CC BY
20
2000”.
НАР 18
КЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -МОСКВА, МГГУ, 31 января—4 февраля 2000 года
С
^ И.И. Мартыненко,.....
А.Ю. Прокопов, 2000
УДК 622.28
И.И. Мартыненко, А.Ю. Прокопов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБОВ ЗАПОЛНЕНИЯ
твердеющимИматериаламИ
ных способов ЗЗПТМ.
Определение технической и экономической эффективности использования различных способов заполнения закрепного пространства осуществлялось для основных типов кровли, характерных для условий Российского Донбасса.
Типизация кровель выемочных выработок была произведена по литологическому составу слагающих кровли пород с учётом условий произвольного заполнения закрепных пустот отслоившейся породой (условий "само-забучивания"). При этом на основании результатов исследований, проведенных на шахтах региона [1,2] , принималось, что коэффициент разрыхления обрушенных в закрепное пространство пород составляет 1,15 и, следовательно, для полного его заполнения отслоившейся породой необходимо, чтобы оставшаяся после подрывки выработкой мощность неустойчивого слоя пород непосредственной кровли была больше 6,7(5-Ьзат), для частичного- 0<ш1нк<6,7(5-5зат) и "самозабучивание" отсутствует при т1нк. = 0. (Здесь 5 - средняя величина закрепных пустот в кровле, мм; 5зат -толщина затяжки, мм).
Было выделено пять литотипов кровель выемочных выработок с арочной крепью, каждому из которых присвоен следующий индекс:
Литотип 1.1 - при проходке обнажается залегающий в кровле пласта среднеустойчивый песчаник или известняк, мощность которого превышает полтора пролета выработки
ущественными факторами, влияющими на устойчивость и работоспособность рамной крепи подготовительных выработок, являются степень, материал и способ заполнения за-крепных пустот в кровле.
Выбор способа заполнения определяется, главным образом, горногеологическими условиями (глубиной, физико-механическими свойствами пород непосредственной и основной кровли), величиной закрепных пустот, степенью влияния очистных работ, параметрами постоянной крепи (шагом, несущей способностью, типом и толщиной затяжки), размерами поперечного сечения выработки и другими факторами.
С целью изучения влияния величины пустот над верхними элементами крепи на проявление горного давления в выемочных выработках и разработки рекомендаций по применению различных способов заполнения закрепных пустот там-понажными материалами (ЗЗПТМ), были проведены широкие шахтные исследования. Они проводились в выемочных выработках шахт им. 50-летия Октября, "Алмазная", "Октябрьская", "Ростовская" ОАО "Гу-ковуголь" и шахт "Глубокая", им. Октябрьской Революции, им. Красина, "Мирная" ОАО "Ростовуголь" в период с 1984 по 1998 г.
В результате исследований был накоплен статистический материал, который послужил основой для разработки методики определения области и эффективности применения различ-
вчерне (т1нк=0);
Литотип 1.2 - при проходке частично подрывается залегающий в не-
посредственной кровле пласта слой неустойчивого сланца, оставшаяся мощность которого не превышает 6,7(5 -5зат), а стратиграфически выше в пределах полуторапролётной толщи расположен устойчивый или среднеустойчивый песчаник или известняк;
Литотип 1.3 - то же, что литотип 1.2, но оставшаяся после подрывки мощность слоя неустойчивого сланца превышает 6,7(5-5зат);
Литотип 2.2 - при проходке частично подрывается залегающий в непосредственной кровле пласта слой неустойчивого сланца, оставшаяся мощность которого не превышает 6,7(5-5зат), а стратиграфически выше в пределах полуторапролетной толщи расположен более устойчивый песчаный сланец;
Литотип 2.3 - то же , что лито-тип 2.2 , но оставшаяся после подрывки мощность слоя неустойчивого сланца превышает 6,7(5-5зат) ;
Условия поддержания выемочных выработок, сохраняемых для повторного использования, согласно общепринятым критериям [3] были разделены на пять периодов:
I - вне влияния очистных работ;
II - в зоне опорного давления первой лавы;
Ш - в зоне интенсивных смещений кровли;
IV - в зоне стабилизации горного давления;
V - в зоне влияния второй лавы.
Сбор и статистическая обработка данных производились по периодам поддержания выработок в соответствии с рекомендациями [1,4].
Оценка технической эффективности способов арочного крепления с ЗЗПТМ рассматривалась как относительное уменьшение смещений пород кровли выемочной выработки за весь срок ее службы (с I по V периоды ее поддержания) при переходе от традиционного арочного крепления к креплению с ЗЗПТМ, в том числе производимого в сочетании с анкерованием вмещающих пород: г1 -V
Э = -
т
ди
кр
и
I-V кр
■ 100 ,%
где Ди
I-V кр
абсолютное умень-
шение смещений пород кровли выемочной выработки с I по V периоды ее поддержания на участках с арочной крепью, пустоты над которой заполнены ТМ, по сравнению с участками этой же выработки, арочная крепь на которых возведена с оставлением незаполненных пустот в своде, мм.
Были рассмотрены следующие 26 способов арочного крепления выработок (с указанием их условных обозначений):
1р - крепление с полным гидромеханическим ЗЗП при радиальной подаче ТМ;
1о - крепление с полным гидромеханическим ЗЗП при осевой подаче ТМ;
1Ср - крепление с гидромеханическим ЗЗП только в своде выработки при радиальной подаче ТМ;
1Со - крепление с гидромеханическим ЗЗП только в своде выработки при осевой подаче ТМ;
1ЭО - крепление с ЗЗП путем нагнетания ТМ в ЭО, уложенные над верхняками каждой рамы;
1ЭО 1/2 - крепление с ЗЗП путем нагнетания ТМ в ЭО, уложенные над верхняками каждой второй рамы;
1Б - крепление с ЗЗП путем нагнетания ТМ в рукава "Буллфлекс", уложенные на верхняки каждой рамы;
1Л - крепление с гидромеханическим ЗЗП путем нагнетания ТМ в пространство над верхняками рам, ограниченное стенками заполненных сжатым воздухом пневматических ЭО, тканевыми полосами, уложенными на железобетонную затяжку, поверхностью пород кровли (ленточное заполнение);
2р - крепление с полным пневматическим ЗЗП при радиальной подаче ТМ;
2о - крепление с полным пневматическим ЗЗП при осевой подаче ТМ;
2Ср - крепление с пневматическим ЗЗП только в своде выработки
при радиальной подаче ТМ;
2Со - крепление с пневматическим ЗЗП только в своде выработки при осевой подаче ТМ;
2Л - крепление с пневматическим ЗЗП только над верхняками рам (ленточное заполнение).
Способы 1р+анк., 1о+анк., 1Ср+анк., 1Со+анк., 1ЭО+анк., 1ЭО 1/2 +анк., 1Б+анк., 1Л+анк., 2р+анк., 2о+анк., 2Ср+анк., 2Со+анк., 2Л+анк. предусматривают те же способы крепления, что и вышеперечисленные, но производимые в сочетании с анкерным упрочнением пород кровли.
С целью определения технической эффективности Эт применения перечисленных способов крепления выемочных выработок со сводчатой формой поперечного сечения были выполнены расчеты на ПЭВМ по разработанной на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ) программе KREPLEN.
Решение задачи осуществлялось методом полного перебора вариантов технических решений, количественных и качественных характеристик по каждому способу крепления в наиболее распространенном диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий проведения и поддержания выемочных выработок со сводчатой формой поперечного сечения.
При определении технической эффективности способов ЗЗПТМ были учтены следующие качественные характеристики: плотность установки рам арочной крепи и, рам/м; линейная плотность спецпрофиля рамы арочной крепи g, кг/м; паспортное сопротивление рамы арочной крепи в податливом режиме N кН; толщина межрамного ограждения в своде выработки 5зат, мм; плотность анкерования пород кровли ианк, анк./м2; предел прочности ТМ в 28-
суточном возрасте на сжатие СГТМ, МПа; водотвердое отношение затворенного ТМ В:Т; время отставания работ по ЗЗПТМ от проходческих t, сут.; время твердения раствора ^е, сут.
Математически задача оценки технической эффективности способов крепления с ЗЗПТМ сформулирована так: определить
ЭтУ = Р {Х,У}= ех^ ,
где х - множество допустимых характеристик способов крепления; у -множество возможных горногеологических и горнотехнических условий; при соблюдении системы балансовых уравнений вида
Хг,] Є Х ^ 0; Уі,і Є У ^ О’
где і ] - соответственно индекс переменной и ее текущего значения:
і = 1,2, ... п; ] = 1,2, ... т.
В результате выполненных расчетов установлены диапазоны изменения технической эффективности способов
крепления выемочных выработок металлической арочной крепью с ЗЗПТМ, производимых как без анкерования, так и в сочетании с анкерным упрочнением пород кровли (рисунок).
Наибольший технический эффект, составляющий 62-65 % - при литоти-пе пород кровли 1.1, 72-76 % - при литотипах 1.3 и 2.2 и 67-76 % - при литотипе 2.3, достигается применением способов арочного крепления с полным ЗЗПТМ и анкерованием кровли, имеющих следующие количественные характеристики: панк=1,0; (ГТМ=20; В:Т = 0,2 (способы 2о; 2р); В:Т = 0,3
Рис. Границы изменения технической эффективности Э ^ способов арочного крепления выемочной выработки с ЗЗПТМ без анкерования ее кровли (показано сплошными линиями со штриховкой) и в сочетании с анкерным упрочнением пород кровли (показано пунктирными линиями) при их литотипе: а -1,1; б 1,3; в -2,2; г -2,3
(способ 1о); В:Т = 0,4 (способ 1р); t = 0,25; Т = 0,04; g = 33; N = 320. Техническая эффективность этих же способов снижается при изменении (в пределах указанных выше ограничений) величин перечисленных параметров, особенно при креплении способом 1р+анк. выемочных выработок с литотипом кровли 1.3 или 2.3 до 6 и
2 % соответственно (рис. 1б и 1г). При этом наибольшее влияние на величину технической эффективности оказывают следующие количественные характеристики способов крепления: V; ианк, В:Т, t^м■ Нижние границы технической эффективности Эт^ рассматриваемых способов крепления находятся в пределах 42-54 % - при литотипе 1.1, 6-49 % - при литотипе 1.3, 35-51 % - при литотипе 2.2 и 2-40 % - при литотипе 2.3.
Отказ от анкерования пород кровли выемочной выработки при ее арочном креплении с полным ЗЗПТМ снижает верхние границы технической эффективности способов 1о+анк., 1р+анк., 2о+анк., 2р+анк. на 6-9 %, а нижние границы способов 2о+анк., 1о+анк. и 2р+анк. - при литотипе кровли 1.1 и способа 1р+анк. - при любом литотипе кровли на 6-11 % (наибольшее снижение прослеживается в случае применения способа 1р+анк. в выемочной выработке с ли-тотипом кровли 1.3 или 2.3). Нижние границы технической эффективности способов 1о, 2о, 2р при литотипах кровли выработки 1.3, 2.2 или 2.3 превышают аналогичные границы способы 1о+анк., 2о+анк. и 2р+анк. на 7-14 %.
Наибольшая техническая эффективность способов арочного крепления с ЗЗПТМ только в своде выемочной выработки при анкеровании ее кровли меньше, чем способов с полным ЗЗПТМ и анкерным упрочнением пород, на 2023 % - при литотипах кровли 1.1, 1.3 и на 15-19 % - при литотипах кровли 2.2 и 2.3. Крепление с ЗЗПТМ только в своде выработки, но без анкерования ее кровли снижает верхние границы тех-
нической эффективности способов 1Со+анк., 1Ср+анк., 2Со+анк. и 2Ср+анк. на 8-12 %, а способов 1о, 1р, 2о и 2р - на 27-35 % (наибольшее снижение отмечается при литотипе кровли 1.1).
Интервалы изменения технической эффективности способов арочного крепления с ЗЗПТМ только в своде выработки составляет 14-62 % - при применении способа 1Ср и 7-18 % - при использовании других способов (1Со, 2Со, 2Ср). Меньшие из указанных значений соответствуют применению способов крепления с ЗЗПТМ только в своде выработки с литотипом кровли 1.1. Как видно из рисунка, эффект от применения способа 1Ср может быть и отрицательным при литотипах кровли 1.3 и 2.3. В то же время, техническая эффективность способов крепления с ЗЗПТМ только в своде выработки может быть близка и даже превышать аналогичный показатель
способов крепления с полным ЗЗПТМ.
Верхние границы технической эффективности способов крепления с ЗЗПТМ только над верхняками арочной крепи и с анкерованием кровли выработки находятся в пределах 2747 %. Применение этих способов в выемочных выработках с литоти-пом кровли 1.1 дает возможность уменьшить ее смещения не более, чем на 27-30 % в сравнении с традиционным арочным креплением, а в выемочных выработках с другим литотипом кровли - не более, чем на 38-47 %. Неприменение анкеро-вания кровли приводит к снижению верхних границ технической эффективности способов 1ЭО+анк., 1Б+анк., 1Л+анк., 2Л+анк. на 14-18 %. Нижние границы технической эффективности каждого способа крепления с ЗЗПТМ только над верхняком при анкеровании кровли и
без анкерования практически совпадают при всех литотипах кровли, кроме i.i. Они колеблются в пределах от -3 % (способ ІЛ+анк. при литотипе кровли 2.3) до 23 % (способ 1Б+анк. при лито-типе кровли 2.2).
Mаксимально достижимая техническая эффективность способа крепления 1ЭО1/2 составляет 5 % — при литотипах кровли выработки i.i и 2.3, i2-i9 % - при других ли-тотипах кровли. Дополнительное анкерование кровли позволяет значительно повысить (в два раза и
РЫ
более) этот показатель. Применение этого способа крепления в сочетании с анкерованием кровли, но при большом отставании работ по ЗЗПТМ от проходческих и при использовании растворов с высоким водотвердым отношением делает технический эффект маловероятным.
Таким образом, исследованиями применительно к условиям шахт Восточного Донбасса были определены значения технического эффекта, которые колеблются в широком диапазоне (от -19 до 76 %).
В конечном счете возможность и целесообразность использования при проведении выемочных выработок различных способов арочного крепления с ЗЗПТМ, различающихся как технической эффективностью, так и стоимостью, предопределяет необходимость проведения экономико-математического анализа с целью установления в конкретных горно-геологи-ческих условиях наиболее предпочтительного из них.
СПИСОК ЛИТЕРАТУ-
1. Методические указания по статистической обработке и анализу результатов исследований проявлений горного давления. - Л.: ВНИМИ, 1976.
2. Руководство по управлению горным
давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса. - Шахты: ШахтНИ-УИ, 1992. - 214 с.
3. Бесцеликовая отработка пластов/ Ю.Л. Худин, М.И. Устинов, А.В. Брайцев и др., М.:
Недра, 1983.- 280 с.
4. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие. - М.: Высш. школа, 1982. -224с.
MapmbuwHKa И.И., Прокопов А.Ю. Южно-Российский государственный технический университет, г. Шахты.
