CC BY
31
© Н.Н.Касьян, А.П. Клюев , 2002
УДК 622.268:622.13
Н.Н.Касьян, А.П. Клюев
НОВЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ГРУЗОНЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАЗРУШЕННЫХ ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКИХ ШАХТ
А
нализ современного состояния проблемы обеспечения устойчивости выработок глубоких шахт показывает, что только существующими крепями обеспечить их безремонтное поддержание не представляется возможным. Перспективным направлением в решении данной проблемы является вовлечение в работу окружающего породного массива за счет создания условий, обеспечивающих повышение его несущей способности.
Образование и развитие вокруг горных выработок, эксплуатируемых на больших глубинах зоны разрушенных пород (ЗРП) является определяющим фактором при выборе способов и средств повышения грузонесу-щей способности окружающего породного массива.
В настоящее время все способы охраны выработок, основанные на повышении грузонесущей способности окружающего породного массива можно условно разделить на три направления. Первое направление предусматривает увеличение отпора породному массиву на контуре выработки за счет применения специальной усиливающей крепи. Механизм влияния мероприятий первой группы на состояние выработок заключается в уменьшении коэффициента расширения разрушающихся пород в радиальном направлении, а также в повышении грузонесущей
способности уже разрушенного массива за счет увеличения сцепления (сил трения) между отдельными породными фрагментами ЗРП. Анализ шахтных экспериментальных исследований показывает, что при увеличении отпора на контуре выработки до 240 кПа (увеличение в 6 раз по сравнению с отпором податливой арочной крепи) размер ЗРП уменьшается с 7 до 4 м. Смещения пород контура
выработки при этом уменьшаются в 1,7 раза [1]. В этом случае уменьшение смещений является следствием уменьшения размеров ЗРП и снижения коэффициента расширения пород внутри зоны. При установке усиливающей крепи с отставанием в 10-20 м от забоя выработки уменьшение смещений на контуре связано с ем только коэффициента рас-рения пород в разрушенной зоне. Действие крепи усиления рас-страняется в разрушенном ном массиве на расстояние 2 м от контура выработки. В техническом плане увеличение отпора окружающему породному массиву на контуре выработки осуществля-ся с применением гидравлических стоек, устанавливаемых в рабочем пространстве выработок. При этом установлено, что максимальный эффект применения усиливающей крепи наблюдается в случае ее установки непосредственно в бое выработки. Существующие способы применения усили-щей крепи технологически трудно совмещаются с процессами
ведения и крепления выработки из-за загромождения ее рабочего пространства. Поэтому для повышения грузонесущей способности окружающего выработку породного массива за счет увеличения отпора на ее контуре необходима разработка новых технических решений, реализация которых обеспечивает высокие темпы проведения, снижение металлоемкости средств крепления.
В ДонНТУ разработаны способы повышения отпора породному массиву с использованием податливой анкерной крепи и крепи усиления, применяемой без загромождения рабочего пространства выработки [2, 3].
Использование податливой анкерной крепи с сопротивлением в податливом режиме 150 кН позволяет увеличить отпор породному массиву, окружающему выработку в 4-10 раз по сравнению с отпором металлической арочной крепи. Результаты промышленных испытаний комбинированной анкерно-рамной крепи в условиях шахты «Шахтерская-Глубокая» показали, что повышение отпора массиву на контуре выработки в 4 раза (установкой 6 податливых анкеров под арочную крепь) позволило уменьшить величину смещения контура выработки в 1,8 раза. Применение податливой анкерной крепи обеспечивает включение в работу разрушающегося породного массива сразу после его обнажения. Область применения данного способа повышения устойчивости выработок ограничивается условиями, в которых возможный размер ЗРП не превышает длину устанавливаемой анкерной крепи.
Второй способ повышения устойчивости выработок предусматривает увеличение сопротивления смещающимся породам при эксплуатации выработок в периоды изменения условий их поддержания (в зоне влияния очистных работ).
этого способа является то, что увеличение отпора смещающемуся породному массиву создается в межрамном пространстве при расположении усиливающих стоек в боках выработки, что позволяет не загромождать ее рабочее пространство. На рис. 1 показана схема реализации нового способа крепления горной выработки. Способ реализуется следующим образом. После проведения выработки и установки постоянной крепи 5 известными методами определяют размер ЗРП на текущий момент. Затем в межрамном пространстве в радиальном направлении бурится серия скважин 1 глубиной, равной ЗРП, в которых устанавливаются опорные элементы (закрепные стойки) 2. Под концы опорных элементов подводится металлический арочный сегмент 3, через который осуществляется нагружение опорных элементов с помощью гидравлических стоек 4, расположенных в боках выработки. Реализация предлагаемого способа крепления выработки позволяет на границе уже образованной ЗРП создать значительный отпор, предотвращающий ее дальнейший рост. В случае образования на момент применения
Рис. 1. Способ крепления выработки: 1 -скважины; 2 - опорные элементы (закрепные стойки); 3 - арочный сегмент; 4 - стойки усиления; 5 - крепь выработки
способа охраны выработки ЗРП значительных размеров использование закрепных опорных элементов позволяет увеличить размер зоны влияния усиливающей крепи и вовлечь больший объем разрушенных пород в формирование грузонесущей оболочки вокруг выработки. Предлагаемый способ крепления выработок рекомендуется использовать на участках, испытывающих временное влияние очистных работ.
Второе направление предусматривает создание вокруг выработки армопородной конструкции из разрушенных пород и жесткой анкерной крепи. При этом используется традиционная схема установки анкерной крепи - в радиальном направлении. Такое расположение анкерной крепи в большей мере позволяет реализовать ее в качестве силового элемента, а не армирующего. Результаты лабо-
раторных и шахтных исследований показали, что в условиях образования и развития ЗРП вокруг выработок наиболее рациональным является пространственное расположение анкерной крепи, позволяющее наряду с обеспечением механической связи между отдельными породными фрагментами создавать максимальные препятствия смещению породного массива в полость выработки [4].
На рис. 2 приведена схема расположения анкерной крепи при создании армопородной оболочки вокруг выработок. Отличительной особенностью предлагаемого способа охраны выработок является
то, что анкерная крепь устанавливается розетками (по 4 анкера), в которых анкера располагаются по большим диагоналям куба, одна сторона основания которого совпадает с продольной осью выработки, а вторая - линейно аппроксимирует контур ее поперечного сечения.
Третье направление основано на создании грузонесущей оболочки из разрушенных пород и укрепляющих составов. Традиционно, укрепляющие составы используются для создания вокруг выработок монолитной оболочки, толщина и прочностная характеристика которой достаточна для нейтрализации вредного проявления геомеханических процессов за ее пределами.
Несмотря на высокую техническую эффективность этот способ охраны выработок не получил широкого распространения на горных предприятиях из-за многоопера-ционности ведения работ и большого расхода укрепляющего состава.
В ДонНТУ разработан новый способ повышения устойчивости выработок, основанный на нетрадиционном использовании инъекционного укрепления разрушенного породного массива [5]. Сущность его заключается в том, что некоторую область ЗРП в окрестности выработки разделяют локально укрепленными зонами на секторные участки, внутри которых происходит самозаклинивание породных фрагментов.
На рис. 3 показана схема расположения локально укрепленных зон вокруг главного квершлага шахты «Старжич 2» (Чехия). Результаты шахтных испытаний показали, что создание локально укрепленных зон привело к уменьшению скорости смещения контура выработки с 2-5 до 0-0,1 мм/сут. Через два месяца смещения пород полностью прекратились. Для реализации данного способа охраны выработки требуется в 3-4 раза меньший объем расхода укрепляющего раствора
по сравнению с традиционными способами инъекционного укрепления породного массива.
Разработанные новые способы охраны выработок, основанные на повышении грузонесущей способности разрушенных пород с использованием нетрадиционных технологических схем применения инъекционного укрепления пород и анкерных систем обеспечивают высокую техническую эффективность и уменьшение затрат на их реализацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И., Гоигорьев Р.И. Влияние сопротивления крепи на смещения пород вокруг подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ // Уголь Украины, 1990. - №8. - с. 27-28.
2. А.с. №1558100 СССР, МКИ5 Е21 Д21/00. Анкерная крепь / А.П. Клюев, Н.Н. Касьян, И.С. Костюк, В.И. Лысенко. ДСП.
3. Патент Украины № 35169А Е21 Д13/02. Способ крепления горной выработки / М.П. Зборщик, Н.Н. Касьян, А.П. Клюев, Р.И. Азаматов. Опубл. 15.03.2001, бюл. №2.
4. Клюев А.П. Обоснование необходимой толщины армопо-родной оболочки вокруг выработки при пространственном расположении анкерной крепи. Монография «Геотехнологии на рубеже XXI века». Донецк: ДУНПГО. Т.1. - с. 59-63.
5. Патент Украины №38094А Е21 Д13/02. Способ повышения устойчивости горных выработок /Н.Н. Касьян, А.П. Клюев, Р.И. Азаматов. Опубл. 15.05.2001, бюл. №4.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Касьян Николай Николаевич — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Разработкой месторождений полезных ископаемых» Донецкий национальный технический университет.
Клюев Андрей Петрович — кандидат технических наук, заместитель председателя Донецкой областной госадминистрации.
