Разработка способов проведения и средств крепления широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на шахтах Воркутского месторождения

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 5−10тыс.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. З., Мостков В. М., Зубов В. П., Райский В. В., Рева В. Н., Розенбаум М. А., Привалов A.A., Долот-кин Ю.Н., Калинин С. И., Штумпф Г. Г., Ремизов A.B., 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.

2. Разработать на основе выявленных закономерностей способ крепления широких выработок, технологию их проведения и конструкцию крепи, обеспечивающих их устойчивое состояние.

3. 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 источникахнатурные эксперименты в условиях шахт «Заполярная», «Комсомольская», «Северная», «Воргашорская» — моделирование с помощью эквивалентных материалов в лабораторных условияхстатистическую и аналитическую обработку результатов исследований, полученных в натуре и на моделях.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. 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 анкера повышенной длины на границе заходок.

2. 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.

3. 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 5−10 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.

3. 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 за-ходок. Получена зависимость величины устойчивого обнажения кровли в заходках, при минимальном её смещении, от ширины и длины заходок, мощности и прочности пород кровли.

4. 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 3-х 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 окончательной 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 (Санкт-Петербург, 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 130 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35″ рисунков, список используемой литературы из 63 наименований.

Выводы по главе.

1. В настоящее время отсутствуют способы эффективного проведения и применения широких выработок, обеспечивающих их устойчивость при проведении и последующей эксплуатации, максимально учитывающие горно-геологических особенности залегания пород и условия эксплуатации выработок.

2. Разработана и испытана конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой заложено требование обеспечения постоянного сопротивления узла податливости, которое достигается и-образной в поперечном сечении формой планки замка, выполняемой из переформированного отрезка спецпрофиля и обладающей пружинящими свойствами при воздействии на крепь нагрузок со стороны пород кровли.

Исследования показали, что применение такой конструкции крепи выработок позволяет в три раза уменьшить величину смещений кровли и обеспечить устойчивое состояние выработки.

3. Установлено, что применение технологии проведения широкой выработки заходками по её ширине позволяет применять их параметры, полученные из условия обеспечения минимальных смещений и расслоений пород в заходке до возведения крепи. Получена зависимость устойчивого обнажения кровли в заходках от их ширины и длины, мощности и прочности породных слоев кровли.

4. Испытаны четыре схемы проведения широких выработок с использованием заходок, которые крепили арочной рамной и комбинированной крепью. Наименьшие смещения пород кровли отмечены при проведении выработки заходками, параметры которых определялись по полученной автором зависимости. Параметры сталеполимерной анкерной крепи определены в соответствии с шириной заходки, а на границе заходок устанавливалась крепь усиления, состоящая из анкеров крепи большой длины. Исследования показали, что величины смещений в этом случае в 4−7 раз меньше, чем в базовом варианте при проведения выработки сразу на полную ширину и креплении выработок металлической рамной крепью.

Заключение

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи выбора способов проведения и крепления широких выработок, что имеет важное практическое значение для повышения эффективности применения современных средств комплексной механизации при подземной разработке угольных пластов.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Существующие виды рамной крепи и принятая технология проведения выработок шириной 6,5−10,0 м не обеспечивает их устойчивого состояния, при этом величины конвергенции пород в зоне опорного давления достигают 800−900 мм и более и для поддержания выработок в эксплуатационном состоянии требуются дополнительные мероприятия и значительные затраты по усилению крепи и по перекреплению выработок.

2. С увеличением ширины выработок от 5 до 10,0 м при прочих равных условиях величины смещений в них увеличиваются в 1,5−2,5разра. В выработках одинаковой ширины с увеличением прочности пород с 30 до 60 МПа смещения кровли уменьшаются в 2−3,5 разапри увеличении глубины работ с 400 до 1000 м смещения увеличиваются в 1,8−2,0 раза.

3. Технология проведения широких выработок заходками позволяет применять параметры крепи, полученные из условия обеспечения минимальных смещений и расслоений пород кровли в отдельных заходках. Получена зависимость площади устойчивого обнажения кровли в заходках от их ширины и длины, мощности и прочности пород кровли.

4. При проведении широких выработок заходками и креплении кровли анкерами различной длины, короткими в заходках и длинными на её границе со смежной заходкой, деформации и разрушения кровли выработки происходят при более высоком уровне нагрузок, чем при креплении только короткими анкерами, при этом в поперечном сечении широкой выработки минимальные величины смещений кровли происходят в месте установки длинных анкеров. В выработках, пройденных в массиве, длинные анкеры (£>В/2) в данном случае можно рассматривать в качестве дополнительной опоры, вблизи которой смещения кровли в выработке практически отсутствуют.

5. Разработана и испытана новая конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой заложено требование обеспечения постоянного сопротивления узла податливости, которое достигается и-образной в поперечном сечении формой планки замка, выполняемой из переформированного отрезка спецпрофиля, обладающей пружинящими свойствами при воздействии на крепь нагрузок со стороны пород кровли.

6. Разработаны и испытаны четыре схемы проведения широких выработок с использованием заходок и креплении их анкерной и комбинированной крепями. При этом наименьшие смещения кровли имеют место в выработках с применением анкерной крепи различной длины, устанавливаемой в заходках и на их границе.

7. Разработана методика расчета параметров анкерной крепи широких выработок, отличительной особенностью которой является: определение параметров коротких анкеров по величине смещений кровли только в заходках и длинных — с учетом всей ширины выработки, использованием зависимости величины смещений кровли в выработках от её ширины и определение количества и параметров заходок с учетом устойчивости кровли в них и общей ширины проводимой выработки.