CC BY
49
© А.В. Быков, 2005
УДК 622.281.4:693.546.3 А.В. Быков
ВНЕДРЕНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ОСНОВНОЙ ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТЕМПОВ СООРУЖЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Семинар № 14
'П настоящее время в Украине объемы
-Ш-З прохождения и крепления капитальных горных выработок резко сократились, более чем в три раза упали темпы, закладка новых шахт и их строительство не ведется в связи с отсутствием средств на эти цели.
Однако все понимают, что это явление временное. Наметилась положительная тенденция в деле финансирования горнокапитальных работ в угольной промышленности уже при формировании бюджета на 2004 год, хотя до ранее утвержденной программы «Украинский уголь» эти цифры явно не дотягивают. Поэтому важно как никогда изыскание и внедрение ресурсосберегающих технологий при проходке и креплении капитальных горных выработок. На наш взгляд необходимо в первую очередь использовать то хорошее и полезное, что наработано наукой и опробовано на практике в предыдущиегреуи)- очередь контурное взрывание, набрызгбетонные крепи , анкерные и в комбинации и крепи регулируемого сопротивления, которые позволяют наиболее рационально использовать имеющиеся ресурсы.
В докладе обобщены результаты работы более чем за 20 лет, начиная с 1965 года по созданию ресурсосберегающих технологий, накоплен большой фактический материал натурных исследований, который требует дальнейшего анализа, осмысления и внедрения в производство.
В отечественной и зарубежной практике буровзрывной способ проведения выработок продолжает широко применяться.
Отечественный и зарубежный опыт строительства горизонтальных и наклонных выработок за последние 25-30 лет показал, что общая производительность труда при строительстве выработок возросла незначительно: с 0,7-0,8
м3/чел.-смену готовой выработки до 1,1-1.3 м3/чел.-смену. Крепление горных выработок является сложным и трудоемким процессом в цикле горнопроходческих работ. Трудозатраты на крепление составляют 30-50 % трудозатрат, на строительство выработок с помощью буровзрывных работ.
С увеличением глубины горных работ за последние 10-15 лет давление на крепь повысилось в 2 раза, стоимость крепления возросла в 2,3 раза, трудоемкость - в 3,7 раза, расход металла - в 2 раза. В связи с этим в Донбассе, Кузбассе и других бассейнах СНГ все большее распространение
Получают способы крепления выработок набрызгбетоном, что является одним из эффективных способов уменьшения трудоемкости и стоимости крепления выработок повышение устойчивости массива вмещающих пород путем его разгрузки.
Для решения вопроса о значительном снижении переборов пород и чрезмерного их разрушения, начиная с 1965 г. исследовалось образование трещин в массиве при взрывных работах.
Пробуренные в стенках выработки скважины позволили обнаружить в массиве трещины ранее неизвестного вида - параллельные или почти параллельные стенкам выработок. Глубина их расположения, считая от линии окон-туривающих шпуров, достигала 40-50 см, а иногда и более 1 м, то есть в 3-4 раза превышала глубину проникновения в массив радиальных трещин.
Так при проходке полевого бремсберга на шахте «Игнатьевская» было пробурено в кровле, почве и главным образом, в стенках 108 скважин. Они позволили хорошо изучить новый вид трещин и убедиться. Что чем они ближе к контуру выработки, тем гуще, чем в глу-
бине массива. У поверхности выработки трещины располагаются свитами на расстоянии 24 мм одна от другой.
По мере удаления от поверхности выработки вглубь массива количество трещин постепенно уменьшается, а расстояние между ними увеличивается, и далее наблюдается лишь одиночные трещины, параллельные или почти параллельные стенкам выработки.
Глубина зоны трещинообразования существенно зависит как от характера и крепости пород, так и вида ВВ.
В результате проведенных исследований возникло и укрепилось мнение о необходимости проходить выработки проектным сечением с наименьшими нарушениями окружающих выработку пород, то есть методом щадящего контурного взрывания. Целесообразность разработки этого метода с точки зрения повышения устойчивости выработки не вызывала сомнений.
Все методы контурного взрывания, применявшиеся во время выполнения описанных работ и применяемые в настоящее время в подземных выработках. Можно разделить на две группы: первая - контурное взрывание с последующим оконтуриванием и вторая - контурное взрывание с предварительным оконту-риванием выработки (образованием щели по контуру выработки).
В шахтах, опасных по газу и пыли, контурное взрывание впервые начали применять в 1965 г. по методу. Разработанному под руководством П.Я. Таранова и Е.М. Гарцуева. Это метод контурного щадящего взрывания с последующим оконтуриванием путем взрывания в оконтуривающих шпурах зарядов мощных ВВ малого диаметра или зарядов маломощных ВВ, как малого диаметра, так и серийных.
Результаты этих экспериментов показали, что наименьшая глубина трещинообразования получается при взрывании патронов аммонита ПЖВ-20 диаметром 25-26 мм в шпурах нормального диаметра (40-42 мм). Более гладкой получается и поверхность выработки.
Глубина трещинообразования при контурном взрывании в слабых сланцах уменьшилась в 2,5 раза. В песчаниках - в 8 раз (рис. 2). Де-тонит 10А в патронах диаметром 26 мм дал лучшие результаты.
Промышленные эксперименты. Проведенные на шахте №5 им. В.И. Ленина в породах различной крепости. Позволили разработать метод расчета параметров БВР при контурном
взрывании для пород с коэффициентом крепости 3-12 при ВВ различной работоспособности и бризантности.
Исследования, проведенные на шахте им. Абакумова при проходке штрека сечением вчерне 9.7 м комбайном ПК-3 в слабо плотных трещиноватых аргиллитах с коэффициентом крепости 3,2-3,4 при осмотре их стенок прибором РПВ-451 показали полное отсутствие техногенных трещин.
По-видимому, впервые в угольной промышленности, одновременно с внедрением контурного взрывания как естественного развития прогрессивного способа проходки в 1965 г. на шахте Карла Маркса для крепления выработки был применен набрызгбетон, так как стенки и кровля выработки были менее нарушены. Результаты внедрения контурного взрывания прямо привели шахтостроителей к идее крепить такие выработки более дешевой крепью - набрызгбетоном, анкерами или комбинированной (анкера и набрызгбетон). Кроме всего прочего эти крепи обеспечивают более высокую производительность труда проходчиков.
Благодаря этим экспериментам и полученным положительным результатам трест «Гор-ловскуглестрой» начал более широко применять крепление выработок набрызгбетоном. Анализ результатов инструментальных наблюдений показал, что в первой стадии существования выработки интенсивно формируется область неупругих деформаций, и ее образование в основном заканчивается в течение двух месяцев. Дальнейшие смещения поверхности выработки происходят за счет деформации ползучести.
В результате натурных исследований установлено, что при использовании набрызгбе-тонного покрытия представляется возможным облегчить конструкцию крепи, в соответствии с коэффициентом эффективности, за счет уменьшения ее параметров (по сравнению с традиционными конструкциями): необходимой несущей способности на 10-30 % и податливости на 17-25 % было введено понятие: «Критическое смещение пород»- смещения (опускание) пород кровли выработки, при которых наблюдались нарушения набрызгбетона.
Уже в конце 90-х годов было посчитано, что 70% набрызг-бетона в мире наносилось с помощью «мокрого» набрызга.
Достоинства «мокрого способа»:
- возможность точной дозировки, прежде всего воды и добавок, что позволяет получать расчетные и, соответственно, более высокие характеристики бетона.
- Меньшая зависимость от профессионализма оператора, регулирующего на месте ряд параметров, в частности, водоцементное соотношение.
- Меньший отскок смеси при ее нанесении и ниже пылеобразование.
- Возможность использовать фибры, что позволяет отказаться от стальных армирующих сеток, при этом сохранив или даже улучшив показатели обделки.
- Лучшие санитарно-гигиенические условия при выполнении работ.
Основной недостаток такой технологии -необходимость в более дорогостоящем оборудовании. Набрызг бетонные крепи целесообразно применять в сочетании со специальными добавками, такими как ускорители схватывания (самая распространенная добавка силикат натрия или жидкое стекло), микрокремнезем, улучшающий сцепление и позволяющий наносить слои большей толщины, снижающей расход цемента с сохранением той же прочности, пластификаторы, позволяющие увеличить прочность за счет снижения водоцементного фактора.
Производство опытных работ
При использовании технологии «мокрого» набрызгбетонирования снижается доля ручного труда, значительно возрастает производительность, снижается отскок.
Идея усиления набрызг-бетонной крепи (табл. 4) и определения условий применения крепи по величине критических (для данной конструкции) смещений пород кровли выработки получила дальнейшее развитие в совместных с кафедрой СПС Московского горного института (теперь - государственный горный университет) исследованиях.
Крепь регулируемого сопротивления
В общем случае крепь регулируемого сопротивления представляет собой совокупность вариантов сочетаний отдельных конструкций крепи, устанавливаемых по длине выработки с рациональными для различных ее участков параметрами, определяемыми на основании непрерывного контроля смещений поверхности (кровли).
Первая задача исследования - прогноз ожидаемых смещений пород.
Расхождение величин смещений контура сечения выработок, рассчитанных по эмпирическим формулам с фактическими, замеренными в натуре, не превышало 25 %, что свидетельствует об их пригодности для практических расчетов.
Далее, на стадии проектирования по расчетным минимальным смещениям контура сечения выработки выбирается базовая крепь регулируемого сопротивления, а по максимальным значениям - варианты усиления крепи и определяются их параметры.
На последнем этапе проектирования производится определение величины сигнальных смещений для базовой крепи. Сигнальные смещения - это максимально допустимые смещения породного контура, при которых базовая крепь еще обеспечивает устойчивое состояние выработки.
Серийный датчик имеет ряд недостатков, поэтому была предложена новая конструкция измерительного устройства.
В 1984 году было начато опытнопромышленное внедрение крепи регулируемого сопротивления на шахте «Комсомолец Донбасса-2 в наклонном и конвейерном квершлагах комплекса перегрузки угля. Всего было испытано и внедрено 6 вариантов крепи. Большей частью в качестве базовой была принята на-брызгбетонная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами.
Установлено, что набрызгбетонная крепь горизонтальных капитальных выработок обеспечивает экономию ресурсов за счет:
- значительного уменьшения толщины слоя крепи из набрызгбетона, чем при обычно применяемой монолитной бетонной или железобетонной крепи.
- Меньшей трудоемкости нанесения
набрызгбетонной крепи на стенки выработок из сопла трубопровода по сравнению с укладкой за опалубку монолитного бетона или железобетона.
- Экономии энергии из-за отсутствия
необходимости вибрирования набрызгбетона вибраторами.
- Повышения устойчивости выработки
из-за лучшего проникновения цементного молока в зону трещинообразования в массиве вмещающих пород, а также из-за формирования требуемой толщины слоя набрызгбетона с помощью энергии.
При одинаковом сечении выработки в
свету приходится меньше вынимать породы
вчерне из-за меньшей толщины слоя набрыз- монолитного бетона или железобетона. гбетона по сравнению с толщиной крепи из
Анализ эффективности показательных проходок, осуществленных Горловскуглестрой с использованием ресурсосберегающих технологий.
Ї * 1|| ш Ї г 0 -Ч І і И » И щ к ¡1 ч ■ 9 4 і • IIі № ІІ О 4 Достигнуты« темпы прохолки Срел тесту кие по Ні ІП “!!|і З'х I ■ Кр ш ї -51 хр Ии о * У А О г е ІІ кі По коэффициенту эффективно ста **■<*/> м*
» ї'Н г 4. В ъ р
Ш Ъ и»
смена меч: лч ны нал
№2 Им Джржж смого гор816 Восточная обеоявя Июи. 1964 Рекорд ПС Центрально- Донбассу 28 1180 45 801.0 30,8 198 7,8 17,0 0,68 4,06 13,8 0,54 1,26 53.2 55,4 0,96 5.34
N•2 Тоже Тоже Тоже Тоже 27 1370 51 1003.0 37,1 198 7,8 19,7 0.73 5,10 13,8 0,54 1,42 51,2 55,4 0,93 7,37
№2 Тоже Камера электровоз ного гаража Сен- тябрь 1964 Тоже 26 1560 60 1187.0 46,0 176 6,9 19,8 0.76 6,85 13,8 0,54 1,42 54,6 59,5 0,92 10,5
№3 Им Раевского гориюнт 840 м. Порожнюю вая ветвь ствола Май 1965 Респуйп жанскн й рекора 25 1800 72 1402.0 56,0 256 10,2 19,5 0.78 5,5 14,0 0,55 1,42 58,8 55,1 1,07 7,46
№3 Кондратъ еяка Новая, горюокт 620 м Камера Уваровой ного гаража Август 1965 Всесск» ный рекора 26 1534 59 1552.0 59,5 211 8,3 26,4 1.01 7,35 14,0 0,55 1,84 55,9 61,3 0,91 15,28
№3 Им. Р^мяшеаа. горюонт 730 м Камера пропвопо жаркого поезла Март 1966 Тоже 26 1432 55 1653.0 63,5 206 8,0 29.9 1,15 8,0 14,3 0,56 2,06 37.8 48,9 0,78 21,50
№3 Камера электровоон ого гаража с г^имыклю шими выра битками Сен- тябрь 1967 Тоже 26 1916 74 2110.2 81,0 235 9,2 28,51 1,09 8,95 15,8 0,61 1,09 51,4 59,3 0,87 18,92
№3 Камера огр< кшыаателя прммыклсши ми вьфабсг ками Иють 1968 Тоже 27 2035 77 2530.0 94,0 257 10,1 32,85 1,24 9,80 15,9 0,62 2,0 52,5 61,8 0,85 24,41
№3 №1-2 Краошй Октябрь, гориюнт 780м Томе Октябр ь 1970 Рекора МУП 31 2353 87 3704,0 119,0 300 11.8 42,6 1,57 12,4 17.4 0,68 2,31 52,19 53,0 0,96 29,2
№3 Шахта Кондратъ еаская- Новая Камера огфокиолате /Я С при-»влаюиоми выработкам Агрел ь 1972 Всесоко ный рекора 31 2980 96 4203.0 135,6 300 10,0 43,8 1,41 14,0 19,2 0,71 1,99 42,4 53 0,81 34,4
Крепь регулируемого сопротивления:
- основана на принципе ресурсосберегающей и безотходной технологии;
- предназначена для обеспечения устойчивого состояния капитальных горных выработок в различных по сложности горногеологических условиях шахт за счет регулирования (в сторону увеличения) несущей способности крепи в зависимости от изменения геомеханических ситуаций по длине выработки на основе непрерывного контроля за состоянием породного массива;
- позволяет повысить производитель-
ность труда проходчиков на 25-30 %, сэкономить на 1 м выработки 0,3-0,6 тонн и в отличие от аналогичных образков (включая иностранные), крепь регулируемого сопротивления позволяет строго дифференцировать несущую
способность крепи в соответствии с конкретными геомеханическими условиями сооружения выработок.
- «Суходольская Восточная» п. о.
«Краснодонуголь».
- «Комсомолец Донбасса» п.о. «Шах-
терскантрацит». Общий объем применения -3290 м. Полученный экономический эффект составляет 411,3 тыс. рублей.
- устройство набрызгбетонных крепей
высокомеханизированно и позволяет организовать скоростные проходки горизонтальных выработок в угольных шахтах;
1. Быков А.В. Применение контурного взрывания трестом Горловскуглестрой. Шахтное строительство 1969 №12 стр.19-21.
2. Быков А.В. Горловскуглестрой внедряет передовую технологию горнопроходческих работ. Шахтное строительство 1970, №3 стр. 26-27
3. Быков А.В. Организация и технология строительства горизонтов угольных шахт в Центральном районе Донбасса. Проектирование и строительство угольных предприятий.1970.№9-10,стр.8-11.
4. Быков А.В. Трест Горловскуглестрой совершенствует работы по подготовке новых горизонтов. Шахтное строительство.1971 №73 стр.18-19
5. Быков А.В. Совершенствование технологии проведения горных выработок с помощью буровзрывных работ. М. ЦНИЭИуголь.1972 6с.
6. Быков А.В. Анализ конструкций крепей и пути их совершенствования. Шахтное строительство 1981 г. №9 стр.7-10
7. Быков А.В. Крепь регулируемого сопротивления. Шахтное строительство 1982 №12, стр 11-12
8. Быков А.В. Ускорить внедрение крепей регулируемого сопротивления на шахтах Донбасса. Шахтное строительство.1986 г. №3 стр 3-6.
- контроль динамики смещений пород кровли при набрызгбетонной крепи позволяет сократить расход материалов за счет выявления участков выработки, только на которые и требуется установка крепи;
- инструментальные замеры и анализ смещений пород кровли позволяет научно управлять процессом устройства набрызгбе-тонной крепи в процессе проведения выработок на угольных шахтах.
На основании проведенных исследований определены параметры технологических схем проходки выработок, рекомендуемых для скоростного проведения выработок на угольных шахтах.
В прилагаемой таблице приведены в хронологическом порядке результаты наиболее показательных проходок, с использованием научных разработок по ресурсосберегающим технологиям сооружения капитальных горных выработок и их сравнительный анализ по общепринятой методике.
Применение контурного взрывания свело к минимуму переборы породы, обеспечило получение после взрывных работ гладкой поверхности выработки без существенного нарушения прилегающего к ее контуру породного массива, что особенно важно в наиболее слабых породах - глинистых и песчанистых сланцах.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
9. Быков А.В., Фесенко НА. Опыт применения крепей регулируемого сопротивления шахтостроительс\ным управлением №2 треста «Артемшахтострой» Обзорная информация ЦБНТИ Минуглепрома УССР, Донецк 1986 4 с.
10. Временное руководство по применению контурного взрывания при проведении горных выработок в угольных шахтах. П.Я. Таранов, Е.М. Гарцуев, А.Г. Гудзь, А.В. Быков и др. Донецк ДПИ 1969 с 23.
11. Временное руководство по проектированию крепи регулируемого сопротивления капитальных горных выработок на шахтах Донбасса. Картозия Б.А., Кор-чак А.В., Пшеничный В.А., Свирский Ю.И., Быков А.В., Цейтлин Г.Т. М. МГИ. 1987, 23с
12. Заславскаий Н.Ю., Быков А.В., Компанец В.Ф. На-брызгбетонная крепь.М. «Недра».1986. 198 с.
13. Контурное взрывание в угольных шахтах. Таранов П.Я., Гарцуев Е.М., Гуздб А.Г., Лавриненко В.В., Афендиков С.М., Быков А.В., Шлендарев В.В., Шмитко В.Г. Донецк. Изд. «Донбасс», 1972 г. 88с.
14. Контурное прочностное взрывание. Таранов П.Я., Гарцуев Е.М., Гуздь А.Г., Быков А.В., Шлендарев В.В., Стрельцов С.Д. Безопасность труда в промышлен-ности.1967 №3 стр.39-40.
15. Рекомендации по применению облегченных на-брызгбетонных крепей и технологии для возведения в условиях шахт Минуглепрома УССР. Казакевич Э.В., Жукова И.В., Быков А.В., Кривой Рог. 1985. 68с.
16. А.С.№935619 СССР. Устройство для нанесения бетонной смеси на стенки вертикальных горных выработок. Гарцуев Е.М., Гарцуев В.Е., Валуконис Г.Ю., Быков
А.В., СССР №2999593, Заявл.29.10.80. Опубл. 16.02.82
17. А.с. № 10955709 СССР. Способ повышения устойчивости горной выработки. Литвинский Г.Г., Бабиюк Г.В., Быков А.В., Абрамзон Е.М., СССР - №3542421. За-явл.19.01.83. опубл.01.02.84.
18. А.с. № 1239204 СССР. Устройство для нанесения покрытия из набрызг-бетона. Гарцуев Е.М., Гарцуев
В.Е., Валуконис Г.Ю., Быков А.В.,СССР -№ 3827057. Заявл. 17.12.84. Опубл 22.02.86
19. А.с. №1384772 СССР. Способ крепления горных выработок. Картозия Б.А., Пшеничгый В.А., Корчак А.В., Буков А.В., Цейтлин Г.М., Свирский Ю.И. СССР № 4068065. Заявл. 29.05.86. Опубл. 01.12.87.
20. Жуков В.Н., Магдиев Ш.Р. Современные технологии набрызгбетонных работ в подземном строительстве. Метро и тоннели. №4 2003.
Коротко об авторах
Быков Алексей Владимирович - кандидат технических наук, НТЦ «Шахтострой», Украина.
---------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. — 456 с.: ил.
ВВМ 5-7418-0312-1 (в пер.)
Проанализирован и обобщен мировой опыт в области изучения эффектов памяти в горных породах. Основное внимание уделено полученным в последние годы результатам исследований акустоэмиссионного эффекта памяти. Разработана трехмерная теоретическая модель эффекта на основе концепции трещинообразова-ния в горных породах при сжатии вследствие роста трещин растяжения, порождаемых начальными трещинами сдвига. С использованием численного моделирования установлены закономерности акустоэмиссионного эффекта памяти при трехосном неравнокомпонентном нагружении горных пород и воздействии помеховых факторов различной физической природы. С привлечением метода разрыва смещений проведены также теоретические исследования эффекта на базе модели, учитывающей взаимодействие трещин и неоднородное дискретное строение горных пород. Представлены результаты экспериментальных исследований акустоэмиссионного эффекта памяти с использованием различных схем и режимов нагружения, а также «бразильского метода».
Рассмотрены методические вопросы практического использования эффектов памяти для оценки напряженного состояния и структурных свойств горных пород.
Для научных и инженерно-технических работников, аспирантов и студентов вузов, специализирующихся в области геомеханики и геофизики.
УДК 622.02:539.2
