CC BY
20
© A.B. Беликов, B.B. Беликов, 2008
УДК 622.281.74
А.В. Беликов, В.В. Беликов
ВЛИЯНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ НА СМЕЩЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ С РАЗЛИЧНЫМ КОЛИЧЕСТВОМ СЛАБЫХ КОНТАКТОВ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ВНЕ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
Изучено влияние сопротивления анкерной крепи на смешения пород кровли в зонах с различным количеством слабых контактов
В настоящее время отсутствуют сравнительные исследования смещений контура кровли в одной и той же выработке или в аналогичных условиях, но при различном сопротивлении анкерной крепи и крепи усиления. Тем более такие исследования не производились с учетом наличия или отсутствия в породах непосредственной кровли слабых контактов.
Исследования влияния сопротивления анкерной крепи и крепи усиления на смещения и состояние пород непосредственной кровли производили в конвейерном штреке №04 шахты «Дальняя» ОАО «Донской антрацит».
Конвейерный штрек № 04 протяженностью 2250 м, проходился буровзрывным способом по угольному пласту К2 встречными забоями (с востока и с запада). Глубина заложения от земной поверхности штрека №04 составляет 580-610 м, при среднем значении 600 м.
Пласт К2 в штреке №04 имеет мощность 1,20-1,40 м и залегает под углом 14-21°.
Непосредственная кровля пласта в обоих выработках представлена сред-нетрещиноватым (4-6 тр./м2) песчано-глинистым сланцем мощностью 1,4-1,8 м и прочностью на одноосное сжатие
40-60 МПа. Непосредственно у забоя штрека кровля относится к категории среднеустойчивых и устойчивых по классификации ВНИМИ. Учитывая достаточную устойчивость кровли штрека у забоя и возможность повреждения затяжки при ведении буровзрывных работ по крепким породам почвы, решетчатая затяжка между рядами анкеров не устанавливалась.
Примерно на 50 % протяженности штрека №04, песчано-глинистый сланец содержит многочисленные слабые контакты (зеркала скольжения, углистые и минеральные прослойки) в количестве от 4 до 14 штук, которые на расстоянии от 2 до 6 м от забоя расслаиваются. В результате резко увеличивается количество трещин расслоения, смещения кровли и рабочее сопротивление анкерной крепи. На таких участках штрека за время его эксплуатации отмечено шесть завалов вне зоны влияния очистных работ с высотой вывалов от 1,8 до 3 м, а также значительное количество зон с обрушениями пород кровли между рядами анкеров на высоту 0,4-1,2 м.
В таких зонах часто наблюдалось разрушение элементов анкерной крепи (разрыв стержней и отстрел гаек стале-полимерных анкеров, прорыв опорных пластин и подхватов толщиной 6 мм) и
крепи усиления (полом стоек или их интенсивная деформация, разрыв анкеров усиления по муфте и т.д.).
На остальной части штрека слабые контакты в кровле отсутствовали или их было мало (0-3 штуки). В таких зонах трещины расслоения отсутствовали, либо их число не превышало 1-3 штук. Расстояние от контура кровли до верхней трещины расслоения не превышало 0,7 м. В данных зонах смещения контура кровли, как правило, не превышали 50 мм, а обрушения пород кровли, завалы выработки и случаи разрушения вне зоны влияния очистных работ анкерной крепи и крепи усиления практически отсутствовали.
Выше песчано-глинистого сланца залегает среднеустойчивый песчаный сланец мощностью 3-8 м и прочностью на одноосное сжатие 70 МПа, также содержащий отдельные слабые контакты.
Основная кровля выработки сложена средне- и труднообрушающимся песчаником мощностью 8-12 м и прочностью 100-120 МПа. Почва пласта представлена непучащими песчаниками мощностью 6-10 м и прочностью на одноосное сжатие 120-140 МПа.
Форма поперечного сечения выработки - трапециевидная с наклонной кровлей и вертикальными боками. Проектные размеры выработки вчерне составляют: ширина - 4,7 м; высота по верхнему боку - 3,7 м. Фактические размеры поперечного сечения выработки вчерне составляют: ширина -4,9-5,9 м (в среднем 5,4 м); высота по верхнему боку - 2,8-3,6 м. Из-за достаточной устойчивости боковых и угля бока штрека не крепились, за исключением установки одного анкера с верхней стороны штрека для поддержания на сопряжении с лавой породного козырька верхней подрывки.
Из-за частых завалов и обрушений пород кровли и несоответствия параметров анкерной крепи и крепи усиле-
ния, имеющимся горно-геологическим условиям в конвейерном штреке №04 были испытаны различные варианты крепления его кровли, приведенные в табл. 1 и 2.
При этом по длине штрека №04, были заложены замерные станции, на которых определялись:
- количество слабых контактов и трещин расслоения;
- смещения пород кровли по оси выработки, мм;
- натяжение отдельных анкеров и среднее расчетное сопротивление анкерной крепи и крепи усиления на 1 м2 кровли, кПа;
- наличие разрушений элементов анкеров;
- деформации и разрушение стоек усиливающей крепи;
- количество трещин расслоения и высота обрушений кровли.
Параметры основной анкерной крепи и крепи усиления, смещения пород кровли, суммарное расчетное сопротивление крепи и состояние пород кровли и анкерной крепи в конвейерном штреке №04 шахты «Дальняя» вне зоны влияния очистных работ при отсутствии или малом количестве в кровле слабых контактов (0-3 контакта) приведены в табл. 1, а при наличии большого количества слабых контактов (414 контактов) в табл. 2.
Анализ данных табл. 1 показывает, что на участках штрека №04 с малым количеством слабых контактов и трещин расслоения в кровле и при увеличении расчетного сопротивления (Р) анкерной крепи и крепи усиления от 56 до 332 кПа (или в 5,93 раза) фактические смещения пород кровли (Н) уменьшились с 59 до 18 мм (в 3,28 раза). Однако по абсолютной величине смещения контура кровли по оси выработки снизились незначительно (на 41 мм).
На указанных участках штрека фактическое среднее рабочее сопротивление анкерной крепи на расстоянии бо-
лее 30 м от забоя варьировало от 40 до 82 кПа, а максимальное натяжение отдельных анкеров изменялось от 63 до 162 кН.
Следует отметить, что в этих условиях при увеличении расчетного сопротивления анкерной крепи от 56 до 144 кПа
2 Таблица 1
Параметры анкерной крепи н крепи усиления, смешения пород кровли, суммарное расчетное сопротивление крепи н состояние пород кровли в конвейерном штреке №04 шахты «Дальняя» с малым количеством в кровле слабых контактов и вне зоны влияния очистных работ
№№ варианта крепления штрека Основная анкерная крепь и крепь усиления Длина ан-керо в, м Плотность установки анкеров (штук/м2) или стоек (штук/м) Суммарное сопротивление анкерной крепи и крепи усиления, на 1 м2 кровли, кПа Смешения пород кровли, мм Состояние пород кровли и анкерной крепи
1 2 3 4 5 6 7
1 Анкеры АСП из Ст. I с гайкой М20 1,8 0,926 56 59 Удовлетворительное, мелкие вывалы до 0,05 м, отстрел до 10% гаек анкеров
2 Анкеры АСП из Ст. Ш с гайкой М20 2,0 0,926 102 49 Удовлетворительное, редкие мелкие вывалы, отстрел до 2% гаек анкеров
3 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М22 2,0 0,900 108 38 То же
4 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М22 и два анкера АСГ2 длиной 3,2 м 2,0 0,909 и 0,403 144 25 Хорошее, редкие заколы
5 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М20 2,0 1,200 156 23 Тоже
6 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М24 2,0 1,282 192 22 То же
7 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М24 и стойка трения из СВП27 с ЗПК 2,2 1,282 235 19 То же
8 Анкеры АСГ1 из Ст.У с гайкой М24 2,2 1,235 284 18 То же
9 Анкеры АСГ1 из Ст.У с гайкой М24 и два анкера АСГ2 длиной 3,2 м 2,0 1,282 332 18 То же
Таблица 2
Параметры анкерной крепи н крепи усиления, смешения пород кровли, суммарное расчетное сопротивление крепи и состояние пород кровли в конвейерном штреке №04 шахты «Дальняя» при наличии в кровле большого количества слабых контактов и вне зоны влияния очистных работ
№№ варианта крепления Основная анкерная крепь и крепь усиления Длина ан-керо в, м Плотность установки анкеров (штук/м2) Суммарное сопротивление анкерной крепи и крепи усиления, Р, кПа Смешения пород кровли, Н, мм Состояние пород кровли и крепи
1 2 3 4 5 6 7
1 Анкеры АСП из Ст. I с гайкой М20 1,8 1,000 70 586 Завал выработки, полное разрушение анкеров
2 Анкеры АСП из Ст. Ш с гайкой М20 2,0 0,926 102 543 То же
3 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М20 2,2 1,200 156 457 Завал выработки, разрушение 50% анкеров
4 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М22 и два анкера АСГ2 длиной 3,2 м 2,0 0,909 и 0,403 167 436 Завал выработки, разрушение 40% анкеров
5 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М24 2,2 1,282 192 389 Обрушения кровли на высоту 0,91,2 м, разрушение 15% анкеров
6 Анкеры АСГ1 из Ст. Ш с гайкой М24 и стойка трения изСВП27 с ЗПК 2,2 1,282 235 260 Обрушения кровли между анкерами на 0,2-0,3 м, разрушений крепи нет
7 Анкеры АСР1 из Ст. V с гайкой М24 2,4 1,200 276 140 Удовлетворительное, мелкие вывалы до 0,05 м, разрушений анкеров нет
8 Анкеры АСР1 из Ст. V с гайкой М24 2,4 1,282 295 116 То же
9 Анкеры АСР1 из Ст. V с гайкой М24 и два анкера АСГ2 длиной 3,2 м 2,4 1,282 340 106 То же
10 Анкеры АСР1 из Ст. V с гайкой М24 две стойки трения из СВП27 2,4 1,282 377 97 То же
с ЗПК
з -1-
43
фактические смещения пород кровли уменьшились с 59 до 25 мм (или в 2,36 раза), а состояние кровли было удовлетворительным, с мелкими вывалами и заколами. Отмечались редкими случаями отстрела гаек анкеров с резьбовой частью под гайку М20.
При расчетном сопротивлении анкерной крепи от 144 до 332 кПа смещения пород кровли практически не изменились (от 25 до 18 мм), а состояние пород кровли характеризовалось во всех случаях как хорошее с редкими заколами от взрывных работ. Случаи разрушения элементов анкерной крепи при её расчетном сопротивлении свыше 140 кПа и прочности анкеров на разрыв более 230 кН полностью отсутствовали.
Расчетный коэффициент линейной корреляции Ирасч между смещениями контура кровли по оси выработки (Н) и расчетным сопротивлением крепи (Р) в зонах с малым количеством слабых контактов равен 0,832.
Так как, Ирасч = 0,832 >Икрит = 0,798 при уровне значимости 0,01 и числе степеней свободы 7, следовательно, гипотеза о значимой линейной связи между указанными показателями не может быть отвергнута. Индекс детерминации И2расч = 0,693 подтверждает этот вывод, указывая, что 69,3 % изменчивости Н обусловлено Р, и только 30,7 % другими неизвестными факторами.
Между Н и Р в зонах с малым количеством слабых контактов имеется регрессионная зависимость вида Н = 54,854 - 0,1384 Р, мм.
Данная зависимость верна в пределах 56 < Р < 332 кПа. Используя её можно со стандартной ошибкой не более 8,9 мм определять по величине Р ожидаемые смещения контура кровли Н по оси конвейерного штрека №04.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что при малом количестве расслоившихся сла-
бых контактов (0-3 штуки) вне зоны влияния очистных работ при глубинах разработки 600 и более м достаточно с точки зрения обеспечения хорошего состояния пород кровли иметь расчетное сопротивление анкерной крепи в выработках шириной 4,9-5,9 м от 140 до 200 кПа, а длину анкеров в пределах до 2 м. Прочность анкеров на разрыв должна составлять в указанных зонах не менее 230 кН.
Дальнейшее увеличение длины, прочности на разрыв элементов анкерной крепи, плотности установки анкеров и среднего расчетного сопротивления анкерной крепи в таких условиях технически и экономически не целесообразно, так как не приводит к заметному уменьшению смещений пород кровли и улучшению состояния пород кровли и анкерной крепи, а только снижает темпы проведения выработок. В зоне влияния очистных работ анкерная крепь с указанными выше параметрами должна усиливаться путем применения стоечной крепи усиления с необходимыми параметрами.
Из данных, приведенных в табл. 2, следует, что при большом количестве слабых контактов и трещин расслоения в кровле (от 6 до 14 штук) на различных участках конвейерного штрека №04 при примерно одинаковом расчетном сопротивлении анкерной крепи, смещения пород кровли выше в 8-10 раз по сравнению с участками данного штрека, где в кровле имелось малое количество слабых контактов.
При увеличении расчетного сопротивления анкерной крепи и крепи усиления вне зоны влияния очистных работ от 70 до 377 кПа (или в 5,39 раза) фактические смещения пород кровли уменьшились с 586 до 97 мм (в 6,04 раза). Фактическое среднее рабочее сопротивление анкерной крепи в данном случае на различных участках штрека №04 на расстоянии более 30 м
от забоя варьировало от 109 до 200 кПа, а максимальное натяжение отдельных высокопрочных анкеров достигало 260 кН.
Следует отметить, что в этих условиях при увеличении расчетного сопротивления анкерной крепи от 70 до 276 кПа фактические смещения пород кровли уменьшились с 586 до 140 мм (или в 4,19 раза). Состояние пород кровли и анкерной крепи при расчетном сопротивлении анкерной крепи менее 240 кПа было неудовлетворительным с наличием завалов и обрушений пород кровли, разрушения анкеров, отстрела гаек, прорывов опорных пластин и подхватов.
При изменении расчетного сопротивления анкерной крепи от 276 до 377 кПа (1,37 раза) смещения пород кровли уменьшились со 140 до 97 мм (в 1,44 раза), а состояние пород кровли характеризовалось во всех случаях как удовлетворительное с мелкими вывалами высотой 0,05 м. Случаи разрушения элементов анкерной крепи при её расчетном сопротивлении свыше 276 кПа и прочности анкеров на разрыв более 330 кН полностью отсутствовали.
Расчетный коэффициент линейной корреляции Ирасч между смещениями контура кровли по оси выработки (Н) и расчетным сопротивлением крепи (Р) в зонах с большим количеством слабых контактов равен 0,975.
Так как, Ирасч = 0,975 >Икрит = 0,735 при уровне значимости 0,01 и числе степеней свободы 8, следовательно, гипотеза о значимой линейной связи между указанными показателями не может быть отвергнута. Индекс детерминации И2расч = 0,950 подтверждает этот вывод, указывая, что 95,5% изменчиво-
сти Н обусловлено Р, и только 4,5% другими неизвестными факторами.
Между Н и Р в зонах с большим количеством слабых контактов имеется регрессионная зависимость вида Н = 720,669 - 1,845 Р, мм.
Данная зависимость верна в пределах 70 < Р < 377 кПа. Используя её можно со стандартной ошибкой не более 45,6 мм определять по величине Р смещения контура кровли Н по оси конвейерного штрека №04 в зонах с большим количеством слабых контактов.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что при большом количестве расслоившихся слабых контактов (6-17 штук) вне зоны влияния очистных работ при глубинах разработки 600 и более м достаточно с точки зрения обеспечения удовлетворительного состояния пород кровли иметь расчетное сопротивление анкерной крепи в выработках шириной 4,95,9 м от 240 до 300 кПа, а длину анкеров в пределах до 2,4 м. Прочность анкеров на разрыв должна составлять в указанных зонах не менее 330 кН.
Дальнейшее увеличение длины, прочности на разрыв элементов анкерной крепи, плотности установки анкеров и среднего расчетного сопротивления анкерной крепи в таких условиях не целесообразно, так как не приводит к существенному уменьшению смещений пород кровли и улучшению состояния пород кровли и анкерной крепи, но снижает темпы проведения выработок. В зоне влияния очистных работ анкерная крепь с указанными выше параметрами должна усиливаться путем применения стоечной крепи усиления с необходимыми параметрами.
|— Коротко об авторах -
Беликов A.B. - мл. научный сотрудник,
Беликов B.B. - кандидат технических наук, зам. ген. директора по науке, ШахтНИУИ.
Рецензент канд. техн. наук Ошеров Борис Аронович.
