автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Повышение устойчивости присечных выработок, закрепленных арочной металлической крепью

Научно-технический центр по открытым горным работам -Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом (НТЦ-НИИОГР)

На правах рукописи

ГУСЕВ Анатолий Иванович

Повышение устойчивости присечных выработок, закрепленных арочной металлической крепью

(на примере шахт Челябинского бассейна)

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: докт. техн. наук Диманштейн Альберт Семенович

Челябинск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ОПЫТА КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ЧЕЛЯБИНСКОГО БАССЕЙНА.............................................................7

1.1 Горно-геологические условия проведения исследований...................7

1.2 Анализ опыта крепления и поддержания выемочных выработок

на шахтах Челябинского бассейна............................................................11

1.3 Изученность проявлений горного давления в краевых частях пласта.........................................................................................................19

1.4 Условия эксплуатации крепей в присечных выработках, разновидности их конструкций................................................................24

1.5 Выводы.................................................................................................46

1.6 Цель и задачи исследования..................,,...,.........................................48

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

НА КРЕПЬ ПРИСЕЧНЫХ ВЫРАБОТОК..........................................49

2.1 Методика шахтных исследований......................................................49

2.2 Исследование воздействия горного давления на арочную

крепь и механизма ее работы в присечных выработках.........................50

2.3 Исследование геомеханических факторов горного давления

в краевых частях пласта............................................................................58

2.4 Выводы.................................................................................................64

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ КРЕПИ ИЗ СПЕЦПРОФИЛЯ

ПВ................................................................................................................66

3.1 Результаты стендовых испытаний балок из профиля ПВ и податливых узлов из них..........................................................................66

3.2 Результаты шахтных испытаний арочной металлической крепи

из спецпрофиля ПВ...................................................................................72

3.3 Выводы.................................................................................................76

4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ И ЭФФЕКТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРОЧНОЙ КРЕПИ В ПРИСЕЧНЫХ ВЫРАБОТКАХ..................78

4.1 Обоснование параметров установки крепи в присечных выработках................................................................................................78

4.2 Обоснование конструкции арочной металлической крепи

для присечных выработок.......................................................................84

4.2.1 Условия прочности замковых соединений в податливых

узлах крепи.................................................................................................85

4.2.2 Рекомендации по конструкции податливого соединения............88

4.3 Экономическая эффективность применения методических

и технических решений и.........................................................................89

4.3.1 Расчет ожидаемого снижения затрат при дифференцированной плотности установки крепи

по длине присечной выработки................................................................90

4.3.2 Экономическая эффективность при использовании

для изготовления крепи профиля ПВ.........................................................93

4.3.3 Эффективность применения податливого соединения

с установкой замков в специальные пазы..................................................93

4.4 Выводы................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................96

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................98

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С переходом к рыночной экономике возросли требования к эффективности работы предприятий. Это в полной мере относится и к угледобывающим предприятиям.

В настоящее время одной из наиболее прогрессивных технологических схем при разработке угольных месторождений подземным способом является бесцеликовая отработка пластов. При такой технологии разработки выемочные выработки проводятся и поддерживаются вблизи выработанного пространства ранее отработанной лавы (вприсечку), в результате чего снижаются потери угля в целиках и удельный объем проведения выработок. Однако условия эксплуатации таких выработок можно отнести к весьма сложным, поскольку они находятся в зонах опорного давления от смежной, ранее отработанной , а затем и собственной лавы.

Перекрепление таких выработок на многих шахтах Челябинского и других бассейнов производится на всю длину еще до ввода в эксплуатацию очистного забоя. При перекреплении расходуются как трудовые, так и материальные ресурсы, и по затратам перекрепление выработок достигает 120% по отношению к затратам на их проведение. Ремонт выработок увеличивает себестоимость добычи на 34%. Кроме того, рабочие операции при перекреплении являются небезопасными, т.к. возможны вывалы и обрушение пород при демонтаже старой крепи.

Таким образом, рациональное с точки зрения технологии решение влечет за собой существенные затраты, связанные с поддержанием присеч-ных выработок. Поэтому повышение устойчивости присечных выработок является актуальной задачей.

Целью работы является повышение устойчивости присечных выработок, закрепленных арочной металлической податливой крепью в слабых породах.

Идея работы. Идея работы заключается в использовании выявленных закономерностей во взаимодействии арочных металлических податливых крепей

с боковыми породами в присечных выработках для повышения их устойчивости.

Объект исследования. Горные выработки угольных шахт.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Выявить особенности проявлений горного давления в краевых частях пласта.

2. Установить закономерности воздействия горного давления на крепь присечных выработок.

3. Исследовать особенности работы крепей, изготовленных из шахтных профилей СВП и ПВ.

4. Обосновать эффективную конструкцию крепи для присечных выработок, обеспечивающую повышение их устойчивости.

5. Проверить в производственных условиях эффективность предложенных решений.

Основные научные положения:

1. Арочная металлическая податливая крепь в присечных выработках при поддержании боковых пород испытывает изменение направления преобладающей нагрузки по периметру выработки, при этом силовые характеристики крепи реализуются только на 70-80% от проектных.

2. Коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления в краевой части пласта уменьшается со временем в интервалах 0,5-2 года, 2-5 и более 5 лет соответственно на 10-14, 15-21 и 22-25%.

Научная новизна работы:

1. Установлены особенности нагружения крепи в присечных выработках, характеризующиеся изменением направления преобладающей нагрузки по периметру выработки.

2. Определены величины снижения коэффициента концентрации остаточного опорного давления в краевой части пласта во времени после отработки смежной лавы.

3. Предложен показатель сложности условий поддержания подготови-

тельных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений:

Достоверность научных положений подтверждается представительным объёмом экспериментальных исследований, проведенных в девяти присечных выработках трех шахт в течение двух лет, и достаточной сходимостью расчётных значений степени сложности условий проведения присечных выработок с данными натурных наблюдений.

Практическая ценность работы:

1. Предложена методика расчета параметров установки крепи в присечных выработках.

2. Для повышения устойчивости присечных выработок разработана арочная металлическая крепь из нового шахтного профиля ПВ с податливыми соединениями, конструктивно обеспечивающими: контакт замка с внешним профилем (стойкой) по желобу фланца, перемещение замков с соответствующими концами профилей, условия равнопрочности замков профиля на изгиб.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на:

□ международной конференции «Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений» Екатеринбург, ИГД УроРАН, 1996 г;

□ межотраслевом совещании по проблеме «Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности» Екатеринбург, УГГГА, 1997г.;

□ научных семинарах ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского и НТЦ-НИИОГР (1995-1998 гг).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем диссертационной работы: работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 155 страницах машинописного текста, содер-

жит 43 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 105 наименований, и приложения на 38 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук Диманштейну A.C.; докторам технических наук, профессорам Галкину В.А., Корнилкову В.Н.; кандидатам технических наук Батурину О.Б., Назаровой Н.Ю., Протасевичу И.И., Мильману Э.Н., Макарову В.П., Белоглазову Ю.А. за методическую помощь при работе над диссертацией, содержательное обсуждение научных положений и технических решений.

1.СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ОПЫТА КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ЧЕЛЯБИНСКОГО БАССЕЙНА

1.1. Горно-геологические условия проведения исследований

Челябинский буроугольный бассейн расположен в центре крупного

промышленного региона. Вмещающие угольные пласты породы относятся к триасско-юрскому периоду, а по способу накопления - к континентальным осадкам. В процентном отношении слагающие породы угленосной толщи составляют: аргиллиты - 40%, алевролиты - до 30%, песчаники и конгломераты - 25%, угли - 5-15% [1].

Аргиллиты преимущественно слагают почву и кровлю угольных пластов, породные прослойки и межпластовые слои. Прочность их на сжатие составляет 5-30 МПа. Прочностные свойства алевролитов несколько выше, чем у аргиллитов. Песчаники в основном мелкозернистые, часто трещиноватые. Почти повсеместно в песчаниках наблюдается косая слоистость. Прочность песчаника на сжатие 28-40 МПа, реже до 60-80 МПа. В массиве песчаники сравнительно прочные, а при обнажении выработок или воздействии влаги быстро разрушаются. В большинстве случаев песчаники залегают в виде линз небольшой мощности (до 10 м). Конгломераты встречаются очень редко и, как правило, мощность этих слоев не превышает 2-3 м.

В массиве пород наблюдаются многочисленные взаимопересекающие-ся плоскости скольжения, которые понижают устойчивость пород. При увлажнении породы, как правило, размокают и превращаются в вязкую массу. В пределах каждого шахтного поля имеется большое количество геологических нарушений. Угольные пласты имеют значительные колебания по мощности (от 1 до 15м.), залеганию (от пологого до крутого) и разбиты породными прослойками.

В таких условиях, особенно под воздействием очистных работ, происходит интенсивное смещение породного контура выемочных выработок, пучение почвы, деформация и разрушение крепи.

Отличительной особенностью Челябинского бассейна является большая изменчивость пород угленосной толщи, различная степень угленасы-щенности отдельных его площадей и сложное строение угольных пластов.

На рис. 1.1 представлены стратиграфические разрезы угольных пластов, пород кровли и почвы, где в основном сконцентрированы горные работы. Глубина разработки угольных пластов в настоящее время на шахтах находится в пределах от 450 до 650 м. Прочностные характеристики пород по прогнозу развития горных работ в зависимости от глубины их залегания приведены в табл. 1.1 [2].

Таблица 1.1

Изменение прочности пород по глубине их залегания

Угольные районы Челябинского бассейна и действующие шахты Глубина, м Прочность пород на одноосное сжатие, МПа

аргиллит алевролит песчаник

Камышинский 200 5,0 9,0 17,0

(ш."Комсомольская", 400 8,0 20,0 28,0

ш."Капитальная"_^ 600 15,0 24,0 39,0

Копейский 200 5,0 8,0 18,5

(ш. "Красная горнячка" , 400 16,0 24,0 29,0

"Центральная") 600 25,0 33,0 40,0

Коркинский 200 13,0 18,0 17,0

( ш. "Коркинская" ) 400 13,5 19,0 25,0

600 14,0 23,0 31,0

Еманжелинский 200 8,0 7,0 13,0

( ш. "Батуринская" ) 400 9,0 12,0 15,0

600 10,5 17,5 16,0

П.Л. 1*%

и» ».ю

О.50

ар

о,« Ш

к*

/Л

3.50 до —

Г £

/и Л

I ~

А» 1« « Ч

* ¡и

м

МО

-Ш

! »к»

/и

А,вб #,я

1,05

» > |

-I 1 ...1

. »- | »'

23

I ■ 1 1 1

^45

О.ъс

■II; 1-

ж

0.1

0.15 издав

а.С

ог5 О Л

и

1*%

40

вЛ

ш

ы

2о

1\Л

Тм %

г.?

о.М ■ 2.0

шт

1 IГ

ЛГ

г.5

(-1 1

0,1

«д

0,50 тц,т

1.6

Г У <

1.5

м> 0.2

.».О

лл.1 %

ОМ

10

Ш

1.Ъ

».г о.г

/,5

> 1 I.

•

1 1 У '•II*

211

¡<4

1.2

а

1.0

01 01

( •1 •(.(

с '

I 1 I

о,г>

Ш

I '/

и 0.1 1.0

о,>

110

Ш о-1 агг

и

«л. 1 с1

4.5

4?

а,«

0(

(1.1

«4

1 ■ : оу

и

¿и

о.' <«

а'.

с, ¿5

0,5в

г.»

У,5]

I >1»

ш

к*

0.90

1,5

а

г?

ш

№ 0?0

и

е-5 А»

пл

(I. I I |

(С=?ЗЯ

И','

1.5

45"

ртее

1,1

ю

.1.1. Стратиграфические колонки угольных пластов и вмещающих пород

Как видно из табл. 1.1, с увеличением глубины разработки угольных пластов существенного изменения прочности боковых пород не ожидается, но все же наблюдается тенденция к увеличению прочностных характеристик.

Угольные пласты бассейна характеризуются выделением метана. Шахты Челябинского бассейна относятся к разряду газовых от III категории до сверхкатегорных.

Боковые породы по устойчивости, как правило, относятся к слабым и легкообрушаемым. Допускаемая площадь обнажения кровли колеблется от 1,5 до 6,2 м2.

При очистных работах непосредственная кровля обрушается почти сразу после передвижки секций механизированной крепи, за исключением состоящей из крепкого алевролита и песчаника. Шаг обрушения основной кровли составляет от 15 до 30 м, в зависимости от литологического состава пород. Осадка крепких пород (песчаников, конгломератов) происходит более медленно.

При нарезке лав условия проведения и поддержания выемочных выработок оцениваются таким показателем, как коэффициент горногеологических условий, определяемый по следующей формуле [3]:

JH

к =- , (1)

1000 Rc

где j - обьемная масса пород, кН/м3;

Н - глубина заложения выработки, м;

Rc - расчетное сопротивление пород на сжатие, МПа.

По критерию К горно-геологические условия бассейна разделены на четыре группы:

• легкие К< 0,4;

• средние 0,41 < К < 0,60;

• тяжелые 0,61 < К < 0,80;

• весьма тяжелые К > 0,8.

В настоящее время в легких условиях проводятся и эксплуатируются до 10% выемочных выработок, в средних - до 20%, в тяжелых - до 45% и в весьма тяжелых - до 25%.

Таким образом, наиболее высокий процент приходится на поддержание выемочных выработок в тяжелых и в весьма тяжелых условиях.

Уголь Челябинского месторождения склонен к самовозгоранию при температуре от 114 до 118°С, а инкубационный период его химического окисления не превышает одного месяца.

1.2. Анализ опыта крепления и поддержания выемочных выработок на шахтах Челябинского бассейна

В отечественной и зарубежной практике подземной разработки угольных месторождений до последнего времени традиционной являлась технология отработки пластов, при которой выемочные выработки охранялись от вредного воздействия очистных работ с помощью предохранительных целиков, оставляемых в выработанном пространстве [4]. Однако такие способы охраны имеют существенные недостатки [5], состоящие прежде всего в том, что это приводит к значительным потерям угля в целиках и возможности его самовозгорания.

В настоящее время одним из основных перспективных направлений, позволяющим снизить эксплуатационные потери угля при разработке пологих и наклонных пластов, является бесцеликовая их отработка. Отличительной особенностью этой схемы является то, что выемочные выработки проводятся и поддерживаются на границе с выработанным пространством, либо на небольшом расстоянии (2-4 м) от него. Если в 1975 г. объем добычи при бесцеликовой схеме отработки составлял около 2 - 3 %, то уже к началу 1981г. - около 50 %, в 1997г. - более 80 % [6 - 9].

На шахтах Челябинского бассейна повсеместно применяется бесцели-ковая отработка пластов длинными столбами по простиранию. Средняя длина лав в 1997 г. составила 120 м, а длина выемочных столбов - 680 м. Управление кровлей в лавах - полное обрушение, а выработанное пространство после отработки лав заиливается глинистой пульпой.

Выемочные выработки погашаются сразу вслед за продвижением лавы, т.к. повторное использование их невозможно из-за опасности возникновения эндогенных пожаров в выработанном пространстве, а также из-за высоких нагрузок со стороны боковых пород и значительных затратах на поддержание.

Как правило, при бесцеликовой схеме отработки вблизи выработанного пространства проводится вентиляционный штрек, а конвейерный проводится в массиве (рис. 1.2).

При отработке выемочного поля через столб угля вентиляционный и конвейерный штреки в одном случае (нечетные выемочные столбы) проводятся в массиве угля, а в другом (четные выемочные столбы) оба штрека проводятся в краевых частях пласта (рис. 1.3).

Наблюдения показывают, чт