CC BY
45
---------------------------------------- © В.А. Матвеев, Ю.В. Турук,
2005
УДК 622.272:622.28
В.А. Матвеев, Ю.В. Турук
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЩИТОВЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ С ОДНОРЯДНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ СТОЕК С ВМЕЩАЮЩИМИ ПОРОДАМИ
Семинар № 11
риведен анализ конструкций одно-
-Л.Ж рядных и двухрядных щитовых механизированных крепей, определены их преимущества и недостатки. Сформулированы направления оптимизации конструкций механизированных крепей с однорядным расположением стоек.
Механизированные комплексы в настоящее время являются, и в ближайшем будущем останутся основным средством механизации очистных работ.
Поэтому основным направлением дальнейшего развития комплексной механизации очистных работ является создание более производительных механизированных и автоматизированных комплексов нового технического уровня и повышение эффективности их эксплуатации.
Эффективность работы механизированных комплексов в значительной степени зависит от состояния и работоспособности механизированной крепи.
Основная функция механизированной крепи состоит в поддержании и сохранении целостности непосредственной кровли, то есть -предотвращении расслоения и образования вывалов породы в призабойном пространстве, а также в обеспечении требуемой скорости крепления в экстремальных ситуациях.
Поэтому по способу и характеру взаимодействия с кровлей пласта в комплексномеханизированных очистных забоях механизированные крепи разделяются на три типа: поддерживающие, поддерживающе-огради-
тельные и оградительно-поддерживающие [1]. Последние два типа имеют ещё общее название
- щитовые.
В настоящее время в мировой практике имеется большое разнообразие конструктивных схем секций механизированных крепей, но
наиболее широкое применение получили однорядные (двухстоечные) и двухрядные (трех-или четырехстоечные) щитовые поддержи-вающе-оградительные механизированные крепи.
Основным достоинством секций щитовой крепи является то, что они воспринимают параллельные напластованию нагрузки, неизбежно возникающие при преодолении вывалов и выступов в кровле без повреждений.
Не менее важным является наличие в таких крепях связей между перекрытием и основанием, обеспечивающих передачу как сжимающих, так и растягивающих усилий. Это позволяет создавать на конце консольной части перекрытий повышенное поджатие нижних слоев кровли даже при значительном разрушении их над завальной частью перекрытий.
Конструктивная схема секции крепи влияет на величину равнодействующей сопротивления секции, передаваемой её стойками кровле. Так в однорядной двухстоечной секции крепи величина, и направление равнодействующей сопротивления секции зависит от положения стоек, их наклона, момента вращения, создаваемого угловым гидроцилиндром и пространственного положения рычагов, соединяющих заднее ограждение с основанием.
Кроме этого наличие силового углового гидроцилиндра в однорядной секции, соединяющего перекрытие с задним ограждением секции крепи обеспечивает возможность в ограниченных пределах изменять силовую схему передачи нагрузок от стоек к кровле.
При таких условиях однорядная двухстоечная секция щитовой крепи с угловым гидроцилиндром между перекрытием и ограждением отличается от других щитовых крепей более коротким перекрытием, но более длинной консольной частью. Каждый участок кровли при
передвижке секции с потерей контакта подвергается чередующимся разгрузкам и нагрузкам всего лишь 4-5 раз.
В двухрядной четырехстоечной секции щитовой крепи равнодействующая сопротивления приложена к перекрытию на большем расстоянии от забоя, чем в однорядной секции щитовой крепи. Перекрытие имеет соответственно большую длину и, следовательно, кровля при передвижке секции подвергается большему числу разгрузок и нагрузок в пределах призабойного пространства, чем при однорядной секции крепи.
Но в этой схеме при раздельном управлении рядами стоек можно легко менять точку приложения равнодействующей сопротивления крепи по ширине призабойного пространства и, в частности, обеспечивать достаточно высокое сопротивление консольной части перекрытия на контакте с кровлей.
Имеется возможность организации прохода для людей между рядами стоек, и в критических ситуациях (геологические нарушения, ложная кровля) два ряда стоек позволяют приблизить к забою первую точку силового контактирования перекрытия с кровлей.
В последние годы при создании механизированных комплексов для очистных забоев определилась тенденция к переходу на секции крепи с однорядным расположением стоек. При этом предполагается получить преимущества в некотором упрощении конструкции и, возможно, в металлоемкости крепи на 1 м длины очистного забоя. Сравнительный анализ конструкций и опыта эксплуатации механизированных крепей с однорядным (типа М137, «Донфалия»,.КМП) и двухрядным (типа КД80 и КД90) расположением стоек показал:
- реального снижения металлоемкости в однорядной конструкции крепи в сравнении с двухрядной нет. На пластах мощностью от 0,8 до 1,3 м она имеет уровень 4,4 - 6 т/м у двухрядной крепи и 5,3 - 5,6 т/м у однорядной;
- в очистных забоях с однорядным расположением стоек существенно увеличилось расстояние от забоя до ближайшего ряда стоек (с 2,2 - 2,6 м до 2,7 - 3,3 м).
Последнее обстоятельство продолжило тенденцию к увеличению расстояния от забоя до равнодействующей сопротивления крепи при разработке новых конструкций крепей в последние годы, что негативно сказывается на поддержании первичных обнажений кровли. При удовлетворительном взаимодействии од-
норядных крепей с легко- и среднеуправляемой кровлей наблюдается резкое ухудшение состояния кровли на участках со слабой кровлей или почвой и возникают проблемы с управлением секцией крепи в вертикальной плоскости.
Это дает основание для вывода, что однорядные щитовые секции крепи более чувствительны к изменениям горно-геологи-ческих условий, чем двухрядные. Увеличенная длина забойной консоли перекрытия не всегда обеспечивает эффективное управление массивом кровли из-за недостаточной жесткости перекрытия. Особенно это относится к секциям крепи с минимальной конструктивной высотой 600 - 630 мм. Поэтому при их создании требуется более тщательный расчет конструкции. Однорядные конструктивные схемы секций механизированных крепей наилучшим образом оптимизируются для одного класса горногеологических условий, преимущественно для легкоуправляемой или среднеуправляемой кровли [2].
В настоящее время остро стоит вопрос повышения адаптивности механизированных крепей к горно-геологическим условиям их эксплуатации. С механизированными комплексами в нормальных условиях лавы имеют высокие нагрузки и могут обеспечить рентабельность разработки угольных месторождений, но в сложных условиях (неустойчивая и весьма неустойчивая кровля, слабая почва, геологические нарушения) их производительность резко (в несколько раз) падает. Заводами угольного машиностроения не выпускаются механизированные крепи для шахтопластов с неустойчивыми кровлями, оборудованные выдвижными передними консолями, позволяющими уменьшить площадь и время поддержания обнаженной кровли после прохода выемочной машины. Это приводит к дополнительным потерям рабочего времени на крепление кровли при вывалах породы и засорению угля, что является одной из причин повышения его зольности.
Кроме этого эффективная работа механизированных крепей возможна лишь при отсутствии вдавливания оснований секций механизированной крепи в почву пласта. В настоящее время основным критерием применимости механизированной крепи по фактору удельное давление на почву пласта является значение средних удельных давлений. Однако как показывает практика, ориентация на средние давления не соответствует реальным условиям работы механизированных крепей. Выбор щитовых
механизированных крепей по фактору взаимодействия с почвой пласта должен производиться по максимальным напряжениям на конце забойной части основания.
Все это свидетельствует о том, что некоторые ожидаемые преимущества механизированных крепей с однорядным расположением стоек пока не реализуются в полной
1. Докукин А.В., Коровкин Ю.А., Яковлев Н.И. Механизированные крепи и их развитие. - М.: Недра, 1984. - 288 с.
2. Турук Ю.В. Повышение эффективности струговой выемки антрацитовых пластов на основе
мере, и требуется серьезная работа по оптимизации их конструкций в направлении:
- сокращения расстояния от забоя до равнодействующей сопротивления секции;
- более эффективного управления секцией крепи в вертикальной плоскости;
- снижения контактных напряжений в почве под передней частью основания.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
совершенствования средств управления кровлей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новочеркасск: 2004, - 141 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Матвеев Валентин Александрович - доктор технических наук, профессор,
Турук Юрий Владимирович - ассистент,
кафедра «Разработка пластовых месторождений», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
МАТВЕЕВА Людмила Ивановна Выбор и обоснование конструктивных параметров малогабаритных погружных пневмоударников 05.05.06 к. т. н.
РУХЛИН Георгий Владимирович Защита окружающей среды утилизацией отходов минерального сырья 25.00.36 к. т. н.
--------Ф
^----------
----------------------------------------------- © Н.Н. Касьян, А. О. Новиков,
Ю.А. Петренко, Н.А. Овчаренко,
2005
УДК 622.016.3.112.3
Н.Н. Касьян, А. О. Новиков, Ю.А. Петренко, Н.А. Овчаренко
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ВЕДЕНИЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК В ПОСЛЕРЕМОНТНЫЙ ПЕРИОД
Семинар № 11
'Ж~¥ ринятая Верховным Советом Украи-
.1.1 ны Национальная энергетическая программа придает особое значение развитию угольной промышленности (объем добычи угля к 2010 году должен достигнуть 170 млн т в год).
Вместе с тем, по данным министерства топлива и энергетики Украины добыча угля снизилась за последние 10 лет в 2,2 раза. Износ промышленно-производственных фондов и техники на шахтах достигает 60-70 %. Такое положение усугубляется ухудшением состояния поддерживаемых горных выработок, от которого непосредственно зависит уровень угледобычи.
По данным обследований состояния горных выработок шахт Донбасса, проведенных Дон-НТУ, протяженность поддерживаемых выработок составляет около 16 тыс. км. Около 80 % выработок закреплены металлической податливой крепью. В настоящее время на шахтах деформировано более 20 % поддерживаемых выработок. Ежегодно протяженность выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии возрастает на 2-3 %, в то время как из года в год ремонтируется не более 78 % от протяженности выработок, нуждающихся в ремонте. Стоимость перекрепления достигает 3,5-4,0 тыс. грн. на метр выработки, а трудоемкость поддержания — почти 50 чел. см на 1000 т добычи.
Вместе со снижением добычи угля наметилась устойчивая тенденция к росту протяженности поддерживаемых выработок. Так по данным ГП «Донуголь» в 2003 г. поддерживалось более 195 км выработок на каждый млн т добычи.
Не лучше положение и на реконструируемых шахтах, где по данным генподрядных строительных организаций (тресты «Красно-
армейскшахтострой», «Макеевшахтострой» и др.) объем работ по перекреплению практически сравнялся с объемами сооружаемых выработок.
По имеющимся данным, средний удельный объем крепления составляет на шахтах около 16 м на каждые 1000 т добываемого угля, а средний удельный объем перекрепления - 7,5 м на каждые 1000 т.
Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что в ближайшие годы ремонт и перекрепление выработок, как способ их поддержания, останутся одним из основных участков производственной деятельности шахт и шахтостроительных организаций .
Ведение любых ремонтных работ в выработках (замена затяжки, замена деформированной крепи или ее элементов, подрывка пород почвы и т.д.), связанных с изменением формы и размеров существующего породного обнажения, приводит по данным исследований [1,2] к временному увеличению интенсивности смещений пород на их контуре в 2-16 раз, по сравнению с интенсивностью смещений, зафиксированной в периоды, предшествующие ремонту. Ремонт выработок осуществляется, как правило, при отсутствии требуемых по Правилам безопасности зазоров между транспортными средствами и крепью. Геомеханиче-ское состояние вмещающего массива к моменту начала работ при этом не учитывается. Во многих случаях перекрепление горной выработки не обеспечивает ее последующего устойчивого состояния и в результате продолжающегося деформирования вмещающего массива пород, выработку приходится неоднократно перекреплять.
Рис. 1. Технологическая схема перекрепления выработки: 1 - место установки новой рамы; 2 - стойки временной крепи; 3 - верхняк рамы временной крепи; 4 — затяжка; 5 - «новая» рама; 6 - рама «старой» крепи
Кроме того,обрушения пород и завалы выработок, наблюдающиеся при перекреплении приводят к перебоям в работе транспорта, простоям отдельных участков и шахт в целом, увеличивают затраты средств и труда на ремонт, являются причиной производственного травматизма .
По данным Управления Донецкого округа Госгортехнадзора, уровень травматизма на работах, связанных с перекреплением выработок и разбором завалов составляет около 35 % от общего количества несчастных случаев на подземных работах.
По данным этого же ведомства, до 90 % обрушений пород происходят в призабойном пространстве, на незакрепленном участке перекрепляемой выработки (впереди места ремонта), около 7 % обрушений происходят позади забоя (позади места ремонта) и 3 % - непосредственно в призабойном пространстве и распространяются в сторону не отремонтированной выработки (вперед от места ремонта).
В связи с выше изложенным, в целях улучшения технико-экономических показателей и повышения безопасности работ, актуальным является вопрос обоснования рациональных параметров и технологии выполнения ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающих предотвращение обрушений при перекреп-лении и устойчивое состояние выработок в по-слеремонтный период.
В основу типовой технологии перекрепления горной выработки на шахтах положены разработанные в середине 80-х годов, в объединении «Донецкуголь» стандарты предприятия, устанавливающие общие правила технологии ведения
работ при перекреплении, а также типовые технологические процессы и операции ее реализации.
Традиционная технология перекрепления выработки заключается в следующем (рис. 1). На расстоянии 5-7 м в обе стороны от места перекрепления устанавливаются временные усиливающие элементы (ремонтины). Производится разборка (вырубка) затяжек (от 2 до 5 штук, в зависимости от устойчивости обнажаемых пород) и выпуск породы при помощи оборника длиной 1,5-2,0 м. По мере разборки породы обнаженное пространство перекрывается затяжками. Производится временное крепление. После освобождения верхняка деформированной рамы от породы, он снимается со стоек, после чего извлекаются стойки. При необходимости, перед установкой новой рамы бока выработки раскашиваются и разделываются лунки под стойки крепи. После этого устанавливаются стойки новой крепи и соединяются планками с ранее установленной рамой. Временная крепь демонтируется, производится оборка кровли, устанавливается верхняк, затягиваются кровля и бока выработки и и забучивается закрепное пространство. Участок между «новой» и «старой» крепью затягивается деревянными щитами.
При угрозе обрушения сильно деформированных пород и разборе завалов применяют опережающую шильевую крепь (рис. 2).
Одним из существенных недостатков традиционной технологии перекрепления выработок является практическое отсутствие управления процессом выпуска пород и частичное раскрепление выработки на момент выполнения ремонтных работ.
Рис. 2. Ремонт выработки с использованием опережающей шильевой крепи
Рис. 3. Технологическая схема ремонта выработки с использованием взрыво-распорной анкерной крепи
В-В
В
Рис. 4. Способ перекрепления выработки: 1 - скважины; 2 - опорные элементы (закрепные стойки); 3 - арочный сегмент; 4 - стойки усиления; 5 - крепь выработки; 6 - проектный контур выработки; 7 - контур ремонтируемой выработки
Значительный производственный опыт накоплен при использовании технологии пе-рекрепления выработок, основанной на инъекционном упрочнении пород [3].
Существенным недостатком этой технологии является то, что инъекционному укреплению подвергаются как породы за пределами проектного контура новой выработки, так и часть пород, которые будут извлечены при расширении старой выработки.
В зарубежной практике разработаны и внедрены различные системы, механизирующие процесс перекрепления. Так фирмы «Э. Хайт-камп» и «КБИ Клекнерт-Бекорит индустритех-ник» (Германия) разработали передвижную крепь для защиты участков подрывки и расширения горизонтальных выработок. На шахте «Остен-фельд» (Германия), совместно с фирмой «Вестфалия Люнен» была разработана и внедрена механизированная система «Остенфельд», представляющая собой комплект оборудования для перекрепления всех типов выработок большого сечения. Подобные разработки велись в институте «ЦНИИподземмаш», однако широкого распространения они не получили.
Рис. 5. Совмещенная технологическая схема перекрепления выработки с использованием инъекционного укрепления
Рис. 6. Параллельная технологическая схема перекрепления выработки с использованием инъекционного укрепления
В Донецком национальном техническом университете, на основании исследований за проявлениями горного давления в перекрепляемых выработках, были установлены рациональные геомеха-нические параметры ремонта. На их основе производится выбор технологической схемы выполнения ремонтных работ. Результаты этой работы вошли составной частью в «Технологические схемы поэтапного поддержания капитальных горных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений» РД 12.18.096-90, утвержденные Мин-углепромом СССР [4].
Для предупреждения обрушений пород в перекрепляемой выработке, до начала ремонтных работ в кровлю бурят скважины, в которые устанавливают взрыво-распорные анкеры, раскрепляемые за проектным контуром новой выработки. После расширения выработки до проектных размеров на анкера устанавливают контурные замки, а затем монтируют рамы новой крепи (рис. 3).
С целью совершенствования существующих и разработки новых технологий ведения работ по перекреплению, обеспечивающих устойчивое состояние породного контура как в момент ремонта, так и при последующей эксплуатации выработки, в ДонНТУ были предложены следующие способы.
С целью предотвращения обрушений пород при расширении ремонтируемой выработки предлагается из старой выработки бурить до проектного контура новой выработки серию скважин (рис. 4), в которые устанавливаются за-крепные стойки. Под их концы подводится металлический арочный сегмент, через который осуществляется нагружение закрепных стоек с помощью гидродомкратов, устанавливаемых в боках выработки. Таким образом, на проектном контуре новой выработки, до расширения
а)
б)
Рис. 7. Способы направленного укрепления пород с использованием процесса вакуумирования
№973852) (а) и воздушной «опалубки» (А.С. СССР .№1747708) (б): 1 - скважина; 2 - инъектор; 3 изолирующее устройство; 4 - трубка подачи сжатого воздуха
(А. С. СССР - распорно-
старой выработки создается подпор, препятствующий смещениям пород внутрь выработки до установки постоянной крепи.
При выполнении перекрепления выработок с использованием технологии инъекционного укрепления по совмещенной схеме (рис. 5) или параллельной технологической схеме (рис. 6), предлагается управлять процессом укрепления пород за проектным контуром новой выработки путем использования процесса вакуумирования (рис. 7). Сущность предлагаемых технологий заключается в следующем. В кровлю ремонтируемой выработки бурят скважины, в которые устанавливают герметизирующие устройства. При этом, одновремен-
но с нагнетанием укрепляющих растворов в одни скважины производят отсос скважин. Этим обеспечивается направленное движение укрепляющих растворов в заданных областях. С целью устранения протекания укрепляющего раствора в породы, подлежащие выемке при перекреплении, предлагается, через скважины для укрепления подавать сжатый воздух в пределах участков скважин, расположенных в этих породах.
С целью установления эффективности и области применения предлагаемых технологий ведения ремонтных работ, намечено проведение их промышленных испытаний на ряде шахт Донбасса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кошелев К.В., Новиков А. О., Петренко Ю.А. Геомеханические параметры ремонта горных выработок //Уголь, 1987. - №7. - С. 20-22.
2. Зубов В.Т., Чернышков Л.Н., Ларченко К.Н. Влияние подрывок на пучение пород в подготовительных выработках // Уголь Украины, 1985. - №7. - С. 15—16.
3. Руководство по выбору способов и технологии перекрепления выработок, обеспечивающих их устойчивость в условиях шахт ПО «Донецкуголь» /
Ю.З. Заславский, Н.Ю. Заславский, А.Г. Файвишенко, В.В. Ковшов, Н.А. Вострецов и др. / НПП «Прогресс». - Донецк, 1993. - 44 с.
4. Технологические схемы поэтапного поддержания капитальных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений. РД 12.18.096-90 // К.В. Кошелев, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков и др. / Донецк-Харьков, 1991. - 80 с.
— Коротко об авторах —
Касьян Н.Н. - доктор технических наук, Новиков А.О. - кандидат технических наук, Петренко Ю.А. - кандидат технических наук Овчаренко Н.А. - инженер,
ДонНТУ, Донецк, Украина.
