Рамные крепи для широкого спектра горно-геологических условий современных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.Я. Кириченко, A.B. Кириченко, 2012

УДК 622.28.04.44

В.Я. Кириченко, A.B. Кириченко

РАМНЫЕ КРЕПИ ДЛЯ ШИРОКОГО СПЕКТРА ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СОВРЕМЕННЫЕ ШАХТ

Предложены новые конструкции рамных крепей, отвечающих конкретным горногеологическим условиям эксплуатации, для обеспечения безопасности и повышения экономики шахт.

Ключевые слова: крепи горных выработок, горно-геологические условия, устойчивость горных выработок, технико-экономические показатели.

Отечественный и мировой опыт свидетельствует, что перспектива поддержания выработок на глубине 800—1400 м будет связана исключительно с комбинированными охранными системами, главным элементом которых является арочная металлокрепь. Учитывая это, а также то, что 90 % протяженности горных выработок угольных шахт поддерживается рамными металлокрепями, Западно-Донбасским научно-производственным центром «Геомеханика» (г. Павлоград, Днепропетровской области) разработана и реализуется за счет самофинансирования программа «Штрековая металлокрепь». Главным приоритетом Центра является разработка и производство крепей высокой грузонесушей способности нарастающего сопротивления, применение которых прогнозно оценивается на рисунке [1].

Ключевой задачей развития подземного комплекса угольных шахт является долговременное поддержание разветвленной сети горных выработок в эксплуатационном состоянии. Три главные доминанты определили актуальность задачи обоснования параметров и организации выпуска крепей нового технического уровня:

1) несоответствие многих известных конструкций металлокрепей широкому спектру горно-геологических условий поддержания горных выработок;

2) проявление новых форм горного давления на глубинах 800—1300 м, при которых несушая способность применяемых крепей не обеспечивает надлежашее противодействие пере-мешаюшимся породам в выработку, что вызывает их запредельные деформации;

3) геосистемный характер работы металлических крепей из спецпрофиля и продолжительный срок эксплуатации выработок обуславливают необходимость учета геомеханики взаимодействия системы «крепь — массив пород» при обосновании деформационно-силовых характеристик крепей.

В связи с этим, новые крепи горных выработок должны учитывать такие обязательные факторы [2]:

• надежность по деформационно-силовым характеристикам (податливость, несущая способность);

• качество изготовления и качество применения;

• долговечность, обеспечи-ваюшая безопасность;

• экономичность.

Этапы применения штрековых крепей в различных комбинациях

Соблюдение всех этих условий позволило ЗДНПЦ «Геомеханика» создать штрековые металлокрепи, которые обеспечивают снижение общего и удельного расхода металла, повышение устойчивости выработок за счет большей несущей способности крепей и надлежащего качества их работы с массивом пород, увеличение доли повторного используемых выработок и уменьшение частоты несчастных случаев от обрушения пород и завалов выработок.

Учитывая, что промышленная безопасность становится важнейшей составляющей национальной безопасности любой страны, Центр в основу своей деятельности поставил задачу

совместного решения вопросов технической и геомеханической безопасности при креплении и поддержании горных выработок.

Техническая безопасность обеспечивается уже на стадии качественного изготовления крепей на современных производственных линиях методом гидравлического прессования. Геомеханическая безопасность достигается гармоничной совместной работой крепей с породными массивами за счет рационального выбора их геометрических и деформационно-силовых характеристик. За счет этого достигается эффективность управления горным давлением и экономичность крепления выработки.

к сложным горно-геологическим условиям: интенсивное горное давление, большое опускание кровли и пучение пород почвы, существенные асимметричные нагрузки, значительные зоны разрушения пород вблизи выработок. К особым качествам крепей следует отнести: обоснованное отношение геометрических размеров элементов крепи, нетрадиционное их соединение, воспринимающее разнонаправленные нагрузки, обеспечивающие высокую устойчивость крепи; форма крепей, создающая условия для формирования консолидированной металлопородной грузонесущей охранной конструкции.

Рассмотрим технические характеристики крепей, разработанных и выпускаемых Центром «Геомеханика» (таблица).

Во всех случаях, когда принято решение о применении крепи с открытой почвой, крепь КШПУ-М обеспечит самое экономичное и безопасное поддержание горных выработок. Крепь отличается рациональным отношением радиусов стойки и верхня-ка, при котором обеспечивается самозапирание крепи, уменьшенной длиной и радиусом верхняка с целью повышения отпора крепи опускающимся породам кровли, удлиненной прямолинейной частью стоек крепи, что в совокупности позволяет компенсировать пучение до 800—1000 мм и вовлечь в работу приконтурный массив путем формирования вокруг выработки консолидированной ме-таллопородной охранной конструкции высокой грузонесущей способности.

Крепи КЦЛ позволяют значительно упростить процессы поддержания горных выработок на сопряжениях штрек - лава. Они обеспечивают качественно новый уровень поддержания выемочных штреков до подхода

лавы и при снятии стоек крепи для обеспечения передвижения забойного конвейера. Наличие циркульно-линейного верхняка обеспечивает повышение его сцепления с породами кровли и отпор крепи. КЦЛ имеет улучшенные характеристики статической несушей способности и повышенную восприимчивость к возможным динамическим нагрузкам со стороны кровли. Крепь облегчит операции по ее усилению применением индивидуальных или анкерных крепей. В совокупности это обеспечивает сохранение контура и уменьшение потери сечения выработок, что повышает возможность их повторного использования.

Новая крепь КЦЛО позволяет производить комбинированное крепление горной выработки рамной и анкерной крепью. Крепь КЦЛО представляет собой раму с плоскоизогнутым верхняком и наклонными радиально-изогнутыми стойками. Разработано 16 типоразмеров крепи КЦЛО, в том числе 11 типоразмеров - трехэлементная и 5 типоразмеров -четырехэлементная. Формируемый при этом контур выработки - плоская кровля с наклонно-овоидными боками, позволяет при такой конструкции крепи более рационально и эффективно возводить анкерные системы в кровле, что создает принципиально новую комбинированную рамно-анкерную крепь.

В сложных горно-геологических условиях отказы серийных конструкций крепи приобретают массовый характер, удельный вес травматизма от обрушений пород и завалов выработок достигает 37—43 % .Доказано, что рамные крепи в тяжелых геомеханических условиях должны иметь рабочее сопротивление до 400 кН на раму и конструктивную податливость до 1000 мм.

Технические характеристики металлокрепей разработчика и производителя ЗДНПЦ «Геомеханика»

Тип крепи

Форма крепи

Технические характеристики

Сечение в свету,

2

Рабочее сопротивление , кН/арку

Предельная несущая способность, кН/арку

Масса спецпрофиля рамы, кг

КШПУ-М

(крепь шатровая, податливая удлинен_ная)

6,5—20,3

230—477

403—780

174—436

КЦЛ

(крепь цир-

кульно-линейная)

6,3—14,4

250—300

350—670

165—369

КЦЛО

(крепь цир-

кульно-линейная, овоидная)

7,0—19,1

220—290

600—875

176—420

КМП

(крепь овоид-ная): А3Р2 (3-х звенная) А4Р2 (4-х звенная) А5Р2 (5-ти звенная)

6,6—13,3 15,9—18,0 17,1—22,3

497—783

450—610

387—533

570—990 630—870 586—799

216—352 326—436 390—482

КВТ - 2

(крепь выпукло-

треугольная)

6,4—17,5

258—450

389—750

192—399

КВТ

(крепь выпук-ло-треуголь-ная замкнутая)

7,5—17,2

311—452

467—679

318—662

КМК

(крепь кольцевая):

4-х звенная,

5-ти звенная

7,9—24,5 23,7—24,5

280-330 270-300

465-675 470-571

265—536 541—670

КПП - 3

(крепь полигональная податливая):

3-х звенная,

4-ти звенная

10,2—11,5

14,7

140—160

160—190

415—585

500—660

212—271

325—401

Данным требованиям не отвечают известные конструкции крепей. Центром «Геомеханика» разработана крепь металлическая податливая (КМП) двухрадиусная, трехэлементная А3Р2, четырехэлементная А4Р2 и пятиэле-ментная А5Р2. Новая крепь имеет форму овоида максимально приближенного к эллипсу. Данная форма крепи является наиболее устойчивой при воздействии на нее всестороннего давления, оказываемого породным массивом. Разработанная конструкция крепи позволила практически без изменения веса комплекта увеличить несушую способность верхняка в 2,7 раза за счет увеличения кривизны и уменьшении пролета. Повышена конструктивная податливость до 1000 мм за счет сопрягаемости сегментов крепи с одинаковой длиной и уменьшенной кривизной. Конструкция крепи исключает провалы верхняка синклинальной структуры, свойственные практике крепления выработок с обычной крепью.

Крепи КВТ — это экономичные крепи для условий высокого горного давления при большом вертикальном смешении пород (КВТ-2) и при интенсивном пучении пород (КВТ). Крепи обеспечивают конкурентоспособность крепления за счет снижения удельного расхода металла. Главным своим преимушеством крепь имеет геомеханически обоснованную и практикой проверенную форму. Остроконечная форма крепи с большим отношением высоты к ширине обеспечивает высокий эффект арочности и формирование консолидированной грузонесушей породной оболочки вблизи и вокруг контура выработок.

Большая стрела свода в крепи КВТ-2 исключает образование критических изгибаюших усилий в стойках и возможность появления экстремальных изгибаюших моментов, вы-

зываюших деформацию крепи. Наличие единого ограниченно-податливого шарнира сушественно повышает качество работы крепи с массивом и устойчивость стоек к боковым нагрузкам. Остроконечная форма крепи способствует обтеканию пород по контуру, их самозаклиниванию и консолидации.

КВТ успешно предотврашает широко распространенную форму проявления горного давления в выработках — пучение. Эта крепь альтернативная известным кольцевым крепям, которые в условиях высокого горного давления претерпевают большие деформации. Форма и параметры крепи создают надлежашие условия для совместной работы крепи с окру-жаюшим выработку массивом, используя его несушую способность и обеспечивая статическое равновесие системы «крепь-массив» в течение всего срока эксплуатации горных выработок. Крепь обладает высокой несушей способностью за счет исполнения несуших конструктивных элементов цельными при отсутствии шарниров по контуру крепи. Нетрадиционно выполненное сочленение несуших элементов в узлах податливости с по-мошью прессованного из СВП башмака обеспечивает первоначально ограниченный режим податливости, а в последуюшем — комбинированный. Конструкция башмаков выполнена так, чтобы обеспечить самозапирание элементов крепи с переводом ее работы в жесткий режим. Установка почвенных элементов крепи не влияет на скорость проходки выработки. КВТ обеспечивает: компенсацию горного давления при меньших на нее нагрузках, своевременное включение в работу с необходимым первоначальным отпором, снижение асимметрии нагружения, уменьшение разрыхления и сохранение прочности пород

почвы. Надежное взаимодействие крепи с приконтурным массивом пород - главное условие ее высокой несушей способности, что достигается субоптимальной формой и параметрами, обеспечиваюшими гармонизацию в управлении горным давлением в выработках.

Крепи КМК предназначены для особо сложных условий поддержания горных выработок при больших смешениях пород по их контуру. Практикой доказано, что их применение создает равнопрочный контур горных выработок, сохраняя несушую способность породного массива. Многоэлементная кольцевая конструкция обеспечивает поглошение асимметричных нагрузок на крепь, исключает пучение, возможность вывалов и внезапную потерю устойчивости выработок, что в совокупности создает предпосылки для безремонтного поддержания выработок в сложных горно-геологических условиях.

Крепи КПП применимы в диапазоне горно-геологических условий, когда проходка выработок осушеств-ляется под кровлю угольного пласта при сложении ее породами высокой прочности или требуется минимизировать присечку пород формируя плоскую кровлю. Конструкция крепи

1. Рихтер А., Айгеман Э.А. Повышение производительности процесса крепления анкерами за счет использования анкеров с быстрым нарастанием сопротивления // Глюкауф. — 2009. — № 1/2. — С. 16—23.

состоит из прямолинейных элементов спецпрофиля, изогнутых под углом 135°. Такая форма крепи создает преимушества в части устойчивости под плоской кровлей и усиления ее анкерными крепями.

Консультациями с техническими службами шахт определена их заинтересованность в таких вопросах: выбор для конкретных горно-геологических условий наиболее эффективных конструкций и типоразмеров крепи, а также в организации подземного горно-геомеханического мониторинга за работой крепей. Исходя из этого, для достижения качественного результата применения крепей ЗДНПЦ «Геомеханика» организует семинары с участием ученых и практиков, что позволяет поставшику крепей и их потребителю достигать взаимоприемлемых решений.

Разработанные крепи - это вопло-шение научных знаний инженерных расчетов и достижений шахтерской практики. Их применение обеспечивает шахтам экономичность и безопасность крепления горных выработок. В условиях ограничения материальных и финансовых средств использование перечисленных крепей обеспечит ресурсосбережение, качество и надежность горных выработок.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Кириченко В.Я. Новые экономические крепи для условий повышенного горного давления // Геотехническая механика. — 2000. — № 20. — С. 98—101. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Кириченко В.Я. — кандидат технических наук, директор ЗДНПЦ «Геомеханика», Украина, [email protected]

Кириченко А.В. — кандидат экономических наук, ассистент каф. прикладной экономики, (Украина, Национальный горный университет, [email protected]).