CC BY
47
--------------------------------------- © В.М. Бучатский, А.А. Табалов,
С.Н. Вельбовец, В.Н. Соколов, Л.М. Гусельников, А.А. Подосенов,
2006
УДК 622.272
В.М. Бучатский, А.А. Табалов, С.Н. Вельбовец,
В.Н. Соколов, Л.М. Гусельников, А.А. Подосенов
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК НА УДАРООПАСНЫХ ПЛАСТАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АНКЕРНОЙ И РАМНО-АНКЕРНОЙ КРЕПИ НА ШАХТАХ
ОАО «ВОРКУТАУГОЛЬ»
ш И роблема крепления и охраны
-1.1 подземных выработок для шахт ОАО «Воркутауголь» остается первостепенной, от успешного решения которой зависят объемы добычи угля и рентабельность работы угольного предприятия.
В качестве основного направления совершенствования способов крепления и поддержания выработок на шахтах ОАО «Воркутауголь» принято повсеместное внедрение сталеполимерной анкерной крепи.
Шахтами ОАО «Воркутауголь» отрабатывается Воркутское месторождение, характеризующееся сложными геодинамическими условиями, при которых нормативными документами {1, 2] предусматривается ограничение области применение анкерной крепи. Наличие тектонически напряженных зон на месторождении обусловливает высокие естественные напряжения, реализующиеся при воздействии на них техногенных напряжений в газодинамические явления.
Исследованиями напряженного состояния нетронутого горными работами массива установлено, что практически по всем участкам месторождения прояв-
Семинар № 15
ляются сжимающие горизонтальные напряжения в субширотном и меридиональном направлениях. Причем на отдельных участках максимальные горизонтальные напря-жения достигают 1,21,8 Н
Основные отрабатываемые пласты: Мощный, Тройной, Четвертый, Пятый склонны к газодинамическим проявлениям горного давления. Пласты Мощный, Тройной являются опасными по внезапным выбросам угля и газа и горным ударам, пласт Четвертый, залегающий ниже пласта Тройного, относится к угрожаемым, а на отдельных участках к опасным по горным ударам. Средняя глубина ведения горных работ на шахтах Воркутского месторождения 7301040 м. Для месторождения характерно расщепление угольных пластов на самостоятельные пласты меньшей мощности. Пласт Мощный мощностью до 4,5 м расщепляется на Тройной и Четвертый мощностью, соответственно, 2,0-2,9 и 1,2-1,5 м. Средняя мощность междупластий Тройной-Четвертый 1520 м; Четвертый-Пятый 30-40 м; Мощный -Пятый -25-35 м.
Основным мероприятием по предотвращению газодинамических явле-
ний является первоочередная отработка защитных пластов Четвертого и Пятого. Вмещающие угольные пласты породы представлены аргиллитами, алевролитами, песчаниками. Прочность одинаковых литологических разностей изменяется в больших пределах. Сопротивление одноосному
сжатию для аргиллитов составляет 20 - 65, алевролитов 31-92 и песчаников 54-140 МПа. На подработанных участках изменяется структурное строение пород, увеличивается рас-слаиваемость и снижается прочность в массиве и, соответственно, в образцах керна на 20-30 %.
В рассматриваемых условиях область применения анкерной крепи на удароопасных и подработанных пластах ограничивается следующими нормативными критериями [1, 2]:
- нормативный критерий области применения анкерной крепи на подработанных пластах при различной величинах междупластья (М) и технологической мощности подрабатывающего пласта (тт) - М/тт > 12;
- при расположении выработок на подработанных пластах с анкерной крепью отношение глубины от поверхности (Н, м) к расчетному сопротивлению пород в кровле (Яс, МПа) -Н /Ис< 25, п. 2.1. [1];
- применение податливой анкерной крепи ограничивается сроком службы выработки на удароопасных пластах до 2 лет, п.7.4. [2].
Г еодинамическая характеристика месторождения определяет выбор технологических схем развития и ведения работ, порядок обеспечения их безопасности и, соответственно, решения вопросов управления состоянием горного массива при использовании в выработках анкерной крепи. На шахтах ОАО «Воркутауголь» применяются:
бесцеликовая схема с поддержанием выработки на границе с отработанным пространством и схема подготовки выемочных столбов парными выработками, охраняемых податливыми целиками.
Поэтому для разработки и уточнения параметров и критериев рациональной области применения сталеполимерной анкерной и рамно-анкерной крепи были выполнены горноэкспериментальные исследования по оценке работоспособности анкерной крепи при поддержании выработок на границе с отработанным пространством, при парной подготовке, и при проведении и поддержании выработок в зоне опорного давления.
Исследования включали выполнение инструментальных наблюдений в выработках и целиках при проведении промышленных испытаний в 20022004 гг. в 23 выработках с общей протяженностью 22,5 км. Кроме этого в 2005 г. при выполнении опытновнедренческих Ра-бот по расширению области эффективного применения сталеполимерной анкерной крепи исследования и инструментальные наблюдения проведены в пройденных и поддерживаемых выработках общей протяженностью 3,95 км.
Горно-геологические и горнотехнические условия промышленных испытаний и опытно-внедренческих работ сталеполимерного анкерного крепления на глубине 815-1112 м характеризуются следующими значениями нормативных критериев области применения. Прочность пород кровли на подрабатывающих пластах Четвертом, Пятом Яс = 57-79 МПа, на подработанных пластах по Тройному Яс = 22,737,6 МПа, по Мощному-37,4 МПа, соответственно, величина величина Н/ Яс составила на подрабатывающих пла-
стах 10,5-16 и для выработок на подработанных пластах Н/Яс изменялась от 26,9 до 39,4; при М/тт > 10.
Ведением наблюдений за устойчивостью выработок, закрепленных сталеполимерными анкерами от момента их проведения до погашения установлено:
- смещения кровли на расстоянии от забоя 30-40 м или в течение 40-60 суток стабилизируются в зависимости от прочности пород от 10-20 до 40 мм;
- согласно замерам в выработках,
расположенных вне зон опорного давления в различных горно-геоло-
гических условиях, при конвергенции почвы-кровли, достигающей 150-250 мм, смещения кровли не превышают 35-50 мм; смещения боков выработок по пласту Пятому, Четвертому за счет отслоения пород (песчаники, алевролиты) составили 70-150 мм; сдвижения боков - угольных пачек по пластам Тройному и Мощному достигают 20180 мм, и при совмещении проекций выработок на участке створа- до 0,5-
1,2 м;
- впереди очистного забоя в 15-25 м приросты смещений кровли в погашаемой выработке составляют 15-20 мм, на сопряжении с очистным забоем общие смещения не превышали 60-70 мм; при сохранении устойчивого состояния максимальные смещения кровли в парной выработке после прохода забоя без использования крепи усиления достигают 300-350 мм, пучение почвы по пласту Тройному 1800 мм, по Четвертому до 800 мм.
Согласно выполненным инструментальным наблюдениям выработки, закрепленные сталеполимерной анкерной крепью и поддерживаемые более 2-х лет вне зон опорного давления и ПГД на удароопасных и подработанных пластах, сохраняют устойчивость
течение 28-36 мес. без признаков проявлений удароопасности. Смещения кровли не превышают 30-45 мм. В зонах влияния ПГД, где через 6-10 месяцев от момента проведения выработки смещения кровли достигают 70-90 мм, производится выборочное усиление крепи. На участках установки крепи усиления смещения стабилизируются и не превышают указанных величин.
Установлено, что при поддержании выработок на границе с отра-ботанным пространством, закрепленных анкерной крепью мгновенные смещения кровли в выработке уменьшаются по сравнению с участками закрепленными рамной крепью. Это объясняется тем, что созданная при использовании сталеполимерной анкерной крепи единая несущая конструкция «анкера -породы кровли» сохраняет податливость при одновременном гашении упругих импульсов динамических смещений прилегающего к выработке горного массива. При усилении анкерной крепи жесткой крепью с ограниченной податливостью, анкера при смещении вышележащих слоев выдавливаются относительно контура выработки на 50-160 мм, то есть, на величину отслоения заанкерованного слоя от вышележащего. В этом случае анкера практически теряют свою работоспособность и исключается целесообразность их применения в качестве основной крепи при поддержании выработок на границе с отработанным пространством.
Инструментальные наблюдения за смещением кровли и сдвижению породоугольного массива, выполненные при проведении промиспытаний в выработках, закрепленных сталеполимерной крепью, позволили определить высоту зоны расслоения пород кровли, параметры устойчивости парных вы-
работок вне зоны и в зонах влияния очистных работ при различных величинах межштрековых податливых целиков.
Выражение (1) предназначено для оценки устойчивости кровли и расчета основных параметров анкерной крепи по прогнозной оценке высоты зоны разрушения пород над выработкой в зависимости от напряженно-деформированного состояния горного массива:
. 1,5вчт ^
Л = —-------е , м (1)
стр
где Ь - высота расслоения пород над выработкой, м; В - ширина выработки, м; т - мощность пласта, м; стр - прочность пород на разрыв, МПа; е -основание натуральных логарифмов; -объемный вес пород, равный 0,025 МПа/м; Н -глубина ведения работ, м; стсж- прочность пород на сжатие, МПа; К - коэффициент концентрации напряжений в массиве до проведения выработки.
Высота расслоения пород в момент проведения выработок на глубине 8001140 м вне зоны опорного давления и аномальных естественных напряжений, при прочности пород на сжатие 30-40 МПа и при ширине выработки 4,5-5 м для пластов Пятого, Четвертого, Тройного, составляла, соответственно, 2,4-1,8; 2,6-2,0; 3,0-2,4 м. В этих условиях применяемая длина анкеров
2,2 м при прочности пород кровли на сжатие менее 40 МПа обеспечивает устойчивое состояние кровли за счет увеличения на 20-30 % плотности установки анкеров.
В зоне опорного давления высота расслоения пород увеличивается вследствие сдвижения пород при перераспределении напряжений в массиве, деформации податливых целиков и разрушения краевых частей на 12-25 %
и достигает (0,5-0,7) В,( В-ширина выработки, м). Поэтому эффективность использования анкерной крепи с высотой анкерования 2,1 м в выработках шириной свыше 4,5 м значительно снижается ввиду необходимости установки крепи усиления. При большей ширине выработки и меньшей прочности пород следует рассматривать вопрос о переходе на двухуровневое анкерное крепление, установку в центре выработки податливых стоек или переходить на рамно-анкерную крепь.
Установлено, что с увеличением пролета выработки с 5 до 9 м возникают пригрузки на крепь вдоль выработки за счет уменьшения блочности пород кровли и увеличения высоты расслоения на 30-35 % ,что вызывает необходимость уменьшать расстояние между подхватами в зоне влияния опорного давления в 1,2-1,4 раза.
Для разработки и уточнения параметров и критериев рациональной области применения сталеполимерной анкерной и рамно-анкерной крепи проводились инструментальные наблюдения за устойчивостью выработок, закрепленных анкерной и рамноанкерной крепью в различных горногеологических условиях, проведенных или поддерживаемых в зонах влияния опорного давления. Преимущественно в парных выработках и монтажных камерах по пластам: Тройному, Четвертому и Пятому. Установлено, что в зонах влияния опорного давления ис-поль-зование рамно-анкерной крепи уменьшает в 1,5-2 раза высоту расслоения пород над выработкой по сравнению с рамной и способствует повышению устойчивости выработки и предотвращает обрушения кровли особенно при проведении монтажных камер.
Для выбора параметров анкерной и рамно-анкерной крепи получена количественная зависимость (2) высоты расслоения пород над выработкой при рамно-анкерной крепи в зависимости от длины и плотности крепи усиления из сталеполимерных анкеров, ширины выработки и мощности пласта:
1,8 В 3[М
Л =
(2)
ст^їп ’ ’
где В - ширина выработки, м; М - мощность пласта, м; I - длина анкера, м; п -количество анкеров на пролет, штук.
Область применения рамной или рамно-анкерной определяется технологической длиной анкера, высотой расслоения кровли, разность между которыми компенсируется крепью усиления. Технологически целесообразная длина анкера по условиям оптимального использования бурового оборудования, схватывания клеющего состава в ампулах с анкером и вмещающими породами в основных угледобывающих странах принята 2,1-2.4 м, реже 1,4-2,3 м.
В условиях шахт ОАО «Воркутауголь» применяется анкера А20В длиной 2,2 м, при глубине анкерования 2,1 м, обеспечивающих несущую способность по результатам проверки от 160190 кН.
Боковые анкера на удароопасных и подработанных пластах шахт ОАО «Воркутауголь» с учетом преимущественного проявления горизонтальных напряжений по сравнению с вертикальными должны возводиться у забоя одновременно с анкерами кровли с отставанием от забоя не более 1 м. Параметры их заложения (длина анкеров, угол) определяется величиной дезинтеграции массива, прилегающего к выработки. Разрушение угля и пород в боках выработки определяются высо-
ким значением коэффициента концентрации напряжений на удароопасных пластах. Так согласно замерам коэффициент концентрации напряжений в пределах защитной зоны при отсутствии признаков удароопасности при проведении выработок для пласта Четвертого составил 1,6-2,3 уН, для пласта Мощного 1,9-2,8 уН вне влияния зон опорного давления и подработки, то есть в 1,5-1,9 больше, чем в «Инструкции...» [1].
Выполненный аналитический анализ условий проведения и поддержания выработок, проведенных и эксплуатируемых на удароопасных и подработанных пластах шахт ОАО «Воркутауголь», и результатов инструментальных наблюдений, полученных при промышленных испытаниях способа сталеполимерного крепления позволили ВНИМИ установить величины параметров для критериев области применения анкерной крепи, которые согласованы с органами горного надзора РФ и рекомендованы для внесения изменений в п.7.4 [2] и п.2.1 [1]:
- на пластах, склонных к горным ударам, применение анкерной крепи допускается в выработках сроком службы более двух лет при отсутствии в краевых частях пласта и целиках категории «опасно»;
- при выявлении прогнозом категории «опасно» и приведения в неудароопасное состояние эти участки выработки перекрепляют на податливую металлическую крепь или устанавливают крепь усиления;
- применение анкерной крепи на удароопасных подработанных и над-работанных участках угольных пластов допускается:
при соотношении глубины расположения от поверхности (Нм ) к рас-
четному сопротивлению пород кровли
Нм/ Яо < 35;
при соотношении междупластья (М) к технологической мощности подрабатывающего пласта (тт) М / тт > 10.
При проведении промышленных испытаний технологических схем подготовки выемочных столбов парными выработками, закрепленными сталеполимерной анкерной крепью с податливыми межштрековыми целиками был сформулированы ряд требований и методических положений по выбору параметров податливых целиков на пластах опасных по горным ударам.
- При парной подготовке используются только податливые межштреко-вые целики, исключающие возможность создания в них высоких напряжений и возникновения горных ударов. Формирование податливых целиков, как и проведение парных выработок с анкерным креплением, должно производиться вне зоны опорного давления.
- Формировании податливых целиков на удароопасных пластах при проведении второй парной выработки в зоне опорного давления впереди очистного забоя или после прохода лавы сопровождается проявлениями уда-роопасности в целике, в забоя и краевой части проводимой выработки, что вызывает необходимость выполнения профилактических мероприятий и перехода с анкерной на рамную крепь.
- Межштрековый целик при парной подготовке должен обеспечивать устойчивое состояние поддерживаемых выработок, сохранять достаточную несущую способность при податливой деформации, исключающей создание в нем удароопасного состояния в зоне опорного давления впереди и после прохода очистного забоя.
- Выбору и расчету целиков должна предшествовать оценка геомеханиче-ской характеристики состояния массива. Основными показателями геомеха-нической характеристики являются: суммарная величина естественных и техногенных напряжений, параметры перерапре-деления напряжений при проведении выработки или выработок при парной подготовке и по мере отработки выемочного столба.
- С учетом перечисленных требований получены и апробированы предельные значения ширины межштре-ковых целиков на глубине ведения работ 930-1000 м при последовательном проведении парных выработок вне зоны опорного давления. Ширина податливых целиков составляет для пласта Четвертого - 6,9 м; для пласта Тройного - 10,3 м; для пласта Мощного - 12,3 м и для пласта Пятого - 5,7 м.
Установлена необходимость совершенствования расчетных схем параметров, критериев области применения анкерной крепи, приведенных в нормативных документах. На достигнутых глубинах шахтами ОАО «Воркутауголь» 730-1040 м необходимая плотность возведения анкерной крепи в кровле возрастает на 20-30 %, а в боках на 50-60 %, при этом максимальное расстояние между рядами анкеров не должно превышать 1,0 м. При неустойчивых слоях непосредственной кровли величину податливых целиков необходимо увеличивать на 0,6 т,(т-мощность пласта). Результаты исследований учтены в дополнениях к нормативным документам.
Проведенные исследования геоме-ханических процессов в массиве и устойчивости выработок, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью, в условиях парной подготовки и промышленные испытания сталеполимер-
ной анкерной крепи при проведении выработок по удароопасным пластам в различных горно-геологических условиях шахт ОАО "Воркутауголь" показали, что применение анкерной крепи при проходке способствует созданию безопасных условий, обеспечивает
снижение трудоемкости работ и более
1. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России -СПб., 2000. 70 с. (М-во топлива и энергетики РФ. Гос.науч.-исслед. институт горн. геомех. и маркшейд. дела - Межотраслевой науч. центр ВНИМИ).
высокие скорости подвигания, превышающие достигнутые с рамной крепью в 1,5-2,5 раза. На шахтах ОАО «Воркутауголь в настоящее время до 35-40 % подготовительных выработок крепится сталеполимерной анкерной крепью.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: Сборник документов
- М.; Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России ,2000.- 320 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Бучатский Владимир Марьянович - кандидат технических наук, технический директор, Табалов Анатолий Андреевич - кандидат технических наук, заместитель технического директора по ТБ,
Вельбовец Сергей Николаевич - инженер, главный технолог по анкерному креплению, Соколов Владислав Николаевич - инженер, главный технолог по горному давлению, Гусельников Лев Митрофанович - инженер, заведующий лабораторией геомеханики, Подосенов Александр Александрович - инженер, старший научный сотрудник,
ОАО «Воркутауголь».
