CC BY
58
• *.» • • •• •
-• •/ • •
•г» » I
СТРОИТЕЛЬНАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
/.* •• **•; > V
КЛРТОЗИЯ Б. А. КОРЧАК А. В. Московский государственный горный
университет, ФРАНКЕВИЧ Г.С. КузНИИш ах тост рой
Перспективы использования ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна
Проблема обеспечения устойчивости капитальных горных выработок является одной из самых актуальных в комплексе вопросов строительства и эксплуатации угольных месторождений.
Значимость этой проблемы возрастает, если рассматривать недра Земли в принципиально новом плане - как природный целостный многофункциональный ресурс жизнеобеспечения общества, в процессе постоянного преобразования [1]. При такой постановке, горные выработки не только становятся материальным ресурсом, но и открывают путь к освоению новых ресурсов, использование которых позволит не только компенсировать первоначальные затраты, но и получить дополнительный хозяйственный, экономический или социальный эффект.
Интенсификация горных работ вызвала необходимость увеличения площади поперечного сечения выработок в среднем на 10%. Это в свою очередь привело к росту объемов применения крепей из более тяжелых профилей (СВП - 27,33). Их объем растет ежегодно на 10% при неуклонном снижении доли легких профилей.
Постоянное увеличение глубины горных работ за последние 15 лет (10 - 15 м в год), также вызвало необходимость применения более тяжелых и металлоемких крепей, при этом средние расчетные нагрузки на них возросли в 2,3 раза, что, естественно, привело к увеличению стоимости и трудоемкости крепления горных выработок. Несмотря на то, что объем проходки в шахтном строительстве снизился и составил 31,4% к объему 1988 года, проблема
обеспечения устойчивости этих выработок остается по-прежнему актуальной.
Повышение эффективности шахтного строительства может быть достигнуто за счет создания и внедрения прогрессивных энерго- и материалосберегающих технологий строительства горных выработок.
Крепление горных выработок является одним из самых сложных процессов при строительстве горных выработок. Трудоемкость и стоимость крепления составляет 40-50 %, а иногда и более от общей трудоемкости и стоимости работ по строительству горной выработки. В связи с ухудшением горногеологических условий строительства горных выработок, связанных в первую очередь с увеличением глубины ведения горных работ, метанообильности угольных пластов и вмещающих пород, несмотря на возросшие за последние годы в 1,4 раза металлоемкость крепи и широкое применение тампонажа закрепного пространства, ежегодный объем перекрепле-ния составляет 10-15% от общего объема вновь проводимых горных выработок, а в выработках глубоких шахт он доходит до 65 %. Аналогичная картина наблюдается и в зарубежной практике крепления горных выработок. Так, на шахтах Германии с увеличением глубины разработки с 730 до 850 м расход стали на 1 м выработки возрос на 40% (с 320 до 450 кг) и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению. Удельный вес затрат на ремонт выработок глубоких шахт в себестоимости товарного угля доходит до
14%.
В связи с этим перед угольной промышленностью России и других ведущих
МШУ/С-А* '■
i .it
угледобывающих стран остро встал вопрос снижения материалоемкости применяемых конструкций крепи и в конечном итоге снижения себестоимости товарной добычи.
Проектирование процесса крепления горных выработок в сложных горно-геологических условиях представляет процесс выявления соответствия технических решений горно-геологическим условиям и свойствам породных массивов, а также типам подготовки, способам воздействия на массив горных пород и способам строительства горных выработок.
В последние годы исследования в этой области ведутся по двум основным направлениям: первое - увеличение несущей способности и улучшение условий работы металлической арочной крепи, второе - вовлечение в работу по противодействию силам горного давления самого массива горных пород, вмещающего горную выработку. Одним из наиболее перспективных направлений в последнем случае является применение анкерной и набрызг-бетонной крепей как в самостоятельном виде, так и в их комбинации с другими конструкциями.
В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом проведено большое количество исследований в области создания различных конструкций крепей с широким диапазоном конструктивных параметров (несущая способность, податливость и т.д.) с использованием различных материалов. Это металл, бетон, железобетон, полимерные материалы и т.д. Одновременно совершенствуются старые и разрабатываются новые методы расчетов крепей с привлечением самых современных вычислительных машин и методик. Конечно, можно и дальше разрабатывать новые конструкции, но как показывает опыт строительства горных выработок угольных шахт, при довольно частом и значительном изменении геоме-ханических условий необходима гибкая технология крепления горных выработок, которая бы давала возможность оптимизации условий по длине выработки с минимальными материальными и трудовыми затратами. В этой связи необходимы прин-
ципиально новые подходы к вопросу самой идеологии крепления.
В настоящее время капитальные горные выработки на всем своем протяжении крепятся, в основном, одним типом крепи, независимо от горно-геологических условии. Протяженность современных капитальных горных выработок измеряется километрами и вполне естественно, что прочностные и деформационные характеристики пересекаемых выработку пород могут существенно изменяться даже в пределах одной литологической разности. Это, в свою очередь, вызывает неравномерность смещений горных пород по длине выработки, когда они могут отличаться друг от друга на порядок и более.
Действующие в настоящее время нормативные документы по выбору типа конструкции крепи (СНиП-И-94-80, Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи, Методика КузНИИшахтострОя) в принципе, предусматривает дифференцированный подход к креплению отдельных участков выработки, имеющих более 30% отклонения прочностных свойств вмещающих пород, однако это условие не реализуется ввиду отсутствия практических рекомендаций.
В настоящей статье изложены результаты многолетних исследований по оптимизации крепления капитальных горных выработок шахт Донбасса, проведенные кафедрой "Строительство подземных сооружений и шахт" МГГУ. Разработана новая методология крепления горных выработок на основе применения различных комбинаций конструкций крепей по длине выработки в зависимости от конкретной геомеханической ситуации на отдельных ее участках [2]. Одним из составных условий предлагаемого подхода является непрерывный контроль смещений породного массива. В данном случае крепление горных выработок осуществляется базовой крепью и различными крепями усиления.
Базовая крепь - это конструкция крепи (или комбинация нескольких конструкций) , возводимая непосредственно при
проведении горной выработки. Параметры базовой крепи определяются для участка выработки с наибольшими значениями предела прочности на одноосное сжатие и модуля деформации пород.
Крепь усиления - это конструкция крепи (или комбинация нескольких конструкций), технологически сочетаемая с базовой крепью, повышающая суммарную не-сущую способность и возводимая, по необходимости, в зависимости от контролируемых сигнальных смещений контура выработки.
Совокупность базовой крепи и крепей усиления, устанавливаемых по длине выработки, объединяются общим названием ” крепь регулируемого усиления” (КРС).
Внедрение крепи регулируемого сопротивления позволяет исключить необоснованные запасы прочности крепи на участках с благоприятными горно-геологическими условиями и предотвратить ее разрушение и перекрепление в неблагоприятных условиях за счет своевременного увеличения несущей способности.
Сформулированный подход к креплению выработок является основой для разработки гибкой ресурсосберегающей технологии в шахтном строительстве. Прототипом предлагаемого подхода к новой идеологии крепления капитальных горных выработок может служить широко известный Ново-австрийский способ проходки тоннелей (НАСПТ) [3].
Основными параметрами КРС являются ее несущая способность и податливость, которые должны регулироваться в зависимости от изменения горно-геологических условий по длине выработки. Регулирование несущей способности и податливости КРС осуществляется в зависимости от контролируемых сигнальных смещений контура выработки.
Контролируемые сигнальные смещения - это максимальные допустимые смещения породного контура, при которых базовая крепь еще обеспечивает устойчивое состояние выработки. В случае превышения смещениями породного контура на каком-то участке величины сигнальных смещений, устойчивость выработки на
этом участке обеспечивается вводом в работу крепи усиления. Таким образом, в общем случае выработка на своем протяжении будет закреплена как базовой крепью, так и ее различными сочетаниями с крепью усиления, что в совокупности должно обеспечить рациональный расход крепежных материалов при соблюдении эксплуатационных требований.
В настоящее время МГГУ и КузНИИ-шахтостроем накоплен значительный опыт выполнения натурных исследований в области изучения процессов, протекающих в массиве при проведении горных выработок. В результате выполненных исследований получены зависимости (с высокой степенью достоверности) о смещениях массива горных пород и формирования нагрузок на различные виды крепей, применяемых в шахтном строительстве, а также разработано оборудование и приборы постоянного и периодического наблюдения за смещениями массива и нагрузок на крепь. Поэтому уже сегодня существует реальная возможность осуществления идеи активного геомеханического мониторинга за процессами, происходящими в системе "крепь -породный массив" и своевременного принятия решения по усилению базовой конструкции, что позволит обеспечить надежность и безопасность эксплуатации капитальных горных выработок при более низком уровне материалоемкости, трудоемкости, продолжительности и стоимости строительства.
В качестве базовой крепи следует выбирать крепь, параметры которой (несущая способность и податливость) определяются для участка выработки с наибольшими значениями предела прочности на одноосное сжатие и модуля деформации пород.
В качестве крепи усиления должна применяться такая конструкция крепи, которая технически (конструктивно) сочетаясь с базовой крепью, обеспечивает требуемые изменения ее параметров.
Блок-схема проектирования и строительства выработок с крепью регулируемого сопротивления с учетом общих требований п.2.4 СНиП II- 94-80 представлена на рис. 1.
Рис.1. Блох-схема проектиования и строительства выработок с крепью регулиуемого сопротивления
Исходными данными для проектирования КРС являются тип и физико-механи-чкхяе свойства вмещающих пород, структурные особенности массива, глубина заложения выработки, форма ее поперечного сечения и размеры. Указанные данные определяются из инженерно-геологиче-сгях изысканий в соответствии с общими требованиями главы СНиП по инженерным изысканиям для строительства, а также с учетом особенностей подземного строительства, предусмотренных пп.1.8 -1.13 СН и П И-94-80.
Варианты базовых крепей и крепей усиления представлены на рис.2. Предлагаемый на рис.2 перечень базовых конструкций крепей и варианты их усиления, конечно, не являются абсолютно полным и окончательным. Можно предложить еще ряд конструкций, которые нашли бы свое место в огромном диапазоне горно-геоло-гических условий, однако на наш взгляд крепление горных выработок вышеприведенными конструкциями крепи вполне может обеспечить устойчивость выработок на расчетный срок службы с наименьшими материальными и трудовыми затратами.
Экспериментальная проверка разработанной методологии крепления капитальных горных выработок проводилась на шахтах Донбасса (Ворошиловградская №1, Суходольская-Восточная, Комсомолец Донбасса, Самсоновская-Западная). Причем, условия на первых двух шахтах могут быть отнесены к весьма сложным (сильно трещиноватые песчаники и песчанистые сланцы в условиях неустойчивой кровли, склонной к вывалам и обрушению) .Базовый вариант конструкции крепи КРС на ш. Ворошиловградская № 1 состоял из сталеполимерных анкеров длиной 2,2 м, устанавливаемых через 1 метр и металлической сетки. Через 28 суток контролируемые сигнальные смещения породного контура, фиксируемые датчиками сигнализаторами конструкции МГГУ, были близки к критическим и составили 40 мм. Было принято решение об одностадийном усилении крепи на этом участке путем нанесения слоя набрызг-бетона толщиной 12 -15 см. Как показали дальнейшие инстру-
ментальные наблюдения, смещения контура выработки практически затухли и за следующие 5 месяцев составили только 40 мм.
По результатам проведенных экспериментальных исследований установлено, что КРС обладает хорошей работоспособностью при креплении капитальных выработок в сложных геомеханических условиях, а работы по усилению крепи не препятствуют выполнению работ основного технологического цикла по проходке выработки. Конструкция КРС из сталеполимерных анкеров, металлической сетки и набрызг-бетона в данных условиях не уступает применяемой металлической арочной крепи из СВП-27 с шагом арок через 0,5 м, набрызг-бетоном по железобетонной затяжке и тампонажем закрепного пространства. Это позволяет сэкономить 0,6 т металлопроката на один метр выработки.
В настоящее время основным материалом для крепления капитальных горных выработок на шахтах Кузбасса является металлическая арочная податливая крепь из спецпрофиля СВП. Подготовительные же выработки в аналогичных условиях закрепляются облегченными типами крепей, такими как анкерная (24%) [4]. Исследования [5] показали, что в АО "Ленинску-голь" только замена рамной крепи на анкерную снизит затраты на доставку крепежных материалов в 2 раза и увеличит скорость проведения горных выработок на 25%.
Горные породы, слагающие угленосные отложения Кузнецкого бассейна, представлены песчаниками, алевролитами, аргиллитами, гравелитами и конгломератами. Все эти породы тесно взаимосвя-занны между собой, образуя переходные литологические разности. Водоносность пород угленосных отложений бассейна невелика и не является препятствием для проходческих работ. Глубина заложения капитальных горных выработок составляет 500 -800 м. Для вышеперечисленных условий применение крепей регулируемого сопротивления является перспективным и технически возможным вариантом крепления капитальных горных выработок.
Рис.2 Базовые крепи регулируемого сопротивления и крепи усиления
I. Тр*беажой К.Н., Каплунов Д.Р., Чаплыгин Н.Н. Современные горные науки: предмет, содержание тштшые: задачи. - М.: Горный журнал. - № 6, 1994 г.
L Картозия Б.А., Пшеничный В.А., Корчак А.В., Быков А.В., Цейтлин Г.М., Свирский Ю.И, Способ ЦЕхкнкг горных выработок. Авторское свидетельство № 1384772. - 1987.
3L Alberts H-J, Zactrak К, Anffarung eincr Acsteins trecke nach der Nener Osterreichiechen Tunnel-flHweise - Giuckouf. - 1981, 11Э. - P. 365-371.
4. Петров А.И., Штумпф Г.Г., Егоров П.В., Архипов Г.Н. Механизация проведения подготовительных «^забсугок- - М.: Недра, 1988.
5. Маликин В.П., Решетов С.Е., Красюк Н.Н. и др. Оптимизация хозяйственной деятельности системы щркшхршгпш угледобывающего региона. - М.: МГТУ, 1995.
© Б.А.Картозия, А. В.Корчак, Г.С.Франкевич
“ТИГЮГРАФИЯ-НА-КУХНЕ”
Так в Германии называют малые комплексы, которые состоят из настольных издательских систем (НИС) и микрополиграфических производств.
Действительно, современная техника дает возможность двум людям в небольшом помещении выпускать книги, брошюры, бланки и другую бумажную продукцию. Да и стоит такое оборудование недорого.
В любом населенном пункте Германии и многих других стран есть такие издательства-типографии, выполняющие качественно, быстро и недорого полиграфические работы в любом объеме и в максимально короткие сроки.
Теперь такая возможность появилась и в России. На базе Государственного центра учебного книгоиздания при Издательстве Московского Государственного Горного Университета была впервые применена такая технология. Полученные результаты показали, что в наших условиях “типография-на-кухне” - незаменимый комплекс, в силу своей гибкости и меньших затрат позволяющий осваивать рынок полиграфических услуг в максимально благоприятных условиях.
СПЕЦИАЛИСТЫ ЦЕНТРА ПОМОГУТ ОРГАНИЗОВАТЬ МАЛОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО И МИКРОТИПОГРАФИЮ В УСЛОВИЯХ ВУЗА,
НИИ, ФИРМЫ.
В комплекс услуг входят:
• проектирование и поставка необходимой техники, с учетом имеющегося оборудования
• наладка оборудования, модернизация ЭВМ, несовместимых с НИС
• загрузка и настройка НИС, установка специальных пакетов программ
• обучение специалистов всем элементам технологии
• консультации по вопросам максимального сокращения затрат, оптимальной эксплуатации оборудования, книжного дизайна
• оказание помощи в снабжении расходными материалами по низким ценам ( бумага, картон, краски и формы ШвО, картриджи, клей и т.д.)
Тел: 236-9780
