автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение способов повышения устойчивости выработок глубоких шахт Донбасса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОШЦНИЙ ОР2ЕНА ТРМЮВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЖЕХНИЧВСКИЙ ИЖТИЕУТ

На правах рукописи БУШ ИВАН ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВЩЩ ЕЖЕ СПОСОБОВ ПСВИЕНИЯ

усяодадвосш выработок глубоких шахт Донбасса

Спедеалъность: 05.15.02. "Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в фор»те научного доклада

Донецк- 1992

Работа выполнена в комбинате "Луганскшахтострой"

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки Украины К.Ф. Сапицкий

кандидат технических наук, старший

научный сотрудник А.Д. Селезень

Ведущее предприятие - Производственное объединение по добыче угля "Дуганскуголь"

Защита состоится " 9 * 1992 года

8 часов на заседании специализированного совета Д.068.20.02

при Донецком ордена Трудового Квасного Знамени политехническом институте: 340000, Донецк, ул. Артема,66

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого политехнического института.

Автореферат разослан " / *С&>73£>рЯ-\992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор, докт.техн.наук

В.И. Черняев

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ I.

Актуальность работы. Горногеологические условия угольных районов (Луганский, Свердловский, Антрацитовский, Краснодонский и Стахановский) Донбасса, где интенсивно ведут горнопроходческие работы шахт ост роит е льнъге управления комбината "Луганокшахтострой", характеризуются глубиной ведения горных работ 540 м (Луганский) - 1200 м (Свердловский), прочности) пород на сжатие (МПа) от 33 (все районы) до 125 (Свердловский и Антрацитовский). Породы слабообводненные, в большинстве случаев склонные к пучения,слаботрещиноватые (исключая зоны разрывных геологических нарушений). Среднегодовая протяженность сооружаемых горизонтальных и наклонных выработок составляет 14000-19600 м, из них 95^ в породах прочностью на сжатие 40-80 МПа при стоимости сооружения 1« выработки 3,4-4,0 тыс.руб. (в ценах 1991 г.). Среднегодовой объем ремонтных работ составляет 3500 м (25"? от сооружаемых выработок), а протяженность выработок, где производит, ся подрывка почвы - 5600 м (40^ сооружаемых). Затраты на ремонт выработок до сдачи их в эксплуатации достигают 3-3,5 тыс.рублей (в ценах 1991 г.). Объем ремонтных работ и связанное с ним отвлечение трудовых и ¿инансозчх ресурсов в значительной степени зависят от достоверности прогноза устойчивости породных обнажений выработки, надежности нормативных документов, на основе которых выполняется проектирование и решается вопросы их поддержания.

В настоящее время 90?, выработок на строящихся и реконструируй->»ых тахтах Донбасса крепятся металлической податливой крепь», а такие конструкции крепи как бетонная, набрызгбетонная, анкерная имеют ограниченный объем применений. Опыт поддержания выработок показывает, что обеспечить их эксплуатационное состояние можно лишь путем использования несущей способности породного массива,вмещающего выработки. Все это требует применения дополнительных мероприятий, которые позволяют активно воздействовать на напряженно-дефор'ированное состояние вмещающего массива с целью вовлечения его в совместную работу с крепью. Это может быть достигнуто своевременные применением способов охраны, путем включения их в технологические и технические решения, выборокращокальной постоянной крепи, совершенствующих практику сооружения и поддержания горНлК выработок и обеспечивающих безопасность ведения горных работ.

Работа выполнена в период многолетней производственной деятельности автора в шахтостроительных организациях Луганского региона Донбасса, многие угленосные районы которого являются слохными в решении вопросов сооружения и обеспечения эксплуатационного состояния горных выработок.

Цель работы - разработка и внедрение способов охраны горных ьыработок на основе использования несущей способности породного массива, обеспечивающих повышение их устойчивости на больших глубинах

Идея работы заключается в установлении характера и последовательности развития геомеханических процессов во вмещающем выработку массиве, позволяющих повышение их устойчивости на больших глубинах.

Четоды исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ факторов, влияющих на сооружения горных выработок и их состояние в период эксплуатации; инструментальные исследования смещений породных обнашений выработок и вмещающего их массива, изменений его структурного состояния; промышленные испытания и внедрение разработанных технологических и технических решений и способов, обеспечивающих снижение затрат на поддержание выработок и повышение безопасности труда.

Аналитические исследования имели цель обобщения шахтных исследований для разработки методических положений прогноза качественных и количественных характеристик проявления геомеханических процессов при сооружении и поддержании горных выработок в период развития добычных работ.

Научные положения и технические решения, разработанные автором и их новизна, ¿становлены и экспериментально подтверждены характер и последовательность деформирования вмещающего выработку массива, отличающиеся тем, что впервые даны численные значения смещений, характеризующие проявления каждой из последовательностей.

Впервые установлена зависимость развития дефор«аций в глубину массива, вмещающего горную выработку и работоспособности постоянной крепи, характеризуемой межремонтным периодом, от величины пучения пород в ней.

Впервые разработан и внедрен комплекс технологических и технических решений, обеспечивающих повышение устойчивости горных выработок на различны* этапах их эксплуатации, в зависимости от характера деформирования вмещающего массива на данном этапе.

Достоверность научнтлс положений, выводов и рекомендаций подтверждена: представительными статистическими данными многолетней-праетики сооружения и поддержания (в том числе в зонах непосредственного влияния очистных работ) горных выработок з непрерывно усложняющихся условиях по мере увеличения глубины их расположения от 300-700 м до 540-1200» ; достаточным объемом инструментальных наблюдений за смещениями пород на контуре выработки и в массиве (более 2500 замеров); хорошей сходимостью результатов качественного и количественного прогноза геомеханических процессов на контуре выработки и в массиве (с учетом влияющего действия разработанных технологическ>./ и технических решений) с данными инструментальных наблюдений и конечным результатам поддержания горных выработок; успешными результатами промышленных испытаний и внедрения новых решений, направленных на повышение эффективности горнопроходческих работ, устойчивости породных обнажений выработок и безопасности труда.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости величины смещений контура выработки от последовательности и характера деформаций вмещающего массива, на основании чего разработаны способы повышения устойчивости выработок и определены их рациональные параметры.

Практическое значение работы заключается в следующем: обоснованы и внедрены конструкции крепи и способы охраны горных выработок, обеспечизающие снижение затрат, на поддержание на 20-40^ за счет применения: временной набрызгбетонной и анкерной крепи, комбинированной крепи АНГ, быстротвердеющих бетонов, укрепления массива горных пород и локальной разгрузки породного массива; разработаны на уровне изобретения и внедрены составы смеси для изготовления сборной блочной крепи, заменители цемента, способ упрочнения массива горных пород, повышающие податливость постоянной крепи, снижающие расход цемента на 15-20^ и стоимость поддержания выработок на 10%.

геализация работы. Ооновные результаты работы вошли в "Технологические схемы поэтапного поддержания капитальных горных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений" РД 12.18.096-90 и внедрени на шахтах Луганского региона Донбасса. Внедрение набрызгбетонной и анкерной крепи на 8 шахтах, локальной разгрузки массива на 2 тахтах, заменителя цемента, быстротвердещих бетонов и блочной крепи на 4 шахтах позволило получить экономический эффект 4,12 млн.рублей (долевое участие автора составляет 20$).

#

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на: il семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (г.Новосибирск, 1978 г.); совещаниях шахтостроителей Украины (г.Донецк, 1984 г., 1987 г.); заседаниях секций научно-технического Совета Нинуглепрома СССР и 1ССР (г.Харьков, 1986 г., 1987 г.; г.Донецк, 1986г., 1987 г., 1990 г., г.Луганск, 1988г.); научно-практических конференциях (г.Луганск, 1983 г., г.Днепропетровск,1989 г.), проектных организациях (г.Киев, 1982 г., г.Днепропетровск, 1989 г., г.Луганск, 1986 г.)

Публикагшг. Основное содержание диссертации опубликовано в 24 научных работах, в тон числе 4 авторских свидетельств на изобретение.

Автор выражает признательность сотрудникам трестов и стройуправлений, вместе с которыми осуществлялись промышленные испытания и внедрение результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕГЙАШЕ РАБОТЫ

5.

Увеличение глубины строящихся шахт усложнило условия поддержания горных выработок, как в период их строительства так и в период эксплуатации. Ежегодно на их ремонт и восстановление в комбинате "Луг анс кшахт острой" отвлекается до 170 человек, а в предпусковые и пусковые годы в 2 раза больше, что сказывается на снижении объемов проходки и производительности труда проходчиков. Затраты на ремонт до сдачи выработок в эксплуатации достигают 3-3,5 тыс.руб/ч.

При непосредственном участии автора разработаны и внедрены способы повышения устойчивости горных выработок, сооружаемых в слож ных горногеол ^ических условиях, заключающиеся в управлении геома-ханическим состоянием вмещающего выработку массива путем укреп. ;ния его или разгрузки от повышенных напряжений.

В отечественной и зарубежной литературе имеется много исследований, посвященных вопросам повышения устойчивости горных выработок. Благодаря результатам этих исследований о практике используется широкий яруг технологических и технических решений, которые в раде случаев обеспечивают управление геомеханическими процессами в породном массиве. Однако эти решения, в основном разработанные ДЛИ, ДГМ, КРМ, ВНИИОМПЕом, имеют узко направленный характер, то есть привязаны к конкретным условиям. Поэтому при изменении горнотехнологи-чее галс и технических условий горнопроходческих работ требуют дополнительных исследований.

Анализ опыта поддержания горных выработок и результатов исследований (I) позволил установить зависимость состояния выработок от характера депортирования их контура и своевременности применения способов охраны.

Все вышесказанное предопределяет необходимость решения одной из главных задач, заключающейся в установлении последовательности и характера деформирования вмещающего массива и на их основе изыскания надежных способов повышения устойчивости горных выработок.

Для решения поставленной задачи проводились шахтные инструментальные наблюдения за деформированием вмещающего выработки массива /2,3,4,5,6/. Замерные станции были заложены в следующих условиях: глубина ведения горных работ 550-1100 м; предел прочности пород на одноостное сжатие 30-100 "Па; смещения пород почвы 800-2500 мм и кровли 300-800 мм, т.е. в горногеологических условиях, характерных для шахт Луганской области. Замерные статут состояли

6.

ив трех замерных пунктов и оборудовались контурными и глубинными реперами, а также скважинами для визуального контроля состояния массива с помощью перископа РБП-456 и прибора для измерения параметров трещиноватости горных пород "КИТ" /7/, а такде насечками ш элементах крепи для оценки степени деформации постоянной крепи.

Наблюдения на замерных станциях проводились с периодичностью: первый месяц - I раз в неделю, а далее - не менее I раза в месяц. На шахте им.60-летия СССР замерная станция^бьгла оборудована в груаолюдской магистральной выработке пл. ¿в . Наблюдения проводились в течение одного года. В начале исследований, когда смещения породных обнажений со стороны кровли не превышало 100-120 мм, расслоений и трещинообразования во вмещающем мессиве зафиксировано не было. При смещениях 120-140 мм было отмечено расслоение пород в глубину от контура на 0,75-1,0 м. При смещениях 200-250 мм глубина расслоения пород увеличилась до 1,5-2,0 м. При этом четко наблюдается прогиб пород и частичное появление радиальных трещин, которые интенсивно развивались при смещениях 300-350 мм. Считывая наличие расслоения пород, такое интенсивное радиальное трещинооб-разование приводит к отделению части приконтурных пород от массива и деформирования крепи.

Исследования процесса деформирования крепких пород проводились на шахте "Комсомольская". При сооружении квершлага гор.960 м были оборудованы две замерные станции: порвал - при пересечении выработкой слоистых песчаников (Ссл\=58-80 Г/Па); вторая - в однородных песчаниках (бед- '^а). На первой замерной станции характер деформаций был следующим;

При смещениях породного контура выработки 90-100 мм наблюдалось расслоение пород без прогиба и радиального трещинообразования. При смещениях 120-140 мм расслоение развивалось в глубину до 1,8-2,0 м. отмечено появление радиальных трзщин и прогиб отдельных слоев. При смещениях 160 мм и более наблюдалось интенсивное редиаль-"ное трещинообразование с раскрытием трещин 3-5 мм.

В однородных песчаниках (вторая замерная станция) процесс расслоения зафиксирован на 30 сутки наблюдений при смещениях ПО мм. При сиещениюс породного контура 140 мм трещины расслоения распространились вглубь массива на 1,4-1,5 м и имели ширину раскрытия 5-10 мм. На 60 сутки наблюдений, при смещениях 160 мм, отмечено появление радиальных трещин и в дальнейшей смещения стабилизировались.

Аналогичные результаты были получены и на других замерных станциях и представлены на рисЛ.

Анализ полученных данных позволил установить следующие последовательности и характер деформирования вмещающего выработку массива. Смещения породного контура выработки до П0-170 мм протекают без расслоения, прогибов слоез породы и радиального трещинообразования. Изменение степени нарушеныости массива при этом не отмечается. После достижения смещениями величины 175-270 мм наблюдается интенсивное расслоение пород и начало развития радиальных трещин. Гас-елоение характерно как для слоистого, так и для однородного массивов. При слоистом . ассиве расстояние между плоскостями расслоения определяется контактами напластований. При однородном массиве толпр. .а образуемых слоев нелосрдеетвенно зависит от прочности пород и находится в пределах 0,25-1,5 м.

Глубина развития радиальных трещин не превышает 0,3 м, а ширина их раскрытия - 0,5 м. Смещения породного контура выработки на 250-450 мм характеризуются дальнейшим прогибо>» слоев и развитием радиальных трещин, глубина которых достигает 0,3-1,0 м, а ширина раскрытия 3-5 мм. Эти трещины распределяется относительно равномерно по периметру выработки, а угол > наклона их к продольной оси выработки находится в пределах 80-90°. При дальнейшем росте смещений (более 450 мм) наблюдается интенсивное развитие радиальных трещин, практически не прогнозируемого направления, что обычно приводит к обрушению приконтурного массива и деформации крепи. При этом следует отметить,, что при некачественном ведении проходческих работ, обрушение может произойти и на предшествующем этапе деформирования.

Остановлена зависимость развития деформатдай в глубину массива от величины пучения (при величине пучения 200-600 мм соответственно от 1,5 до 4м) и работоспособности постоянной кр^пи, характеризуемой межремонтным периодом (при том же изменении пучения межремонтный период снижается с 18 до 4 мес.).

Пучение нарушает резким работы выработки (вентиляция, транспорт) и способствует повышении деформации пород кровли выработке, что снижает безопасность работ и повышает затраты на поддержание выработок.

Остановленные последовательность и характер деформирования вмещающего выработку массива практически не зависят от прочности пород и глубины ведения горных работ. Однако завершенность процесса деформирования, а следовательно устойчивость выработки зависит от величины смещений пород на каждом этапе деформирования, которая непосредственно зависит от прочности пород и их напряженного состо-

б»

Рис. Г Последовательность геомеханических процессов в массиве кровли выработки

1 - южный магистральный штрек гор.915 м ш.Суходольская-

Зосточная, бс» = 45 кПа;

2 - квершлаг гор.840 м ш.Новодружеская, = 48-52 МЛа

3 - кверилаг гор.900 м ш.Комсомольская, •= 58-СО КПа.

4 - квершлаг гор.845 м ш.Менжинского, в ^Та

5 - откаточный^трек №25 гор.790 м ш. им.2ахрушева,

яния. Поэтому своевременное применнние способов охраны, направленных на увеличение прочности вмещающего выработку массива пород или . снижение его напряженного состояния позволит повысить эксплуатационное состояние выработки и снизить затраты на ее поддержание.

В этой связи для условий шахт Донбасса были обоснованы и реализованы при сооружении горных выработок способы повышения их устойчивости на основе управления состоянием вмещающего массива с целью использования его несущей способности.

Как показало обследование состояния выработок, примерно, в 4(Го случаев ремонтные работы связаны е подрывкой пород почвы, при этом породы почвы 601 разрабатываемых пластов склонны к пучению /I/. Для борьбы с пучением пород почвы был обоснован и внедрен способ пзрывощелевой разгрузки породного массива /1,2,4,8,9,10,11/. Сущность способа заключается в искусственном создании в почве с обеих сторон выработки локальных областей пониженных напряжений. Такие зоны разрыхленных пород образуются при взрывании камуфлетных зарядов ВВ э шпурах, расположении в почве под некоторым углом наклона к горизонту. Благодаря этому же в начальный период сооружения выработки максимальные напряжения перемещаются с контура выработки вглубь массива, что способствует образованию в почве выработки зоны, разгруженной от напряжений с минимальным расслоением пород без радиального трещинообразования.

Разрыхленные породы в локальных областях компенсируют боковые сведения со стороны массива и поэтому породные слои в разгруженной зоне не испытывают продольного сжатия и не смещаются в выработку.

Для определения параметров способа была решена-задача о взаимодействии искусственно созданной разгруженной зоны, по величине равной длине разгрузочных щпуров, с нетронутым массивом, который рассматривался как однородная изотропная средам гидростатическим поле»* напряжений. Граничные условия были приняты следующими: массив с искуственко созданной разгруженной зоной определенных размеров должен быть в.равновесии, а смещения контура почвы в результате образования разгруженной зоны не должны превышать 0,2 м. Полученное решение корректирвалось шахтными исследованиями, В результате были получены следующие параметры.

е,и

где: д - объемны* вес пород, КН/»3; Н - глубина заложения

выработки, м; (Зс^ - предел прочности пород на сжатие в массиве, КПа; ширина выработки вив!««, м; - угол наклона равгру-

аочных шпуров к горизонту;

А - ;

//~ /-51*1/

где - угол внутреннего трения.

Масса заряда ВВ в разгрузочных шпурах;

(2)

где ТС - коэффициент заряжения; - диаметр патрона ВВ, м; Л - плотность патронирования, кг/мЗ

Расстояние между разгрузочными шпурами: ^ ^ л

где 6с* - предел прочности породы на сжатие в образце, Ша; Ц - идеальная работа взрыва ВВ, кДя/кг. Опьтгно-промышленная проверка и внедрение способа осуществлялись на шахтах "Луганская '»I" ПО "Дуганскуголь", им.б^-летия СССР ПО "Свердловскантрацит".

На шахте им.60-летия СССР по "Свердловекантрацит" способ бил испытан при проведении на гор.585 м бортового ходка по пласту угля мощностью 0,9-1,1 м с двусторонней подрывкой боковых пород. Породы кровли пласта представлены песчано-глинистыми сланцами с Ое* »42,8'Ша мощностью до 10 ад. Почва пласта - глинистые сланцы с 0р< »25,3 МПа, мощностью 1,5 м и песчаные сланцы с Сок в 62,4 Ша, мощности) до 5 м. Выработку проводили буровзрывнш способом площадью сечения в свету 9,6 «2 и крепили пятизвеньевой арочной крепью. Длина экспериментального участка 60 м. Работы по разгрузке породного массива выполняли в забое выработки одновременно с работами проходческого 1#кла. Разгрузочные шпуры длиной 2,7 м бурили через 0,8 м, с углом наклона к горизонту 30°. Число одновременно взрываемых разгрузочных шпуров 8, масса заряда ВВ (Т-19) в одном шпуре 600 г.

Для сравнения состояния бортового ходка на контрольно« и екепериментальном участках были оборудованы замерные станции. За первые 10 суток наблюдений смещений пород почвы составило (рис.2) на контрольном участке 20 мм (I), на экспериментальном 30 мм (2). Интенсивность смещений на контрольном (3) и экспериментальном участках (4).

Рис.2. Характер смещений повод почвы

1;2 - величины смещений на контрольном и экспериментальном

3;4 - соответственно интенсивность смещений

Это объясняется тем, что на экспериментальном участке в начальный период зона разгрузки в почве выработки образуется быстрее. В последующие 20 суток смещения пород почвы составили на контрольном участке 52 мм, на экспериментальном 40 мм. Общие смещения пород почвы за 60 суток ооставили: на контрольном участке 140 мм, на экспериментальном 62 мм. Следует отметить, что на контрольном участке смещения продолжали нарастать, не обнаруживая тенденцию к затуханию, а на экспериментальном участке наблвдалоя явно выраженный характер затухания смещений.

Инструментальные наблюдения на экспериментальном участке вахты им.60-летия СССР продолжались в течение 400 суток. За этот период смещение пород почвы на экспериментальном участке достигало 120 мм, а на контрольном 270 мм.

Таким образом, применение взрыво-щелевой разгрузки способствует тому, что смещения потоп почвы практически затухают через два-три месяца и в 2-3?меньшв, чем на контрольном участке. Ори этом в разгрузочной зоне значительно меньше расслаиваются породы (расслоение пород почвы на экспериментальном участке в 2-2,5 раза меньше, чем на контрольном).

Аналогичные результаты были получены и на других шахтах. Вместо с том, применение взрыво-щелевой разгрузки практически не оказывает влияния на последовательность и характер деформирования пород кровли и боков выработки. Поэтому для повышения их устойчивости и недопущения образования радиальных трещин (2 и 3 этап деформирования) необходимо создавать систему "крепь-порода" уже в начальный момент проведения выработки. Такое активное вмешательство в процессе деформирования (образования зоны неупругих деформаций) монет быть осуществлено за счет применения в забойной части выработки рациональной временной крепи, которая, упрощая технологию крепления в целом, улучшила бы условия поддержания горных выработок и при этом обеспечивала надежную защиту призабойного пространства от возможных обрушений пород или предупреждала эти обрушения. Последнее особенно важно, так как именно в призабойних участках выработок фиксируется до 40-501! случаев травмирования (12) за счет обрушения пород, распределение которых по процессам проходческого цикла характеризуется следующими данными (1,12); приведение забоя выработки в безопасное состояние - IOt; бурение шпуров - 17*>;

уборка породы - 1Ъ%\ крепление - 50$; прочие работы - 6%, т.е. наибольшее количество обрушений происходит во время производства работ по креплению. Это объясняется несовершенством конструкций временных крепей и необходимостью их удаления при возведении постоянной крепи, из-за чего проходчики работают в раскрепленном пространстве.

Проведенный анализ технико-экономических показателей конструкций временных крепей показал, что наиболее полно указанным требованиям отвечает временная набрызгбетонная крепь (1,3), применение которой не только улучшает условия поддержания горных выработок, но и позволяет отделить (по месту ведения работ) процесс возведения постоянной крепи от прочих операций проходческого цикла, что способствует механизации процесса крепления и увеличению темпов проведения выработок.

Условия работы временной набрызгбетонной крепи существенно отличаются от условий работы постоянной набрызгбетонной крепи. Эти отличия в основном состоят в том, что временную набрызгбетоннуга крепь возводят в зоне интенсивного проявления горного давления и она подвержена воздействию взрывных нагрузок, при этом срок службы ее ограничен. Крепь должна быстро вводиться в эксплуатацию, поэтому к ней предъявляют ряд дополнительных требований: высокая прочность набрызгбетона в раннем возрасте; достаточная несущая способность; хорошая сопротивляемость взрывным нагрузкам и высокая прочность сцепления с горными породами в раннем возрасте.

Для обоснования возможности применения набрызгбетонной крепи в качестве временной был выполнен комплекс исследований (1,3,6,13,14), которые показали, что наиболее рациональным для временной крепи составом набрызгбетонной смеси является цементно-песчацый при соотношении компонентов 1:3 и добавлением в качестве ускорителя схватывания фтористого натрия в количестве 4% от массы цемента или силиката натрия - 6%. Этот состав смеси позволяет получить набрызгбетон с высокой ранней прочностью (0,75 - 0,9 МПа через I час после затворения), что обеспечивает надежную защиту призабойного пространства выработки от возможных обрушений пород.

В дальнейшем, используя опыт применения быстротвердеющих бетонов при сооружении шахтных стволов (15), совместно с ВНИИОШЮом были разработаны указания по приготовлению и пойме-

нению бетонов и гастворов при возведении крепи горных выработок (16).

При отрыве набрызгбетона от породной поверхности разрушение, в основном, происходит не по контакту его с породой, а по бетону, что подтверждает реальность создания системы "набрызг-бетон-порода" сразу после возведения крепи. Величина сцепления (адгезии) через I час после нанесения набрызгбетона равна 0,170,18 ЫПа. Это объясняется проникновением набрызгбетонной смеси в мельчайшие трещины и неровности породы. При ширине раскрытия трещин I ш и больше глубина проникновения смеси достигает 1620 см, что обеспечивает достаточно качественное укрепление при-контурного породного массива. Была получена зависимость глубины проникновения набрызгбетонной смеси от ширины раскрытия трещин:

Полученные результаты полностью подтвердились при проведении шахтных исследований состояния массива горных пород с помощью прибора для измерения параметров трещиноватости (7).

Несмотря на непрерывный рост комбайновой проходки, протяженность выработок, сооружаемых буровзрывным способом, все еще остается преобладающим (17). В этой связи были проведены исследования сопротивляемости временной набрызгбетонной крепи взрывным нагрузкам. Оценивалось влияние взрывных работ, производимых в забое горной выработки, на сцепление набрызгбетона с породной поверхностью и общее состояние набрызгбетонного покрытия. В результате было установлено, что при возведении временной набрызгбетонной крепи вплотную к забою выработки, от воздействия взрывных работ, крепь деформировалась на участке до 0,5 м. Участки крепи, удаленные от забоя на 0,5 м и более деформаций не имели, а наблюдавшиеся небольшие нарушения набрызгбетонного покрытия, вызванные ударами разлетающихся при взрывных работах кусков породы, легко восстанавливались при креплении очередной заходки. Влияние взрывных работ на 'величину сцепления набрызгбетона с породной поверхностью не отмечено.

гДе и ~ соответственно глубина проникновения

в трещины цементно-песчаного и цементного растворов, мм

- ширина раскрытия трещин, мм

. Одной из основных особенностей временной набрызгбетшнпя: креня является ее ограниченный срок службы (промежуток времени от момента нанесения набрызгбетонного покрытия до момента выведения постоянной крепи). Величина его определяется времени« реализация критических смещений контура выработка, т.е. смещений, при которых возможны трещинообразованжа в набрызгбетсн— ном покрытии. На основании обработки результатов вахтах инструментальных наблюдений была подучена зависимость величина критических смещений от ширины выработки:)

¿¿*р. =3JB9-P)(}11& с

Л

где ¿¿хр. - величина критических смещений, 10 м;

о -2

¿5 - ширина выработки вчерне, 10 и.

Как показали шахтные исследования временной набрызгбетон-ной крепи (шахты "Нагольчанская" 1-2 д/о "Антрацит", "Луганская" № I п/о "Дуганскуголь"), критические смещения реализуются при слабых породах (/-С 4) в течение 10-12 суток, породах средней крепости (/» 4*6) - 15-17 суток; в крепких породах CjF>*6> — 25-30 суток.

Для проведения опытно-промышленных испытаний и внедрения набрызгбетонной крепи, под непосредственным руководством автора, в комбинате "Луганокшахтострой" были созданы машины для мокрого набрызгбетонирования ШБ-I и "Наита" (5,6,18,19). Зто было вызвано тем, что в настоящее ввемя отечественная промышленность сорийно выцускает только машины для сухого способа набрызгбетонирования типа Ш и ПБМ. Существенными недостатками этих машин являются: большое пылевыделение при производстве работ; значительные потери материалов (до 30£) за счет отскока смеси от породной поверхности; необходимость применения компонентов сухой" смеси с ограниченной влажностью (до 2&), что требует предварительной сушки песка.

Мокрый способ набрызгбетонирования позволяет практически полностью устранить эти недостатки и улучшает качество набрызгбетонного покрытия.

Машина для мокрого набрызгбетонирования состоит из бетономешалки, растворонасоса, емкости для ускорителя схватывания и трубопровода с соплом. Все узлы машины смонтированы на базе от шахтной вагонетки. После приготовления бетонная смесь подается

растворонасосом в трубопровод, а затеи в сопло, к которому дополнительно подводится сжатый воздух, сообщающий смеси необходимую скорость. Одновременно по другому шлангу в сопло подается добавка ускорителя схватывания в жидком виде.

Временная набрызгбетонная крепь прошла поошпиенные" испытания и была внедрена на шахте "Нагольчанская" 1-2 а/о "Антрацит".

Так, при сооружении околоствольного двора гор.960 м крепь была внедрена на участке протяженностью 490 м. Выработки сечением в проходке 7,6-16,0 м2 проводились в песчаниках основной кровли пласта А^. Песчаник прочный ((5сж «80-90 Ша), сильно трещиноватый. К нанесению набрызгбетонного покрытия толщиной 30-40 мм, приступали свазу после пооизводства взрывных работ и проветривания забоя выработки. Наблюдения за состоянием крепи проводились в течение 2 месяцев, деформаций ее при этом обнаружено не было. Применение временной набрызгбетонной крепи позволило замшить постоянную монолитную бетонную крепь, толщиной до 350 мм, на набрызгбетонную, толщиной 80 мы.

Учитывая положительные результаты внедрения временной набрызгбетонной крепи, а также то, что в настоящее время около 80% выработок крепят металлической арочной крепью из СВП, несущей способности которой недостаточно для стабилизации процесса деформирования пород на начальном этапе, была разработана и успешно внедрена комбинированная крепь АНТ (арка, набрызгбетонное покрытие, тампонаж закрепного пространства) (5,18,19,20). Возведение крепи осуществляется в три этапа. Вначале устанавливают арки из спецпрофиля СВП и межраыное ограждение. С отставанием 50-100 м на заходке длиной 40-50 м наносят на поверхность арок и железобетонных затяжек набрызгбетонное покрытие толщиной 10-20 мм.

Тампонаж закрепного пространства производился с отставанием на 50-100 м от места нанесения набрыэгбетона. Замоноличенная забутовка также воспринимает часть горного давления и выравнивает нагрузки по периметру арки, значительно удучшая условия ее работы.

Кроме этого, набрызгбетонное покрытие создает продольную жесткость крепи, а в сочетании с тампонажным камнем обеспечивает защиту металла от коррозии и повышает срок службы металлической архи.

Проведенное технико-экономическое сравнение конструкций крепи, для условий выработок околоствольных дворов гор. 750 и 915 и шахты "Суходольская-Восточная" (табл.1) показало,что крепь АНТ по грузонесущей способности близка к ыеталлобетонной, однако трудоемкость ее возведения в 1,7 раза ниже, а стоимость на 20% меньше (в ценах 1991 г.).

Таблица I

_Вид крогщ

Показатели арочная изСВП мвталло-бетонная АНТ

Несущая способность, кН до 100 250 220

Прямые нормируемые затраты на крепление I м выработки, руб. 254,93 382,16 319,87

Трудозатраты на крепление I м выработки, чел/смен 3,37 7,68 4,57

Внедрение комбинированной крепи позволило комбинату "Дуганск-шахтострой" уменьшить объемы ручного труда и увеличить темпы проведения выработок. Вместе с тем, при применении традиционных тампонажных растворов, образующийся темпонажный камень обладает незначительной усадкой, что вызывает концентрацию нагрузок на крепь и приводит к излишнему расходу строительных материалов. С целью устранения этого недостатка был разработан и испытан новый' тампонажныЯ раствор (21), вклячаищий цемент, песок, воду и инертный наполнитель, в качестве которого использовались древесные опилки. Соотношение ингридиентов по весу (в процентах) при этом было установлено следующее: цемент 16-20; песок 17-21; доевесные опилки 5-20; остальное вода. Испытания кубиков размерами 60x60x60 ыи, при одноосном нагружении позволили получить следующие деформационные характеристики (табл.2).

Таблица 2

Добавки, опилок, вес, %

Относительная усадка.

При переходе в неупругое деформирование '

В момент разрушения

Предельные разрушающие напряжения, Ша

5 10 15 20

4 6 8 10

20 30 40 50

10,0 7,0 4,0 1.0

Как видно иа таблицы, величина усадок образцов имеют диапазон от 4 до 50%, что позволяет использовать такие тампонаиные растворы в сложных горногеологических условиях.

Аналогичный состав смеси, но при следующем соотношении ин~ гридиентов (вес, %) можно использовать для изготовления сборной блочной крепи (22): цемент 22-30; песок 16-20; древесные опилки 5-10; остальное вода. Дня получения сравнительных данных проводились испытания кубиков, размерами 60x60x60 мм, приготовленных из смеси данного состава и смеси для бетона марки 300. В результате было установлено, что по предлагаемому способу изготовления блочной крепи относительный процент усадки образцов составляет от 15 до 20% при разрушающих напряжениях от 18 до 10 ЫПа. В то же время величина усадки образцов при традиционном способе изготовления крепи составляет 2,5/6, пси разрушающем напряжении 19 ЫПа.

Использование разработанного состава для изготовления сборной крепи по сравнению с существующими материалами обеспечивает следующие поеимущества:

- возможность изготовления блочных крепей с различными характеристиками податливости;

- крепи, изготовленные таким способом, обладают однородным строением, что обеспечивает равномерное распределение на нее нагрузок и существенно снижает вес крепи;

- возможность изготовления крепей с различными несущими способностями.

С целью снижения стоимости крепления и повышения безопасности работ был разработан и испытан новый способ упрочнения массива горных пород (23), сущность которого заключается в активной разгрузке породного массива от повышенных напряжений и последующим упрочнением. Пта этом разгрузка массива и его упрочнение осуществляется впереди забоя выработки.

Разработанные способы повышения устойчивости горных выработок включены в утвержденные Ыинуглепромом СССР "Технологические схемы поэтапного поддержания капитальных горных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений" (24) и широко используются на шахтах. Так, на шахте "Красный партизан" внедрение крепи АНТ вместо металлобетонной пш проведении квершлага № 2 конвейерного моста гор.790 м и грузовой ветви околоствольного двора гор.1200 м позволило получить эконо-

мический эффект 840 т.р. и достигнуть экономии: цемента 1913 тн; леса 185 ы; металла 28 тн. На шахте им. 60-летия СССР с внедрением коепи АНТ на гор.685 м получен экономический эффект 75 тыс. рублей и сэкономлено: цемента - 101 тн; леса 71 ti3; металла -13 тн. Всего в комбинате "Лугансшахтострой" этим видом крепи закреплено более 15 км горных выработок.

Внедрение взрывочцелевой разгрузки пород почвы на шахтах "Луганская" № I п.о. "Луганскуголь", имени 60-летия СССР п.о. "Свердловантрацит", "Новодружеская" п.о. "Лисичанскуголь", "Горская" п.о. "Первомайскуголь" и др. позволило подучить экономический эффект более I млн. рублей. В целом комплекс внедренных на шахтах решений по повышению устойчивости горных выработок имеет также большое социальное значение, поскольку существенно улучшаются условия и безопасность труда горнорабочих.

ЗАКЮЧЕНИЕ

В диссертации данн научно обоснованные технологические разработки и технические решения, заключающиеся в использовании способов управления геомеханическики процессами и уменьшении их вредного воздействия но сооружение и поддержание горных выработок для эффективного и безопасного ведения горных работ в сложных условиях больших глубин. г

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлен характер и последовательность геомеханических процессов породного массива в окрестностях выработки при ее сооружении и последующей эксплуатации. Последовательность ¡»ео-кеханических процессов характеризуется смещением породного кок-тура выработки, расслоением массива, прогибом отдельных слоев и радиальным трещинообразованием. Научно и количественно обоснованы критерии оценки каждого из этих процессов, позволяющие выбрать и оптимизировать параметры дополнительных мероприятий по управлению ими в конкретных горногеологических и технических условиях ведения горных работ на различных стадиях использования выработок.

2. Установлена целесообразность выполнения дополнительных мероприятий по управлению геоиеханичёскими процессами в начальной стадии их развития (в забойной части выработки), что снижает нарушенность пассива и предупреждает вероятность "завалов" выработок.

3. Установлено качественное и количественное влияние пучения пород почвы выработки на глубину развития деформаций пород кровли и работоспособность постоянной крепи, которая оценивалась межремонтные периодом, характеризуем»« продолжительностью эксплуатации крепи до первого ремонта.

4. Обоснована и практически реализована локальная разгрузка породного массива, обеспечивающая управление геомеханическим процессом - цучение пород и снижающее его отрицательное влияние на эксплуатационное состояние выработки в период срока ее практического использования. Установлены параменты способа взрывощелерой разгрузки /ВИР/ для конкретных горногеологических и технических условий в зависимости от характера и величины пучения.

5. Обоснован и внедрен способ АРПУ / активная разгрузка и последующее укрепление/, являющийся разновидностью В1ДР и предназначенный для предупреждения пучения на участках стационарного оборудования в выработках.

6. Обоснован и практически реализован способ укрепления породного массива, обеспечивающий управление геомеханическими процессами в кровле выработки. Предложены /разработанные на уровне изобретения/ составы тампонаташх растворов, снижающие расход цемента на 10-20% и затраты на поддержание выработки на 5-1СЙ. С этой же целью проведены промыпленныв испытания и внедрены временная набрызгбетонная крепь, ксмбинйрованпая постоянная крепь АНТ /арка, набрызгбетонное покрытие, тампонад закрепного пространства/ и спленная крепь из блоков повышенной податливости. Эти предложения позволяют реализовать вопросы управления геомеханическими процессами в период сооружения выработки.

7. Разработки и рекомендации диссертационной работы реализованы при сооружении и последующем поддержании подготавливающих

и подготовительных выработок / в том числе и попадающих в зоны последующего влияния очистных работ/ протяженностью более 15 км. на шахтах "Луганская" п.о."Дуганскуголь", "Самсоновская - Западная" и "Суходольская -Восточная" п.о."Краснодонуголь", "Красный партизан" и им.60 летия СССР п.о."Свердловантрацит", "Горская" п.о."Перво-майскуголь" и других, что позволило получить реальный экономический эффект 4,1 млн.рублей в год /долевое участие автора составляет 2СЙ/.

Основные научн je и практические результаты диссертации опубликованы в следукхцих работах.

1. К.В.Кошелев, А.Г.Томасоз, В.Л.Самойлов, И.И.Бурма Крепление и охрана выработок в сложных горногеологических условиях, - К.: Техника, 1986 - ИОе.

2. Кошелев К.В.,Бурма И.И., Куракалов А.Н., Томасов А.Г. Шахтные исследования способа взрнводелевой разгрузки породного массива/1голь Украины - 1979, -XV - С.24-25.

3. К.В.Кошелев, И.И.Бурма,Ю.А.Петренко, В.Е.Александров Временная набрнэгбетонная крепью/Крепление, поддержание и охрана горных выработок: Сб.научн.трудов ИГД СО АК СССР - Новосибирск. 1979 г. - С.14-17.

4. К.В.Кошелев, А.Г.Томасов, И.И.Бурма, А.Н.Куракалов Способ предупреждения пучения пород почвы. //Горное давление в капитальных и подготовительных выработках; Сб.научн.трудов ИГД СО АН СССР -Новосибирск, 1979 - С.14-16.

5. Бурма И.И. Опьгг крепления набризг бет оном горизонтальных

и наклонннх выработок в комбинате "Луганскшахтострой". // Строительство предприятий угольной промышленности. - W: ЦНИЭИуголь, 1981 - 'V - С.

6. Бурма И.И., Герасимчук Д.А. .Кошелев К.В. »Петренко D.A. Результаты промьпяленных исследований временной набрызгбетонной крепи. // }голь!краинн- - 1981 - - С.42.

7. A.C. 1687777 СССР, Ш Е 2IC 39/(10. Устройство для измерения параметров трещиноватости горных пород /D.3.Заславский, А.И.Ефимов, В.В.Ковшов, А.Г.Шорабарин, Е.Б.Дружко, И.И.Бурма, Э.К.Фролов - Опубл.в Б.И., 1991 49.

8. Кошелев К.В.,Бурма И.И., Куракалов А.Н., Томасов А.Г. Совершенствование способов подаеряакия основных выработок глубоких горизонтов гаахт Донбасса. //Строительство предприятий угольной промышленности - М: ЦНИЭИуголь, 1979, - )Ч2 - С.7-9.

9. Кошелев К.В.,Бурма И.И..Куракалов А.Н., Томасов А.Г.

Мары предупреждения вспучивания пород почвы при комбайновом способе прозедения выработок. // Тез.докл.распубл.конф.,1979 - Донецк,1979-С 26-28.

10. Кошелев К.В.,Бурма И.И. .Томасов А.Г. .Куракалов А.Н. Охрана выработок способом иэривощелеяой разгрузки массива. // Разраб. »еотррождений полез.ископаемых: Расп.чежвед.научн.техн. сб.Кйев. Техни'-а, 19"Зо ьт.57 - C.I4-I7.

11. Кошелав К.В. , Бурма И.И., Куракалов А.И., Томасов А.Г. Применение взрывощелевой разгрузки породного массива. //Шахтное строительство, 1981 - № 7. - С.14-15.

12. И.И. Бурма. Техника безопасности в шахтном строительстве.

- К: Буд вельник, 1980. - 76с.

13. Кошелев К.В., Бурш И.И., Петренко Ю.А., Любимов Ю.В. Временная набрызгбетонная крепь основных выработок, сооружаемых буровзрывным способом. /'/Строительство предприятий угольной птзо-мшленности. - и.: УНИИЭИуголь, 1980. - № 3 - С.11-12.

14. Бурма И.И., Герасимчук Д.А., Петренко Ю.А., Любимов Ю.В. Крепление горных выработок набрызгбетонной крепью на шахте "Наголь-чанская" 1-2. //Строительство предприятий угольной промышленности.

- М.: ЩИЭИУголь, 1981. - № I. - С.6-7.

15. Друцко В.П., В«штейн С.А., Бурш И.И., Яшина Е.И. 0 применении быстротвердеющих бетонов при сооружении шахтных стволов. //Шахтное строительство. - 1985. - № 8. - С.18.

16. Косков И.Г., Бурма И.И., Ягодкин И., Друцко В.П. и др. Инструкция по приготовлению и применению бетонов и растворов на горных выработках угольных шахт. РД 12130055-87. - X: ВНИИОЖС, 1987, - с.102.

17. Бурма И.И. Комбайновое проведение горных выработок в комбинате "Ворошиловградшахтострой". //Пути повышения производительности труда в шахтостроительных организациях Украины. - Ы,: ЩИЭИуголь, 1978. - 8 6, - с.6-7.

18. Рева, Бурма И.И. Опыт снижения объемов вспомогательных

и ручных работ по проведению подготовительных выработок. //Строительство предприятий угольной промышленности. - Ы.: ЦНИЭИуголь, 1979. - № 12. - с.11-12.

19. Бурма И.И. Скоростная проходка выработок околоствольного двора. //Информационный листок ВЩТИ, сер.50, Шахтное строительство. - 1984. - А? 84 - 222.

20. Бурма И.И. Интенсификация строительного производства в комбинате "Ворошиловградшахтострой". //Уголь Украины, 1986.

- № 9. - с.25-29.

21. А.с.922286 СССР, ЮШ Е21Д 21/00. Тампонажный раствор. /Ю.М. Басинский, И.И. Бурма, М.П. Морозов, В.А. Борисовец /СССР/. № 2971368/22-03; Заявлено 08.08.80; Опубл. 23.04.82. Бюл.» 15.

22. А.С.934029 СОСР, ЫКИ Е21Д 11/14. Состав смеси для изготовления сборной блочной крепи горных выработок. /D.U. Басинский, И.И. Бурыа, Ы.П. Морозов, К.А. Аодашев /СССР/ - № 2970472/22-03; Заявлено - 08.08.80; Опубл. 07.06.82. Бюл.» 21.

23. A.C.I35I275 СССР, ЫКИ Е21Д 11/10. Способ упрочнения массива горных пород. /Г.Г. Литвинский, И.И. Бурыа, Д.А. Герасимчук, Э.В. Самсонов, В.В. Сироток /СССР/, - № 4038352/22-03; Заявлено 15.01.86; Опубл. 08.07.87. Бол.» 14.

24. К.В. Кошелев, И.И. Бурыа, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков и до. Технологические схемы поэтапного лоддержания капитальных горных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений. РД.12.18.096-90 - Ыинуглепром СССР, Донецк -Харьков, ВНИИОШЮ, 1990. - 72с.

лцнги. Зае. М &5Q-J0C