CC BY
44
© B.E. Боликов, A.M. Никитин, M.B. Васильев, 2008
УДК 622.83
В.Е. Боликов, А.М. Никитин, М.В. Васильев
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА И ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ*
Семинар № 4
В массиве горных пород на железорудных шахтах Урала при достижении глубины горных пород 550 м и более резко усложняются условия устойчивости горных выработок. На этих глубинах отмечены аномально высокие напряжения, возникающие в массивах горных пород в окрестностях горных выработок, значительные деформации и нагрузки на крепь выработок. Объяснение этим явлениям можно дать, на наш взгляд, с точки зрения представления о запредельных деформациях, дилатан-сионных и дезинтеграционных процессах, протекающих в массивах горных пород, в окрестности горизонтальной горной выработки.
В этих условиях необходимо применение конкретных методов определения нагрузок на крепь выработок, типичных для пород с нелинейными деформационными характеристиками.
Поэтому для оценки устойчивости пород в выработках используется соотношение (п - безразмерная величина).
Км
где у - плотность породы или руды, т/м3; Н - глубина заложения выработки, м; Нм - прочность пород на сжатие в массиве, т/м2.
Поэтому для предварительной оценки устойчивости пород при проходке горной выработки рекомендуется использовать следующие соотношения:
если у-И -Нм< 0,3 породы можно считать устойчивыми. При проведении выработок по породам, склонными к выветриванию, необходимо применять набрызгбетонную крепь толщиной 2-6 см;
при соотношении 0,3 < у-И •Нм1<
0,6 породы можно считать среднеустойчивыми. Рекомендуемые виды крепи: набрызгбетонная, штанговая, комбинированная из набрызгбетона и штанг;
при соотношении 0,6 = у-И -Нм1 = 0,7 породы можно считать слабоустойчивыми и неустойчивыми. В этих условиях рекомендуется поддерживающие крепи: бетонная, деревянная, металлическая податливая.
Возможно применение смешанных крепей: штанговой крепи в сочетании с монолитной бетонной и металлической.
На основании вышеизложенного, рекомендуется следующая геомехани-ческая характеристика массива горных пород по условию устойчивости (табл. 1).
*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ ведущих научных школ
Таблица 1
Геомеханическая характеристика массива горных пород
Безразмерный параметр У'н Км < 0,3 0,4-0,5 0,6 0,7
Оценка в баллах 20 12 10 5
Состояние массива горных пород Весьма устойчи- вый Устойчивый массив Средне устойчивый массив Неустойчивый массив
Таблица 2
Оценка в баллах по обводнённости
Подземные воды Отсутствуют Мочажины Слабый капёж Сильный капёж Струи воды
Оценка в баллах 15 10 7 4 0
Таблица 3
Оценка в баллах элементов залегания трещин
Простирание трещин Перпендикулярно оси выработки Параллельно оси выработки Независимо от простирания трещин
Падение трещин 45-900 20-450 45-900 25-450 0-2 00
Оценка качественная Очень благо- приятное Благо- приятное Очень неблагоприятное Удовлетво- рительное Неблагоприятное
Оценка в баллах 25 15 0 15 5
Таблица 4
Оценка в баллах по форме структурного блока
Форма блока Призматическая прямоугольная Плитчатая Трапецеи- дальная Клиновид- ная Хаотичная
Оценка в баллах 20 17 13 8 3
Таблица 5
Оценка в баллах по сроку службы выработки
Срок службы, лет 1,5 4 7 10 15
Оценка в баллах 8 6 4 2 0
Таблица 6
Оценка в баллах напряжённого состояния массива горньх пород
Соотношение напряжений в массиве горных пород пг °В 1,0 1,5 2,0 2,5
Оценка в баллах 15 10 5 0
аг - горизонтальные тектонические напряжения, действующие в массиве пород. ов - вертикальные напряжения, на глубине расположения выработки.____________
Таблица 7
Классификация горного массива
Качест- Весьма Устойчивые Средней ус- Слабой устой- Неустойчивые
венная устой- тойчивости чивости
оценка чивые
Катего- рия I На Нб Ша Шб V Мб Vа Vб
Оценка в баллах 90 и более 90-85 75-70 70-65 55-60 50-40 40-35 30-35 25 и менее
Для окончательного прогноза устойчивости руд и пород в выработках рекомендуется использовать много-параметровую геомеханическую классификацию (табл. 7). По этой классификации учёту при оценке устойчивости подлежат: характеристика
трещиноватости пород, обводнённость, срок службы выработки и напряжённое состояние массива горных пород (табл. 2-6).
По всем факторам, отмеченным в табл. 2-6, предложена классификация горного массива по устойчивости (табл. 7).
В зависимости от категории устойчивости массива горных пород рекомендуется классификация поддержания горных выработок в процессе проходки и ведения очистных работ (табл. 8).
Проведение и крепление горных выработок осуществляется в соответствии с «Едиными правилами безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным
способом». М. 2003 г. п.55. Допустимое отставание постоянной крепи от забоя при проходке выработок принимается на момент производства взрывных работ до 60 м для набрыз-гбетона и от 0,7 до 60 м для штанговой крепи. Для временной - 1 шаг принятого вида крепления выработки.
В табл. 9 представлены значения допустимого отставания крепи и допустимого времени обнажения пород в зависимости от категории устойчивости горного массива.
Рекомендации по величине отставания крепи от забоя относятся к категориям II, III, IV. Первая категория -это вполне устойчивые породы и крепления, как правило, не требуют. Пятая категория - это весьма неустойчивые породы и крепление должно производиться вслед за уходкой до груди забоя.
Допустимое время обнажения пород изменяется от неограниченного для первой категории горного массива до одних суток для IV. Для V категории
147
Таблица 8
Выбор крепи в зависимости от категории устойчивости массива горных пород
Характери- Категория Постоянная крепь Временная крепь
стика руд и устойчиво- Вид крепи Параметры Допустимое Вил крепи Допустимое
пород сти горного массива Основной Альтернатив- ный крепи отставание от забоя отставание от забоя
1 2 3 4 5 6 7 8
Весьма устойчивые I Не требуется - - - - -
На Набрызгбетон - Толщина набрызгбе-тона-3 см После проходки Не требуется -
Устойчивые Нб Железобетонные штанги, тросовые штанги Полимерные штанги Сетка штанговая (тросовые, железобетонные) 0,7 х 0,7 м, полимерные 1,0 х 1,0 м. Глубина штанго-вания-2,0 м После проходки Не требуется -
Средней устойчивости Ша Железобетонные штанги, тросовые штанги + набрызгбетон, Полимерные штанги + набрызгбетон, армированный набрыгбе-тон Сетка штанговая (тросовые, железобетонные, армированный железобетон) 0,7 х0,7 м. Набрыз-гбетон- 3 см. Глубина штангования-2,0 м. Штанги-0,7 м, набрызгбетон-30 м, армированный на-брызгбетон-15 м Штанги постоянной крепи Набрызгбетон 0,7 м 15 м
Шб Железобетонные, тросовые штанги, +сетка металлическая + набрызгбетон Полимерные штанги+сетка металличе- ская+набрызгб етон Сетка штангования (тросовые, железобетонные) 0,7 х 0,7 м +металлическая сетка с ячейкой 0,1х0,1 м +набрызгбетон 3^5 см Глубина штангова-ния-2,0 м Штанги- 0,7 м. Сетка-30 м. Набрызгбе-тон-30 м. Глубина штан-гования-2,0 м. Штанги + сетка + набрызгбетон 0,7 м 15 м
148
Слабой устой- чивости 1Уа Железобетонные, тросовые штанги+сетка металличе-ская+набры-згбетон Полимерные штанги+сетка металличе- ская+набрызг бетон Сетка штангования 0,7х0,7 м Глубина штангова-ния-2,0 м. Металлическая сетка с ячейкой 0,1х0,1 м. Набрызгбетон-5 см. Штанги- 0,7 м. Сетка + на-брызгбетон-30 м Штанги, Сетка + на-брызгбетон 0,7 м 15 м
1Уб Железобетонные, тросовые штанги + сетка металлическая + на-брызгбетон Металлическая арочная крепь Сетка штангования 0,7х0,7 м Глубина штангова-ния-2,0 м. Набрызгбетон-5 см. СВП 17, 22 трапециевидная через 1,0 м Штанги - 0,7 м. Металлическая крепь-1,0 м. Штанги +набрызгбе- тон+сетка Металлическая арочная с шагом 1,0 м 0,7 м 15 м 1,0 м
Неустойчи- вые Уа Металлическая арочная Монолитный бетон, железобетон Металлическая арочная СВП-22, 27 через 0,5 м +железобетонная или металлическая затяжка Металлическая арочная -0,5 м Металлическая арочная с шагом 0,5 м Без отставания
Уб Бетонная, железобетонная - Металлическая арочная СВП-27, 33 или с опережающей крепью Без отставания Металлическая арочная с шагом 0,5 м Без отставания
149
Таблица 9
Допустимое время обнажения горного массива н отставание постоянной крепи от забоя
Категория устойчивости горного массива Оценка степени устойчивости Общая характеристика состояния пород Допустимое время обнажения пород Допустимое отставание постоянной крепи от забоя, м
Набрыз- гбетонная крепь Штанговая крепь Металлическая арочная крепь Монолитная бетонная Железо- бетонная
I Весьма устойчивые Вывалы отсутствуют Практически неограни- ченное - - - - -
II Устойчивые Возможны отдельные незначительные отслоения До 6 мес. 60 60 - - -
III Средней устойчивости Возможно образование вывалов, как правило, из кровли выработки 10-15 суток 10-30 Вслед за подвигани-ем забоя - - -
IV Слабой устойчивости Образование вывалов вскоре после обнажения пород, возможно образование вывалов в боках выработки Не более суток 10 Вслед за подвигани-ем забоя Вслед за подвигани-ем забоя 20-30 -
V Неустойчивые Обрушение пород вслед за обнажением Крепление вслед за подвиганием забоя, применение опережающей крепи - - - 20-30 20-30
Таблица 10
Крепление сопряжений нарезных выработок
Категория пород по устойчивости Вид выработки Шири на выра ботки, м Вид и параметры крепи
Железобетонные, тросовые, полимерные штанги Постоянный вид крепи
Глубина штанго-вания, м Сетка штанго-вания, м Отставание крепи, м
В породах и рудах: 1-111 категории устойчивости Скреперные, буровые, вентиляци- онные 2,5-3,2 2,0 0,7 *0,7 0,7 -
В породах и рудах: 1У-У категории Скреперные, буровые, вентиляци- онные 2,5-3,2 Временные виды крепи Специальные виды крепи
- крепление должно производиться вслед за подвиганием забоя. Поэтому время обнажения пород в этом случае несколько часов.
При проведении выработок в удароопасных породах при возникновении стреляний горных пород применяется временная предохранительная крепь.
Сопряжения горизонтальных выработок должны быть закреплены в породах 1-У категорий устойчивости. Способы крепления сопряжений следует выбирать в соответствии с классификацией пород по устойчивости,
исходя из максимального пролёта сопряжений (табл. 10).
На основании данных исследований по выбору и определению крепи и её параметров разработана «Инструкция по креплению и подержанию капитальных, подготовительных, нарезных и разведочных выработок на шахте С-Песчанская Богословского рудоуправления».
Данная инструкция прошла аппро-бацию на шахте и сегодня используется как нормативный документ по выбору типа и параметров крепи в различных горно-геологических условиях. ШИН
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------
Беликов В.Е., Никитин А.М. - ИГД УрО РАН,
Васильев М.В. - ОАО «Богословское рудоуправление».
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
