Эффективные средства и технологии



Предыдущая | Следующая

 

Эффективные средства и технологии поддержания выемочных подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях БЕЛИКОВ Виктор Васильевич Канд. техн. наук, Заместитель генерального директора ОАО «ШахтНИУИ» Проблема обеспечения устойчивости подготовительных выработок выемочных участков является одной из основных проблем подземной разработки угольных пластов, без решения которой невозможны обеспечение безопасности горных работ и повышение технико-экономической эффективности эксплуатации угольных шахт. Научные исследования и практика работы шахт показывают, что при стоимости проведения и крепления 1 км подготовительных выработок в пределах от 20 до 45 млн руб. современным требованиям экономически эффективной и безопасной угледобычи на шахтах Российской Федерации, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 0,85—2 м, наиболее полно отвечает технология сохранения выработок для повторного использования с помощью применения эффективных анкерных крепей, крепей усиления и искусственных охранных конструкций.
Однако практика применения на шахтах, отрабатывающих пласты мощностью до 2 м в сложных горно-геологических условиях (большие глубины разработки, наличие зон повышенного горного давления, слоистые и трещиноватые породы непосредственной кровли и труднообрушающиеся породы основной кровли) существующих видов анкерных крепей и крепей усиления с рабочей несущей способностью 50—150 кН/м2, а также существующих охранных конструкций показала их недостаточную техническую и экономическую эффективность или безопасность применения.
При выборе их параметров в соответствии с действующими нормативными документами [1,2] состояние охраняемых выработок часто является неудовлетворительным.
Неудовлетворительное состояние выработок ухудшает условия проветривания выемочных участков, снижает безопасность ведения горных работ, вызывает необходимость выполнения в них трудоемкого и дорогостоящего ремонта, что снижает нагрузки на очистные забои и в конечном итоге приводит к неэффективной работе шахт.
Проведенные теоретические и шахтные исследования показали, что основными причинами неудовлетворительного состояния выемочных выработок, поддерживаемых в сложных горно-геологических условиях, являются:
— недостаточные начальное натяжение и прочность, а также значительная неравномерность нагружения отдельных анкеров, связанная с ранним срабатыванием податливых опорных пластин при использовании известных конструкций анкерной сталеполимерной крепи (типа АСП, А16В, А20В и др.);
Maket-07_06.indd 19 — низкая прочность существующих металлических подхватов и решетчатой затяжки толщиной 2-5 мм, приводящая к их прорыву или разрыву;
— невысокая несущая способность и вдавливание в почву существующих крепей усиления;
— излишняя податливость и недостаточная несущая способность существующих охранных конструкций (деревянных органных рядов, бутокостров, тумб из железобетонных и деревяннобетонных блоков и литых полос из фосфогипса).
Проведенные теоретические исследования и расчеты показали, что смещения слоистой заанкерованной кровли подготовительных выработок при упруго-пластических ее деформациях можно уменьшить в 1,5 – 3 раза при повышении рабочего сопротивления и начального отпора анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в 2 – 6 раз, соответственно до 200 – 450 кН/м2 и 40 – 90 кН/м2.
С учетом теоретических исследований разработаны и апробированы на практике новые средства и параметры анкерного крепления, крепи усиления и бесцеликовой охраны выемочных штреков, поддерживаемых в сложных горно-геологических условиях.
Они включают высокопрочные сталеполимерные анкеры типа АСР1, АСГ1 и АСГ2 длиной от 2 до 4,2 м, с прочностью на разрыв стержня по резьбовой части 190 – 330 кН и податливой опорной пластиной толщиной 6-9 мм, срабатывающей при усилии 130 – 270 кН. Конструкция анкера обеспечивает равномерное нагружение опорной пластины при углах отклонения анкеров от нормали к кровле до 20о и создание при установке анкеров их начального натяжения величиной 45 – 90 кН.
Для дополнительного усиления анкерного крепления выработок в сложных горно-геологических условиях разработаны канатные анкеры типа АК и АКШ1 прочностью на разрыв 175 – 260 кН и длиной до 6 м. Для поддержания неустойчивых пород кровли в промежутках между высокопрочными анкерами разработаны высокопрочные металлические полосовые анкерные подхваты ПМАП толщиной 6 – 8 мм и шириной 120 – 150 мм, подхват-затяжка ПЗ с толщиной основных прутков 20 мм и промежуточных 8 мм и решетчатая затяжка ЗРОМ. В качестве крепи усиления за первым очистным забоем в повторно используемой подготовительной выработке устанавливаются под подхват анкера две – три податливые стойки из СВП27 с двумя – тремя замками типа ЗПК ИЮЛЬ, 2006, “УГОЛЬ” 19 30.06.2006 11:23:14
ПОДЗЕМНЫЕ РАБОТЫ и с металлической опорой у почвы размером 200?200 мм. Указанные крепи усиления имеют рабочее сопротивление 600 – 900 кН на 1 м длины выработки.
В наиболее тяжелых условиях и при наличии пучащей почвы в качестве дополнительной крепи усиления используются выкладываемые под кровлю через 1,8 – 4,5 м примерно по оси штрека или со смещением в сторону лавы тумбы из деревянно-бетонных блоков. Вместо тумб из блоков БДБ могут применяться литые опоры размером 1?1 м, заполняемые быстротвердеющим составом с начальным распором до 300 кН. Несущая способность одной тумбы достигает 3 000 – 4 000 кН, а литой опоры — до 20 000 кН.
В результате в зоне интенсивных проявлений горного давления за первым очистным забоем суммарное расчетное сопротивление анкерной крепи и крепи усиления достигает 380-700 кН/м2. С учетом неравномерности нагружения анкеров и крепей усиления фактическое рабочее сопротивление анкерной крепи и крепи усиления при предлагаемых паспортах крепления выемочных выработок составляет не менее 240-450 кН/м2.
Для использования в виде охранных конструкций предлагаются разработанные при участии автора тумбы из деревянно-бетонных блоков (БДБ), диаметром 630 или 800 мм и высотой 110 – 115 мм, весом 37 – 55 кг, с податливостью 6,5 – 25 % и несущей способностью в шахтных условиях 3000 – 4000 кН [3-4]. Тумбы из блоков БДБ используются в настоящее время при охране более 60 % повторно используемых штреков на шахтах Российского Донбасса.
В наиболее тяжелых горно-геологических условиях (при неустойчивой кровле и пучащей почве) целесообразно использовать в качестве охранных конструкций литые опоры, представляющие собой оболочки из водопроницаемого негорючего материала, которые заполняются быстротвердеющим составом (бетоном, раствором, фосфогипсом и т. д.) [4]. При установке опор используется опалубка из деревянных или металлических стоек (3-4 стойки на 1 м), которые через 1-2 сут снимаются и используются повторно.
Литые опоры могут изготавливаться различных размеров (1?1 м, 2?1 м и т. д.) и высотой до 3 м. После установки в механизированной или в индивидуальной опалубке с шагом, кратным шагу передвижки механизированной крепи (1,6-2,4 м), литые опоры заполняются с помощью как вновь разработанного, так и серийно выпускаемого оборудования, быстротвердеющим составом.
Несущая способность литых опор по результатам испытаний составляет 16 000 – 30 000 кПа при их податливости 10-15 % вынимаемой мощности пласта. При необходимости вместо литых опор возможна выкладка на берме или прямо на штреке сплошных литых полос с максимальной несущей способностью свыше 20 000—30 000 МПа и шириной 1 – 1,5 м.
Предлагаемое оборудование и технология возведения литых опор и полос позволяет механизировать, в отличие от существующих технологических схем, разгрузку из шахтных вагонов с подачей на расстояние до 100 м компонентов быстротвердеющего состава (щебня, песка, цемента, фосфогипса и т. д.),
приготовление и подачу бетона (раствора) с размером фракций 1 – 30 мм бетоносмесителем-пневмонагнетателем при минимальных трудозатратах и низком уровне запыленности. По сравнению с использованием тумб из блоков БДБ внедрение литых опор или полос снижает примерно на 10 – 15 % эксплуатационные затраты, однако требует значительных капитальных затрат на создание инфраструктуры на поверхности шахт по хранению и подготовке твердеющих материалов и изготовлению оболочек.
На пластах с неустойчивой кровлей или почвой литые опоры рекомендуется устанавливать непосредственно в выемочных подготовительных выработках за первым очистным забоем, что позволяет резко сократить конвергенцию боковых пород.
Определение технической и экономической эффективности разработанных средств анкерного крепления, крепи усиления и охранных конструкций проведено в повторно используемых выемочных выработках шахт Российского Донбасса при глубинах разработки от 200 до 1 000 м.
Наиболее тяжелые условия для работы анкерной крепи создаются при охране выемочных выработок раздавливаемыми угольными целиками размером от 5 до 15 м на пластах с труднообрушающейся кровлей, поэтому именно в этих условиях действующая Инструкция [1] не предусматривает крепления выработок анкерной крепью. Однако на шахтах Восточного Донбасса около 35 % выработок охраняются угольными целиками с размерами от 5 до 15 м.
Проверку надежности работы анкерной крепи АСР1 при размере охранных угольных целиков от 5 до 12 м производили в штреке № 210 на шахте им. М. Чиха (глубина заложения — 500 м) и в штреках № 239 и 255 шахты «Западная-Капитальная» (глубина — 740 – 750 м). Непосредственная кровля в указанных выработках сложена среднеустойчивым слоистым песчано-глинистым сланцем прочностью 40 – 60 МПа и мощностью 1,2-1,8 м, а основная кровля представлена труднообрушающимся песчаным сланцем и песчаником прочностью 90 – 130 МПа.
Ранее в указанных выработках кровля крепилась распорнозамковыми анкерами типа ЭС1М и АШ1 с несущей способностью крепи до 50 – 60 кН/м2. В зоне влияния первого очистного забоя в штреках устанавливалась трапециевидная рамная металлическая крепь типа КПС со средней стойкой усиления с расчетной несущей способностью до 560 кН на раму. Охрана штреков для повторного использования производилась раздавливаемыми угольными целиками шириной 8 – 12 м или 1 – 2 рядами бутокостров в сочетании с деревянным органным рядом. Смещения кровли за первым очистным забоем в этом случае составляли от 400 до 700 мм. Поэтому перед повторным использованием требовалось осуществлять перекрепление штреков.
При попытке применения в аналогичных условиях на шахтах ОАО «Ростовуголь» сталеполимерных анкеров из стали Ст. 5 (типа АСП) с резьбовой частью под гайку М20 и прочностью на разрыв до 110 кН, 25 – 40 % анкеров в кровле штреков были разрушены, что привело к необходимости перекрепления штреков.
Крепление кровли штреков анкерной сталеполимерной крепью АСР1 с прочностью на разрыв до 270 – 330 кН осуществлялось за 10 – 15 м до линии первого очистного забоя при их проведении или перекреплении. Анкеры длиной 2,1 м закреплялись в шпурах практически по всей их длине. В качестве опорных элементов использовались полосовые подхваты толщиной 8 мм и податливые опорные пластины толщиной 8 мм. Плотность установки анкеров составляла 1 анкер на 1 м2 кровли. Решетчатая затяжка между подхватами не устанавливалась. Анкеры устанавливались с начальным натяжением 35 – 55 кН при среднем значении около 45 кН. Установка анкеров с большим начальным натяжением способствовала практически полному отсутствию в кровле трещин расслоения. По данным исследований, с помощью оптического щупа типа РВП457 только в двух из тридцати обследованных шпуров отмечалось наличие 1 – 2 трещин расслоения с раскрытием 0,1 – 0,2 мм. Длительные измерения величины рабочего натяжения анкеров с помощью динамометрического ключа и динамометров показали, что в указанных условиях среднее рабочее натяжение анкеров составляло 110 – 130 кН, при минимальном значении 50 кН и максимальном — 217 кН.
При использовании высокопрочных анкеров типа АСР1 смещения кровли по оси указанных штреков не превышали 109 – 135 мм, а со стороны деформируемого угольного целика — 200 мм. При этом вывалы кровли в штреках отсутствовали, и после зачистки почвы обеспечивалось повторное использование штреков без их перекрепления.
Экономический эффект от крепления штреков анкерной сталеполимерной крепью АСР1 по сравнению с вариантом их крепления анкерно-рамной металлической крепью только за счет снижения затрат на крепь на шахте им. М. Чиха и «Западная-Капитальная» составил более 7,5 – 10 млн руб. на 1 км длины штрека в ценах 2005 г.
В штреках № 02 и 04 шахты «Дальняя» ОАО «Гуковуголь» (глубина горных работ — 550-600 м) кровля сложена трещиноватым и слоистым песчано-глистным и песчаным сланцем прочностью 50 – 80 МПа. В этих штреках при использовании сталеполимерных анкеров типа АСП и А20В с параметрами, рассчитанными по Инструкции [1], вне зоны влияния очистных работ происходило разрушение 10 – 25 % стержней анкеров или прорыв опорных пластин толщиной 5 мм. Причины этого обусловлены неравномерным натяжением отдельных анкеров, составляющим от 25 до 190 кН. При среднем рабочем сопротивлении анкерной крепи 50 – 65 кН/м2 смещения кровли в штреках превышали 500 – 900 мм, что приводило обрушению пород на высоту 0,5 – 3 м. Попытки усилить анкерную крепь вне зоны влияния очистных работ путем установки рамной металлической крепи типа ТПМК со средней стойкой усиления не дали достаточного эффекта. В результате перед повторным использованием штреки нуждались в дорогостоящем и небезопасном перекреплении.
При креплении данных штреков анкерами типа АСГ1 с резьбовой частью под гайку М22 с рабочим сопротивлением 65 кН/м2 поверхности кровли предотвратить разрушение анкерной крепи и пород кровли также не удалось. При этом более 10 – 15 % анкеров в рядах были разрушены по резьбовой части, а смещения кровли вне зоны влияния очистных работ составили 270 – 360 мм.
При установке на 1 м длины штреков пяти анкеров типа АСГ1 с диаметром резьбовой части М24 с прочностью на разрыв 195 кН, двух анкеров типа АСГ2 или АК1 длиной 3,6 – 4,2 м прочностью 157 или 175 кН, а также 1 – 2 стоек усиления с несущей способностью 150 – 300 кН, при расчетном сопротивлении крепи 280 – 325 кН/м2 и фактическом рабочем сопротивлении крепи 200 – 250 кН/м2, смещения кровли по оси штреков вне зоны влияния очистных работ изменялись в пределах 80 – 140 мм, а вывалы отсутствовали.
В зоне за первым очистным забоем при установке с шагом 0,8 – 0,9 м рамной крепи типа ТПМК и 2-3 стоек крепи усиления, а также использовании для охраны штреков тумб из блоков БДБ в количестве 1,1 тумбы на 1 м длины штрека смещения кровли по оси штреков за первым очистным забоем составили 300 – 350 мм.
Это позволило использовать данные участки штреков повторно после зачистки почвы и замены части стоек крепи усиления с экономическим эффектом более 2,5 млн руб. на 1 км выработки.
В течение 1998 – 2005 гг. крепление выемочных штреков анкерной крепью и (или) охрана их тумбами из блоков БДБ осуществлялись на шахтах «Западная-Капитальная» (глубина заложения штреков — 750 м) и «Юбилейная» (850 м) бывшего ОАО «Ростовуголь», «Обуховская» ОАО «Обуховская» (650 – 750 м), «Замчаловская» (760 – 920 м), «Ростовская» (360 – 500 м), «Западная» (600 – 850 м), «Гуковская» (700 – 1000 м) ОАО «Гуковуголь», «Садкинская» и №37 – 40 ООО «Южная угольная компания». При выборе параметров анкерной или рамной крепи, а также крепи усиления и охранных конструкций, в соответствии с требованиями действующих нормативных документов, состояние повторно поддерживаемых выработок в выработках указанных шахт чаще всего было неудовлетворительным. При использовании разработанных средств и параметров анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций смещения кровли в подготовительных выработках по сравнению с базовыми значениями уменьшились в 1,5 – 3,5 раза, что позволило повысить безопасность работ и во всех выработках получить значительный экономический эффект.
Список литературы 1. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. — С. -Пб.: ВНИМИ. — 2000. — 98 с.
2. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. — Л.:
ВНИМИ. — 1985. — 228 с.
3. Рутьков К. И., Беликов В. В., Беликова Н. В. Охрана повторно используемых выработок тумбами из деревянно-бетонных блоков // Уголь. – 2000. – № 10. – С. 59–61.
4. Каталог рекомендуемых способов управления геомеханическим состоянием горного массива для угольных шахт России.
– М. : ННЦ ГП – ИГД им. А. А. Скочинского. – 2003. – 98 с.