Обоснование и выбор параметров крепи горных выработок в сложных горно-геологических условиях угольного месторождения в районе дельты Красной реки (Вьетнам) До Куанг Туан

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса 10

1.1 Краткая характеристика горно – геологических условий разработки угольного месторождения в районе дельты Красной реки 10

1.2 Опыт крепления горных выработок в сложных 20

горно – геологических условиях 20

1.2.1 Монолитные бетонные и железобетонные крепи 21

1.2.2 Сборные железобетонные и бетонные крепи 22

1.2.3 Металлические крепи 25

1.2.4 Крепь из бетонных блоков и железобетонных тюбингов 26

1.2.5 Анкерная крепь 30

1.2.6 Набрызгбетон 31

1.2.7 Комбинированная крепь

1.3 Методы определения параметров анкерной крепи 37

1.4 Цель, задачи и методы исследования 47

ГЛАВА 2 Исследования влияния влажности, агрессивности среды и времени от обнажения кровли до установки анкерной крепи на устойчивость выработки 48

2.1 Исследования влияния влажности и агрессивности среды 48

на усилия закрепления сталеполимерных анкеров 48

2.1.1 Методика исследований 48

2.1.2 Результаты исследований усилий закрепления сталеполимерных анкеров 50

2.2 Исследования влиния времени с момента закрепления анкеров до их испытания на несущую способность 51

2.3 Исследование влиния времени от обнажения кровли до установки анкерной крепи на устойчивость выработки 52

2.3.1 Общие положения 52

2.3.2 Методика моделирования 53

2.3.3 Результаты моделирования 61

2.3.4 Исследование влияния увлажнения на прочность 68

вмещающих пород 68

Выводы по главе 2 70

ГЛАВА 3 Исследование характера и закономерности взаимодействия комбинированной анкеро – рамной крепи горных выработок с породным массивом 72

3.1 Методика моделирования 72

3.2 Результаты исследований взаимодействия крепи выработок с породным массивом 83

3.2.1 Результаты исследований в условиях малых глубин 83

3.2.2 Результаты исследования комбинированной крепи 86

на специальном кольцевом стенде в условиях больших глубин 86

Выводы по главе 3 91

ГЛАВА 4 Разработка технологии проведения и расчет крепления капитальных горных выработок 93

4.1 Разработка технологии проведения 93

4.2 Методика расчета параметров комбинированной крепи, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи 99

Выводы по главе 4 108

Заключение 109

Список литературы 111

• Крепь из бетонных блоков и железобетонных тюбингов
• Результаты исследований усилий закрепления сталеполимерных анкеров
• Результаты исследований взаимодействия крепи выработок с породным массивом
• Методика расчета параметров комбинированной крепи, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время добыча угля на большой глубине является важной задачей не только во Вьетнаме, но и во многих странах мира. В ближайшее время во Вьетнаме будет добываться уголь в дельте Красной реки на глубине 400 – 600 м. Запасы месторождения составляют около 250 миллиардов тонн. Для его разработки предполагается строительство современных шахт с объемом добычи 10 – 25 тыс.т/сут. и более. Условия месторождения Красной реки относится к сложным. Сложность условий определяется большой глубиной, обводненностью пород, слабой их прочностью. На данный момент времени капитальные горные выработки на угольных шахтах как в России, так и за рубежом проводят сечением 16 – 20 м² и более. При этом, следует иметь в виду, что с увеличением сечения горных выработок увеличивается интенсивность проявлений горного давления, а удельная несущая способность применяемых поддерживающих типов крепи, например, рамных металлических из СВП существенно падает. Так при изменении ширины выработки от 4 до 8 м величина проявлений горного давления увеличивается в 2,3 раза, а удельное сопротивление крепи уменьшается 1,64 раза. Попытка увеличить сопротивление крепи за счет изменения ее плотности, не дает необходимого эффекта. Следует отметить, что в последнее десятилетие на угольных шахтах России и за рубежом широкое распространение для крепления выработок большого сечения получила комбинированная крепь, состоящая из сочетаний анкерной сталеполимерной и рамной поддерживающей крепи.

Проблема крепления выработок большого сечения, в том числе в сложных горно – геологических условиях посвящены работы многих ученых. Существенный вклад в решения этой проблемы внесли: Ардашев К.А., Борисов А.А., Протосеня А.Г, Трушко В.Л., Зубов В.П., Долгий И.Е., Рева В.Н., Мельников О.И., Фисенко Г.П., Бажин Н.П., Райский В.В., Заславский Ю.З., Штумпф Г.Г., Калинин С.И. и др.

Трудами этих ученых созданы научные основы крепления выработок в различных горно – геологических условиях, в том числе и в слабых обводненных породах. Однако, в основном эти работы

относятся к креплению выработок поддерживающей крепью или анкерной крепью в относительно крепких (R_c > 30 МПа) породах. Крепление выработок анкерной и комбинированной анкерно-рамной крепью в условиях слабых обводненных пород изучено недостаточно, как показывает обзор технической литературы насчитываются единицы работ, посвященных данному вопросу. До сих пор практически отсутствуют отраслевые нормативные документы, регламентирующие эти работы.

Практика и проведенный обзор показали, что во многих случаях при установке комбинированной рамно-анкерной крепи ее сопротивление не равно сумме сопротивлений каждой из этих крепей. Оно во многом зависит от прочности пород, конструктивной податливости каждой крепи, времени и очередности ее установки. Кроме того, одним из основных осложняющих факторов при разработке месторождения Красной реки, является обводненность пород, при этом воды могут быть агрессивными. Однако, как показывает обзор, в технической литературе отсутствуют сведения о возможности использования в качестве закрепляющего материала полиэфирных смол в таких условиях. При креплении комбинированной анкеро–рамной крепью, очень важным является время установки анкерной и рамной крепи прошедшее от обнажения кровли до ее крепления, т.к. вследствие того, что смещения кровли развиваются практически сразу вслед за ее обнажением (особенно интенсивно в слабых породах) величины расслоения и смещения пород за этот период могут достичь таких значений, при которых установка анкерной крепи будет мало эффективна.

Диссертационная работа посвященная решению перечисленных вопросов имеет важное научное и практическое значение и поэтому является актуальной.

Проведенный анализ состояния изученности вопроса позволил сформулировать цель, идею и задачи исследований решаемых в данной работе.

Цель работы обоснование и выбор параметров крепи горных выработок в сложных горно–геологических условиях угольного месторождения в районе дельты Красной реки (Вьетнам).

Идея работы заключается в том, чтобы крепление горных

выработок, пройденных в слабых породах, осуществлялось комбинированной крепью, включающей комбинацию анкерной и подпорной рамной крепи, параметры и порядок установки, которых определяются на основе установленных закономерностей взаимодействия пород и крепи. Задачи исследований:

1. Исследовать влияние влажности пород и агрессивности среды на усилия закрепления сталеполимерных анкеров.

2. Исследовать эффективность работы анкерной крепи в зависимости от первоначальной величины смещений пород кровли в период проведения выработки.

3. Исследовать характер и закономерности взаимодействия комбинированной анкеро – рамной крепи горных выработок с породным массивом.

4. Разработать технологическую схему проведения и методику расчета комбинированной крепи капитальных горных выработок.

Методы исследований. В работе применялся комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных, фондовых и патентных источниках, моделирование с помощью эквивалентных материалов, лабораторные исследования образцов горных пород, статистическую и аналитическую обработку полученных результатов исследований.

Положения, выносимые на защиту:

5. Полиэфирные смолы, применяемые в качестве закрепляющего состава в сталеполимерных анкерах, обеспечивают высокий уровень сцепления с породами в условиях обводненной, агрессивной среды, что позволяет использовать сталеполимерные анкеры в этих условиях.

6. Устойчивое состояние пород кровли при проведении и поддержании капитальных выработок в условиях слабых обводненных пород и большой глубины достигается при применении комбинированной анкеро – рамной крепи, при опережающем сооружении выработки неполным сечением с последующим ее расширением.

3. Несущая способность комбинированной анкерно– рамной крепи обеспечивается суммарным сопротивлением анкерной и рамной крепи, а также эффектом упрочнения приконтурной зоны анкерами. Для обеспечения совместной работы элементов комбинированной крепи необходимо установку рамной крепи производить когда величина смещений заанкерованной кровли достигнет 0,3 – 0,65 от их предельных значений для анкерной крепи.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности взаимодействия
сталеполимерных анкеров с породным массивом в условиях его
водонасыщенности, которые заключаются в следующем:

– уменьшении до 50 % усилия схватывания полиэфирных смол с увлажненным породным массивом в зависимости от степени минерализации воды;

– неизменным во времени (в течение 5 лет) усилия закрепления анкерных стержней в породном массиве;

– зависимости эффективности работы анкерной крепи от величины первоначального смещения и расслоения пород кровли за период от ее обнажения до установки крепи;

– зависимости прочности пород на сжатие от их влажности, при изменении, которой от воздушно – сухого состояния до полного влагонасыщения прочность песчано–глинистых сланцев уменьшается до 50 %, а глинистых сланцев до 60 – 80 %.

2. Установлено, что при креплении выработок комбинированной анкеро–рамной крепью за счет эффекта упрочнения приконтурной зоны анкерами, величина смещений кровли на 35 – 40 % меньше, чем при креплении рамной крепью такого же сопротивления. Получен критерий «K», характеризующий эффективность применения различных типов крепи, равный отношению величины смещений кровли в закрепленной выработке к смещению кровли в выработке без крепи. Значение его у рамной крепи равно 0,7 – 0,45, у комбинированной 0,45 – 0,3 и у анкерной 0,55 – 0,4.

3. Установлена зависимость площади устойчивого обнажения кровли при проведении выработки от усредненной мощности ее слоев, на высоту равную ширине выработки и

средневзвешенной прочности пород, при этом величина смещений в выработке, в момент ее проведения, шириной 8,0 м в два раза больше, чем в выработке шириной 4,0 м.

Научное значение работы: обоснование закономерностей взаимодействия анкеро-полимерной крепи в условиях обводненных пород и агрессивной среды.

Обоснованность и достоверность научных положений

подтвержается представительным объемом испытаний в лабораторных условиях усилий закрепления, с помощью полиэфирных смол анкерных стержней в обводненном породном массиве, отработкой четырех моделей из эквивалентных материалов на плоском и круговом стендах с целью установления закономерностей взаимодействия комбинированных анкеро-рамных крепей с породным массивом. Удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований полученных автором и натурных исследований выполненных другими учеными.

Практическое значение работы заключается в:

обосновании и разработке перспективных технических решений при проведении и креплении выработок, расположенных на большой глубине в угольном бассейне Красной реки-Вьетнам;

обосновании возможности применения сталеполимерной анкерной крепи в условиях водонасыщенных пород;

разработке методики расчета параметров комбинированной анкеро-рамной крепи горных выработок для условий слабых обводненных пород.

Реализация работы. Результаты работы предназначены для использования при составлении проекта подготовки и отработки угольного месторождения в бассейне Красной реки, а также для составления паспортов крепления капитальных горных выработок на действующих угольных шахтах Вьетнама.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно - технической конференции, симпозиумах и заседаниях, в том числе на заседаниях в ООО «Центре Трансфера Технологий EMAG» (Катовице, Польша, 2014 г.); на 21 научно - технической конференции в Ханойском горно - геологическом университете (Ханой, Вьетнам 2014 г.); на 8

Российско – Германском сырьевой конференции, в Национальном минерально – сырьевом университете «Горный» (Санкт – Петербург, 2015 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методики исследований, в анализе экспериментальных данных и получении новых научных результатов, в разработке технологии проведения и методики расчета параметров комбинированной (анкерно – рамной) крепи для горных выработок в сложных горно – геологических условиях угольного месторождения в районе дельты Красной реки (Вьетнам).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатных работы, все – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из общей характеристики работы, четырех глав и заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 41 рисунка, список литературы из 87 наименований.

Крепь из бетонных блоков и железобетонных тюбингов

Монолитным бетоном крепят капитальные выработки, чаще всего сводчатой формы (коробовый свод и прямые стены). Толщину сводов при креплении выработок глубоких горизонтов принимают 20 – 40 см, в зависимости от пролета выработки и прочности пород. На глубоких горизонтах в монолитной бетонной крепи выполняют «пояса» податливости.

Основными недостатками монолитной бетонной крепи являются: слабое противодействие концентрированным неравномерным нагрузкам по периметру крепи, незначительное сопротивление растягивающим напряжениям, большая стоимость и трудоемкость работ, невозможность совмещения операций по проведению выработок и возведению крепи.

В настоящее время для механизации трудоемких процессов созданы высокопроизводительные бетоноукладчики различных конструкций, которые позволяют полностью механизировать процесс укладки бетона, что резко повышает производительность труда по возведению крепи.

Все технологические схемы крепления выработок бетоном различаются между собой в основном способом транспортирования смесей к месту их укладки и способом укладки [2]. В капитальных выработках, проведенных в неустойчивых породах с интенсивным проявлением горного давления, применяют монолитные железобетонные крепи. В качестве гибкой арматуры используют сталь периодического профиля диаметром от 8 до 25 мм, а в качестве жесткой арматуры – спецпрофиль, двутавровый профиль № 12 – 27 или рудничные рельсы. В особо тяжелых горно – геологических условиях, при большом боковом давлении и пучении почвы применяют криволинейную крепь замкнутой формы.

Монолитная железобетонная крепь обладает большой грузонесущей способностью (30 – 45)104 Н/м2 и хорошо сопротивляется растягивающим усилиям. Однако применение несовершенной технологии возведения монолитной крепи приводит к потере несущей способности. В этом случае увеличение грузонесущей способности крепи достигалось за счет большей насыщенности бетона арматурой.

Так, металлоемкость отдельных типов этой крепи на 1 м выработки доходила до 1670 кг. Монолитная железобетонная крепь является наиболее трудоемкой и дорогостоящей. Достаточно сказать, что трудоемкость возведения этой крепи составляет более половины общих затрат труда на содержание 1 м выработки. Институтом Донгипрошахт для крепления капитальных выработок в породах средней устойчивости рекомендуется железобетонная крепь КДЗ и КДА. Всего разработано девять типоразмеров крепи КДЗ (с обратным сводом) и КДА (без обратного свода) площадью сечения в свету от 5,8 до 18,1 м2 с шириной на уровне подвижного состава от 2380 до 5630 мм.

Крепь изготавливается из двутаврового профиля № 20 – 27 и заполняется бетоном марки 150 толщиной 250 мм. Бетонные работы производятся на расстоянии 30 – 40 м от забоя выработки, что создает нормальные условия для твердения бетона крепи за зоной интенсивных смещений пород.

Опыт крепления и поддержания капитальных выработок глубоких шахт показывает, что монолитные бетонные и металлобетонные крепи не деформируются только в выработках, заложенных в породах с пределом прочности на одноосное сжатие более 600105 Н/м2, т.е. в тех условиях, когда вместо указанных типов могут успешно применяться менее материалоемкие конструкции. Попытки усилить жесткую металлобетонную крепь за счет увеличения плотности установки двутавровых арок (до трех рам на 1 м) для обеспечения устойчивости выработок, проведенных в слабых породах, не дали положительных результатов. Все это свидетельствует о том, что монолитный бетон и железобетон не являются эффективными типами крепи для капитальных выработок глубоких шахт.

На протяжении 20 лет различными конструкторскими и проектными организациями разработано более 50 типов сборных железобетонных крепей [3]. Многие из них еще находятся в стадии проектирования или опытно – промышленной проверки. Крепи из сборного железобетона можно возводить непосредственно у забоя выработки, поэтому они не требуют установки временной крепи. Сборные железобетонные крепи сразу же способны воспринимать горное давление. Конструкции крепей взрывостойкие. В них несложно ввести податливые элементы, обеспечивающие работу крепи в заданном режиме.

Наибольшее распространение получили сборные железобетонные крепи конструкции ИГД им. А.А. Скочинского [4] и, в частности, шарнирно – блочная крепь. Эта крепь имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами крепи: шарнирность конструкции, небольшую массу блочных элементов, простую технологию изготовления.

Сборная железобетонная крепь по конструкции делится на рамную, арочную и кольцевую, состоящую из отдельных рам, арок и колец с затяжками или без них, крупноблочную – из крупных железобетонных блоков.

В настоящее время трапециевидной рамной крепью из трубчатых железобетонных стоек и металлического верхняка закреплено в Р.Ф. около 4000 км выработок [5]. Крепь из жестких железобетонных стоек конструкции проф. Михайлова В.В.и шарнирно-подвесного верхняка конструкции ДонУГИ рекомендуется для крепления горных выработок вне зоны влияния очистных работ в условиях пологого залегания пород с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 4 – 9. Шарнирное соединение верхняков и стоек обеспечивает независимую работу последних и исключает их деформацию при неравномерном опускании кровли по ширине выработки. Крепь рассчитана для выработок площадью сечения в свету от 4,7 до 9,8 м2. В зависимости от ширины пролета для верхняков применяют двутавровые балки № 12, 14, 16, 18 и 22. Несущая способность такой крепи не превышает (10 – 15)104 Н на раму.

Результаты исследований усилий закрепления сталеполимерных анкеров

Как известно (см. главу 1) породы месторождения Красной реки относятся к обводнённым, поэтому для обоснования возможности применения сталеполимерных анкеров для крепления кровли выработок, необходимо, было установить, как влияет обводненость на изменение прочности вмещающих пород и на усилие закрепления таких анкеров. Кроме того, анализ гидрогеологических данных показывает что воды, контактирующие с породами и крепью, как правило, содержат большое количество различных примесей, влияющих на скрепляющую способность полиэфирных смол.

У сталеполимерных анкеров закрепление стального стержня в шпуре осуществляется с помошью полиэфирных смол помещенных в специальную ампулу. В настоящее время на рудниках и шахтах РФ применяются полимерные ампулы типа АП – 1, АП – 2, АСП и т.п. Полимерные ампулы представляют собой 2–х камерную цил`индрическую трубку из полимерной пленки герметично зажатую металлическими клипсами с обоих концов. Компоненты расположенны в 2–х отдельных камерах, в 1–й – смесь ненасыщенной полиэфирной смолы с наполнителем (карбонат кальция), во 2–й камере находится отвердитель – смесь перекиси бензола с каолином и водным раствором этиленгликоля. Смешение компонентов, находящихся в 1–й камере с отвердителем (2–я камера) приводит к отвержению всей композиции в прочный монолит.

При исследовании усилия закрепления анкеров применялись реальные ампулы типа АП – 1 изготовляемые ЗАО «Карботех». В качестве стального стержня применялись арматурные стержни диаметром 20 мм и длиной 40 см. Для имитации породного массива использовались бетонные блоки цилиндрической формы диаметром 100 мм, изготовленные путем заливки песчано – цементной смеси в специально подготовленные пресс – формы, которые представляли собой полый металлический цилиндр с основанием, разрезанный на две части по диаметру. Части с помощью болтов и гаек соединялись между собой. После заполнения пресс – формы и схватывания бетонной смеси болты откручивались и бетонный цилиндр вынимался из пресс – формы. Для удобства извлечения бетонного цилиндра из пресс – формы перед заливкой песчано – цементной смеси пресс – форма изнутри смазывалась солидолом.

После набора бетонным цилиндром необходимой прочности в нем по центру просверливали сквозное отверстия диаметром 25 мм. Снизу отверстие плотно закрывалось деревянной пробкой, для предотвращения вытекания из него испытуемой смеси.

Подготовка бетонного блока к испытаниям осуществлялась следующим образом. В пробуренное отверстие в блок заливалась испытуемая смесь (вода, соляной раствор, соляной раствор со специальными добавками), затем в шпур с налитой жидкостью вставляли ампулу с полиэфирной смолой. Затем металлический стержень (имитирующий анкер) заостренный на одном конце вставлялся в шпур и с помощью электрического сверла СР – 14 приводился во вращение с одновременным поступательным перемещением. За счет вращения стержня полиэтиленовая оболочка ампулы разрывалась, и смешивались входящие в нее компоненты, при этом происходило отверждение всей композиции и плотное склеивание стержня со стенками бетонного блока. После того, как смесь застывала выдерживались сутки от момента застывания до испытаний. После выдержки бетонного блока он выставлялся на нагрузочный стол пресса, при этом под нижнюю часть блока укладывалась металлическая плита размерами 200x200 мм и толщиной 30 мм с просверленным посередине отверстием, которое совмещали с отверстием выполненными в бетонном блоке. После этого с помощью пресса производили нагружение (сжатие) металлического стержня до его «срыва» и проскальзывания внутри блока. В момент «срыва» стержня фиксировалось усилие, предаваемое прессом стержню, которое и принималось за должное закрепление.[82]

Анализ минерального состава подземных вод на шахтах Вьетнама позволил определить наиболее распространенный состав примесей содержащихся в шахтной воде. К ним относятся растворы каменной соли, растворы каменной соли с добавкой растворов сернокислых и хлористых соединений.

Для определения влияния минерализации воды на скрепляющее усилие полиэфирных смол было проведено 4 цикла лабораторных испытаний с добавкой в шпуры, в которых происходило разрушение ампул с полиэфирными смолами, выявленных примесей, в количестве аналогичном, имеющему место в натурных условиях шахт.

Первый цикл – испытаний включал размещение ампул в сухой шпур. Второй цикл – испытание усилия закрепления при размещении ампулы в шпуре заполненном чистой водой без химических примесей (питьевой водой). Третий цикл – соляной раствор (каменная соль галит, добавленная в воду до состояния полного насыщения) до плотности соляного раствора – 1,2 г/см3. Четвертый цикл – добавление в соляной раствор сульфата кальция (CaSO4 x 2H2O) и хлорида магния (MgCl2 x 6H2O) в концентрациях близких к предельным значениям соответственно 0,3 г/см3 и 0,2 г/см3.

Результаты исследований приведены на рисунке 2.1. Как видно из рисунка усилия закрепления стержня в сухом шпуре и в шпуре заполненном «чистой» водой примерно одинаково и равны соответственно 30 и 29 кН. При размещении ампул в шпур, заполненный соляным раствором (3–й цикл испытаний) закрепляющее усилие уменьшилось до 20 кН или на 34 %; при добавлении в шпур заполненных соляным раствором сульфата кальция и хлорида магния усилие закрепления уменьшилось до 15 кН, т.е. на 50 % (таблица 2.1).

Результаты исследований взаимодействия крепи выработок с породным массивом

Таким образом, при работе анкерной крепи происходит протяжка стержня 1 через рабочую резиновую втулку 3 с заранее заданным постоянным сопротивлением. Анкеры в выработках располагались в специально пробуренных шпурах по квадратной сетке с плотностью соответствующей в натуре одному анкеру на 1 м2. Длина анкеров 8 см (2 м в переводе на натуру).

Как показала предварительная тарировка анкерной крепи, перемещение стержня относительно первого пружинного замка происходит плавно в режиме постоянного сопротивления.

Металлическая податливая крепь выполнялась (рисунок 3.3) в виде обоймы верхняков, соединенных воедино двумя продольными прогонами.

Для создания постоянного отпора крепи такая обойма верхняков подводилась к кровле выработки на специальных растяжках, соединенных с постоянными грузами, которая устанавливались через блочки с обоих сторон модели. Масса грузов составляла сумму расчетной величины отпора крепи и веса самой обоймы. P ,Кг

Верхняки устанавливалась через 4 см (в натуре через 1 м). Подобная обойма, имитирующая крепь почвы выработки устанавливалась также и на почве. В этом случае грузики подвешивались непосредственно к обойме. Масса их определялась с учетом веса обоймы. При установке комбинированной крепи, принцип монтажа каждой крепи в отдельности полностью сохраняется. Анкера устанавливались в кровле и почве выработки в промежутках между лежаками металлической крепи. Пятиметровая модель была разделена на две равные части, каждая из которых отрабатывалась самостоятельно. В каждой половинке массива модели проходили три выработки закрепленные разной крепью анкерной, металлической рамной и комбинированной (см. рисунок 3.4). П q П q \ 1 \ \ \ I / Pa/ / \ l /Pa\ \ 1 / \ \ 1 / выработка выработка 1ги выработка і \ ж Pa Pa П q D q 160 Рисунок 3.4 – Схема размещения выработок и различных видов крепи в правой части модели Различие между выработками в левой и правой части модели состояло в том, что в выработках правой половины модели, закрепленной податливой рамной крепью отпор крепи был увеличен в два раза за счет увеличения веса грузов, подвешенных на гибких нитях.

Отработка левой и правой частей модели производилась последовательно. В каждой выработке по мере нагружения модели производились измерения конвергенции пород кровли – почвы индикаторами часового типа.

Так как нагрузочное устройство стенда при принятой в моделе прочности пород, можно создать в пересчете на натуру сравнительно небольшую глубину расположения выработок (порядка 200 м), исследование были продолжены на специальном кольцевом поворотном стенде, в котором можно задавать гидростатическое поле распределения нагрузок при высоком их значении (см. рисунок 3.5).

Всего на кольцевом стенде было отработано 4 модели. При этом в первой модели выработка проходилась без крепи, а в остальных моделях применялась рамная крепь и два вида комбинированной крепи – анкерная в сочетании с рамной и анкерная с металлической сеткой, затяжкой и продольными прогонами. Все крепи существенно отличались друг и друга характером их взаимодействия с массивом пород, по имели одинаковую несущую способность и работами в податливом режиме при постоянном сопротивлении. Комбинированная смешанная крепь состояла из рамной и анкерной податливой крепи, устанавливаемой в промежутках между рамами. Суммарное сопротивление анкерной крепи и удельное сопротивление рамной крепи соответствовало удельному сопротивлению чисто рамной крепи. Плотность установки анкеров составляла 1 анкер/м. Комбинированная крепь второго типа (см. рисунок 3.6) у этой крепи подхваты расположены параллельно оси выработки, закреплены на выступающих концах анкеров вместе с сеткой – затяжкой и шарнирно соединены между собой. Плотность анкерной крепи 1 анкер/м2. Для соответствия по величине сопротивления комбинированной крепи смешанной, сопротивление каждого анкера комбинированной крепи было увеличено вдвое. Таким образом, у всех трех видов крепи удельное сопротивление было примерно одинаковым, а сами крепи отличались характером взаимодействия с массивом пород. Рисунок 3.6 – Комбинированная крепь второго типа

Моделируемый массив закатывался из песчано – эпоксидной смеси в трехметровой опалубке высота его составляла 350 мм и толщина 200 мм (см. рисунок 3.7).

Затем массив разрезался на шесть отдельных блоков, каждый шириной 450 мм. Ширине модели по фронту соответствовала ширина рабочей камеры испытательного стенда, механический привод которого, обеспечивал нагрузку на модель до 50 т (см. рисунок 3.8а).

В середине каждой модели проходилась выработка с размерами в поперечном сечении равными по ширине 16 см, по высоте 4 см, что в масштабе моделирования 1:50 соответствовала 8 м и 2 м в натуре. Породы кровли выработки выполнялись слоистыми, мощность слоя равнялась 1 см (0,5 см). Прочность моделируемых пород в образце составляла в среднем 4 кг/см2, а средняя прочность слоистого массиве – 1,95 кг/см2, что соответствовало 350 кг/см2 и 145 кг/см2 в натуре. Анкерная крепь в пяти моделях устанавливалась на глубину 2; 3; 5; 6.5 и 8 м с плотностью установки 1 анк/м2..

Методика расчета параметров комбинированной крепи, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи

В настоящие время капитальные горные выработки на угольных шахтах как в Рассии, так и за рубежом проводят сечением 16 – 20 м2 и более. Проведения выработок шириной 5,5 – 6 м и более вызвано технологическими причинами, а именно необходимостью доставки в очистные и проходческие забои крупногабаритного оборудования, большого количества воздуха, потребного при высоких нагрузках на забои; размещения в выработках крупногабаритного транспортного оборудования для выдачи угля, транспортировки людей и необходимых материалов. В горной практике накоплен значительный опыт проведения широких выработок. При всем многообразии технологий их можно условно разделить на две группы: первая – это технологические схемы с проведением выработки сразу на заданное сечение. Вторая – технологические схемы с опережающим сооружения выработки неполным сечением с последующим расширением ее до принятого сечения. Рассмотрим кратко достоинства и недостатки этих способов.

Известен способ проведения широкой выработки с предварительным проведением ее меньшим сечением, устанавкой в ней анкерной крепи, а затем расширением до заданного сечения [85]. При этом опережающую часть выработки выполняют на полную проектную высоту и длину. Основным недостатком данного способа является то, что в случае изменения условий параметры опережающей выработки не могут быть сразу скорректированными, что может привести к снижению устойчивости проводимой выработки.

Известен способ сооружения горных выработок большого сечения [86], предусматривающий отбойку горной массы комбайном на полное заданное сечения 15 – 25 м2 (при прочности пород до 50 – 80 МПа) и крепление обнаженной поверхности анкерной или рамной крепью, шаг установки которой соответствует подвиганию проходческого забоя за одну заходку. Недостатком данного способа является трудности оформления забоя и возведения крепи, большая вероятность внезапных вывалов породы, невозможность регулирования параметров заходах с учетом устойчивости пород, сравнительно низкие темпы проведения выработок.

В основу разрабатываемого способа проведения широких выработок поставлена задача повышения их устойчивости за счет предупреждения расслоения пород кровли от действия сил горного давления путем регулирования параметров (ширины и глубины) заходок и их количества. Для этого предварительно определяют количество, мощность и прочность каждого из породных слоев кровли на высоту, равную не менее половины ширины проводимой выработки, а затем по полученным данным вычисляют их средние значения и рассчитывают величину площади устойчивого обнажения, при которой не происходит расслоение пород кровли. При достижении площади кровли этой величины производят ее анкерование и после этого приступают к выемке смежной заходки.

Для эффективного применения предлагаемого способа проведения горных выработок необходимо было установить критическую величину возможной площади обнажения кровли, при которой либо совсем исключается процесс расслоения кровли, либо ее величина не будет оказывать существенного влияния на устойчивость заанкерованной кровли в течение всего сроки эксплуатации выработки. При этом площадь обнажения кровли функционально зависит от ширины и глубины заходки.

Для проверки разработанного способа проведения выработок, определения минимальных размеров заходок и параметров крепи выработок были использованы комплексные исследования, проведенные А.В. Борисовым [87], в условиях шахт ОАО "Воркутауголь". Они заключались в измерении площадей обнажений кровли в выработках, величины и скорости ее смещения, соответствующих этим площадям, и определении их критических величин. Измерения смещений пород кровли осуществлялись с помощью стойки СУИ – 2, устанавливаемой в 0,5 – 1,0 м от зобоя. В упомянутых исследованиях проходка выработок осуществлялась заходками, ширина которых определялась с учетом устойчивости и расслоения. При этом на различных шахтах подбирались выработки, условия которых в значительной степени соответствовали условиям месторождения Красной реки. В зависимости от конкретных условий исследований применялись различные варианты сочетаний ширины и длины заходок.

В результате обработки полученных данных шахтных измерений методом математической статистики были получены корреляционные зависимости площади устойчивого обнажения кровли Sy от усредненной мощности слоев кровли mсл и их средневзвешенной крепости f. Обработка этих данных позволила получить формулу, связывающую площадь устойчивого обнажения кровли и указанные величины по А.В. Борисову: Sy = 0,316 f1,6 m0,17сл, (24) Выбор технологической схемы проведения выработки зависит от расчетной величины Sy. В зависимости от характеристики пород кровли и ширины проводимой выработки рекомендованы следующие схемы их проведения (см. рисунок 4.1). Схема I – проведение выработки сразу на полную ширину В с глубиной заходки h не менее шага установки крепи. Схема II – проведение выработки двумя заходками с разделением ширины выработки не две части (В1 и В2). Для обеих схем должно выполняться условие: Sy Sпр, (25) где Sпр – площадь проводимой заходки. Величина Sпр должна регламентироваться паспортом проведения и крепления выработки с учетом шага установки крепи. Методика ее определения будет приведена ниже. Конкретно для технологической схемы I: Sy B k hкр, (26) где k = 1, 2, 3, ..., i – количество рядов с указанным шагом крепи в одной заходке. Для технологической схемы II указанное условие примет вид: в) Sy B1.h, (27) Sy B2.h, а) Sy B. h б) Sy 2. B. h Наблюдения показали, что определение ширины заходок по условию, исключающему расслоении пород в них, а также установка крепи в заходке и крепи усиления (длинных анкеров) на границе заходок, значительно уменьшают величину смещения кровли и повышают ее устойчивость.

Исследования показали, что в зависимости от принятой схемы проведения выработок величина смещений кровли в них в первые сутки после проведения значительно отличаются. Так при проведении выработок заходками величина смещений кровли в выработке при ширине выработки 4 м составляла 4 мм/сутки, а при ширине 8,0 м – 7,5 мм/сутки, т.е больше чем в два раза. На рисунке 4.2 показанны графики смещений кровли выработок, проведимых заходками и полным сечением. При установке длинных анкеров на границе заходки и последующим ее расширением величины смещений кровли в местах их установки (примерно по середине выработки) были близки к нулю, т.е. в месте установки длинных (4,0 м) анкеров можно условно считать местом, в котором в первые 15 – 20 суток смещения кровли практически отсутствует.