Введение к работе
Актуальность работы. Проблема своевременного воспроизводства очистного фронта постоянно существовала на большинстве угольных шахт России. Наиболее остро эта проблема обозначилась в настоящее время в связи с реструктуризацией угольной отрасли, наличием высокопроизводительных очистных забоев с высокими темпами подвигания, суточная добыча из которых уже достигает 10-25 тыс. т.
Обеспечить необходимые темпы проведения горных выработок для воспроизводства очистного фронта возможно при применении высокопроизводительных проходческих комбайнов и прогрессивной технологии анкерного крепления подготовительных выработок и сопряжений их с очистным забоем, монтажных и де-монтажных камер.
Наиболее слабым звеном в решении вопросов по повышению эффективности анкерного крепления являются изменяющиеся горно-геологические и горнотехнические условия и недостаточная изученность проявления геомеханических процессов в окрестностях горных выработок. Нагрузка на анкерную крепь определяется не только горно-геологическими и горнотехническими факторами, но и временем, прошедшим с момента обнажения пород.
По этой причине дальнейшие исследования должны быть направлены на вы
явление механизма нагружения на анкерную крепь с учетом напряженно-
деформированного состояния краевой части горных выработок и временного
фактора.
Поэтому геотехнологическое обоснование параметров анкерного крепления горных выработок и разработка новых канатных и армополимерных анкеров с высокой несущей способностью и податливостью, обеспечивающих эффективное и безопасное поддержание горных выработок, является весьма актуальной и своевременной научной задачей.
Целью работы является геотехнологическое обоснование параметров анкерного крепления горных выработок в различных горнотехнических условиях на базе установленных зависимостей изменения напряженно-деформированного состояния приконтурного породного массива от влияющих факторов, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности горных работ.
Идея работы заключается в системном подходе к геотехнологическому обоснованию параметров различных видов анкерной крепи с заданными деформационно-прочностными характеристиками на основе разработки элементов высокой податливости анкеров и определения рациональных условий их применения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Наиболее перспективным решением, рассчитанным на применение в условиях высоких горизонтальных и вертикальных нагрузок, является применение канатных анкеров. Канатные анкера могут быть установлены выше границ свода давления, и в этом случае они будут работать в комбинированном режиме, сочетающем влияние заданных нагрузок и деформаций. Разработанный канатный анкер АК15 имеет среднюю прочность 232 кН и относительное удлинение крепи
при расчетной несущей способности не более 1,3 % и обеспечивает эффективное крепление горных выработок.
-
Применение разработанного высокоподатливого полимерного композиционного анкера АПК (П) позволяет повысить его несущую способность в 1,2-1,3 раза, что позволяет обеспечивать работоспособность анкерной крепи в зонах значительных деформаций горных пород.
-
Механическое действие взрыва на приконтурный породный массив проявляется не только в дроблении и разрушении горных пород в ближней зоне воздействия взрыва, но и характеризуется областью предразрушения, обусловленной развитием микронарушений на удаленных расстояниях от заряда ВВ. Зона пред-разрушения имеет распространение до 150-200 радиусов заряда ВВ в породах средней крепости и характеризуется значительным, в среднем в 1,5 раза, снижением прочности пород на расстоянии 2,5-3,0 м, что может привести к снижению эффективности крепления горных выработок сталеполимерной анкерной крепью без элементов податливости и при наличии слабых контактов (углистых и минеральных прослоев зеркал скольжения и субгоризонтальных тектонических трещин) в горном массиве.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлено влияние комплекса факторов на деформационно-силовые характеристики и несущую способность канатного и армополимерного податливого анкеров, являющееся основой для определения рациональных параметров технологии анкерного крепления горных выработок;
выявлен механизм изменений напряженно-деформированного состояния приконтурного массива демонтажных камер, закрепленных сталеполимерными и канатными анкерами;
установлены закономерности проявлений горного давления в лаве при заводке механизированного комплекса в демонтажную камеру, закрепленную ста-леполимерными и канатными анкерами;
- установлены закономерности влияния взрывного эффекта на прочность
горных пород в приконтурной зоне горной выработки и качество их крепления
анкерной крепью.
Достоверность результатов исследований подтверждается применением апробированных экспериментальных методов; статистически обоснованным объемом стендовых испытаний канатных и армополимерных анкеров; высоким значением критериев достоверности и надежности установленных зависимостей с доверительной вероятностью 0,95; удовлетворительной сходимостью результатов стендовых и натурных экспериментов на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Практическая значимость работы состоит в:
повышении эффективности крепления горных выработок канатными и ар-мополимерными анкерами;
создании прогрессивных конструкций канатного и армополимерного анкеров, адаптированных к условиям эксплуатации в угольных шахтах;
рекомендациях по расширению области применения армополимерных анкеров.
Личный вклад автора. Постановка цели и задачи исследований; обоснование и выбор методики проведения лабораторных и шахтных исследований; участие в проведении и обобщении результатов лабораторных и шахтных исследований; сформулированы основные научные положения и выводы.
Реализация работы. Результаты работы используются при решении вопросов проведения и крепления горных выработок на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» (ш. «Котинская», ш. «Талдинская-Западная» и др.). Освоено серийное производство канатных анкеров АК-15 в ООО «Технология анкерного крепле-ния»(Кузбасс).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Геотехнологии освоения недр» Горного института НИТУ «МИСиС» (г. Москва, 2015-2016 гг.), на научных семинарах кафедры «Геотехнологий и строительства подземных сооружений» ТулГУ (г.Тула, 2016 гг.) на заседаниях научно-технического совета ОАО «СУЭК-Кузбасс» и Института угля СО РАН, г. Кемерово (2013-2015 гг.), на Неделе горняка Горного института НИТУ «МИСиС» (2016 г.), а также на IV и V Международной научно-практической конференции «Перспективы инновационного развития угольных регионов России» (2014-2016 г., г. Прокопьевск).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ – 5 работ, в 1 монографии и 5 патентах на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 24 таблицы, 41 рисунков, список литературы из 96 наименований и приложения.