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

Повторно используемые выработки в зоне влияния очистных работ крепятся дополнительной крепью. Существует два варианта дополнительной усиливающей крепи.

При выборе первого варианта крепи  усиления гидравлические стойки устанавливаются под подхваты. При смещениях более 200 мм, слоистая породная конструкция, прижатая анкерными стержнями основной крепи, теряет свою несущую способность, а стойки усиления вместе с подпорными элементами удерживают расслоившиеся породы. В этой ситуации нередки обыгрывание подпорных элементов и вывалы породы в выработку, что подтверждается результатами многочисленных наблюдений в шахтных условиях.

При выборе второго варианта в период проведения выработки устанавливается первый уровень анкерной крепи. Анкерная крепь с длиной анкерного стержня в интервале 2,0-2,4 метра, обеспечивает формирование упругой, слоистой породной балки. Второй уровень анкерной крепи с длиной анкерного стержня 3,0 метра и более устанавливается на расстоянии 0,1Н до первой лавы. При этом варианте предусматривается снижение применения дополнительных подпорных гидравлических стоек до 80 %.

Проведенные шахтные наблюдения показали, что при втором варианте крепления повторно используемых выработок имеют место случаи установки подпорных стоек в зоне влияния очистных работ. Для установления причин такого положения выполнен комплекс исследований, включающий моделирование на моделях из эквивалентных материалов, шахтные исследования, решение аналитических задач геомеханики.

Проведенные шахтные исследования показали, что анкерная крепь второго уровня устанавливается в повторно используемых выработках, имеющих в кровле и боках деформированные породы.

Анализ зависимости, представленной на рис. 1, показал, что слоистые породные толщи кровли при увеличении смещений теряют свою несущую способность. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете параметров анкерной крепи путем введения коэффициента повышения несущей способности крепи. Значение коэффициента повышения несущей способности анкерной крепи второго уровня составляет 1,1-1,6 и принимается в зависимости от величины смещения пород кровли в период между установкой анкерной крепи первого уровня и установки анкерной крепи второго уровня. Применение коэффициента повышения несущей способности анкерной крепи второго уровня при определении параметров анкерной крепи подтверждается с исследованиями, представленными на рис. 2.

Консолидируемая несущая способность  системы «слоистый массив – двухуровневая податливая анкерная крепь глубокого заложения» в значительной степени зависит от размеров призм сползания в боках выработки. Для установления механизма деформирования пород в боках выработок и определения параметров анкерной крепи, устанавливаемой в боках выработок, устанавливались усилие бокового распора и длина анкерного стержня:

.     (1)

В уравнении (1) силы бокового распора  , вызывающие разрушение в боках выработок, определяется по выражению

,     (2)

 

Рис. 2. Зависимость снижения несущей способности породной толщи от смещений

где - коэффициент концентрации опорного давления; - средний объемный вес массива; - глубина заложения выработки от поверхности; - коэффициент бокового распора; - высота выработки.

Силы трения препятствуют отжиму разрушенных пород в боках выработки и определяются выражением

,    (3)

здесь - сопротивление крепи отжиму; - коэффициент трения пласта с породами кровли и почвы; - глубина зоны разрушенных пород в боках выработок; - мощность разрушаемых пород в боках выработки.

Максимальное значение силы отжатых  пород в выработку  определяется выражением

,     (4)

здесь - объемный вес разрушенных пород в боках выработки.

После окончательных преобразований требуемое сопротивление анкерной крепи в боках выработки можно определить по формуле

.    (5)

В последнем случае глубина зоны разрушения пласта определяется по формуле

.   (6)

Результаты расчетов по формулам (5,6) сведены в табл. 1.

Анализ результатов приведенных  в табл. 1 позволяет сделать вывод, что исключить разрушение боковых пород даже на глубинах до 100 м невозможно. Глубина анкерования боков выработки находится в пределах 2,2-5,2 и более метров.

Большой объем шахтных измерений  глубины зоны разрушения боковых пород в зоне влияния очистных работ позволяет сделать вывод, что определяемая по выражению (7) глубина начала разрушения пород в боках соответствует фактическим данным.

Таблица 1

Глубина разработки, м	Сопротивление крепи, кН/м			Значение,
	=0	=1	=
200	18·103	2·102	60	2,2
300	24·103	5·102	70	2,6
400	36·103	9·102	80	3,0
500	44·103	15·102	90	3,2
600	-	-	100	3,6
700	-	-	110	4,0
800	-	-	120	4,4
900	-	-	130	4,8
1000	-	-	140	5,2

 

,      (7)

где R_сб - прочность пород на одноосное сжатие боковых пород.

Одновременно было установлено, что  на глубинах, значительно превышающих , ширина зоны разрушения пород в боках в 2,0-2,5 раза меньше ширины призм сползания, а на глубинах, значительно превышающих , больше их ширины в 1,5-2 раза. Следовательно, если принимать на всех глубинах, превышающих , одинаковые параметры анкерной крепи в боках и в кровле, то это будет противоречить реальным процессам, которые развиваются в породах кровли и боках выработки.

По результатам шахтных испытаний по выдергиванию анкерных стержней, установленных в условиях объемного сжатия, усилия выдергивания составляют 60-80кН и обеспечивают удержание призмы сползания пород в боках выработок. Проведенными шахтными испытаниями по выдергиванию анкерных стержней установлено, что длина анкерных стержней, установленных в боках выработок, определяется пределом прочности пород на одноосное сжатие, а зависимость представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Зависимость длины анкерного стержня от предела прочности пород

на одноосное сжатие в зоне влияния очистных работ

 

Параметры анкерной крепи для повторно используемых выработок в условиях крепких вмещающих пород имеют два варианта.

Первый вариант - без установки анкерной крепи в боках в повторно используемых выработках. В этом случае параметры анкерной крепи в кровле выработки определяются с учетом приращения пролета выработки от смещений пород кровли. По результатам моделирования с применением численного метода МКЭ и анализа аналитических расчетных схем получена зависимость, учитывающая приращение пролета выработки с учетом смещения пород кровли для глубин 600-900 метров, которая приведена на рис. 4.

 

Рис. 4. Зависимость приращения пролета выработки от величины смещения

 

Длина анкерного стержня, по действующей  методике расчета параметров анкерной крепи, увеличивается на 10-15 %.

При втором варианте крепления повторно используемых выработок в боках выработки устанавливается анкерная крепь с параметрами, приведенными на рис. 3. Этот вариант не требует учета приращения пролета выработки.

Проведенные шахтные измерения  и анализ работ других исследователей показали, что принятые паспорта крепления повторно используемых выработок рамными арочными и трапециевидными крепями являются нерациональными, имеют высокий показатель металлоемкости и трудоемкости установки. Они нетехнологичны, имеют высокую степень опасности при извлечении для повторного использования.

Рамные крепи практически не оказывают требуемого сопротивления смещению кровли, что приводит к снижению эффективности ее поддержания стойками усиления.

Анкерная крепь обеспечивает качественный контакт пород и крепи. Анализ состояния расчета параметров анкерной крепи показал, что для поддержания кровли в подготовительных выработках необходимо рассчитывать параметры анкерной крепи. К основным параметрам следует отнести длину анкеров, общее сопротивление анкерной крепи и плотность расстановки анкеров. Анкерная крепь формирует в породах кровли породные слоистые балки, которые обеспечивают устойчивость выработок.

Скрепленная анкерными стержнями слоистая кровля представляет собой составную балку, несущая способность которой определяется сопротивлением нижних слоев на растяжение. Предполагается, что момент сопротивления составной балки всегда больше суммы моментов сопротивления отдельных слоев, но меньше момента сопротивления одной балки, имеющей высоту, равную пачке слоев. Проведенные исследования на шахтах Восточного Донбасса и других угольных бассейнов показали, что слоистые кровли представляют многослойные породные балки с числом слоев от 2 до 5, для которых устойчивая кровельная балка должна иметь толщину не менее       3,0-3,5 метров. Обобщенные зависимости толщины породных балок по результатам шахтных измерений приведены на рис. 5.

 

 

Рис. 5. Зависимость толщины балки от пролета выработки:

1 ряд - толщина многослойной балки; 2 ряд - толщина однослойной балки

 

Результаты шахтных измерений  несущей способности существующих видов и типов анкерной крепи указывают на то, что технологически в большинстве выемочных выработок для применения анкерных стержней 3,0-3,5 и более метров необходимо применять составные анкерные и податливые анкерные стержни. В настоящее время для крепления выработок широко используется сталеполимерная анкерная крепь. По результатам шахтных измерений, она имеет несущую способность 130-160 кН/м, имеются равнопрочные узлы для соединения составных анкеров, разработано множество различных узлов податливости. Проведенные шахтные эксперименты различных узлов податливости показали, что их конструкции сложны в изготовлении или имеются трудности при их установке. Наиболее надежными в работе являются гидравлические клапана, разработанные и испытанные в шахтных условиях, которые обеспечивают надежные параметры податливости анкерной крепи.

Применение двухуровневой анкерной крепи для крепления повторно используемых выработок на экспериментальных  участках шахт Восточного Донбасса и промышленного крепления этих выработок на шахтах Кузбасса подтверждает эффективность поддержания пород в кровле и боках повторно используемых выработок. В отличие от базовых, на экспериментальных участках с двухуровневой крепью изменился характер деформирования вмещающих пород, крепь полностью обеспечивала рабочее состояние исследуемых выработок. После подхода лавы к экспериментальным участкам основную нагрузку смешащейся кровли воспринимали анкера и верхняки анкерной крепи. Смещения пород кровли и боков со стороны лавы постепенно возрастали и достигли 250-300 мм. На экспериментальных участках выработки с двухуровневой анкерной крепью сохранились в рабочем состоянии без существенных деформаций.

Экспериментальные работы по установлению степени влияния сталеполимерной анкерной крепи на состояние пород вблизи выработок проводились в натурных условиях. Наиболее продолжительные исследования проводились на шахтах «Ростовская» и «Дальняя» ОАО «Гуковуголь», а также на шахте «Шерловская – Наклонная» ОАО «Донуголь».

Существующие методики позволяют в каждых конкретных условиях определить требуемые параметры крепи выемочных выработок и другие необходимые способы и средства поддержания бесцеликовых повторно используемых выемочных выработок. Однако для апробации рассчитанных паспортов крепления повторно используемых выработок необходимо проведение шахтных исследований характера и показателей проявлений горного давления для оценки и корректировки принятого паспорта.

Проведенный комплекс исследований показал, что по аналогии с паспортами для рамных крепей на угольных месторождениях с мощностью пластов в диапазоне от 0,7-2,5 метра, все паспорта крепления двухуровневой анкерной крепью возможно объединить в один типовой паспорт. Предложенный паспорт отвечает требованиям, предъявляемым к параметрам анкерной крепи в повторно используемых выработках с учетом величин смещения пород в кровле и боках, коэффициентов по обрушаемости и устойчивости, а также ширины пролета выработки. Рекомендации типовых паспортов крепления повторно используемых выработок приведены в табл. 2, 3.

 

 

Схема обоснования паспортов крепления повторно-используемых

выработок

Таблица 2

Типизация горно-геологических и горнотехнических условий отработки пологих угольных пластов	Крепи	Типовые паспорта
с учетом характера и показателей проявлений горного давления, мощности пласта m=07-2,5 метра, ширины выработки до 6 метров, смещения вмещающих пород вокруг выработки, глубины от поверхности, свойств пород кровли, определяющих их устойчивость и обрушаемость	рамные, анкерные, комбинированные	1.
		2.
Форма выработки	Плоская кровля при мощности непосредственной кровли не превышающей              0,3-0,4 м;
		3
	Арочная при мощности непосредственной кровли более 0,3-0,4 м
Легкообрушаемая кровля	Сопротивление посадочной крепи                   Rкр =1200-1300 кН/м
Труднообрушаемая кровля	1. Сопротивление посадочной крепи Rкр =2000-2200 кН/м; 2. Сопротивление посадочной крепи Rкр =1200-1300 кН/м и усиливающая крепь с сопротивлением Rcт=800 кН/м; 3. Сопротивление посадочной крепи Rкр =1200-1300 кН/м с применением принудительного обрушения