Обоснование параметров двухуровневой анкерной крепи для поддержания повторно используемых выработок в условиях шахт Восточного Донбасс

 

На правах рукописи

 

 

 

ПРИВАЛОВ Александр  Александрович

 

 

 

Обоснование параметров

двухуровневой анкерной крепи 

для поддержания  повторно используемых выработок

в условиях шахт Восточного Донбасса

 

 

 

 

 

Специальность 25.00.22 – «Геотехнология

(подземная, открытая, строительная)»

 

 

 

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических  наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Новочеркасск 2011 г.

 

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы».

 

 

 

Научный руководитель –  доктор технических наук, профессор

Страданченко Сергей Георгиевич

 

 

 

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Сарычев Владимир Иванович

 

кандидат технических наук

        Коренной Юрий Петрович

 

Ведущая организация –  ОАО «Научно-исследовательский 
институт горной геомеханики и маркшейдерского дела – Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Санкт-Петербург

 

 

Защита состоится 5 июля 2011 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ (НПИ), аудитория 107, тел./факс: (863-52) 2-84-63, email: ngtu@novoch.ru.

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132).

 

 

Автореферат разослан 3 июня 2011 г.

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета    Плешко Михаил Степанович

 

 

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность работы. Проводимая реструктуризация угольной промышленности РФ предусматривает закрытие нерентабельных предприятий с повышением эффективности работы перспективных шахт и сохранением существующих объемов добычи угля. Это будет возможно при увеличении нагрузок на очистные забои до среднего мирового уровня добычи из очистного забоя. Для обеспечения такого уровня нагрузки на очистной забой его подвигание должно составлять 8-12 м/сут, а для воссоздания подготовленных запасов темпы проведения подготовительных выработок должны быть не менее 15-25 м/сут.

В современных условиях на шахтах Российской Федерации применяют три схемы бесцеликовой технологии: с сохранением выработок для повторного использования; с проведением новых выработок вприсечку к выработанному пространству; с проведением спаренных выработок с выемкой целика между ними смежной лавой.

Наиболее прогрессивной схемой бесцеликовой технологии является технология подготовки и отработки пластов  сохранением выемочных выработок на границе с выемочным пространством при отработке смежной лавы.

В настоящее время бесцеликовая технология разработки угольных пластов с повторным использованием выемочных выработок благодаря ученым ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского, других отраслевых, учебных и научно-исследовательских институтов, а также большому объему шахтных исследований и производственных экспериментов получила широкое применение на шахтах РФ, отрабатывающих пласты тонкие и средней мощности.

В последнее время в научной  и технической литературе появились  сведения об успешном применении анкерных крепей различных конструкций для крепления подготовительных выработок. Однако наблюдаются, и довольно часто, случаи перекрепления и ремонта подготовительных выработок. Вопросам решения задач скоординированного метода крепления повторно используемых выработок и посвящена данная работа.

Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию.

 

Целью работы является научное обоснование параметров крепления и поддержания повторно используемых выемочных выработок, закрепленных двухуровневой анкерной крепью, обеспечивающих компенсацию максимальных смещений пород в зоне интенсивного горного давления и воспроизводство фронта очистных работ при скорости его подвигания 8-12 м/сутки.

 

Идея работы состоит в том, что устойчивость повторно используемых выработок обеспечивается созданием несущего слоя пород путем применения двухуровневой анкерной крепи глубокого заложения и высокой несущей способности в сочетании с усиливающей крепью.

 

Задачи исследований:

-установление закономерностей и количественных показателей разрушения и смещения пород в кровле и боках выработок в различные периоды их поддержания и определение основных причин неработоспособности применяемых видов крепей;

-определение параметров анкерной крепи повторно используемых выемочных выработок, обеспечивающих надежное поддержание кровли и боков в течение всего срока службы без применения рамных крепей;

-разработка паспортов безремонтного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок для типовых горно-геологических условий.

 

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ сведений, содержащихся в литературных и патентных источниках, экспериментальные шахтные и лабораторные исследования в сочетании с аналитическими методами обработки их результатов.

 

Положения, защищаемые в  диссертации:

1. Анкерная крепь второго уровня, установленная в повторно используемой выработке при смещениях пород кровли до 50 мм после установки основной анкерной крепи, создает несущий слой пород, воспринимающий нагрузки от вышележащих деформированных пород кровли, которые возникают в зоне влияния очистных работ, несущая способность которого уменьшается с увеличением смещений в повторно используемой выработке.
2. Снижение степени влияния призмы сползания в боках повторно используемых выработках, закрепленных как рамной, так и анкерной крепью, достигается установкой в них анкерной крепи с длиной стержня, определяемого прочностью боковых пород, не превышающей 2,0 метра.
3. Единый паспорт крепления, включающий двухуровневую сталеполимерную анкерную крепь с длиной анкерного стержня 3,0 метра и более, усилием закрепления стержня в породе – 130-160 кН, определяющий последовательность установки сталеполимерной анкерной крепи и первого и второго уровня с учетом прочности вмещающих пород, пролета выработки и коэффициентов обрушаемости и устойчивости обеспечивает устойчивое состояние повторно используемых выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ.

 

Научная новизна работы:

1. Установлено, что в интервале времени до крепления выработок усиливающей анкерной крепью на любой стадии интенсивности горного давления смещения пород кровли не должны превышать 50 мм; смещения 50, 100, 150, 200 мм ведут к снижению несущей способности консолидируемой системы «деформированные породы, прошитые анкерными стержнями» на 10, 45, 55, 60 процентов соответственно.
2. Установлено, что за счет призм сползания в боках выработок  происходит приращение пролета на величину удвоенной величины смещения пород кровли в середине выработки и составляет 0,3-1,5 метра. Для устранения этих негативных явлений в боках выработок устанавливается  анкерная крепь с длиной анкерного стержня, определяемой глубиной расположения выработки и составляющей 2,2-5,2 метра, при этом ширина зоны разрушения пород в боках для средних глубин в 2,0-2,5 раза, а на больших глубинах - в 1,5-2,0 раза меньше ширины призмы сползания при условии, что разрушение пород происходит в условиях одноосного сжатия. На большем расстоянии породы призмы сползания находятся в условиях объемного сжатия, анкерные стержни длиной 2,0 м и более, закрепленные в этой области, имеют величину усилия выдергивания 60-80 кН, обеспечивая при этом уменьшение смещения пород в боках выработок до 200-250 мм.
3. Установлено, что податливая анкерная крепь второго уровня глубокого заложения с длиной анкерного стержня 3,0 и более метров в сочетании с основной рамной или анкерной крепью предохраняет породы кровли от неуправляемого процесса развития деформаций, замедляет процесс разрушения кровли, и в сочетании с усиливающими подпорными стойками и охранными конструкциями обеспечивает безремонтную эксплуатацию повторно используемых выработок.

 

Достоверность и обоснованность научных  положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием апробированных аналитических и экспериментальных методов, представительным объемом данных, полученных в лабораторных и натурных условиях (выполнены исследования на моделях из эквивалентных материалов с применением численного метода МКЭ на 10 замерных станциях в угольных шахтах), хорошей сходимостью расчетных и фактических параметров работы анкерной крепи выработок.

 

Научное значение работы состоит в получении новых зависимостей взаимодействия системы «слоистый массив – двухуровневая податливая анкерная крепь глубокого заложения» в повторно используемых выработках.

 

Практическое использование  работы заключается в следующем:

1. Результаты работы нашли применение  при проектировании паспортов крепления выработок проектными организациями и широко используются в учебном процессе, что отражено в учебных пособиях.

2. Разработаны паспорта поддержания и крепления бесцеликовых повторно используемых выработок на основе двухуровневой анкерной крепи и определены их рациональные параметры для типичных условий угольных шахт России.

 

Реализация работы. Результаты работы использованы при креплении кровли анкерной крепью на шахтах ОАО «Гуковуголь» и Донуголь».

 

Апробация. Основные результаты исследований рассматривались на конференции «Неделя горняка», г. Москва, 2003, 2009 гг.; в институте ВНИМИ на совещании по применению анкерной крепи на шахтах РФ, 2005 г.; на конференции Шахтинского института ЮРГТУ, Шахты, 2009 г.; на секции по горному давлению и горным ударам Ученого совета ВНИМИ (Санкт-Петербург, 2009 г.).

 

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из которых 2 монографии, том числе в изданиях, рекомендованных ВАК,            - 3 работы.

 

Объем и структура  диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 81 наименования, приложения и содержит140 страниц машинописного текста, в том числе        4 таблиц и 47 рисунков.

 

Основное СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Вопросам крепления горных выработок  на больших глубинах, в том числе  и с применением анкерного  крепления, было посвящено большое  количество работ. В качестве основополагающих следует отметить работы таких ученых, как Семевский В. Н., Широков А.П., Ардашев К.А., Заславский Ю.З., Глушко В.Т., Кошелев К.Р., Дружко Е.Б., Фисенко Г.Л, Зубов В.П., Кравченко Г.И., Черняк И.Л., Тимофеев О.В., Протосеня А.Г., Козел А.М., Лидер В.А., Штумпф Г.Г., Борисовец В.А., Рева В.Н., Розенбаум М.А., Райский В.В., Мельников Н.И. и др.

Однако, несмотря на научно-технический прогресс, задача поддержания выработок при применении бесцеликовой технологии с повторным использованием выемочных выработок на шахтах полностью не решена.

Проведенные шахтные исследования показали, что при больших смещениях пород в зоне опорного давления первой лавы и, особенно, в периоды поддержания выработок на границе с выработанным пространством происходили вырывания замков или разрывы штанг, что приводило к необходимости установки рамных крепей. Установка в таких условиях рамных крепей не всегда приводила к желаемым результатам.

На угольных шахтах, начиная 1996 года, для крепления повторно используемых выработок применяется сталеполимерная анкерная крепь. В зоне влияния очистных работ устанавливается усиливающая крепь в различных комбинациях. Однако объем выработок, где устанавливается дополнительная анкерная крепь с длинной стержня 3,0 и более метров, незначителен. При проведении выработок вне зоны влияния очистных работ параметры анкерной крепи определяются для смещений 50 мм. Как показали шахтные исследования, через 50-70 суток после проведения выработки смещения в кровле достигают величин 65-90 мм. Высота зоны неупругих деформаций пород кровли достигает значений 3-4 метра, что требует других параметров анкерной крепи. Несмотря на большой объем шахтных измерений и исследований, механизм взаимодействия деформированных вмещающих пород и анкерной крепи остается недостаточно изученным.

Исследование влияния анкерной крепи, установленной в кровлю выработки, на деформирование пород кровли и установление влияния величин смещений при установке основной анкерной крепи осуществлялось на моделях из эквивалентных материалов. В сечении модели выработки анкера в кровле устанавливались после придания слоистым породам кровли смещений 0, 1, 2, 3, 4 мм, что соответствует в масштабе 1:50 смещениям в натуре соответственно 0, 50,100, 150, 200 мм. После установки анкерных стержней модели нагружались ступенчато до ее предельной нагрузки. Диаграмма нагружения модели приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Диаграмма пригрузки модели

 

По мере ступенчатого нагружения кровли выработки делались эскизы характера  деформируемых пород. На эскизе модели без предварительного прогиба, как и на других моделях, появились незначительные трещины в результате принудительного прогиба скрепленных анкерами пород. На модели с прогибом 4 мм межслоевые контакты ослабили массив до такой степени, что последующее введение анкерной крепи не обеспечивало совместной работы слоеной кровли, а лишь способствовало предотвращению просыпания кусков породы в выработку.

Анализ результатов, полученных на моделях из эквивалентных материалов и шахтных измерений, показал, что основная анкерная крепь, установленная в кровле сразу после обнажения выработки, препятствует расслоению и сдвиговым деформациям пород. Штанги крепи испытывают максимальные растягивающие усилия. Поэтому в выработках, пройденных даже вне зоны влияния очистных работ, в отличие от требований действующих нормативных документов, должны устанавливаться демпфирующие элементы с конструктивной податливостью не менее 40 мм.