CC BY
8
© И.А. Мартынснко, И.И. Мартынснко, И.А. Капралова, 2012
УДК 622.257.12
И.А. Мартыненко, И.И. Мартыненко, И.А. Капралова
РАБОТА АРОЧНОЙ КРЕПИ ПРИ АНКЕРОВАНИИ КРОВЛИ
Приведены результаты работы арочной крепи с традиционной установкой и спол-ным или частичным заполнением закрепного пространства и анкерованием кровли замоноличенными анкерами.
Ключевые слова: шахта, закрепное пространство, распорно-замковый анкер.
На балансе шахт Восточного Донбасса находится 665 млн. т. угля, в том числе перспективных для отработки 573,6 млн т. В геологическом строении этого региона принимают участие осадочные и изверженные породы. Они представлены толщей переслаивающихся песчаников, песчаных и глинистых сланцев с подчиненными им прослоями, известняками и пластами углей, мощностью 0,7—2,2 м и углом падения до 45°. Кровли пластов сложены песчаными, песчано-глинистыми и глинистыми сланцами, реже песчаниками и известняками. В большинстве случаев они характеризуются как среднеус-тойчивые.
Для устойчивой добычи угля ежегодно проходилось 42-43 км выработок, в настоящее время — 19,2 км. Средняя площадь поперечного сечения в свету выемочных выработок составляет 12,7 м2. В зависимости от устойчивости и условий залегания вмещающих пород имеют сводчатую, трапециевидную или прямоугольную форму поперечного сечения. В качестве крепи выработок со сводчатой формой используется металлическая арочная (80 %), трапециевидной-металлическая или сборная железобетонная с металлическим верхняком (=10 %), прямоугольной — металличе-
ская анкерная, распорно-замковая (8,5 %) и сталеполимерная (=1,5 %).
В выемочных выработках все перечисленные виды крепи не всегда обеспечивают эксплуатационное состояние, безопасность горных работ, высокие коэффициенты извлечения и повторного использования металлических рам. Более 40 % крепи деформируется и для создания устойчивого и безопасного состояния выработки перекрепляются. В более устойчивом состоянии находятся выработки с металлической арочной крепью, закрепное пространство которых заполнено твердеющим материалом (цементно-песчаными, фосфогип-совыми растворами).
Установлено, что верхняя граница технической эффективности способов арочного крепления с заполнением закрепного пространства твердеющим материалом, производимым в сочетании с анкерованием пород кровли выработки выше, чем без ан-керования. Это утверждение правомерно лишь при соответствии параметров анкерной крепи требованиями действующих Инструкций. Получившие распространение способы установки распорно-замковых анкеров часто не позволяют создать достаточное предварительное напряжение штанг и не обеспечивают быстрого
нарастания их сопротивления при смешениях пород, поэтому была предложена их установка с заданным начальным осевым усилием Рн. По результатам испытаний, установленных предложенным способом анкеров типа ЭС-1 (АШ-1) в шахтных условиях, характеризуюшихся пределом пород на одноосное сжатие — более 60 МПа; незначительной обводненностью пород кровли, сроком службы выработки — менее одного года, определена стохастическая связь между сопротивлением распорно-замкового анкера Р, смешением его резьбового конца Д и начальным натяжением Рн:
Р = 3,2 1пД + 0.9 Рн — 3,5,
где Д — смешение нижнего конца анкера, Д — 0...48 мм; Рн — начальное напряжение анкера, Рн — 10...60 кН.
Характеристики зависимости: t = 16.48 > т = 1.6; F = 20.20 > ^ = 1.2,
Выявлено, что при установке распорно-замкового анкера экспериментальным способом с начальным натяжением Рн > 40 кН деформационно-силовая характеристика удовлетворяет требованиям инструктивных документов.
С целью предотврашения фактического снижения плотности анкерова-ния в зоне интенсивного смешения пород кровли первой лавы, обусловленного «обыгрыванием» штанг, «обрывом» натяжных гаек и опорных элементов, предложено производить позади линии очистного забоя на расстоянии шага вторичных осадок основной кровли усиление установленных при проходке выемочной выработки анкеров нагнетанием в шпуры твердеюшего материала [1]. Стендовые испытания показали, что замоноличивание цементным раствором состава Ц:В = 1:0,4 (по объему) даже некачественно установленного (Рн = 10 кН) анкера типа АШ-
1 повышает уже через сутки его сопротивление до требуемого уровня при условии близкого к полному заполнению шпура:
Р1сут, = 3 1пД + 17.2а — 26.7,
где а — расстояние от верхнего торца полумуфт установленного в кровлю анкера типа АШ-1 (ЭС-1) до цементного раствора в шпуре, принимается равным от 0 до 1.60 м; Д — смешение нижнего конца анкера, которое колеблется от 0 до 48 мм.
Характеристики зависимости: t =5,82, Г=7.11.
На основании экономико-математического моделирования (с учетом установленных закономерностей влияния величины закрепных пустот в своде выемочных выработок на проявления горного давления в них) определены границы областей эффективного применения в условиях шахт региона способа арочного крепления с заполнением закрепного проствранства, в том числе производимого в сочетании с ан-керованием кровли. Наибольшая эффективность достигается использованием крепления с частичным заполнением в установленных для них областях. С учетом особенностей условий региона предложены следуюшие способы крепления с частичным заполнением:
• арочное крепление с гидромеханическим заполнением только над рамами с помошью эластичных оболочек;
• арочное крепление с гидромеханическим ленточным заполнением;
• арочное крепление с гидромеханическим заполнением только в своде выработки.
При широком внедрении высоко-несуших ограниченно-податливых охранных конструкций, например, тумб из деревянно-бетонных блоков БДБ, а также искусственных ограждений в виде деревянно-бетонных и деревянно-блочных костров [2,3], перечис-
ленные способы крепления с частичным заполнением, в том числе производимым в сочетании с анкерованием кровли, могут эффективно применяться в 90 % выемочных выработок со сводчатой формой поперечного сечения.
На основании установленных зависимостей разработана методика инженерного расчета относительного уменьшения (в сравнении с традиционным креплением) смешений пород кровли выемочной выработки со сводчатой формой поперечного сечения при применении крепления с заполнением закрепного пространства. Установлено, что максимально возможное относительное уменьшение смешений пород кровли выемочной выработки за весь срок ее службы составляет:
а) без анкерования пород
70 % — при применении полного заполнения;
51 % — при заполнении только в своде выработки;
1. Патент 2 069 758 (РФ), Е21 Д11/00. Способ крепления выемочных штреков / Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И.. Савин В.А. — Опубл. 27.11.96. Бюл. № 33.
2. А.с. 1 788 275 (СССР), Е21 Д15/48. Костер для поддержания кровли горных
32 % — при заполнении только над верхняками каждой рамы; б) с анкерованием пород 76 % — при применении полного заполнения;
60 % — при заполнении только в своде выработки;
47 % — при заполнении только над верхняками каждой рамы.
Испытания инновационных способов крепления выемочных выработок были проведены на шахтах им. Л.Б.Красина, им. Октябрьской революции и «Юбилейная». Они подтвердили достоверность предложенного метода расчета уменьшений смешений пород кровли выемочной выработки при применении вместо традиционного арочного крепления крепление с заполнением и анкерованием кровли (достигается приемлемая для практики сходимость расчетных и фактических параметров).
Экономический эффект от внедрения разработок составил 80,3 тыс. руб. в ценах 1998 г.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
выработок / Быковский В.В., Мартыненко И.И. — Опубл. 15.01.93. Бюл № 2.
3. Патент 2 079 665 (РФ), Е21 Д15/48 .Костер для охраны выемочных выработок / Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Савин В.А. — Опубл. 20.05.97. Бюл. № 14. И233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мартыненко Иван Андреевич — кандидат технических наук, профессор, Мартыненко Игорь Иванович — кандидат технических наук, доцент, Капралова Ирина Александровна — старший преподаватель,
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт), Бшгд1:и@ siurgtu.ru
А
