Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние изученности вопроса, цель, задачи и методы исследования 7
1.1 Горно-геологические и технологические особенности разработки пластов на шахтах Воркутского месторождения 7
1.2 Основные физико-механические свойства вмещающих пород и их характеристики 13
1.3 Состояние изученности вопроса крепления широких выработок 17
1.3.1 Отечественный и зарубежный опыт крепления широких выработок 17
1.3.2 Методы определения параметров анкерной крепи 37
Глава 2 Исследования проявлений горного давления в выемочных штреках и монтажных камерах 52
2.1 Методика исследований 52
2.2 Исследования проявлений горного давления в конвейерных и вентиляционных штреках 54
2.2.1 Шахта "Комсомольская" 54
2.2.2 Шахта "Заполярная" 59
2.3 Исследования проявлений горного давления в монтажных камерах 61
Выводы по главе 68
Глава 3 Исследование устойчивости широких выработок на моделях из эквивалентных материалов 69
3.1 Методика исследований 69
3.2 Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок 72
Выводы по главе 83
Глава 4 Разработка рациональных способов проведения и средств крепления широких выработок 84
4.1 Разработка конструкции рамной податливой крепи для широких выработок 84
4.2 Разработка технологии проведения и крепления широких выработок 90
4.3 Методика определения параметров анкерной крепи широких выработок 101
4.3.1 Основные исходные данные и расчетные положения . 102
4.3.2 Порядок расчета, определение смещений пород и оценка интенсивности горного давления 106
4.3.3 Выбор конструкции анкерной крепи широких выработок и способ их проведения 110
4.3.4 Примеры расчета параметров анкерной крепи широких выработок 117
Выводы по главе 121
Заключение 123
Список использованных источников 125
- Основные физико-механические свойства вмещающих пород и их характеристики
- Шахта "Комсомольская"
- Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок
- Разработка технологии проведения и крепления широких выработок
Введение к работе
Актуальность работы. Современное состояние угольной промышленности РФ характеризуется сравнительно низкой производительностью очистных забоев, которая в среднем по отрасли не превышает 1400 т/сутки. Дальнейшее успешное развитие угольной промышленности требует значительного увеличения нагрузок на очистные забои с доведением их на пластах средней мощности и мощных до 5-Ю тыс.т/сутки. Выпускаемые в настоящее время отечественные и зарубежные механизированные комплексы последнего поколения, такие как КМ-138, КМ-142, КМ-144, КМ 700/800, МКЮ, "Лонгволл", "Джой", ДБТ и др., в состоянии обеспечить такие нагрузки, однако их применение требует определенных условий при подготовке выемочных участков и, в первую очередь, проведения и поддержания выработок большого сечения, в том числе находящихся в зоне активных проявлений горного давления (зоны опорного давления от отрабатываемого и смежного выемочных столбов). К таким выработкам относятся выемочные штреки, а также монтажные и демонтажные камеры. Практика показывает, что в сложных условиях, особенно в зоне влияния опорного давления, при проведении и эксплуатации этих выработок часто возникают аварийные ситуации, связанные с обрушениями кровли и завалами выработок.
Проблеме обеспечения устойчивости широких выработок посвящены работы таких ученых, как Ардашев К. А, Заславский Ю. 3., Мостков В. М., Зубов В. П., Райский В. В., Рева В. Н, Розенбаум М. А, Привалов А А, Долот-кин Ю. Н., Калинин С. П., Штумпф Г. Г., Ремизов А В., Храмцов В. И. и др. Несмотря на значительный научно-технический прогресс и достигнутые успехи проблема проведения и эффективного поддержания широких выработок, особенно в зоне активных проявлений горного давления, до сих пор не решена. Практически отсутствуют рамные крепи поддерживающего типа, позволяющие обеспечить эффективное поддержание этих выработок, а применение усиливающей крепи, особенно в монтажных и демонтажных камерах приводит к резкому снижению производительности монтажно-демонтажных работ. До настоящего времени не разработана технология проведения широких выработок, при которой была бы обеспечена их устойчивость при дальнейшей эксплуатации. Следует также отметить, что до настоящего времени нет единого мнения о характере деформирования кровли таких выработок и не разработана методология их крепления, отсутствуют нормативные документы, регламентирующие такие работы. Диссертационная работа, направленная на обеспечение устойчивого состояния широких выработок, имеет важное научное и практическое значение и поэтому является актуальной.
При проведении шахтных и лабораторных исследований большую помощь автору оказали: Ю. Н. Долоткин, О. Т. Степаненко, А. И. Вовк, В. В. Комиссаров, Ю. М. Погудин и другие, которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.
Целью работы является обеспечение устойчивости широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на основе установленных закономерностей деформирования вмещающих пород.
Идея работы заключается в том, что обеспечение устойчивости широких выработок достигается путем применения рамной арочной крепи постоянного сопротивления, и технологии проведения широкой выработки отдельными заходками заданной ширины с установкой на их границе анкеров повышенной длины.
Задачи исследований:
1. Установить закономерности деформирования пород вокруг широких выработок в зависимости от величины незакрепленного пролета кровли, прочности пород и глубины их расположения.
-
Разработать на основе выявленных закономерностей способ крепления широких выработок, технологию их проведения и конструкцию крепи, обеспечивающих их устойчивое состояние.
-
Разработать методику расчета параметров анкерной крепи широких выработок.
Методы исследований. В работе использовался комплексный метод, включающий анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных, фондовых и патентных источниках; натурные эксперименты в условиях шахт "Заполярная", "Комсомольская", "Северная", "Воргашорская"; моделирование с помощью эквивалентных материалов в лабораторных условиях; статистическую и аналитическую обработку результатов исследований, полученных в натуре и на моделях.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
С помощью сталеполимерной анкерной крепи повышенной длины можно регулировать величину смещения кровли по ширине выработки, при этом кровлю широкой выработки можно рассматривать как многопролетную балку, опертую на краевые части массива и на промежуточные неподвижные опоры, в качестве которых используются анкеры повышенной длины на границе заходок.
-
Для крепления широких выработок параметры коротких анкеров определяются по величине смещений кровли только в заходках, а параметры длинных анкеров - с учетом всей ширины проводимой выработки.
-
Интенсивность проявлений горного давления в широких выработках можно регулировать применением рамной крепи постоянного сопротивления и технологии проведения с помощью заходок, параметры которых определяются из условия минимальных смещений кровли.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Доказано, что при креплении кровли анкерами величина нагрузки, при которой она переходит в запредельное состояние, зависит от длины анкеров, и в диапазоне 1,5-6,0 м она кратна увеличению их длины, при этом смещения кровли по ширине выработки имеют минимальные значения в местах установки длинных анкеров.
2 Получены зависимости величин смещений кровли выработок от их ширины в диапазоне 5-Ю м для пород прочностью 30-60 МПа и глубины работ 400-1000 м. Установлено, что с увеличением ширины выработок от 5 до 10 м величины смещений кровли увеличиваются в 1,5-2,5 раза.
-
Установлено, что смещения кровли в широких выработках можно регулировать за счет применения анкерной крепи различной длины, устанавливаемой в заходках и на их границе и выбора рациональной ширины заходок. Получена зависимость величины устойчивого обнажения кровли в заходках, при минимальном ее смещении, от ширины и длины заходок, мощности и прочности пород кровли.
-
Разработана и испытана новая конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой положено требование обеспечения постоянного сопротивления оригинального узла податливости. Применение разработанной крепи, по сравнению с базовой, позволяет уменьшить смещения кровли в выработках в 1,5-2,0 раза.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается представительным объемом исследований, проведенных на шахтах ОАО "Воркутауголь" (было оборудовано 22 замерных станции на трех пластах) моделированием на эквивалентных материалах в лабораторных условиях (отработано 26 моделей), хорошей сходимостью расчетных и фактических параметров проведения и крепления широких выработок, положительными результатами промышленных испытаний разработанных конструкций крепи и способа проведения широких выработок на шахтах "Октябрьская", "Воргашорская", "Южная", "Заполярная", "Северная" и др.
Практическое значение работы заключается в следующем:
разработана методика расчета параметров анкерной крепи широких выработок;
разработана, создана и прошла промышленные испытания новая конструкция рамной крепи для широких выработок;
обоснована и разработана новая технология проведения широких выработок;
обоснованы и прошли промышленные испытания рациональные схемы проведения широких выработок с применением анкерной и комбинированной крепей.
Реализация работы. Результаты работы используются при решении вопросов проведения широких выработок на шахтах ОАО "Воркутауголь" в проектных и конструкторских организациях при проектировании горных работ, выборе типа крепи и технологии проведения широких выработок, а также при составлении нормативно-методических документов, регламентирующих применение анкерной крепи на шахтах России.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийском совещании по корректировке и подготовке оконча-
тельной редакции "Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России", (Санкт-Петербург 16-18 ноября 1999 г.), на техническом совещании ОАО "Воркутауголь", (Воркута, 1 декабря 1999 г ); на секции НТС Госгортехнадзора России по угольной промышленности (Москва, 21 мая 1997 г.), на секции по горному давлению и горным ударам Ученого совета ВНИМИ (Санкг-Пегербург, 2003 г ).
Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методики исследований, организации и участии в экспериментальных исследованиях на шахтах ОАО "Воркутауголь", участии в разработке и промышленном испытании новых конструкций крепи и способа проведения широких выработок и получении на них "Патента на изобретения РФ", обработке материалов экспериментов и получении научных результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 131 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35 рисунков, список используемой литературы из 63 наименований.
LINK1 Основные физико-механические свойства вмещающих пород и их характеристики LINK1.
Естественная влажность вмещающих пород Воркутского месторождения колеблется в пределах 0,1-2,0%. Наибольшей способностью удерживать воду обладают аргиллиты, что способствует их размокаемости. Действительная плотность пород колеблется в пределах 2,61-2,96 г/см3. Наибольшую плотность имеют конкреционные песчаники при среднем значении 2,84 г/см3. Объемная масса изменяется в пределах 2,11-2,84 T/CMJ. По литологиче-ским типам средние значения данного параметра изменяются незначительно, при этом наибольшую объемную массу имеют очень крепкие конкреционные песчаники - 2,83 г/см3, наименьшую - алевритовые аргиллиты - 2,59 г/см3. Пористость общая, включающая все поры различной формы, колеблется в пределах 0,3-12,0%. Предельные значения пористости присущи практически всем литологическим типам пород, однако наблюдается общая тенденция снижения значений пористости от аргиллитов к песчаникам. Прочность горных пород во многих процессах горного производства имеет решающее значение. В образцах она оценена пределом прочности на одноосное сжатие перпендикулярно слоистости, на растяжение - перпендикулярно и параллельно слоистости. После насыщения водой прочность пород значительно снижается : в ряду песчаник-аргиллит на 12-51%. Большинство образцов из аргиллитов и алевролитов под воздействием воды при испытаниях разрушалось (275 проб из 470).
Трещиноватость, слоистость и способность пород к расслоению изучены по кернам поверхностных и подземных разведочных скважин. На участках спокойного пологого залегания угленосной толщи (вне влияния "технологической" трещиноватости), где развита в основном эндотрещино-ватость, общее количество трещин на 1 п.м керна зависит от литологического состава, слоистости, текстурных особенностей и колеблется в значительных пределах. Зависимость количества трещин в слое от литотипа породы приведена в таблице 1.5. Таблица 1. Литологический тип породы Количество трещин на 1 п.м керна в направлении, перпендикулярном напластованию Аргиллит слоистый, с флорой по наслоению От нескольких сотен до 20-30 Аргиллит полосчатый 80-5 Аргиллит однородный, массивный, без растительных остатков 10-0 Алевролит 30-0 Песчаник слоистый 5-0 Песчаник неслоистый 3-0 На участках , удаленных от тектонических нарушений, расслоение пород происходит, в основном, по поверхностям напластования. Плоскости, разделяющие породы кровли на плиты, обычно имеют ровную поверхность по прослойкам слабой породы, содержащей растительные остатки. Далее в таблице 1.6 представлены показатели расслоения пород кровли рабочих пластов. Таблица 1. Способность пород к расслоению Коэффициент расслоения Масштабслоистости(мощностьслоев),м Количество растититель-ных остатков на поверхности напластования, % Наиболее вероятная толщина плиток (блоков) расслоения, м Ложная кровля Более 2,0 от 0,001 до 0,02-0,03 100 0,01-0,05 Легко (свободно) расслаивающаяся толща 2,0-1,8 от 0,03-0,05 до 0,1-0,2 50-100 0,2-0,3 Средне расслаивающаяся толща 1,6-1,8 0,1-0,6 20-50 0,3-1,0 Трудно расслаивающаяся толща 1,4-1,6 0,3-0,5 до 1,0 10-20 0,5-1,5 Весьма трудно расслаивающаяся толща 1,2-1,4 1-3 0-10 2-5 Нерасслаивающаяся (монолитная) толща 1,0-1,2 слоистость не видна нет Более 5 С учетом анализа геологического строения пород кровли основных рабочих пластов целесообразность применения различных типов крепи горных выработок можно оценить следующим образом: а). Наиболее целесообразно с технологической точки зрения применение сталеполимерного анкерного крепления по пласту Пятому, особенно на шахте "Северная". Это обусловлено наличием в зоне активного действия ста-леполимерного анкера длиной 1,8-2,2м мощного слоя мелкозернистого песчаника крепостью f= 9-11, что дает возможность применять наиболее простую схему "подшивания" с небольшой плотностью установки анкеров. б). Технологически более сложно применение анкерного крепления для поддержания кровли пласта Четвертого из-за наличия ложной кровли мощностью до 0,5-0,7 м, обрушающейся вслед за проходом рабочего органа комбайна, и непосредственной кровли, представленной слоистыми неустойчивыми аргиллитами мощностью до 2 м. В этом случае оптимальным представляется применение комбинированной крепи - анкерной и рамной поддерживающей. в) Наиболее сложной представляется задача крепления пород кровли пластов Тройного и Мощного. Ложная кровля этих пластов мощностью до 0,05-0,4 м представлена тонкослоистыми микротрещиноватыми аргиллитами или рыхлыми мятыми аргиллитами, что делает невозможным обеспечение её устойчивости. Породы непосредственной кровли, как правило, трещиноватые, полосчатые и взаимно переслаивающиеся. В таких условиях поддерживать заданную высоту горной выработки по кровле пласта или по контакту ложной и непосредственной кровли, не допуская вывалов, крайне сложно. Для обеспечения устойчивости кровли особенно широких выработок (В = 5,5-8,0 м) пластов Тройного и Мощного необходимо разработать рамную крепь, обеспечивающую поддержания пород с определенным распором сразу после установки крепи, а также разработать технологию проведения широких выработок при применении сталеполимерной анкерной крепи, при которой будет максимально использована естественная устойчивость пород кровли этих пластов
Шахта "Комсомольская"
Исследования проводились в выработках выемочного столба 312-ю по Четвертому пласту. Система разработки - длинными столбами по простиранию. Длина выемочного столба - 1350 м, длина лавы - 200 м, мощность пласта - 1,45 м. Угол падения по простиранию 2-3, по падению 4-8. Вмещающие породы представлены преимущественно алевролитами и песчаниками. Над пластом залегает ложная кровля, представленная слоем аргиллита мощностью 0,16-0,54 м. Непосредственная кровля - алевролит мощностью 13,2 м, коэффициент крепости которого/= 5-6,3. В почве пласта залегает алевролит мощностью 2,5 м {f— 6-6,5) и песчаник, мощность которого достигает 6,1 м (/= 8-9). Местами алевролит непосредственной почвы замещается песчаником. Глубина ведения горных работ 1030 м. Подготовка выемочного столба осуществлялась на длине 730 м парными выработками с оставлением целика между ними шириной 6 м, с последующим уменьшением целика на конечном участке до 2-3 м.
В соответствии с проектом подготовки лавы выше конвейерного штрека 312-ю (КШ-312-ю) пройден с опережением очистных работ конвейерный штрек 312-ю "бис". КШ-312-ю после отработки лавы 312-ю пласта Четвертого будет служить в качестве вентиляционного штрека при отработке нижней лавы, поэтому была поставлена задача по поддержанию его в эксплуатационном состоянии. Штрек 312-ю "бис" при отработке лавы 312-ю служит для изолированного отвода метана из выработанного пространства лавы. По мере подвигания очистного забоя он закрещивается и по нему запрещен проход людей.
Через каждые 50-60 м оба штрека сбивались печами. Конвейерный штрек 312-ю пройден сечением 12,8 м , закреплен металлический арочной крепью КМП-АЗ из СВП-27 с плотностью 1,5 р/м. КШ-312-ю "бис" пройден сечением 10,3 м2, закреплен арками КМП-АЗ с плотностью 1,5 р/м. Штрек проходился с опережением забоя лавы от 30-40м до 200 м. Всего было пройдено этого штрека 735 м, считая от монтажной камеры. Графики смещений кровли и почвы в 312-ю штреке представлены на рисунке 12, как видно, заметные смещения кровли отмечаются на расстоянии 60-80 м впереди лавы и на уровне очистного забоя достигают 90-100 мм. После прохода очистного забоя смещения кровли в штреке постепенно увеличиваются и на расстоянии 180-200 м за лавой составляют 500-550 мм.
Смещения почвы впереди лавы происходили более интенсивно, чем смещение кровли. Так, на расстоянии 60 м впереди лавы они составили 50-55мм, на уровне забоя лавы - 300 мм и на расстоянии 150 м после прохода лавой створа замерной станции, величина пучения почвы достигла 800-900мм.
Охрана конвейерного штрека 312-ю "бис" осуществлялась однорядной органной крепью, устанавливаемой на расстоянии 0,6-0,7 м от рамной крепи. Дополнительно по берме пробивался ряд стоек под деревянный брус с рас конв. штр. 312-ю "би конв. штр.
Графики смещений кровли и почвы в конвейерном штреке 312-ю ш. "Комсомольская" пл. 4, Н-1030 м стоянием между стойками по 0,63 м. Кроме того, для усиления крепи в КШ-312-ю "бис" за лавой пробивались ремонтины под каждую раму. После отхода лавы на 350 м от монтажной камеры ремонтины перестали устанавливать, так как дополнительная жесткость крепи в поддерживаемой выработке у выработанного пространства отрицательно сказывалась на устойчивости КШ-312-ю, а также способствовала деформации арочной крепи в КШ-312-ю "бис".
В конвейерном штреке 312-ю крепь усиления не устанавливалась ни впереди, ни за лавой по техническим причинам (из-за препятствия транспортировке материалов), за исключением участков сопряжения штрека с печами и впереди лавы на участках, расположенных в 70-80 и 30-40 м от забоя проводимого штрека 312-ю "бис".
В зоне опорного давления на расстоянии 40 м впереди очистного забоя смещения кровли составили 40 мм, а почвы - 280 мм. В 100-150 м за лавой опускание кровли достигло 250 мм, а пучение почвы - 500 мм. За лавой на расстоянии 650 м высота выработки уменьшилась до 1,6 м и для обеспечения эксплуатационной способности штрека пришлось делать подрывку почвы на 800-900 мм. После этого в течение всего срока отработки этой лавы высота выработки составляла 2,3-2,4 м.
Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок
По характеру смещений кровли в широких выработках каждый эксперимент имеет свои отличительные особенности (см.рисунок 20). Эти различия обусловлены как формированием поля напряжений в кровле выработки, так и параметрами крепления анкерами слоистых пород. В выработках без крепи опускание кровли с увеличением нагрузок происходило равномерно, примерно с одинаковой скоростью (рисунок 21). Такое равное приращение смещений происходило с увеличением нагрузок до 4,4 кгс/см , то есть до величины примерно равной прочности материала на сжатие, после чего следовало пластическое течение материала модели на уровне нагружения 4,4-4,6кг/см . Следует отметить, что смещения кровли вблизи стенок выработки на первом участке деформирования были несколько большими, чем в середине пролета выработки (см.рисунок 21). Это явление, по-видимому, обусловлено особенностями формирования свода обрушения, отделение которого от массива начинается с пяты свода, с образования и развития трещин разлома в углах на сопряжениях кровли с боковыми стенками выработки. На этих участках происходят интенсивные начальные смещения кровли и сравнительно меньшие в середине пролета выработки. Это четко видно на представленных графиках Графики опускания кровли в выработках без крепи На участке запредельного деформирования массива смещения кровли по ширине выработки выравниваются. Эксперименты по этой схеме заканчивались вывалом двух слоев пород из кровли выработки в виде блоков, ограниченных трещинами и разломами вдоль выработки в её середине и в пятах свода. В пересчете на натуру толщина вывалившихся блоков составляла 1,0-1,6 м.
Графики прогиба кровли выработок, скрепленной анкерами на глубину 2 м плотностью установки в натуре 1 анк/м , представлены на рисунке 22. Как видно из графиков, в упругой зоне отмечаются участки с резким изменением характера смещений: рост нагрузок на кровлю выработок при отсутствии её перемещений сменяется периодами интенсивного смещения кровли при незначительных приращениях внешних нагрузок. Такие ступени повторяются 2-3 раза (см.рисунок 22). Характер смещений кровли представлен графиком 1, построенном по результатам наблюдений по реперам, установленным в середине пролета выработки. Вблизи стенок выработки подобный характер деформирования практически не наблюдается.
Установленные особенности деформирования кровли, по нашему мнению, объясняется наличием анкерной крепи. Пачка скрепленных анкерами пород до некоторого момента сопротивляется внешним нагрузкам (практически полное отсутствие перемещений), а затем происходит резкий сброс накопившейся энергии, реализуемый в виде быстрого роста перемещений. Скрепленная пачка пород переходит в новое устойчивое состояние, при котором система "порода-крепь" способна выдерживать большую нагрузку. В поперечном сечении выработки опускание скрепленной анкерами слоистой кровли сопровождается небольшим прогибом в её середине. Такой характер деформирования характерен для однородной монолитной кровли. Эту псевдооднородность слоистая кровля приобретает за счет скрепления слоев анкерами. анк/м2 q, кг/см l L d
Графики смещения заанкерованной кровли В кровле выработки , испытываемой по схеме 4 (см. рисунок 20), помимо приконтурных (двухметровых) анкеров были установлены глубинные анкеры длиной 4 м, в пересчете на натуру. Результаты наблюдений за смещениями кровли выработок, испытываемых по этой схеме, представлены на рисунке 23. Глубинные анкеры существенно изменили величину и характер смещений кровли. Следует отметить, что система "порода - крепь" при испытаниях по этой схеме оказалась более жесткой и переход её в запредельное состояние происходил при более высоком уровне напряжений, при удельных нагрузках на модель более 8 кг/см , то есть практически в два раза больших, чем в случае крепления выработки двухметровыми анкерами.
Особо важно отметить, что в поперечном сечении выработок по её ширине смещения кровли имели разные, весьма отличающиеся значения. В середине пролета выработки смещения кровли сдерживались глубинными анкерами, а наибольший прогиб кровли имел место примерно по середине пролетов между местом установки глубинных реперов и боками выработки.
График изменения величины смещений кровли выработки при удель-ном давлении на модель равном 5,5 кг/см представлен на рисунке 23. Здесь же приведен эскиз нарушений: прогиб слоистых пород, их расслоение с образованием поперечных трещин в слоях кровли.
Таким образом, результаты исследований подтвердили правильность принятой идеи о креплении широких выработок путем разделения её по ширине на несколько пролетов, на границах которых следует устанавливать анкеры повышенной длины, а в пределах каждого из образованных пролетов параметры анкеров будут определяться исходя из возможной величины максимальных смещений в пределах границ образованных пролетов. Место установки анкеров повышенной длины, как показали исследования, можно условно принять за неподвижную опору, то есть можно считать, что в этом месте смещения кровли практически отсутствуют.
Разработка технологии проведения и крепления широких выработок
В отечественной и зарубежной 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 сооружением выработки малым сечением и последующим расширением её до принятого сечения. Рассмотрим кратко достоинства и недостатки этих способов проведения широких выработок.
Известен способ проведения широкой выработки с предварительным проведением опережающей выработки меньшим сечением, устанавливают в ней анкерную крепь, а затем расширяют её до заданного сечения. При этом, опережающую выработку выполняют на полную проектную высоту и длину, равную величине подвигания проходческого забоя за один цикл. После увеличения сечения до проектного контура возводят постоянную рамную крепь под защитой анкерной крепи [55].
Недостатком данного способа является то, что в случае изменения горно-геологических условий, параметры опережающей выработки не могут быть сразу скорректированы, что может привести к вывалам породы при её проведении и соответственно к снижению устойчивости проводимой выработки.
Другим недостатком этого способа является ограниченная область применения, поскольку он не может быть использован для проведения выработок большого сечения, особенно в условиях интенсивного проявления горного давления, например, монтажных камер, из-за сложности формирования и оборудования проходческого забоя.
Известен способ сооружения горных выработок большого сечения, предусматривающий отбойку горной массы комбайном на полное расчетное сечение (15-25 м при прочности пород до 50-80 МПа) и креплении обнаженной поверхности кровли рамной крепью, шаг установки которой соответствует подвиганию проходческого забоя за одну заходку [56]. Недостатками данного способа являются: трудности оформления забоя и возведения крепи, возможность внезапных вывалов породы, невозможность регулирования параметров заходок с учетом устойчивости пород.
В основу разрабатываемого способа проведения широких выработок поставлена задача повышения устойчивости выработки 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 котором не происходит расслоение пород кровли. При достижении кровлей этой величины производят её 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 её 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 проведены комплексные исследования в условиях шахт ОАО "Воркутауголь". Они заключались в измерении площадей обнажений кровли, величины и скорости её 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 забоя выработки после выемки комбайном очередной заходки. Свойства и строение пород кровли предварительно определялись по геолого-маркшейдерской документации шахты и уточнялись непосредственно в забое с применением, в случае необходимости, кернового бурения с последующим испытанием образцов - кернов с помощью прибора - пробника БУ-39.
Натурные наблюдения проводились на шахтах "Октябрьская", "Воргашорская", "Южная", "Заполярная", "Промышленная", "Центральная", "Юр-Шор". Основные данные по объектам исследований представлены в таблице 4.1. Ниже будут рассмотрены результаты, полученные при внедрении предлагаемой технологии проведения широких выработок в типичных для шахт ОАО "Воркутауголь" горно-геологических условиях, эксперименты проводились при проходке монтажной камеры по пласту Четвертому на шахте "Воркутинская" монтажная камера 732-ю располагалась в центральном блоке. Её проектная длина составляла 210 м, сечение 15 м2, из которых 8,7 м2 приходились на угольный забой. Глубина заложения монтажной камеры составляла 638-649 м.
Угольный пласт в месте проведения монтажной камеры имел простое строение, мощность его изменялась от 1,28 до 1,42 м. Прочность угля 130-150 кгс/см2. Повсеместно над пластом развита "ложная кровля", представленная тонкослоистым, сильно трещиноватым, весьма неустойчивым аргил-литом мощностью 0,7-0,9 м, прочностью 300-350 кгс/см . В непосредственной кровле залегал аргиллит алевролитовый, слоистый, слабо и среднеустой-чивый, мощностью 6,0 м, прочностью 300-400 кгс/см . Основная кровля представлена алевролитом мелкозернистым, слоистым, полосчатым, средней устойчивости, мощностью 6,1 м, прочностью 500-600 кгс/см . Непосредственная почвы сложена алевролитами мелкозернистыми, трещиноватыми, средней прочностью 500 кгс/см2, мощностью 1,35 м. Ниже залегает алевролит мелкозернистый. Гипсометрия пласта спокойная, полосоволнистая, угол падения по оси монтажной камеры 3-4, по забою 12-13.
