автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханическое обоснование типа и параметров крепи выемочных штреков и сопряжений с очистным механизированным забоем

^ Х> На правах рукописи

Колмогоров Василий Михайлович

Геомеханическое обоснование типа и параметров крепи выемочных штреков и сопряжений с очистным механизированным забоем

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1997

Работа выполнена в ЗАО Угольная компания "Облкемеровоуголь" и Кузбасском Государственном техническом университете.

Научные руководители - профессор, доктор технических

наук Егоров П.В.,

доцент, кандидат технических наук [ Курзанцев О.С]

Официальные

оппоненты: профессор, доктор технических

наук Фрянов В.Н.

кандидат технических наук Лермонтов Ю.С.

Ведущее предприятие - АООТ "Ленинскуголь".

Защита состоится "24 " апреля 1997г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля Сибирского отделения Российской Академии наук (650025, г.Кемерово, ул. Рукавишникова, 21).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля.

Автореферат разослан 24 марта 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор Б.В.Власенко

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В угольной промышленности России в последние годы происходит смена морально устаревшего очистного оборудования с широким внедрением механизированных комплексов нового технического уровня. В Кузбассе более 90% объема добычи угля на пластах средней мощности с углами падения до 35° приходится на комплексно-механизированные очистные забои (КМЗ). Начавшееся перевооружение угольных шахт современными комплексами позволило решить ряд традиционно сложных вопросов угледобычи, однако не привело к существенному повышению эффективности и надежности функционирования производства. С одной стороны, это связано с ухудшением горно- геологических условий по мере углубления горных работ. С другой стороны, рост добычи угля из КМЗ сдерживается вследствие несвоевременного проведения выемочных выработок и неудовлетворительного состояния крепи штреков, особенно на сопряжениях с КМЗ.

В настоящее время до 40% трудоемкости работ в механизированных очистных забоях составляют работы на сопряжениях. Существующие серийные гидрофицированные крепи сопряжений, а также крепи сопряжений, состоящие из элементов индивидуальной крепи недостаточно совершенны и устанавливаются тогда, когда разрушение кровли уже произошло. Штрековая крепь прямоугольной, трапециевидной или арочной формы, устанавливаемая в процессе проведения выработок, не препятствует смещению и разрушению пород кровли. Более того, в процессе работы КМЗ стойки крепи требуют их извлечения при передвижке лавного конвейера и последующего восстановления на прежнем месте, что отрицательно сказывается на эффективности поддержания кровли в зоне повышенного горного давления.

В этой связи выбор типа и обоснование рациональных параметров крепи выемочных штреков, не требующей установки специальной крепи сопряжений, имеет важное научное и практическое значение.

Диссертационная работа выполнена по результатам плановых НИР КузГТУ и ЗАО УК "Облкемеровоуголь" за 1992 -1995гг.

Цель работы - обоснование типа и параметров крепи выемочных штреков, обеспечивающей эксплуатационное состояние подготовительных выработок на сопряжениях с КМЗ для повышения эффективности и безопасности горных работ.

Идея работы заключается в использовании геомеханических закономерностей взаимодействия с массивом горных пород специальной конструкции штрековой крепи, обеспечивающей оптимальное напряженно- деформированное состояние горного массива для поддержания сопряжений КМЗ.

Задачи исследований:

- провести анализ результатов научных исследований и производственного опыта и обосновать технические и технологические требования к крепи выемочных штреков на сопряжениях с КМЗ;

- исследовать влияние изменчивости горно-геологических условий разработки на степень сложности подготовки и отработки угольных пластов, поддержания подготовительных выработок для обоснования рациональных параметров планировочных решений;

- исследовать влияние параметров системы разработки на разгрузку опорного контура лавы и повышение надежности штрековой крепи на сопряжениях с КМЗ;

- установить закономерности формирования зон временного и остаточного опорного давления и величины смещений в выемочных штреках на разных участках при различных вариантах их расположения;

- разработать методику расчета параметров рамной крепи выемочных, штреков с элементами равного сопротивления и определить область ее рационального применения;

- разработать паспорта крепления штреков и сопряжений КМЗ для различных вариантов их расположения.

Методы исследований. При выполнении работ использован комплекс методов исследований, включающий анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта поддержания подготовительных выработок при механизированной выемке угольных пластов; шахтные инструментальные наблюдения за проявлением горного давления, замеры смещений пород в

поддерживаемых выработках; методы математической статистики для установления зависимостей проявления горного давления в выемочных штреках; методы строительной механики и сопротивления материалов для разработки методики расчета параметров крепи выемочных штреков; технико-экономический анализ технологических решений.

Научные положения, выносимые на защиту:

- выбор типа штрековой крепи на сопряжениях с КМЗ базируется на результатах качественной и количественной оценки состояния выемочных штреков;

- планирование развития подготовительных и очистных работ, выбор крепи и поддержание подготовительных выработок осуществляются на основе районирования месторождения по степени сложности с учетом влияния прогнозирумых горногеологических факторов;

- разгрузка опорного контура очистной выработки за счет изменения параметров системы разработки обеспечивает повышение надежности крепи выемочных штреков на сопряжениях с КМЗ;

- закономерности формирования зон временного и остаточного опорного давления позволяют обосновать выбор силовых и деформационных характеристик крепи выемочных штреков в зависимости от их расположения;

- методика расчета рамной крепи с элементами равного сопротивления позволяет осуществить выбор рационального сочетания конструктивных параметров и область ее применения.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

- достаточным объемом выполненных в рамках диссертации экспериментальных исследований при ведении подготовительных работ на шахтах Беловского и Ленинского месторождений Кузбасса с применением современных методов и приборов

(6 шахт, 15 шахтопластов в диапозоне глубины разработки 80-300м);

- использованием классических методов сопротивления материалов и строительной механики при разработке методики расчета параметров крепи выемочных штреков;

- положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработок на шахтах ЗАО УК "Облкемеровоуголь".

Научная новизна работы состоит:

-в обосновании выбора типа и параметров штрековой крепи на сопряжениях с КМЗ;

- в обосновании рациональных параметров планировочных решений подготовки и отработки шахтопластов с учетом изменчивости горно-геологических условий разработки;

-в обосновании параметров системы разработки для разгрузки опорного контура очистной выработки и повышения надежности крепи в выемочных штреков;

- в установлении размеров зон временного и остаточного опорного давления при различных вариантах расположения выемочных штреков;

-в разработки методики расчета параметров рамной крепи выемочных штреков с элементами равного сопротивления, позволяющей осуществить выбор рационального сочетания конструктивных параметров и область ее применения;

- в обосновании рациональных параметров технологических схем крепления сопряжений КМЗ при различном соотношении мощности пласта и высоты выемочного штрека.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

- разработать требования к крепи выемочных штреков вне и в зоне влияния очистных работ;

- разработать конструкцию штрековой крепи с элементами равного сопротивления;

- повысить устойчивость подготовительных выработок и снизить затраты на их содержание.

Реализация работы. Результаты работы использованы в промышленности в виде паспортов крепления сопряжений КМЗ на шахтах АООТ "Ленинскуголь" и ЗАО УК "Облкемеровоуголь".

Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на научных семинарах КузГТУ ( Кемерово, 1994, 1996), Международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь, 1995), Международной конференции "Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе

современных достижений геомеханики" (Санкт-Петербург, 1996), НТС АООТ "Ленинскуголь" и ЗАО УК "Облкемеровоуголь" (Ленинск-Кузнецкий, Кемерово, 1992-1996).

Публикации. По результатам- выполненных исследований опубликовано шесть научных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 143 страницы машинописного текста, содержит 32 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 76 наименований.

Основное содержание работы

Большая роль в совершенствовании технологии подготовки выемочных полей и поддержания подготовительных выработок угольных месторождений принадлежит коллективам ведущих научно-исследовательских, учебных и проектных институтов: ИГД им. А.А.Скочинского, ВНИМИ, ИУ СО РАН, ИГД СО РАН, КузНИУИ, ПНИУИ, КНИУИ, МГГУ, КузГТУ, С.-П.ГТУ, КузНИИ Шахтострой и др.

Значительный вклад в формирование научных представлений о геомеханических процессах, протекающих в углепородном массиве вокруг подготовительных выработок при комплексно-механизированной выемке угля, управлении состоянием массива горных пород внесли крупные ученые: К.А.Ардашев, Н.П.Бажин, А.А.Борисов, Н.С.Булычев, В.Н.Вылегжанин, В.Г.Глушко, Г.И.Грицко, П.В.Егоров, В.В.Егошин, Ю.З.Заславский, М.П.Зборщик, С.И.Калинин, М.В.Курленя, Г.И.Кулаков, Б.К.Лебедев, А.Лабасс, В.П.Мазикин, Ю.Н.Малышев, О.В.Михеев, В.И.Мурашев, В.Н.Рева, В.В.Смирняков, А.В.Стариков, Н.А.Федоров, В.Н.Фрянов, И.Л.Черняк, В.М.Шик, Г.Г.Штумпф, Е.И.Шемякин, В.Д.Ялевский, О.Якоби и др.

В условиях перехода современной экономики к новым условиям большое значение приобретает вопрос эффективного функционирования горного предприятия, во многом определяемый техническим уровнем производства. Однако помимо внедрения высокопроизводительных механизированных комплексов нового уровня, позволяющих резко увеличить

производительность и повысить рентабельность производства, важную роль играют вопросы крепления и поддержания подготовительных выработок, особенно на сопряжениях с комплексно-механизированными очистными забоями (КМЗ).

Анализ существующего положения и научных исследований в области применения различных типов крепи подготовительных выработок, в том числе и на сопряжениях с КМЗ показал, что эффективность угледобычи во многом зависит от состояния крепи сопряжений. В настоящее время до 40% общей трудоемкости работ в очистных забоях составляют работы на сопряжениях. Анализ аварийных ситуаций свидетельствует о том, что 30-35% обрушений кровли происходит на сопряжениях выемочных штреков с очистными забоями. Здесь же наблюдается разрушение угольного массива в боках выработки, большие смещения пород кровли, которые вызывают чрезмерное деформирование и разрушение крепи.

Проведенными обследованиями выемочных штреков в Кузбассе установлено, что до 70% от общего количества выработок закреплено рамными крепями металлического или смешанного исполнения трапециевидной и до 20% - арочной формы, трудоемкость установки которых остается очень высокой. Конструкция крепей такова, что она не препятствует расслоению, смещению и разрушению пород кровли в момент передвижки лавного конвейера, когда возникает необходимость извлечения стойки штрековой крепи. Разработанные серийные отечественные гидрофицированные крепи сопряжений являются недостаточно совершенными: они громоздки, неудобны в эксплуатации и не препятствуют разрушению кровли в поддерживаемом пространстве у концевых участков лав.

Для повышения надежности крепи сопряжений ее усиливают. Часто это приводит к загромождению сечения выработки без достижения требуемого эффекта. Кроме того, использование элементов усиления не всегда экономически оправдано.

Проведенный анализ состояния изученности вопроса позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы. Для достижения цели диссертации, поставленные задачи выполнялись в несколько этапов.

Анализ работы шахт Кузбасса показал, что применяемые средства крепления, способы охраны и пространственное

расположение подготовительных выработок во многих случаях не соответствуют условиям ведения горных работ и, как правило, не обеспечивают безремонтное их поддержание, особенно на сопряжениях с КМЗ. Подобное положение с подготовительными выработками объясняется недостаточным объемом знаний закономерностей влияния горно-геологических условий на устойчивость подготовительных выработок, которые необходимо учитывать при их эксплуатации.

Пространственное распределение природных факторов в различных сочетаниях порождает многообразие горногеологических условий, которые с увеличением глубины разработки интенсивно проявляются в виде обрушений угля и породы, горных ударов и других негативных явлений, усиливающих влияние на работоспособность крепи выемочных штреков, снижая диапазон ее эффективного применения.

Для определения перспективных решений по совершенствованию подготовки и внедрению рациональных планировочных схем раскройки шахтопластов было осуществлено изучение влияния основных горно-геологических факторов на интенсивность ведения подготовительных работ. Проведенные исследования показали, что параметры применяющихся технологических схем по своей структуре в период функционирования практически сохраняются неизменными для всего многообразия природных факторов. Поэтому они работоспособны лишь в узком диапазоне изменения горно-геологических условий. Для обеспечения соответствия элементов технологии при взаимодействии ее со средой необходимо либо выделение контуров в границах шахтного поля с определенными типами условий, либо рекомендации по изменению технологических режимов и параметров на основе прогноза изменчивости горно-геологической ситуации. Разработан документ, в котором содержатся обобщенные рекомендации по изменению параметров технологии, получивший название - паспорт прогноза сложности подготовки и отработки угольного пласта. В соответствии с паспортом, условия подготовки и разработки пласта в целом оцениваются на стадии планирования развития горных работ с учетом влияния прогнозируемых горно-геологических факторов. По степени сложности выделено три группы шахтопластов: простые, средней сложности, сложные, различающиеся по уровню потерь и

списания запасов. Паспорт сложности предполагает анализ горно-геологических условий как по площади всего пласта, так и отдельного выемочного столба. При проведении анализа используются как традиционные методы аналогии, экстраполяции и интерполяции, вероятностно-статистического и литолого-фациального анализа, так и метод анализа тектонической нарушенности на основе горно-геометрических построений, как наиболее информативного фактора для любых по сложности подготовки и отработки пластов.

Паспорта сложности отражают горнотехническую информацию, схемы подготовки и отработки выемочных полей, сведения о возможной механизации горных работ, способах охраны, средствах крепления подготовительных выработок, мероприятия по благоприятному ведению горных работ, что позволяет осуществлять предварительную подготовку забоев к предстоящим изменениям, существенно снизить вредное влияние изменений горно-геологических условий.

Разработанные положения паспорта сложности апробированы на шахтных полях "Полысаевской" (пласты Емельяновский и Байкаимский) , "Березовская" (пласты XXI и XII), "Сибирское" (пласты Андреевский и Коксовый) при ведении проектных, подготовительных и очистных работ.

Анализ состояния крепей сопряжения с КМЗ и штрековой крепи на шахтах Ленинского и Беловского районов Кузбасса показал, что для обеспечения надежной и безремонтной эсплуатации крепей могут быть использованы различные способы разгрузки опорного контура лавы, в том числе и путем изменения параметров системы разработки. Нагрузка на крепь выработок, расположенных по опорному контуру очистной выработки, зависит от обрушаемости пород кровли. Обрушение пород на большую высоту способствует самоподбучиванию выработанного пространства, что приводит к перераспределению нагрузки от веса пород над выработанным пространством с опорного контура на почву выработки. Это способствует разгрузке крепи, прилегающих к очистному забою выработок.

Для определения границы зоны растягивающих напряжений над очистной выработкой, вызывающей обрушение пород кровли, решена задача о величине напряжений в окрестности очистной выработки с учетом плотности пород кровли для пластов пологого и наклонного залегания. Установлено, что конфигурация зоны растягивающих напряжений зависит от

соотношения глубины разработки (Н) и длины очистного забоя (Ъ) (рис.1). Высота свода растягивающих напряжений резко уменьшается с ростом отношения Н/Ь. Если при Н/Ь= 1,25 свод смыкается с поверхностью, то при НЯь=1,5 высота свода составляет 0,44Ь. В связи с этим оптимальным, с точки зрения формирования зоны растягивающих напряжений, следует считать отношение Н/Ь =1,0-1,25 и в зависимости от этого назначать длину очистного забоя.

Анализ технологических схем крепления сопряжений и проявления горного давления в выемочных штреках пологих пластов при их механизированной выемке позволил сформулировать основные технические и технологические требования к крепи выемочных штреков на сопряжениях с КМЗ, суть которых сводится к следующему:

- в очистных забоях пологих пластов на сопряжениях с подготовительными выработками не должно быть специальной крепи сопряжений, так как в противном случае ее наличие загромождает запасной выход из лавы, увеличивает трудоемкость работ в очистном забое и занятость части рабочих для выполнения работ по оформлению сопряжений и установке или передвижке крепи сопряжения;

- роль крепи сопряжения должна выполнять штрековая крепь, устанавливаемая в процессе проведения подготовительной выработки;

а7

*—

Рис.1. Форма зон растягивающих напряжений в кровле очистной выработки

- в штреках, оконтуривающих лаву, должна применяться крепь только трапециевидной или прямоугольной формы, которая является наиболее технологичной вследствие возможности наилучшего ее использования при очистной выемке;

- крепь должна изготовляться из прочного материала, а ее элементы должны обеспечивать установку крепи с предварительным распором;

- межрамные элементы по своей прочности и долговечности должны соответствовать конструкции самой крепи;

- крепь длжна легко и быстро устанавливаться, а также быстро и безопасно извлекаться при погашении штреков.

В качестве крепи, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям, может быть использована специальная конструкция распорной рамной штрековой крепи с элементами равного сопротивления (рис.2). Крепь состоит из металлического верхняка, распорных стоек и продольных металлических подхватов, позволяющих широко варьировать количеством стоек на единицу поддерживаемой площади и расстоянием между рамами. В качестве затяжки может быть использована металлическая сетка. Благодаря соединению отдельных подхватов между собой хомутами, крепь способна работать в безразгрузочном режиме на всем протяжении штрека, что позволяет сохранить несущую способность кровли, не допуская ее расслоения. За счет изменения числа устанавливаемых стоек под подхват можно в широких пределах регулировать сопротивление крепи. Проведенные исследования показали, что для обеспечения необходимого распора в качестве стоек могут использоваться металлические стойки трения, имеющие высокую надежность в работе, либо гидравлические стойки.

Состояние крепи сопряжений во многом зависит от способа поддержания подготовительной выработки до подхода лавы, а в случае ее сохранения, и от способа охраны в выработанном пространстве. Для установления закономерностей проявления горного давления и обоснования рациональных сечений выемочных штреков были проведены исследования по изучению геомеханических процессов при различных схемах подготовки выемочных столбов ( при погашении выработок, при повторном использвании выемочных штреков, при формировании выработок в процессе очистной выемки),

! ^-' хомут У-■-—Г штжвшжА /длина подхвата г—

Рис.2. Распорная рамная штрековая крепь с элементами равного сопротивления

Исследования проводились на шахте "Сигнал" при отработке лавы № 57 пласта Спутник (при формировании выработок в процессе очистных работ и при погашении штрека по мере подвигания очистного забоя).

Вентиляционный штрек 57 формировался в процессе ведения очистных работ. В качестве временной крепи устанавливался верхняк из швеллера № 10-12 на трех анкерах ШК-1П длиной 1.8м. Расстояние между подхватами - 1.6м. После передвижки гидроподхватов на формируемом вентиляционном штреке в промежутке между подхватами устанавливалась рамная смешанная крепь ( металлический подхват, деревянные стойки). По верхнему борту штрека устанавливался один ряд подхватов на деревянных стойках, возводимых через 0,8-1,Ом. По нижнему борту со стороны обрушенных пород устанавливался двойной ряд подхватов и органная крепь. В штреке было оборудовано десять замерных станций.

Установлено, что по всей длине формируемого штрека смещения кровли происходили весьма интенсивно. Так, при отходе лавы от станций на 40м смещения изменялись от 40 мм до 109 мм, а при удалении лавы на 160 м смещения составляли 130-

170 мм. Расслоение кровли активно формировалось при отходе лавы от станции на 70-80 м, после чего оно затухало и впоследствии вся наблюдаемая толща смещалась единым массивом.

Минимальные величины смещения кровли отмечены в погашаемой выработке ( конвейерный штрек 57 шахты "Сигнал") на кромке очистного забоя. Конвейерный штрек 57 проведен по массиву угля и был закреплен смешанной рамной крепью с расстоянием между рамами 0,8 м. Четыре замерные станции были оборудованы в 50-70 м впереди линии очистного забоя. Первые незначительные (1-2 мм) смещения отмечались с 18 м до подхода лавы, достигая максимальных значений ( до 40 мм) к моменту подхода очистного забоя, после чего станции ликвидировались.

Исследования проявления горного давления при сохранении для повторного использования выемочного штрека лавы 19 по пласту Емельяновскому ( шахта "Полысаевская") показали следующее. Конвейерный штрек 19 на всем протяжении (около 700 м) был закреплен по различным паспортам. Основу составляла рамная смешанная крепь, которая в зоне повышенного горного давления ( с опережением лавы на 10-15 м) усиливалась гидравлическими стойками ГВКУ-30. Позади лавы в промежутках между рамами вместо стоек устанавливалась дополнительная крепежная рама. В промежутках между рамами основной и усиливающей крепи устанавливали стойки трения. Для создания обрезного ряда возводилась двухрядная органная крепь.

Использовалась также для крепления смешанная крепь. Через 0,8 м устанавливались рамы: одна из металлического верхняка на деревянных стойках, другая-металлический верхняк на анкерах и деревянные стойки. Для усиления крепи впереди лавы между рамами крепи устанавливались гидравлические стойки ГВКУ-30. Крепление сопряжений осуществлялось крепью сопряжения ПКС-2.

В штреке было оборудовано четыре замерные станции, наблюдения на которых показали следующее. Первые смещения были отмечены на расстоянии 40-50 м впереди лавы, которые равномерно увеличивались при подходе лавы на расстояние 12-13 и составили 20-25 мм. Дальнейшее подвигание лавы привело к резкому увеличению смещений до 40-55 мм. В момент, когда расстояние между лавой и замерными станциями составило 5 м

было зафиксировано значительное (до 160 мм) поднятие реперов. При дальнейшем подвигании лавы смещения пород кровли значительно превышали первоначальные и от новой точки отсчета составили при отходе лавы от станций на 30-35 м 115мм, достигнув далее величины 180-200 мм.

Поднятие реперов можно объяснить появлением сжимающих напряжений в кровле впереди забоя лавя и объемным расширением вмещающих пород, вызванных надработкой пласта Емельяновского пластом Толмачевским при величине междупластья 11-22 м.

Исследования показали, что при любой форме поперечного сечения и при любом типе штрековой крепи не удается сохранить первоначальную площадь ее поперечного сечения. Так, в выработках трапециевидной формы уменьшение сечения на сопряжении с лавой составило в среднем от 4,5 до 44%, в штреках арочной и прямоугольной формы соответственно 11-23,9% и 2,5-27%. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, применяемые рамные крепи не могут устанавливаться с начальным распором и обладают незначительным сопротивлением. Установлено, что уменьшение сопротивления крепи в два раза приводит к росту смещений в 3-4 раза. При этом интенсивность смещений тем больше, чем меньше сопротивление крепи. Во-вторых, низкое качество крепления. Оставленные незабученные пустоты за крепью, глубина которых изменяется от 0,24 до 0,56 м, являются причинами значительных смещений боковых пород и последующего развития куполов в закрепленном пространстве. В-третьих, увеличение глубины разработки сопровождается, как правило, увеличением горного давления, податливости крепи и, соответственно опусканием кровли в границах сечения выемочных штреков.

Анализ результатов исследования проявлений горного давления в выемочных штреках позволяет отметить, что широко применяемая на шахтах смешанная рамная крепь не может быть использована в выработках, формируемых в процессе очистных работ и сохраняемых для повторного использования, так как она не препятствует смещению и разрушению пород кровли, не обеспечивает безремонтного существования в течение всего срока службы и требует обязательного усиления на сопряжениях с КМЗ. В таких условиях требуется принципиально новая конструкция распорной крепи, обладающая высоким сопротивлением,

обеспечивающая безопасность ведения работ на сопряжениях, и приведенная выше (см. рис.2).

Расчет параметров рамной крепи выемочных штреков с элементами равного сопротивления может быть осуществлен с применением классических методов сопротивления материалов и строительной механики, исходя из следующих условий.

Практика показывает, что значительные деформации рамной трапециевидной и прямоугольной крепи возникают прежде всего у верхняков. При этом напряжение в них достигает предела текучести, образуются пластические шарниры, в результате чего верхняки прогибаются на десятки сантиметров и становятся непригодными для повторного использования. Для того, чтобы верхняки оставались прямолинейными, необходимо, чтобы стойки рамы работали в режиме заданного сопротивления и в момент, предшествующий образованию пластического шарнира, давали просадку. Ориентируясь на это условие были определены предельные усилия элементов рамной крепи, при которых происходит просадка стоек для различных прокатных профилей, применяемых в качестве рамной трапециевидной крепи (табл.1). Усилия в стойках (Ув) и (Уа) определяются из выражения:

Ув-а= 16.6 Мпред; (1)

Уа • а= 6.65 Мпред, где а - длина верхняка; Мпред - предельный изгибающий момент.

Для определения усилий, при которых должна происходить просадка стоек, необходимо задаться длиной верхняка и номером профиля, а затем по данным таблицы подсчитать эти усилия с использованием (1).

Нагрузку, соответствующую предельному изгибающему моменту верхняка, можно определить из выражения:

я = М пред/ 0,043 а?

(2)

Таблица 1

Предельные усилия элементов рамной крепи

№ профиля Предельный Момент просадки стоек

СВП изгибающий Уа-а, Ув-а,

момент Мпред, кН-м кН-м

кН»м

14 20.24 134.59 335.5

17 25.36 168.64 420.98 "

19 30.68 204.02 509.29

22 37.76 251.1 626.82

27 50.88 338.35 844.61

33 71.44 475.07 1185.9

Грузоподъемность рамы при этом составит:

Р=д-а=МпРед/0,043а . (3)

Расчетные усилия просадки стоек могут значительно отличаться от грузоподъемности стоек, имеющихся на шахте. В этом случае заданные сопротивления Уа или Ув на опорах верхняка могут быть обеспечены стойками, установленными под подхват с соответствующей плотностью.

При ведении очистных работ в КМЗ необходимо осуществлять передвижку лавного конвейера. При этом в настоящее время на сопряжении убираются стойки штрековой крепи, а консольную часть верхняка поддерживают опережающим подхватом. У прямоугольной или трапециевидной рамы подхватывается конец верхняка со стороны лавы, а у арочной крепи подхват может быть установлен только в середине по центру выработки. Нагрузка, возникающая в том и другом случае на подхват верхняка, а также усилия в верхняке при прочих равных условиях будут различны.

Расчеты показали, что изгибающий момент в верхняке прямоугольной или трапециевидной рамы может быть уменьшен в три раза по сравнению с максимальным моментом верхняка арочной крепи. Нагрузка на подхват верхняка трапециевидной или прямоугольной рамы будет на 30% меньше нагрузки на

подхват арочной крепи в случае, когда расстояние от свободного конца верхняка до стойки трапециевидной или прямоугольной рамы составляет 0,3 от его длины.

Проведенный анализ напряженного состояния верхняка показывает, что в паспорте крепления выработки необходимо предусмотреть установку стойки не под конец верхняка со стороны очистного забоя, а на расстоянии от него на 1/3 его длины. При этом конвейер можно расположить по штреку под консольной частью и исключить в процессе работы лавы извлечение и повторную установку стоек рамной крепи.

В случае установки дополнительных подхватов под верхняк для усиления крепи расположение подхватов считается рациональным при выполнении следующих условий (рис.3).

При установке одного подхвата при равномерно распределенной нагрузке рационально расположить его посредине верхняка ( схема1). Наибольший изгибающий момент при этом возникает под подхватом. Перемещение подхвата от середины верхняков приводит к увеличению моментов как над опорой, так и в вершине параболы большего из пролетов. Величины изгибающего момента и реакций опор верхняка приведены в табл.2.

Ж

а

Мтах Ме, Мтах

шгш

**

7#7 А 7$, гвт

Кв

а

3

Мтах. Мб

ТТТТтттт

6

А 4

К,

ч *

а

Рис.3. Эпюры изгибающих моментов при различных схемах расположения подхватов рамной крепи

Если при тех же условиях устанавливается два подхвата, то они должны располагаться симметрично и, таким образом, чтобы изгибающие моменты в верхняке были минимальными. Это наблюдается в том случае, если максимальные изгибающие моменты для двух различных сечений равны (схема 2, табл.2).

Расположение одного подхвата со смещением от центра (схема 3) рассматривалось ранее.

Таблица 2

Усилия в элементах крепи

Схема Ь /а IV да Як/ да кв/да

1 0,5 0,031 0,187 0,625

2 0,3 0,012 0,115 0,385

3 0,43 0,015 0,15 0,32

Увеличение грузонесущей способности верхняка, выполненного из проката типа СВП может быть осуществлено посредством дополнительного отрезка из такого же профиля, размещаемого над опорной стойкой. Рациональный с точки зрения прочности выступающий над опорой размер этого отрезка, будет равен 0,295

С учетом разработанной методики расчета конструкции рамной крепи с элементами равного сопротивления, были разработаны паспорта крепления штреков и сопряжений КМЗ для трех вариантов, широко применяющихся в настоящее время на шахтах Кузбасса:

- штреки погашаются при отработке лавы;

один из штреков сохраняется для повторного использования;

- штреки формируются в процессе очистной выемки.

Во всех паспортах крепления рассмотрены условия, когда высота штрека больше, меньше или равна вынимаемой мощности пласта.

Для всех без исключения паспортов крепления конструкция штрековой крепи сохраняется без изменения. Унификация элементов крепи позволяет максимально упростить процесс ее

изготовления и служит предпосылкой для создания

соответствующих средств механизации процесса крепления

штреков при их проведении с контролируемым качеством возведения каждой рамы.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научная задача геомеханического обоснования условий работы, выбора типа и параметров специальной крепи выемочных штреков, не требующей установки крепи сопряжения, позволяющей повысить эффективность и безопасность ведения горных работ в угольных шахтах.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Анализ результатов качественной и количественной оценки состояния выемочных штреков, технологических схем крепления сопряжений с КМЗ позволил сформулировать основные технические и технологические требования к крепи выемочных штреков, обеспечивающей эксплуатационное состояние подготовительных выработок на сопряжениях с КМЗ.

Роль крепи сопряжения должна выполнять штрековая металлическая крепь трапециевидной или прямоугольной формы, устанавливаемая в процессе проведения подготовительной выработай.

2. На стадии проектирования условия подготовки и отработки шахтопластов, поддержания подготовительных выработок оцениваются с учетом влияния изменчивости прогнозируемых горно-геологических факторов. Обоснование рациональных параметров планировочных решений осуществляется в соответствии с разработанным паспортом прогноза сложности подготовки и отработки угольных плстов. Паспорт сложности предполагает анализ горно-геологических условий как по площади всего пласта, так и отдельного выемочного столба, содержит обобщенные рекомендации по изменению параметров технологии. По степени сложности выделено три группы шахтопластов, различающиеся по уровню потерь и списания запасов: простые, средней сложности и сложные.

3. Установлено, что разгрузка опорного контура очистной выработки обеспечивает повышение надежности крепи выемочных штреков на сопряжениях с КМЗ. Разгрузка контура может быть осуществлена путем изменения параметров системы разработки с учетом глубины ведения работ (Н) и плотности пород кровли для пологих и наклонных пластов. Длина очистного забоя (Ь) должна назначаться с учетом соотношения Н/Ь. Рациональным следует считать соотношение Н/Ь =1-1,25.

4. Установлены закономерности формирования зон временного и остаточного опорного давления и величины смещений в выемочных штреках на разных участках при различных вариантах их расположения.

Установлено, что уменьшение сечения в выработках на сопряжениях с КМЗ составляет от 2,5 до 44% и достигает 200 мм, что объясняется отсутствием начального распора рамной крепи, низким сопротивлением крепи и низким качеством крепления. В выработках, охраняемых в угольном массиве и погашаемых за очистным забоем смещение в 5-10 раз меньше, чем в формируемых и сохраняемых для повторного использования. Величина зоны опорного даления составляет 18-25 м, а остаточного опорного давления 70-80 м.

5. В качестве штрековой крепи, не требующей установки специальной крепи на сопряжениях с КМЗ, может быть использована металлическая рамная крепь с элементами равного сопротивления, работающая в безразгрузочном режиме на всем протяжении штрека и обеспечивающая оптимальное напряженно-деформированное состояние массива.

Рациональное расположение продольных подхватов и распорных стоек позволяет предотвращать расслоение пород кровли и повысить устойчивость контура выработки в два раза.

6. Для практического применения штрековой металлической крепи с элементами равного сопротивления при проведении выработок и последующего их поддержания разработана методика инженерного расчета ее элементов с применением методов строительной механики и сопротивления материалов.

Область применения металлической крепи с элементами равного сопротивления распространяеется на поготовительные выработки, проводимые как вне, так и зоне влияния очистных работ на глубине до 300 м, а также на сопряжениях КМЗ. Расчет параметров базируется на определении несущей способности

крепи при условии работы всех ее элементов в режиме заданного сопротивления.

7. Разработаны паспорта крепления штреков и сопряжений КМЗ для различных вариантов их расположения в условиях, когда высота штрека больше, меньше или равна вынимаемой мощности пласта. Паспорта крепления прошли промышленные испытания и внедряются на шахтах ЗАО УК "Облкемеровоуголь".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород на сопряжениях КМЗ (Совместно с Ануфриевым В.П., Курзанцевым О.С.) // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез.докл. межд. симпозиума.

- М. - Пермь, 1995. - с.9.

2. Конструкция штрековой крепи, совмещающей в себе функции крепи сопряжения (Совместно с КурзанцевымО.С.) // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. докл. межд. симпозиума. - М.-Пермь, 1995. - с.68.

3. Временное положение по составлению паспорта прогноза технологичности угольных пластов Кузбасса (Совместно с Егоровым П.В., Ануфриевым В.П. и др.) // Минтопэнерго РФ, КузГТУ. - Кемерово, 1995. - 34 с.

4. Выбор и обоснование крепи выемочных штреков КМЗ (Совместно с Клыковым А.Е., Курзанцевым О.С.) // Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики: Тез. докл. межд. конф. - С.-П, 1996.-С.222-. 225.

5. Колмагоров В.М., Курзанцев О.С. Геомеханическое обоснование параметров крепи выемочных штреков при комплексно-механизированной разработке угольных месторождений / Под ред. акад. АГН П.В.Егорова. - Кемерово: Академия горных наук, 1996. - 49 с.

6. К вопросу разработки паспортов крепления сопряжений комплексно-механизированных забоев // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. № 11 / Ассоциация "Кузбассуглетехнология". - Кемерово, 1997. - С. 85-90.