Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее десятилетие вопросы крепления капитальных и подготовительных выработок на больших глубинах рудников черной и цветной металлургии приобрели особую актуально -сть. Затраты на поддержание и перекрепку этих выработок нередко превышают расходы на первоначальное крепление и в себестоимости добываемого сырья достигают 50$.
Средняя глубина работ на действующих рудниках достигла 800 м, а в ближайшее десятилетие возрастет до I 200 - I 600 м. Опыт ведения подземных работ показал, что с увеличением глубины значительно возрастает горное давление, концентрация которого приводит к воз -никновению динамических форм его проявления, таких, как толчки,стреляния, микроудары и особенно, горные удары.
В связи с этим,. Государственный комитет по науке и технике СССР в своих постановлениях признал проблему горных ударов на рудных месторождениях одной из важнейших народнохозяйственных проблем и наметил план работ на I98I-I990 годы по созданию и внедрению эффективных и безопасных технологий ведения горных работ и строительства подземных сооружений при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений.
Задача снижения затрат на поддержание и безопасную эксплуатацию выработок'является комплексной и ее решение должно включать в себя разработку методов выбора рационального расположения вырабо--ток, способов их проведения, крепления и охраны. Эта .задача в настоящее время полностью не решена из-за отсутствия надежной конструкции крепи, способной работать в условиях динамических проявлений горного давления. Существующие крепи, созданные для глубоких шахт и рудников, работающих с опасными проявлениями горного давления, не предназначены к работе в режиме ударного нагружения и не обеспечивают надежную эксплуатацию выработок.
До сих пор не выработано единого удовлетворительного подхода к самим принципам конструирования и расчета крепей, работающих в условиях воздействия на них динамических нагрузок.
Таким образом, решение проблемы безопасного ведения горных работ, по нашему мнению, должно базироваться на создании видов и способов.динамически стойкого крепления, обеспечивающего гарантированную работу очистных забоев в условиях динамических воздействий горного массива на крепь капитальных и, чаще всего, подготови-
тельных выработок, находящихся под непосредственным влиянием очистных работ, формирующих техногенные поля напряжений и провоцирую -щих удароопасные ситуации.
Особое место в системе капитальных и подготовительных выработок принадлежит горизонтальным прямолинейным выработкам, протяженность которых многократно превышает длину выработок иной ориентации.
Основу диссертационной работы составляют исследования, выполненные автором в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИГД СО РАН по темам:
"Развитие научных основ эффективных систем и технологических процессов добычи полезных ископаемых подземным способом",І96І-65ГГ. (№ гос.рег.810Ы329);
"Развитие научных основ эффективных технологий разработки месторождений твердых полезных ископаемых в условиях больших глубин" IS66-I990 гг. (№ гос.рег.01860079149), а также постановлениям ГКНТ СССР № 200 от 05.05.77 г., № 86 от 02.04.81 г.,№ 555 от 30.10.86г. и по программе СО РАН "Сибирь".
Цель работы - создание динамически стойкой тюбинговой крепи и технологии ее возведения для прямолинейных участков горизонтальных выработок глубоких рудников удароопасных месторождений.
Задачи исследований:
обобщить основные сведения о крепях, их конструктивных особенностях и методах расчета для горизонтальных выработок, подверженных динамическим воздействиям горного массива;
сформулировать основные принципы конструирования динамически стойких крепей;
развить методы расчета многошарнирных крепей с учетом динамических воздействий;
разработать конструкцию динамически стойкой крепи и технологию ее изготовления;
выбрать и усовершенствовать технологию крепления горизонтальных выработок динамически стойкой крепью с демпферной забутовкой;
провести опытно-промышленные испытания крепи с необходимым комплексом натурных измерений;
выработать рекомендации по эффективному применению крепи и дальнейшему ее совершенствованию.
Основная идея работы состоит в использовании эффекта гашения (поглощения) и перераспределения динамических воздействий вмешаю -
щего горного массива на выработки путем применения многошарнирных сборных крепей с демпферной забутовкой из высокоподатливых материалов с конструктивно встроенными шарнирами и технологическими шар-нирно-податливыми узлами стыковки.между собой тюбинговых железобетонных элементов.
Методы исследований. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий:
анализ производственного опыта применения крепей, теории и практики их расчета для условий высокого горного давления, в том числе в динамической форме;
аналитические и экспериментально-аналитические исследования несущей способности крепи и усилий в ее элементах с численной реализацией расчетов на ЭВМ;
стендовые и шахтные испытания крепи с применением современ -ных лабораторных и натурных методов и средств измерений;
теоретические обобщения и анализ результатов шахтных испытаний крепи;
технико-экономический анализ ж оценка качества крепи.
Научные положения, вносимые в защиту:
для условий больших глубин разработки месторождений с опасными проявлениями горного давления в динамической форме не существует крепей, отвечающих эксплуатационным требованиям, а крепи специального назначения, т.е. динамически стойкие, в практике строительства и проектирования подземных предприятий неизвестны;
разработанные методики, включающие расчет многошарнирных крепей замкнутого и незамкнутого очертаний на динамические воздействия с использованием аналитических, экспериментально-аналитических и инженерных методов исследований об исходных и дополнительных полях напряжений и их ориентации вокруг выработки, направлении и энергетических величинах сейсмоволн, а также смещениях элементов крепи в поперечных сечениях выработок позволяют получить надежные параметры конструктивных элементов динамически стойкой крепи;
демпферный слой из высокоподатливых сыпучих материалов и вспененных пластмасс в сочетании с конструктивно встроенными, шарнирами в элементы крепи позволяет ей эффективно функционировать в режиме динамических воздействий горного массива за счет гашения ударных нагрузок со снятием их пиковых значений;
забутовка из сыпучих материалов, вспененных пластмасс или в их сочетании, имеющая расчитанную по ожидаемым смещениям толщину, эффективно гасит динамические проявления горного давления и перераспределяет их вокруг выработки;
шарнирно-податливые железобетонные тюбинги позволяют создать необходимо ограниченную геометрическую изменяемость контура крепи, при этом, напряжения в крепи самоперераспределяются, а эксплуатационная площадь поперечного сечения выработки сохраняется;
использование цельных и разрезных (пешеходно-рельсовых) лотков с центрально расположенной водоотливной канавкой и бесшпаль -ным креплением рельсового пути позволяет в первом олучае успешно эксплуатировать крепь в условиях высокого горного давления или пучения пород со стороны почвы, а во втором - значительно снизить вибрационно-динамические воздействия подвижных грузосоставов на крепь выработок, при этом, применение новых клиновых и крюкообраз-ных быстро соединяющих тюбинги элементов, обеспечивает в целом надежную работу крепи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
необходимым и достаточным объемом лабораторных, заводских и шахтных исследований в условиях глубокого, наиболее удароопасного в России Таштагольского железорудного месторождения;
удовлетворительной сходимостью результатов математического предрасчета прочности крепис обработанными данными натурных измерений;
надежным достижением заданных геометрических и прочностных параметров крепей в течение длительной эксплуатации (5-7 лет) опытно-промышленных конструкций в оообо тяжелых горно-геологичес -ких и технологических условиях.
Научная новизна работы состоит в:
использовании в расчетах крепей на динамические нагрузки информации об измеренных смещениях поперечного контура многошарнирных крепей горизонтальных выработок;
получении новых данных об оперативной адаптации многошарнирной крепи с демпферной забутовкой к конкретной геомеханической обстановке и сведений о деформировании крепи, ее напряженном состоянии, геометрии, несущей способности, устойчивости;
углублении знаний о роли технологических и тектонических факторов в условиях удароопасных рудников при формировании нагру -зок на крепь горизонтальных выработок с демпферной забутовкой;
исследовании механизма взаимодействия геомеханической сие -темы "крепъ-демпфер-массив" в условиях продолжительного во времени натурного эксперимента, включающего в себя результаты измерений давления на крепь, напряжений в ее элементах, геометрической изменяемости крепи, а также нарушенное горных пород вокруг выработки;
разработке оригинальных устройств для скважинных методов оценки напряжений и деформаций в массиве горных пород вокруг выработок с динамически стойкой тюбинговой крепью;
расширении представлений о влиянии горных работ и удароопа-сности близлежащих участков массива на крепь выработок, находящихся в зонах их активного воздействия.
Научная новизна работы подтверждена выдачей автору 12 свидетельств и патентов на изобретения.
Личный вклад автора состоит в:
постановке и решении принципиальных вопросов по конструированию динамически стойкой крепи, разработке программ и методик организации и проведения ее стендовых и промышленных испытаний, анализе и обобщении результатов исследований;
развитии методов расчета многошарнирных крепей на динамические воздействия по данным натурных измерений смещений их поперечного контура;
разработке новой заводской технологии изготовления железобетонных элементов.крепи, новых решений по применению вспененных пластмасс в качестве демпферной забутовки за тюбинговой крепью;
обосновании областей эффективного применения разработанных автором модификаций динамически стойких крепей замкнутого и незамкнутого очертаний;
расширении представлений о влиянии горных работ и роли тектонических факторов в формировании нагрузок на многошарнирнуюфепь
с демпферной забутовкой;
- разработке нормативно-технической и инструктивно-методичес
кой документации на крепь и внедрении ее в промышленное производ
ство.
Практическая ценность работы заключается в следующем:-
- разработаны конструкция многошарнирной динамически стойкой
крепи и инженерный метод ее расчета;
предложены и применены в тюбингах встроенные шарниры, обеспечивающие малоелементность крепи (трехэлементная крепь имеет 10 и более шарниров);
разработан и использован в замкнутых крепях впервые в практике горного дела разрезной лоток, выполненный в виде двух боковых пешеходных и среднего рельсового тюбингов с центральным расположением в последнем водоотливной канавки и бесшпальным креплением рельсового пути;
разработаны простейшие способы и средства соединения элементов тюбинговой крепи в ее поперечном сечении и вдоль выработки;
предложена и освоена новая заводская технология изготовле -ния железобетонных тюбингов;
представлен, утвержден и иэдан в установленном порядке альбом динамически стойких крепей для выработок различного назначения и условий эксплуатации (10 видов);
определены области эффективного применения каждого из видов динамически стойких тюбинговых железобетонных крепей;
разработана и утверждена в- соответствии с ГОСТ необходимая нормативно-техническая и инструктивно-методическая документация на изготовление и применение динамически стойкой крепи КСП.
Реализация работы. Основные разработки.автора реализованы в нормативно-технической (ТУ на тюбинги, рабочие чертежи на металло-формы и тюбинги, документация на виброударную установку для формования элементов железобетонной тюбинговой крепи, а также на уст -ройства для оценки напряжений и деформаций в горном маосиве) и инструктивно-методической (альбом "Унифицирование.сечения горных выработок с динамически стойкой тюбинговой железобетонной крепью"; инструкция по применению "Крепь сборная податливая - КСП"; "Про -грамма и методика стендовых иопытаний крепи КСП") документации.согласованной с региональными службами Госгортехнадзора и утвержденной Госстандартом и Министерством металлургии СССР.
Эти документы изданы массовым тиражом и разосланы в 20 объединений, НИИ и горнообогатительных комбинатов отрасли.
. На шахте Таштагольского рудоуправления НПО "Сибруда" о IS65 и ' IS68 годов по наотоящее время успешно эксплуатируются 2 участка выработок, закрепленных динамически отойкой крепью в особо опасных условиях по горным ударам и технологическим факторам. Ежегодный экономический эффект от применения крепи, расчитанный для рудников НПО "Сибруда" составляет 1010,3 тыс.руб., а для шахтоотроительных
управлений треста "Таштаголшахтострой"-504 тыс.руб. в ценах 1991 года.
Запланировано финансирование работ по оборудованию построенного цеха по производству железобетонных тюбингов динамически стойкой крепи для рудников НПО "Сибруда".
Апробация работы. Материалы диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и получили положительную оценку на УП Всесоюзной конференции по механике горных пород(г.Днепропетровск, 1981 г.), на IX Всесоюзной конференции в МГИ(г.Москва, 1937 ^"Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов", на U Всесоюзном семинаре по горной геофизике (г.Тбилиси,1937 г.), на IX и X Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (г.Кемерово, 1984, 1966 гг.), на У и XI Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (г.Новосибирск,1975,1939 гг.),на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых горных работ" (г.Кривой Рог, I99G г.).
По итогам конкурса прикладных работ Сибирского отделения АН СССР за 1991 г. коллектив ученых, в том числе и автор, за работу "Разработка динамически стойкой тюбинговой крепи горных выработок" награжден дипломом третьей степени.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 31 работе, в том числе в двух монографиях и 12 авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и 'объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, приложений (отдельный том) и содержит 153 страницы машинописного текста, 116 рисунков, 25 таблиц, список использованных источников из 153 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Автор благодарит В.Н.Власова,В.Ю.Изаксона,Г.И.Кулакова,М.В.Ку-рленю.Н.Е.Труфакина.С.В.Ушакову,Е.И.Шемякина за участие-в обсужде -нии отдельных этапов работы и помощь в ее подготовке;глубокую признательность за содействие во внедрении диссертационных разработок в производство автор выражает инженерно-техническим работникам НПО "Сибруда".треста "Таштаголшахторудстрой" и некоторых других организаций бывшего Минчермета СССР - покойному ныне П.Т.Гайдину.а также Б.Ф,Егорову, Ю.М.Карапетяну.В.М.Кирпиченко.В.С.Лялько.И.Ф.Матвееву, В.Н.Никитину,Н.И.Скляру.А.Е.Умнову.В.К.Ширяеву и другим.