальными. Вопросы совершенствования способов установки распорно-замковых анкеров и их усиления на сопряжении с лавой не менее значимы для выемочных выработок с трапециевидной (прямоугольной) формой поперечного сечения.
Была произведена апробация новых способов арочного и анкерного крепления выемочных выработок.
В соответствии с рекомендациями ВНИМИ [3; 4; 5] исследования при апробации проводились посредством производственных экспериментов с выделением на каждом объекте нескольких участков с близкими горно-геологичес-кими условиями и применением на каждом участке отличающихся друг от друга способов крепления. Для удовлетворения требований к проведению производственных экспериментов применительно к подготовительным выработкам было принято: число участков с различными способами крепления на каждом объекте — не менее трех (один контрольный участок с традиционно
возведенной крепью, два опытных с крепью, установленной экспериментальными способами); длина каждого участка на объекте равна шагу обрушения основной кровли, но не менее пяти эквивалентных радиусов поперечного сечения выработки в проходке; на каждом участке все измерения проводить в их средней части; все визуальные наблюдения и измерения на контрольных и опытных участках проводить с частотой, соответствующей интенсивности проявлений горного давления, как правило, с увеличением частоты от 1-2 раз в месяц вне зоны влияния очистных работ до 8-10 раз в месяц в зонах влияния лав.
На каждом опытном участке производились измерения смещений пород на контуре, просадок рам и фиксация их деформаций, а также контроль литологического состава пород кровли и их расслоений. Контроль величины натяжения анкеров осуществлялся динамометрическим ключом конструкции ДонУГИ, а прочности закрепления их замков -
- с помощью штанговыдергивателя ПА-3 конструкции КузНИИШахто-строя. Закрепные пустоты исследовались методами технической эндоскопии (с использованием специальной выдвижной линейки и оптического прибора) за всеми рамами опытных и контрольных участков.
По результатам измерений смещений кровли вычислялось их фактическое абсолютное уменьшение при переходе от традиционной технологии арочного крепления (контрольный участок) к креплению с ЗЗПТМ (опытные участки) и сравнивалось с рассчитанным по инженерному методу.
Анализ способов ЗЗПТМ показал, что из-за отсутствия отечественного производства зернистых вяжущих материалов (или зернистых строительных смесей) в настоящее время на шахтах Российского Донбасса возможно применение только гидромеханического (гидро-пневматического) заполнения. Поскольку такие эффективные способы ЗЗПТМ как ленточное или только свода выработки известны как варианты пневматического заполнения, то предложены были технические решения по реализа-
ции названных способов, но при гидромеханической (гидропневматической) подаче ТМ. Известный способ арочного крепления с ЗЗПТМ при помощи рукавов «Бул-лфлекс», успешно применяемый на шахтах Германии, не лишен недостатков в условиях Российского Донбасса (например, высокая цена рукава "Буллфлекс" — 24,9 марок/м и более; необходимость тщательного закрепления рукава на раме; возможность скола и падения в выработку нависающих над спецпрофи-лем заполненных частей рукавов при опусканиях кровли в случаях значительных пустот над верхняка-ми и др.). Поэтому были разработаны технические предложения по применению эластичных оболочек (ЭО), изготавливаемых из отечественных материалов, с учетом особенностей традиционного арочного крепления. Сущность перечисленных технических предложений заключается в следующем:
1. Вблизи проходческого забоя на верхние элементы арочной крепи (над верхняками) укладываются ЭО, выполненные в виде отрезков труб, снабженные штуцерами. Размеры оболочек выбираются в зависимости от конкретных условий применения. Стенка каждой оболочки, контактирующая с породным контуром выработки, выполняется из водонепроницаемой ткани, а стенка, контактирующая с крепежными элементами, из фильтрующей воду ткани. Железобетонные затяжки укладываются на верхняки под эластичные оболочки. Нагнетание ТМ в оболочки производится до достижения давления 50 кПа [6].
2. В забое проводимой выемочной выработки в надбермовые породы устанавливаются анкеры. На них с одной стороны выработки подвешиваются тканевые полосы, длина которых на 1,5-2,0 м превышает расстояние по периметру выработки между анкерами. При установке металлической арочной крепи на неё укладываются тканевые полосы и их концы закрепляются на анкерах с другой стороны выработки. Полосы укладываются так, чтобы с обеих сторон выработки в закрепленном пространстве образовались карманы примерно равной величины. Затем укладывается желе-
зобетонная затяжка под тканевыми полосами. ЗЗПТМ в своде производится в два этапа: сначала карманов, а после затвердевания материала в карманах — оставшейся части закрепного пространства [7].
3. В забое проводимой горной выработки устанавливается металлическая податливая арочная крепь, на верхние элементы которой укладываются тканевые полосы. Затем кровля выработки перекрывается железобетонной затяжкой, на которой размещаются герметичные ЭО так, чтобы их длинные стороны стыковались над рамами крепи, и наполняются сжатым воздухом до достижения давления 50 кПа. В зазор между оболочками нагнетается ТМ под давлением до 30 кПа, а после затвердевания состава из ЭО выпускается воздух, и их извлекают через незатянутые межрамные пролеты в боках выработки для повторного использования [8].
Анализ результатов исследований величин пустот над верхняками арочной крепи позволил определить применительно к условиям шахт Ростовской области требования к ЭО, используемым при арочном креплении выемочных выработок.
Эластичная оболочка должна: иметь штуцер для нагнетания в нее раствора вяжущего; при заполнении ТМ принимать форму пустот между затяжкой и породным контуром; выдерживать давление нагнетания до 50 кПа; соответствовать требованиям правил безопасности по горючести и электризуемости; укладываться сверху на железобетонную затяжку над верхняком арочной крепи и закрепляться на нём; иметь следующие размеры: при средних величинах закрепных пустот в своде, измеренных от внешней кромки спецпрофиля до породного контура по радиусу кривизны верхняка, до 300 мм — диаметр 200 мм и длину 3000 мм; до 400 мм — диаметр 300 мм и длину 3000 мм; до 500 мм -диаметр 400 мм и длину 1500 мм (при литотипе кровли 1.1 — диаметры 500 и 300 мм и длину 1500 мм); более 500 мм — диаметры 500, 400 и 300 мм и длину 800 мм.
При величине закрепных пустот над верхняком до 400 мм над рамой должна размещаться одна ЭО, до 500
мм -- две ЭО, более 500 мм -- три ЭО.
Раствор вяжущего, нагнетаемый в ЭО, должен соответствовать требованиям, предъявляемым к ТМ для ЗЗП [9].
Стенка ЭО, контактирующая с горными породами, должна быть выполнена из водонепроницаемой ткани, а стенка, контактирующая с крепежными элементами (с затяжкой) -- из ткани, фильтрующей воду, но задерживающей твердые частицы раствора.
В качестве материала для изготовления ЭО может применяться винилискожа-Т трубная облегченная (ТУ 17-21-230-78) на лавсановой основе. Она по сравнению с другими материалами, используемыми для пошива гибких шахтных вентиляционных труб, например, павинола трубного (ОСТ 17-158-78) на чеферной хлопчатобумажной основе или винилискожи -- Т трубной (ТУ 17-21-366-80) на комбинированной основе (36-37% лавсана, 6364% хлопка), более прочная, имеет наименьшую массу и наилучшим образом соответствует требованиям правил безопасности по горючести и электризуемости. По сравнению со стеклотканью, например, рулонным стекловолокнистым ограждением РСО, винилискожа-Т более эластична, что обеспечивает лучшее прилегание стенок ЭО к неровностям.
Из винилискожи-Т были изготовлены экспериментальные образцы эластичных оболочек в виде труб диаметром 200, 400 и 500 мм. При этом применялись швы: продольные (для получения трубной заготовки необходимой ширины) и гребешковые (для формирования оболочки). С торцов ЭО диаметром 200 и 400 мм стягивались стальной проволокой, концы которой предполагалось использовать для их закрепления на крепежных рамах. В один из торцов оболочки предварительно вставлялся штуцер. Оболочки диаметром 500 мм с торцов прострачивались гребешковым швом. Штуцер устанавливался в один из углов такой оболочки. При изготовлении каждой ЭО ее стенка, контактирующая с элементами крепи (затяжками), перфорировалась -- в покрытии (пластифицированном
поливинилхлориде), нанесенном с обеих сторон основы, пробивались отверстия, при этом основа не повреждалась.
В лабораторных условиях ЭО были испытаны на прочность нагнетанием воды. В ходе экспериментов все разрушения в ЭО происходили по гребешковому шву, прочность которого на раздир (раскрытие) в 1,7—3,3 раза меньше прочности основного материала (таблица).
ЭО диаметром 500 мм и длиной 800 мм (подушки), как наименее прочные, были испытаны также нагнетанием цементно-песчаного раствора состава Ц:П:В=1:3:2 (по массе) насосом СО-48М до достижения давления 50 кПа. Во время заполнения оболочек раствором начиналась фильтрация воды через гребешковые швы и перфорированные стенки, наблюдавшаяся в течение продолжительного времени (до 10 мин.). Объем отфильтрованной воды составлял около 20 % ее содержания в растворе. Из-за увеличения динамической вязкости раствора при потере им избыточной воды в результате фильтрации через перфорированную стенку ЭО уже через 1 минуту после окончания её заполнения становилось возможным отсоединение нагнетательного шланга от штуцера (нагне-тательной трубки) — выход раствора не наблюдался.
Заполненные раствором ЭО (через 10 минут после окончания нагнетания) помещались под пресс между плоскими горизонтальными давильными плитами. Нагружение каждой оболочки велось до достижения величины 50кН. Под такой нагрузкой ЭО оставляли на одни сутки и на четверо суток. Разрывов ЭО и выхода раствора через штуцер не наблюдалось. По
истечении указанного времени нагружение увеличивали до предельных величин. Разрушение ЭО происходило при нагрузке более 550 кН в первом и 1000 кН — во втором случаях. Такая нагрузка значительно превышает несущую способность рамы арочной крепи.
Таким образом, испытания опытных образцов ЭО показали, что вини-лискожа-Т пригодна для их пошива (до исчерпания податливости арочной крепи стенки ЭО разрушаться не бу-
дут) и что нет необходимости предусматривать в конструкции штуцера специального запорного клапана.
В штреке № 1003 шахты им. Л.Б. Красина ОАО «Ростовуголь» были проведены работы по апробации технологии арочного крепления с использованием ЭО, заполняемых ТМ, и исследования проявлений горного давления на опытных и контрольных участках в различные периоды поддержания этого штрека в течение трех лет.
Штрек № 1003 проводился буровзрывным способом по пласту К % со смешанной подрывкой: угольный
пласт к % сложного строения, в нижней части содержит прослой сланца глинистого, мощностью 0,65-0,75 м, с углом падения 14-16°. Уголь — антрацит, трещиноватый, крепкий f = 2), с твердыми включениями колчедана. Непосредственная кровля пласта, представленная сланцем песчаноглинистым, неяснослоистым, средней крепости (/ = 4-5), мощностью
1,0-2,8 м, трещиноватым, классифицируется как неустойчивая, способная образовывать «ложную» кровлю на полную мощность. Стратиграфически выше залегает сланец песчаный пластинчатый, трещиноватый, крепостью f = 5-6, мощностью 7,5 м, составляющий основную среднеобрушающуюся
кровлю (шаг вторичных посадок -20 м). По всей протяженности штрека № 1003 между непосредственной и основной кровлями четко прослеживается межслоевой ослабленный контакт. Над песчаным сланцем расположен песчаник мощностью 8,0 м с коэффициентом крепости f = 10-12.
Почва пласта -- песчаник средней крепости f = 5-6), трещиноватый, не склонный к пучению, мощностью более 3,5 м.
Форма поперечного сечения штрека -- сводчатая, тип крепи -- арочная трехзвенная металлическая податливая КМП-А3 (АП-13,8), шаг установки рам -- 0,9 м. В качестве межрамного ограждения использовались железобетонные затяжки - в своде и металлические решетчатые - в боках выработки. Закрепные пустоты в боках забутовывались на высоту
1,0-1,2 м, в своде оставались не-забученными. При значительных размерах над верхними элементами крепи выкладывались деревянные костры из стоек длиной 1,0-1,2 м и диаметром в верхнем торце -- 70-120 мм. Величина пустот над верхняками крепи составляла 0,23-0,48. Вследствие низкой устойчивости непосредственной кровли при взрывании пород в забое штрека происходило её обрушение до основной кровли с образованием плоского обнажения шириной по падению до 2,0 м, смещенного в нижнюю сторону от геометрической оси штрека. При традиционном креплении на удалении от забоя происходило обрушение всей непосредственной кровли (до основной) на полный пролет штрека (5,5 м). Опережающие обрушения пород кровли со стороны верхнего бока вызывали смещения рам к нижнему боку. Обрушаясь, породы кровли заполняли закрепное пространство в боках штрека.
От влияния лавы №1003, отрабатывающей выемочный столб по простиранию обратным ходом, штрек №1003 охранялся целиком угля шириной (по падению) 10 м. Способ управления кровлей в лаве -
- полное обрушение.
Анализ данных о состоянии выемочных штреков шахты имени Л.Б. Красина, горно-геологи-ческие и горнотехнические условия которых близки к описанным, показал
Рис. 1. Расположение точек измерений закрепных пустот над верхняками крепи конвейерного штрека №1003 шахты им. Л.Б. Красина
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛАСТИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК
Диаметр и длина ЭО, мм Число испытанных образцов Среднее разрушающее давление, кПа Вид разрушений
200;3000 5 105,0 ± 3,0 Разрыв материала по гре-бешковому шву
400;1500 6 68,4 ± 2,8 То же
500;800 6 55,5 ± 2,5 То же, разрыв материала по околошовной зоне
следующее. При проведении выработок из-за отсутствия контакта крепи и пород непосредственной кровли пласта на небольшом удалении от проходческого забоя происходит обрушение последней на полную мощность, сопровождающееся образованием плоского профиля кровли пролетом 5 м и более и возможным смещением (из-за динамического нагружения арок) рам к одному из боков. Следовательно, уже в период проведения выработок создаются неблагоприятные условия для работы крепи. Кроме этого, значительное обнажение нижнего слоя основной кровли, представленного песчаным сланцем, инициирует её опускание без отпора крепи, расслоение и, как следствие, снижение устойчивости. Это приводит в отдельных случаях к обрушениям нижнего слоя основной кровли (до песчаника), сопровождающимся самопроизвольным погашением участков штреков. В зоне влияния первой лавы наличие незаполненных пустот за крепью обусловливает возникновение точечных и несимметричных нагрузок на рамы, их смещение к одному (чаще нижнему) из боков, что ухудшает условия работы узлов податливости и вызывает деформации элементов крепи до исчерпания её конструктивной податливости. Наибольшим деформациям подвержены элементы рам, смещенных к одному из боков ещё в период проведения штреков, и рам, оказавшихся на сопряжениях с печами. Здесь трещины расслоения, возникшие в кровле штреков до влияния очистных работ, распространяются в кровлю печей, снижая её устойчивость, поэтому распространенным проявлением горного давления на сопряжениях является обрушение кровли. Состояние выемочных штреков после прохода первой лавы предопределяет необходимость восстановления отдельных их участков и замены некоторых сильнодеформиро-ванных рам и элементов крепи. При повторном использовании штреков из-за расслоения вмещающих их пород вероятность обрушений возрастает, что отрицательно сказывается на трудоемкости и безопасности концевых работ. Значительные деформации крепи обусловливают
непригодность 30 % ее элементов для восстановления после извлечения в погашаемых штреках.
Таким образом, применяемая (традиционная) технология крепления выемочных штреков не обеспечивает их безремонтное поддержание, высоких коэффициентов извлечения и повторного использования крепи при погашении выработок.
С использованием ЭО, изготовленных из винилискожи-Т, было закреплено два опытных участка протяженностью по 20 м. Заполнение ЭО раствором производилось гидромеханическим способом по параллельно-совмещенной схеме. На первом опытном участке (ОУ-1) работы по заполнению выполнялись после подвигания проходческого забоя на две заходки (3,6 м), на втором опытном участке (ОУ-2) — после подвигания на заходку (1,8 м).
Оборудование для приготовления раствора и его нагнетания в ЭО до достижения давления 50 кПа — цикличный смеситель емкостью 0,25 м3 с приводом от ручного электросверла, изготовленный в мастерских шахты им. Л.Б. Красина, и растворонасос СО-48М, двигатель которого был заменен на двигатель во взрывобезопасном исполнении, -
- было размещено в 20 м от проходческого забоя и периодически перемещалось (через 10 м) вслед за его подвиганием.
Доставка материалов к месту производства работ осуществлялась в шахтных вагонетках ВГ-1,4, закрытых водонепроницаемой тканью. Предварительно песок и цемент были просеяны на поверхности через сито с размером отверстий 2,5 мм.
Укладка ЭО в закрепное пространство над верхними элементами арочной крепи производилась во время затягивания межрам-ных пролетов. ЭО укладывались сверху на железобетонные затяжки: по одной диаметром 200 мм и длиной 3,0 м над верхняком (через раму) — на ОУ-1 (рисунок) и по две диаметром 400 мм и длиной 1,5 м - на ОУ-2.
Размещение ЭО производили в направлении подвигания проходческого забоя, на первую от забоя раму их не укладывали.
Для заполнения ЭО приготавливали раствор на основе портландцемента марки 400 состава Ц:П:В=1:3:2 (по массе) в количестве 0,20 м3 на цикл.
Результаты наблюдений за смещениями контурных реперов показывают, что до влияния очистных работ наблюдались незначительные смещения породного контура, из них наибольшей величины были опускания кровли. Средняя по двум замерным станциям (ЗС) величина опускания кровли составила на контрольных участках 32-53 мм, на опытных — 19-33 мм. Это свидетельствует о том, что применение способа крепления с ЭО позволило снизить смещения кровли в I период поддержания штрека приблизительно на 40 %; повышается надежность и работоспособность рам арочной крепи; обеспечивается практически безремонтное поддержание штрека, сохраняемого для повторного использования (при смещениях пород кровли с традиционно установленной крепью иПр111 до 350 мм).
Заполнение ЭО, производимое вблизи проходческого забоя, не снижает темпы проходки выработки; позволяет значительную часть операций производить за пределами призабойной зоны и совмещать с другими операциями проходческого цикла, выполняемыми в забое; экономит лесоматериалы. Расчетный экономический эффект в ценах декабря 1996 г. составил 66 тыс. руб/м и 173 тыс. руб/м на участках со средней величиной пустот над верхняками 0,27 и 0,45 м соответ-
ственно.
Однако проведенные исследования выявили и недостатки экспериментального крепления: высокая
стоимость ЭО (до 80 % от прямых нормируемых затрат на ЗЗПТМ), используемых один раз; отсутствие
адгезионной связи между породами кровли и затвердевшим раствором, обусловливающее дополнительную пригрузку рамы его весом; уменьшение коэффициента заполнения пустот с ростом их величины; увеличение расхода раствора, нагне-
таемого в ЭО, пропорционально разности квадратов их диаметров при переходе на участок с большей величиной закрепных пустот в своде.
1. Мартыненко ИИ. Заполнение закрепного пространства твердеющими материалами в подготовительных выработках // Научнотехнические проблемы сооружения горных выработок: Межвуз. сб науч. тр. / Кузбас. политехи. ин-т /Отв ред. А.И. Петров. — Кемерово, 1991. — С. 18-28.
2. Мартыненко И.И О качестве крепления выемочных выработок //Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок: Сб. науч. тр. /АО «Ростовшахтострой», Новочерк. гос. техн. ун-т / Отв. ред. И.А. Мартыненко. — Новочеркасск: НГТУ, 1998. — С. 235-239.
3. Методы и средства решения задач горной геомеханики /ГМ. Кузнецов, К.А. Ардашев, НА. Филатов и др. — М.: Недра, 1987. — 248 с.
4. Методические указания по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах. — Л.: ВНИМИ, 1973. — 102 с.
-------- СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
5. Методические указания по решению практических задач управления горным давлением на шахтах. — Л.: ВНИМИ, 1984.— 54 с.
6. Патент 1 776 319 (СССР), Е21 Д11/14. Арочная податливая крепь /Алексеенко В.Н., Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И. — Опубл. 15.11.92.
7. Патент 1 796 024 (СССР), Е21 Д11/00. Способ крепления выемочных выработок /Мартыненко И.И., Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. — Опубл. 15.02.93. Бюл. №6.
8. Патент 2 043 505 (РФ), Е21 Д11/00. Способ крепления горных выработок /Мартыненко И.И., Луганцев Б.Б., Быковский В.В., Алексеенко В.Н. — Опубл. 10.09.95. Бюл. №25.
9. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса. — Шахты: ШахтНИ-УИ, 1992. — 214 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Мартыненко Игорь Иванович — старший научный сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «Шахтинский научноисследовательский угольный институт».
Мартыненко Иван Андреевич — кандидат технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шах-тинского института Южно-Российского государственного технического университета.
Прокопова Марина Валентиновна — инженер-маркшейдер, ассистент. кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шах-тинского института Южно-Российского государственного технического университета.
Капралова Ирина Александровна — аспирант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института ЮжноРоссийского государственного технического университета.
Голенева Жанна Анатольевна — аспирант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института ЮжноРоссийского государственного технического университета.
