автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование и разработка паспортов поддержания анкерными крепями бесцеликовых повторно используемых выработок

РГВ од

< г • -''"Министерство тошшва я энергетики РФ

Государственное предприятие научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела л п вними

Р г 3 од

ь г и,:'» '¡""^ На правах рукописи

ЛАЗАРЕНКО Борис Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПАСПОРТОВ ПОДДЕРЖАНИЯ АНКЕРНЫМИ КРЕПЯМИ БЕСЦЕЛИКОВЫХ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 05.15.02 -

"Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург 1993

Работа выполнена в Государственном предприятии научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНЙМИ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ардашев Константин Аркадьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Бажин Николай Петрович,

кандидат технических наук, доцент Тимофеев Олег Владимирович

Ведущее предприятие - ВостНИИ

Зашита диссертации состоится " ^ " ^¿с/».*' jgg3 г< в / О часов на заседании специализированного Совета Д.135.06.01 в Государственном предприятии научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела по адресу:

199026, С.-Петербург, В.О., Средний пр., 82, зал заседаний Совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " с'^р'^ хддз г<

Исх. 55 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, ,,•'' доктор технических наук, профессор

В.М.Шик

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современным требованиям обеспечения высокой экономической эффективности и безопасности добычи угля на шахтах в наибольшей степени соответствует бесцеликовая технология разработки пластов с сохранением подготовительных выемочных выработок на границе с выработанным пространством для повторного использования при .отработке смежной лавы.

В настоящее время бесцеликовая технология с повторным использованием выработок, на основании исследований и производственных экспериментов, выполненных учеными ВНИМИ, КузНИИ, ИГД им. Скочинского,ВостНИИ, КузПИ, ИУ СО АН СССР и инженерно-техническими работниками шахт под руководством К.А.Ардапева, Н.В.Бажина, Е.Д.Жарикова, В.Е.Зайденварга, П.В.Егорова, В.И.Мурашова, М.И.Середенко, М.И.Станкуса и других, получила широкое применение на шахтах Кузбасса.

Несмотря на значительный научно-технический прогресс в создании и практическом применении бесцеликовой технологии с повторным использованием выработок, проблема ее эффективного и безопасного применения полностью не решена. Это связано преимущественно с тем, что принятые сейчас паспорта поддержания выработок с установкой в проходческом забое рамных арочных или трапециевидных металлических крепей являются очень трудоемкими и металлоемкими, причем в характерных для Кузбасса условиях залегания в боках выработок слоев перемятых и пластичных пород при неустойчивой непосредственной и труднообрупающейся основной кровле эти крепи деформируются и не обеспечивают безопасность работ на сопряжениях с лавами и безремонтное рабочее состояние выработок в продолжение всего срока службы.

Выполнешшми под руководством А.П.Широкова и Ю.Н.Малышева исследованиями и производственными экспериментами установлено, что перспективной для снижения трудоемкости и металло.емности поддержания повторно используемых выработок является анкерная крепь. Однако опыт показал, что при использовании обычных ялинораспорных анкеров типа АК. и ШК длиной до 2 м она обеспечивает надежное поддержание кровли выработок лишь в легких условиях в период проходки вне зоны влияния очистных работ. При больших.смешениях пород в зоне опорного давления первой лавы, и особенно в периоды-поддержания выработок на границе с выработанным пространством происходили вырывания замков или разрывы штанг. Зто приводило к необходимости установки здесь в выработках такие рамных крепей. Таким образом, актуальная проблема надежного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок экономичными анкерными крепями в настоящее время не решена.

Дельта работы является научное обоснование и разработка новых паспортов поддержания анкерными крепями беспеликоЕых повторно используе-

мых выемочных выработок с применением специальных анкеров, которые без установки рамных крепей обеспечивают их безремонтное рабочее состояние в продолжение всего срока службы.

Идея работы заключается в том, что для повторно используемых выработок необходимо разделение функций крепей по поддержанию кровли и боков, а также новых составных анкеров с конструктивной податливостью, высоким сопротивлением в податливом режиме работы и большой длиной, обеспечивающей закрепление замка -за пределами зоны интенсивного разрушения и смещения пород в кровле и боках.

Задачи исследований включали:

установление закономерностей и количественных показателей разрушения и смещения пород в кровле и боках выработок в различные периоды их поддержания и определение основных причин неработоспособности применяемых рамных и анкерных крепей;

определение требуемых параметров анкерных крепей для надежного поддержания кровли и боков выработок в продолжение всего срока службы без установки в выработках рамных крепей;

разработку новых конструкций анкеров и паспортов с анкерными крепями для безремонтного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок в типичных для шахт Кузбасса горно-геологических условиях.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применена комплексная методика, включающая: анализ условий и опыта поддержания повторно используемых выработок в Кузбассе; проведение шахтных исследований горного давления и экспериментов при различных паспортах под-, держания выработок с рамными и с анкерными крепями при использовании разработанных автором новых составных податливых анкеров в типичных для Кузбасса условиях; анализ и обобщение результатов исследований с использованием общих положений горной геомеханики и инженерных методов расчета параметров крепей; производственную апробацию разработанных новых конструкций анкеров и паспортов поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок анкерными крепями в различных условиях.

Экспериментальные исследования выполнены на шахте "Северная" концерна "Северокузбассуголь" в соответствии с отраслевыми работами ВНИМИ 023904300, ГР 01880087570 и 023912900, ГР № 01910012402.

Положения, защищаемые в диссертации.

I. Рамные арочные и трапециевидные крепи являются нерациональными в связи с некачественным контактированием верхняков с кровлей, низким начальным сопротивлением, отсутствием боковой податливости и малой несущей способностью стоек изгибающим нагрузкам. Некачественное контактирование верхняков с кровлей и.низкое начальное сопротивление приводят к неуправляемому разрушению и потере устойчивости пород

_ о _

в непосредственной кровле и, как следствие, к ухудшению безопасности на сопряжениях с лавами, неэффективный условиям габотн и необходимости увеличения сопротивления стоек усиливающей крепи. Отс-."':твие боковой податливости и малая несущая способность стоек изгибею'.там нагрузкам в условиях залегания в боках заработок слабых перемятых и пластичных выдавливающихся пород приводят к изгибу стоек и, как лед-ствие, к необходимости перекрепления выработок.

2. При использовании, рамных крепей в условиях интенсивного вьта: -ливания пород в боках они должны выполнять только функцию поддержания кровли, для чего между стойками рам и породами в боках следует оставлять зазор, равный величинам смещений боков в продолжение всего срока службы выработок, а поддержание боков осуществлять анкерной крепью.

3. Для надежного поддержания ■боков анкерной крепью в легких условиях при отсутствии в них перемятых и пластичных слоев и на глубинах меньше 300 и достаточной является установка обычных анкероз глиной 1,6-1,8 м, сопротивлением 80-100- кН/м через деревянные подхваты толщиной 80-100 гш. В тяжелых условиях для поддержания боков необходимо применение специальных податливых анкеров с длиной по 3-3,2 м, податливостью до 180-200 мм и сопротивлением до 150-160 кН/м.

4. Для надежного поддержания кровли анкерной крепью без установки рамных крепей во всех условиях необходимо применение специальных податливых анкеров с длиной, как правило, 3,8-4 м, податливостью 200220 мм и сопротивлением 400-450 кН/м, располагаемых с наклоном в сторону угольного пласта под углом .:;о 25-30° для передачи нагрузок от связанных анкерами пород на опираю" кзея на пласт випзлежшцие породы.

Научная новизна работы. Для условий з.-легания в боках вкпаботок слабых пластичных и перемятых пород установлены количественные зависимости глубины разрушения и величин смешений боков от их прочности и мощности, сопротивления крепи и глубины. На осногании установленных -зависимостей доказана нераииональность поддержания боков выработок в этих условиях рамными крепями, обоснован новый эффективный способ с поддержанием кровли рамным,-, крепями, а боков анкерной крепью и определены требуемые конструкции и параметры анкерной крепи для надежного поддержания боков в продолжение всего срока службы выработки.

Установлены основные закономерности процесса разрушения, смешения и расслоения непосредственно!'; и основной кровли при использовании рамных крепей, главной особенностью которого является потеря устойчивости и неуправляемое перемещен ш кровли под выработкой на высоту до 3,5-4 м с отслоением от вышележащих пород до ХР-400 м'.< -На основании установленных закономерностей доказана чеэ-г<?юлт явность применения рамных крепей для го "держания кровли, в связи с ч. -сачестве"-

• -

ным контактом их верхняков с кровлей и низким начальным сопротивлением и обоснован комплекс требований к анкерной крепи для надежного поддержания кровли бесцеликовых повторно используемых выработок,главным из которых является необходимость применения новых конструкций составных податливых анкеров, обеспечивающих сохранение устойчивости и управляемое перемещение кровли под выработкой на высоту 3,5-4 м.

Личный вклад автора состоит: в выполнении анализа условий и причин неэффективного поддержания повторно используемых выработок на шахтах Кузбасса; постановке задач, разработке методики исследований, выборе объектов исследований и производственных экспериментов, в проведении исследований и экспериментов, их анализе и обобщении; разработке и испытании новых конструкций анкеров и паспортов поддержания выработок комбинированными анкер-рамными и анкерными крепями.

Научное значение работы. Установлен ряд новых закономерностей и зависимостей проявлений горного давления при поддержании бесцеликовых повторно используемых выработок рамными и анкерными крепями, являющихся научной базой для совершенствования и'создания новых паспортов поддержания анкерными крепями.

Обоснованы геомеханические параметры эффективного безремонтного поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок анкерными крепями и требования к конструкциям и параметрам анкеров для типичных горно-геологических условий шахт Кузбасса. Разработаны инженерные методы выбора и расчета паспортов поддержания выработок анкерными крепями.

Практическое значение работы. Разработаны ресурсосберегающие паспорта поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок анкерными крепями и определены их рациональные параметры для типичных условий на шахтах Кузбасса, обеспечивающие безремонтное рабочее состояние выработок в продолжение всего срока службы,

Разработан ряд новых конструкций длинных составных податливых анкеров с высоким сопротивлением в податливом режиме работы, обеспечивающих надежное поддержание кровли и боков выработок при больших размерах зоны разрушений и смещений пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основана, в первую очередь, на большом объеме исследований проявлений горного давления с использованием апробированных методов и приборов ВНИМИ, в том числе метода глубинных реперов, проведенных в шести повторно используемых выработках на шахте "Северная". При этом в выработках выделялись специальные экспериментальные участки протяженностью 3040 м с различными паспортами поддержания рамными и анкерными крепями с изменением параметров общего сопротивления крепей в !>3 раза.

При анализе полученных зависимостей для повышения достоверности

и обоснованности работы для всех шахт Кузбасса, наряду с применением апробированных методов обработки экспериментальных данных, использованы результаты других исследований и экспериментов на шахтах Кузбасса, а также выполненные автором аналитические расчеты на основе современных положений горной геомеханики.

Подтверждением достоверности и обоснованности является и положительный эффект опытного применения на шахте "Северная" разработанных паспортов поддержания выработок анкерными крепями: экономический эффект применения паспорта с поддержанием боков анкерной крепью в 1990г. составил 110 тыс.р., а экономический эффект применения паспорта с поддержанием кровли анкерной крепью в 1992 г. составил 240 тыс. р.

Реализация работы. Результаты выполненной работы реализованы в разработанном автором "Руководстве по выбору и расчету паспортов поддержания анкерами бесцеликовых повторно используемых выработок на шахтах Кузбасса", рекомендованном для применения управлением Кузбасского горного округа Госгортехнадзора РФ, ПО "Северокузбассуголь", Кузниуи и ВостНИИ. Для изготовления новых податливых анкеров разработана техническая .документация и штампы. Опытные партии анкеров изготовляются в мехцехе шахты "Северная". В настоящее время на шахте "Северная", "Березовская" и "Бирюлинская" запланировано применение паспортов с анкерной крепью в выработках, намеченных к проходке в 1993 г. Расчетный экономический эффект от применения новых паспортов поддержания ■ 'составляет в ценах 1992 г. около 8 тыс. р./м, т. е. при'Планируемой протяженности проходимых выработок в 1993 г. составит, свыше 7 млн р.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в 19901993 гг. докладывались во ВНИМИ, ВостНИИ, КузНИУИ, Сибирском филиале ВНИМИ, ПО "Северокузбассуголь" и Управлении Кузбасского округа Госгортехнадзора РФ.

Публикации По теме диссертации опубликованы три статьи и "Руководство" и получены два патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 146 страниц, включая 34 рисунка, семь таблиц и список литературы из 40 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложен анализ горно-геологических условий применения бесцеликовой технологии с повторным использованием выработок на шахтах Кузбасса, выполненных исследований проявлений горного давления и применяемых паспортов поддержания выработок, на основании которого поставлены задачи, определена методика и выбраны объекты шахтных исследований и экспериментов.

Анализ горно-гдологических условий различных угольных месторождений лузбасса с использованием современных 'методик классификаций условий залегания пластов и свойств вмещающих пород по устойчивости и обрушаемости в отраслевых нормативных документах и прогноза литолого-фациальных ритмов осадконакопления угленосных массивов, позволил установить следующие характерные особенности, определяющие условия поддержания выработок.

Одной из этих особенностей является залегание в непосредственной почве многих пластов слоев очень слабых перемятых и -пластичных пород мо!Цностью, как правило, до 0,5-0,8 м, которые даже на небольших глубинах интенсивно выдавливаются в выработки и существенно влияют на их поддержание.

Другой характерной и объединяющей разрабатываемые в Кузбассе пласты особенностью является залегание в непосредственной кровле слоистых аргиллитов и алевролитов средней устойчивости и неустойчивых, а в основной кровле труднообрушающихся песчаников, причем даже в пределах выемочных участков состав, мощность различных пород и их меха-чические и структурные свойства изменяются в широких пределах.

Анализ показал, что разрабатываемый' на шахте "Северная" пласт Чумпановский является типичным по указанным факторам.

Анализ исследований и опыт поддержания повторно используемых выработок рамными крепями показал, что при их усилении в зонах опорного "Явления первой лавы, интенсивных разрушений и сдвижения основной кровли за первой лавой и интенсификации горного давления перед второй лавой установкой трех-четырех гидравлических стоек с доведением общего сопроттления крепей в выработке до 700-800 кН/м и при установке на границе с выработанным пространством двухрядной органной крепи при обычной основной кровле и трехрядной органной крепи при ^руднообрутающейся кровле обеспечивается надежное поддержание кровли пьтчаб^- к в продолжение всего срока службы. При труднообрушающейся кровле может быть установлена двухрядная органная крепь в случае' применения ее отсечного обрушения ВВ. Одновременнр было установлено,что при залегании под пластом слабых перемятых и пластичных слоев в результате их выдавливания в выработку происходит изгиб стоек рам, а следовательно, для восстановления рабочего сопротивления выработок необходимо выполнение трудоемких и опасных ремонтных работ с заменой деформированных рам.

Учитывая отмеченное, а такяе ряд других крупных недостатков всех рамных крепей (высокую трудоемкость и металлоемкость крепления, сложность и опасность работ на сопряжениях с лавами, практическую невозможность извлечения и повторного использования), автором был сделан вывод о необходимости дальнейшего совершенствования паспортов поддержания повторно используемых выработок в направлении изыскания но- 6 -

вых менее трудоемких и металлоемких, болте технологичных и надежных крепей для поддержания кровли и боков выработок.

В этом направлении наиболее перспективным является применение анкерной крепи, которая, как показал опыт на шахтах Кузбасса, позволила в 1,5-2 раза увеличить скорость проведения выработок и существенно уменьшить расход металла. Однако было установлено, что в условиях расположения повторно используемых выработок на границе с выработанным пространством применявшиеся серийные анкера типа АК и ШК длиной 1,8-2 и не обеспечивают надежного поддержания кровли. В применявшихся паспортах зцесь в зоне опорного давления первой лавы производилась установка рамных крепей. Установка анкеров в боках выработок также не предотвращала деформирования рамных трепей в условиях интенсивного выдавливания слоев слабых пластичных пород. На' основании анализа выполненных '«следований автором был сделан вывод, что для тяжелых условий поддержания повторно'используемых выработок необходима разработка и применение специальных конструкций 'анкепов, обеспечивающих их работоспособность при образовании в кровле и боках выработок значительной зоны разрушенных пород и больших величинах их смещений.

Для решения поставленных практикой задач автором в основу был положен метод шахтных исследований и производственных экспериментов с детальным изучением и определением закономерностей и количественных показателей деформирования, разрушения и смещения пород в кровле и боках выработок и их силового взаимодействия с различными рамными и анкерными крепями, в том числе и с разработанными автором новыми конструкциями длинных составных податливых анкеров, в типичных для шахт Кузбасса выработках на пласте Кумпановском. Для полу-фния окончательных научных выводов и практических решений по предлагаемым паспортам поддержания выработок анкерами был применен метод сопоставительного анализа полученных результатов с чанными других исследований и экспериментов и с использованием теоретических положений горной геомеханики и управления горнил давлением в подготовительных выработках.

Во второй главе изложены результаты исследований и экспериментов по обоснованию и разработке рациональных способов и средств поддержания выпаботок в условиях залегания в боках слабых выдавливающихся пород.

Для изучения характера и причин деформирования рамных крепей в этих условиях в качестве объекта исследований были приняты четыре выемочные вчгоаботки пласта Кумпановсуого, расположенные в бремсбер-говом поле 4 Боровушинского участка шахты "Северная" на глубине 240-260 м. Здесь в непосредственной почве пл-чста залегает слой перемятого глиноподобного аргиллита прочностью 5-6 Л1а и мощностью

0,3-0,5 м. Из принятых для исследований выработок две были закреплены арочной металлической крепью АПК-Ю, а две другие - трапециевидной металлической крепью КМП(Т). Плотность рамных крепей составляла 1,25 рамы/м.

Во всех выработках уже до начала отработки лав в результате Выдавливания слабого слоя в боках начались деформации изгиба стоек рам. Особенно интенсивно деформации изгиба стоек происходили на расстояниях от лав меньше 10-15 м, где изгиб стоек достигал 230-300 мм и сопровождался разрывом замковых хомутов и выдавливанием верхняков из соединений. В дальнейшем при переходе выработок на границу с выработанным пространством изгиб стоек достиг 0,6-0,8 м. Это привело к необходимости полного перекрепления выработок с заменой деформированных рамных крепей. Дополнительная установка в боках выработок между рамами двух анкеров длиной 1,8 м через деревянный распил также не предотвратила деформирование рамных крепей. В то же время было установлено, что после снятия деформированных рам на участках установки анкерной крепи бока выработки не обрушились и с новыми рамами выработки сохранились в-рабочем состоянии до погашения их смежной лавой.

На основании результатов .исследований автором был предложен новый способ поддержания выработок для условий залегания в боках слабых интенсивно выдавливающихся пород (решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 4913926/03 от 21.02.91 г.), в котором рамные крепи устанавливаются при проходке с зазором между стойками и поро-тами в боках выработки и выполняют только функцию поддержания кровли, а функцию поддержания боков выполняет анкерная крепь.

Для подтверждения эффективности предложенного способа в одной из выработок на пласте Кумпановскоы был проведен специальный эксперимент с постановкой инструментальных измерений по контурным реперам смешений кровли, боков и почвы на базовом участке, закрепленном рамами КМТ(Т) плотностью 1,25 рамы/м, и экспериментальном участке с этой же крепью, установленной с зазором между стойками и боками 0,3м и анкерной крепью в боках, состоящей из двух анкеров ШК-1 м и длиной 1,8 м, устанавливаемых черен деревянный распил на расстояниях 1м.

Из представленных на рис. I, а графиков результатов измерений смешений боков видно, что как при старом, так и при новом способах поддержания происходит разрушение и выдавливание пласта и слабого слоя в ^окат, которое наиболее интенсивно развивается за лавой, а -атем на Расстояниях от нее 100-120 м постепенно затухает. Однако, тли при старом способе величины смещений пласта достигают 140-;.",0 мм, а г-лй'Ип выдавливающегося слоя 320-350 мм и приводят к раз-тэуш^нию стоек •■* <>ре работоспособности рам, то при новом способе спи' ения значчтельно меньше и не превышают в пласте '50-60 мм и в слабом-"лое .¿0-!о0 мм. При этом по окончания срока службы выработки

- 8 -

а

Рис, I. Графики смещений боков (а) ч кровли (б):

Ъ - расстояние цо забоя лавы; I и 2 - соответственно на участках поддержания боков рамной и анкерной крепями

между стойками рам и боками выработки оставался зазор до 150-160 мм, все стойки не имели деформаций изгиба, рамы сохраняли рабочее состояние, а принятая анкерная крепь обеспечила надежное поддержание ^оков. Важным результатом эксперимента, как видно из рис. I, б, является то, что применение нового способа за счет сохранения работоспособности оамной крепи позволило уменьшить вдвое величины смещений кровли и втрое - пучения почвы. Это обеспечило нормальное рабочее состояние экспериментального участка в продолжение всего срока службы. Дальнейший перевод выработки на новый способ позволил уменьшить затраты на ее поддержание до 130 р./м выработки и получить экономический эффект около ПО тыс. р.

Для опрепеления требуемых параметров анкерной крепи, обеспечивающей в других горно-геологических условиях надежное поддержание боков вчрябпток при использовании предложенного нового способа, автором был выполнен теоретический анализ с использованием положений теории прятельного равновесия.

Согласно этой теории в конкретных условиях, определяемых нормальными напряжениями в боках показателями прочности бс, бокового распора § и коэффициента трения | в пласте и породах и высотой выработка Ьв, в ^б.;,ем виде при развитии зоны разрушения в пласте тв на глубину Ър сопротивление анкерной крепи определяется по формуле:

[(чгн-р5+гУьд]ч

Р= (I,

ехр т^г

Из расчетов по этой формуле следует, что при 1/^=0 недопущение образования в боках выработки зоны раорушения в пласте является нереальным, так как требует очень большого сопротивления крепи. В то же время при развитии зоны на глубину 1р = Ър^дд» когда дальнейшее разрушение под воздействием нормальных напряжений компенсируется препятствую -ими разрушению силами трения в уже образовавшейся зоне разрушения, сопротивление крепи может быть принято небольшим и рассчитанным лишь на поддержание разрушенной зоны, т. е.

Р = ¡Ту ЬртахЧ£ ' (2)

В последнем случае необходимо применять анкерную крепь с податливостью, определяемой разрыхлением и выдавливанием пласта в зоне'разрушения на глубину 1/ргшл, т. е.

где Кр - коэффициент разр1гхленяя пласта при разрушении, § - смешение (конвергенция) кровли и почвы.

Для этого рапионального способа поддержания боков податливой анкерной крепыо величина зоны разрушения определяющая минимальную требуемую длину анкеров, рассчитывается по формуле:

_{lg[(KorH-óc)g + P]-lgPhb,B

На основании проведенных расчетов- предложено определять требуемые параметры анкерной крепи по номограмме, представленной на рис. 2 (H/R с - отношение глубины в м к средней прочности в МПа). Из рассмотрения номограммы следует, что лишь в относительно легких условиях на небольших глубинах и при небольшой мощности слабого слоя поддержание боков может быть обеспечено обычными анкерами длиной 1,6-1,8 м й сопротивлением 80-100 кН/м, когда требуемая податливость анкерной крепи до 80-100 мм может быть создана за счет смятия деревянного опорного прогона. На больших же глубинах для закрепления замков анкеров за зоной оазрушения их длина должна быть увеличена до 3-3,2 м, при этом анкеры должны иметь конструктивную податливость до 180-200 мм и сопротивление 150-160 кН/м.

В третьей главе изложены результаты исследований и экспериментов по обоснованию требуемых параметров и разработке конструкций анкерной крепи для поддержания кровли повторно используемых выработок.

Для решения этой задачи сначала были проведены исследования проявлений горного давления с детальным изучением характера разрушения, расслоения и смешения кровли над выработкой на пласте Кумпановском при использовании принятых паспортов поддержания с рамными крепями. Горно-геологические условия на участке исследований таковы: мощность пласта 1,8 м; угол падения 15°; глубина от поверхности 240 м; е непосредственной кровле залегает углистый аргиллит прочностью 19 f-.üla и мощностью 0,8 м; вше залегают слоистые и тре"'инозатые алевролиты прочностью 28 '¿Па и -'о-"ностыо 3,6 м, выше - слои песчаника прочностью 48 МПа и мо-чостыо 3,8 м и выше - алевролиты прочностью 24 '.'.Па и мощностью 2,8 м. В основной кровле залегают массивные песчаники прочностью 70-80 МПа. Выработка закреплена арочной металлической крепью АП-3 плотностью 1,25 рамы/м. Впереди лавы на расстоянии 25-30 м в выработке устанавливались под арки две стойки ГС, а за лавой - дополнительно одна стойка ГС со стороны выработанного пространства, а также органная крепь -плотностью 6-7 стоек/м.

Для изучения процессов разрушения, расслоения и смешения непосредственной и основной кровли в ней была пробурена скважина и установлено шесть глубинных реперов на расстояниях от выработки I; 3; 5;

Рис. 2. Номограмма для определения параметров анкерной крепи в боках выработок: а и б - для верхнего и нижнего боков; 1/ - длина анкеров

6,5; 7,5 и 10 м. В кровле и боках выработки также были установлены контурные реперы.

Приведенные на рис. 3 результаты измерений по глубинным реперам показали, что арочная крепь, в связи с зазором между ее верхняками и породами в кровле и небольшим начальным сопротивлением, практически не препятствовала неуправляемому разрушению и потере устойчивости непосредственной кровли с самого начала проходки выработки. Высота свода разрушения непосредственной кровли над выработкой, отслоившейся от вышележащих пород, уже к сопряжению с первой лавой постигала 2,5-3 м, а затем в зоне интенсивного сдвижения за первой лавой возросла до 3,54 м. В отличие от непосредственной кровли вышележащая толща смещалась без потери собственной несущей способности со значительно меньшими величинами смещений и без резких осадок. Процессы ее смещения начались за первой лавой,и высота трещин расслоения не превышала 15-20 мм. Характер и величины смещений вышележащих пород определялись сдвижением основной кровли и сопротивлением стоек усиливающей и органной крепей.

Проведенный автором сопоставительный анализ полученных результатов с данными аналогичных исследований на других пластах Кузбасса показал, что этот механизм процессов разрушения, расслоения и смещения пород, кровли и их взаимодействие с крепями являются типичными для разнообразного состава, строения и механических свойств кровли. Это позволило сделать следующие выводы.

Рамные крепи.в связи с некачественным контактированием их верхня-ков с кооплей и небольшим начальны?? сопротивлением, не обеспечивают эффективного поддержания кровли, приводят к ухудшению условий работы стоек усиливающей крепи, распираемых в уже потерявшую устойчивость непосредственную кровлю и, как следствие, к снижению безопасности работ на сопряжениях с лавами.

Для надежного поддержания кровли в повторно используемых выработках анкерной крепью необходимо применение специальных анкеоов: с длиной, как правило, не меньше 3,8-4 м, обеспечивающих закрепление их замков за предела!.™ свода разрушения пород над выработкой; с конструктивной податливостью не меньше 200 мм для компенсации расслоения кровли при ее сдвижении в периоды расположения выработки на границе с выработанным пространством; с общим сопротивлением анкеров ¿100-450 кН/м и сопротивлением анкеров в податливом режиме работы не меньше 70-80 "А от их несущей способности для поддержания и связывания кровли в своде разрушения над выработкой. При этом анкеры следует устанавливать с наклоном в сторону угольного пласта до 25-30° для передачи нагрузок от связанных, анкерами пород в своде разрушения на оготорда.иеся на пласт вышележащие истоды.

Для выполнения установленных: требований к эннер"оЧ крепи автором на основании,анализа " проведенных экспериментов тапрэботаны две новых

Рис. 3. Графики смещений контурного (к) и глубинных реперов (1-6) в кровле

конструкции составных податливых анкеров, на которые получены решения о выдаче патентов на изобретения.

В анкере с трубчатым узлом податливости последняя с постоянным со-поотивлением в податливом режиме работы создается за счет протягивания конусной гайки через раздувающуюся трубку, необходимая длина - за счет закрепления на полувтулках клинораспорного замка анкера АК-8 распорных упругих пластин, паботающих как "ерш" при натяжении штанг.

В анкере со встречно направленными клиновыми соединениями штанг его конструктивная податливость создается суммарной величиной перемещения гатанг в соединениях до упора "в зуб", его длина - количеством и длиной соединяемых штанг, сопротивление в податливом режиме - усилием внедрения клиновых соединений в стенки шпура, а максимальная несущая способность до прочности штанг на разрыв - сутлмарным сопротивлением выпергивания всех клиновых соединений.

Лля подтверждения ^-Иективности поддержания кровли анкерной крепью с рекомендуемыми конструкциями и параметрами анкеров в одной из прой-"рнных в 1992 г. на пласте Кумпановском повторно используемой выработке, закрепленной при проходке крепью АПК-10 плотностью 1,25 рамы/м, на пвух экспериментальных участках с неустойчивой непосредственной кровлей и с устойчивой непосредственной кровлей,в кровле была установлена анкерная крепь с длиной анкеров 3,6 м, податливостью 200-220 мм и не-суней способностью 350-400 кН/м. Анкеры устанавливались между верхня-ками рам под асочный веохняк. В каждом ряду устанавливалось по три анкера. На участках с анкерной крепью при проходе их забоем лавы дополнительное увеличение сопротивления крепи стойками усиления, как правило, производилось одной гидравлической стойкой, т. е. общее сопротивление рамной усиливающей и анкерной крепей в выработке на границе с выработанным пространством составляло не более 650-700 кН/м.

В отличие от экспериментальных участков,на базовых участках выработки с рамной крепью впереди забоя лреы устанавливалось по 3-4 гидравлические стойки усиления, распираемые в верхняки рам и промежуточные арочные верхняки, т. е. пдесь общее сопротивление рамной и усиливающей крепей в выработке на гвдниие с выработанным пространством составляло эт 750 до 900 кН/м.

На всех участках выработки на границе с выработанным пространством устанавливалась двухрядная органная крель.

Проведенные измерения показали коренное отличие в состоянии выработки на базовых и экспериментальных участках (см. рис. 4). На базовых участках без анкерной крепи, несмотря на значительно большее общее сопротивление арочной и усиливающей крепей, деформации рамной крепи на-тонались уже в 10-15 м впереди-забоя лавы,и за лавой в 80-100 м при смещениях кровли 800-900 мм арочная рамная крепь была полностью деформирована, а выработка требовала капитального ремонта с заменой рам и

а

Риз. 4. Графики смещений кровли (I) п боков (2) выработки (д) без анкерной крепи С СЧлШрИб»

увеличением сечения с затратами около 5 тыс. р./м.

На обоих экспериментальных участках с установленной анкерной крепью в результате связывания пород всей непосредственной кровли с податливыми анкерами она сохраняла устойчивость, ее смещения происходили совместно с основной кровлей, величины смещений не превышали 250280 мм, арочная рамная крепь не деформировалась и выработка была сохранена в рабочем состоянии без ремонта.

Таким образом, проведенный эксперимент полностью подтвердил надежность и эффективность поддержания кровли .анкерной крепью и выдвинутые положения о ее параметрах в бесцеликовых повторно используемых выработках.

Четвертая глава является обобщающим практическим итогом работы. Здесь на основании анализа принципов компоновки крепей в паспортах с учетом особенностей проявлений горного давления в различных периодах поддержания выработок, классификаций пород кровли по устойчивости и обрушаемости, результатов выполненных исследований и экспериментов и оценки технических решений с позиций надежности и экономической эффективности даны конкретные предложения по рациональным типовым паспортам поддержания анкерами бесцеликовых повторно используемых выработок и горно-геологическим условиям их применения.

Основные положения, принятые автором в паспортах поддержания выработок анкера™, заключаются в следующем.

Паспорта поддержания следует выбирать и рассчитывать с учетом особенностей проявлений горного давления при последовательном переходе выработок от расположения в массиве к расположению на границе с выработанным пространством и свойств вмещающих пласты пород по устойчивости, обрушаемости и пучимости. Паспорта должны включать:

- анкерные крепи в кровле и боках, устанавливаемые при проходке и рассчитываемые на поддержание их в продолжение всего срока службы выработки;

- деревянную, органную крепь, устанавливаемую за первой лавой на границе с выработанным пространством и рассчитываемую на управление обрушением и сдвижением основной кровли и защиту выработки от обрушенных пород;

- усиливающие металлические стойки - гидравлические или трения, -устанавливаемые в выработке за первой лавой и перед второй лавой в зонах интенсивного обрушения и сдвижения основной кровли для повышения надежности поддержания кровли, облегчения органной крепи и уменьшения пучения почвы;

- отсечное обрушение труднообрушающейся основной кровли взрыванием ВВ в скважинах на границе с выработанным пространством для облегчения органной и усиливающей крепей.

Анкерная крепь в кровле должна удовлетворять следующим требованиям: обшее сопротивление не меньше 400-450 кН/м, плотность анкеров не меньше 0,8 анк.длина анкеров, как правило, не меньше 3,8-4 м, податливость не меньше 200-220 мм. При использовании разработанных автором новых податливых анкеров, при расстоянии между рядами анкепов I м в каждом.ряду следует устанавливать по три анкера.

В боках анкернар крепь должна состоять из двух анкеров,, устанавливаемых через подхват из деревянной однорезки с расстоянием между рядами I м. В легких условиях на глубинах до 300 м и при мощности слабых выдавливающихся пород до 0,5 м можно применять серийные анкеры АК или Н1К длиной 1,8-2 м. В тяжелых условиях необходимо применять податливые анкеры с податливостью не меньше 180-200 мм и длиной не меньше 3-3,2 м.

Если паспорта с анкерными крепями применяются в условиях, когда непосредственная кровля сохраняет устойчивость до установки анкерной крепи, к которым относится залегание в кровле различных пород прочностью свыше 25-30 МПа с толщиной слоев больше 0,3-0,4 м и расстоянием между трещинами свыше 0,4-0,5 м, то следует принимать форму вира-ботки с плоской кровлей, ориентированной по напластованию, и вертикальными стенками. Такую же Форму следует принимать при мощности неустойчивой непосредственной кровли до 0,3-0,4 м с выемкой ее при проходке выработки. При большой мощности неустойчивой непосредственной кровли следует принимать выработки о арочной Формой кровли и высотой арки не больше 1-1,2 м.

Отсечное обрушение основной кровли следует применять в условиях залегания под пластом на расстоянии меньше 7-8 м массивных песчаников и алевролитов с прочностью свыше 60-80 ЧПа и толщиной слоев больше 2-2,5 м.

Если применяется отсечное обрушение труднообрушающейся основной кровли, то при всех составах кровли в паспортах следует принимать:

- двухрядную органную крепь плотностью 7-8 стоек при мощности пласта свыше 2 м; на пластах мощностью до 2 м с углами падения больше 25° при нисходящем порядке отработки лав;

однорядную органную крепь плотностью 4-5 стоек на пластах мощностью до 2 м, а при нисходящем порядке отработки лав и при углах падения меньше 25°. Органная крепь должна иметь податливость, для чего стойки следует устанавливать на пластах мощностью до 2 м под деревянный брус, а на пластах мощностью свыше 2 м также и на леревянный лежень.

При использовании гидравлических стоек или стоек трения сопротивлением 200 кН/м в паспортах следует принимать:

- установку яа первой лавой на расстоянии от н'.-е не меньше 80 м трех стоек, о расположением одно'1 стойки посредине выработки и двух

стоек на границе с выработанным пространством;

- установку перед второй лавой на расстоянии от нее не меньше 40 м двух стоек, одной посредине выработки и второй на границе с выработанным пространством.

Произведенные расчеты и производственные эксперименты показали, что по сравнению с применяемыми паспортами с рамными крепями разработанные паспорта с анкерными крепями обеспечивают снижение трудоемкости и металлоемкости крепления и расходов на поддержание бесцеликовых повторно используемых выработок и, как следствие, снижение затрат общих - на сооружение и поддержание всего срока службы - до 8 тыс. р.Лл выработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе анализа и обобщения результатов комплексных исследований и экспериментрв, дано новое решение актуальной научно-практической задачи по обоснованию и разработке более эффективных и безопасных паспортов поддержания бесцеликовых повторно используемых выработок с применением анкерных крепей на пологих и по-логонаклонных пластах средней мощности в Кузбассе.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Применение рамных арочных и трапециевидных крепей в бесцеликовых повторно используемых выработках является нерациональным и неэффективным в связи с некачественным контактированием верхняков с кровлей, низким начальным сопротивлением, отсутствием боковой податливости и малой несущей способностью стоек изгибающим нагрузкам, а также большой металлоемкостью и трудоемкостью крепления, опасностью работ на сопряжениях с лавами и извлечения крепей.

2. В условиях залегания в боках выработок слабых интенсивно выдавливающихся пород при -использовании рамных крепей для достижения безремонтного поддержания выработок еле,дует применять способ, пои котором рамные крепи выполняют только функцию поддержания кровли,для чего между стойками рам и породами в боках оставляют зазор, равный величинам их смещений в продолжение всего срока службы выработки, а поддержание боков осуществляют анкерной крепью.

3. Установленные закономерности и количественные показатели про-, цессов разрушения, расслоения и смещения пород в кровле и боках выработок позволили сделать обоснованный вывод, что для надежного поддержания выработок необходимо применение специальных анкеров с длиной, обеспечивающей закрепление их замков за зоной разрушения и потери устойчивости пород в кровле и боках, с конструктивной податливостью,

определяемой разрыхлением и расслоением пород-в зонах разрушения, с высоким сопротивлением в податливом режиме работы и повышенной несущей способностью. Для реализации указанных требований разработаны новые конструкции анкеров с трубчатым и клиновым узлами податливост? и упругими распорными элементами в замках.

4. Разработаны новые типовые паспорта поддержания выработок с анкерными крепями в кровле и боках и инженерные методы расчета их параметров в различных горно-геологических условиях.

Основные результаты шаботы прошли опытную проверку на шахте "Северная" с экономическим эффектом около 360 тыс. р. и использованы в "Руководстве по выбору и расчету паспортов поддержания анкерами беспеликовых повторно используемых выработок на шахтах Кузбасса". В настоящее время на ряде шахт Кузбасса разработаны проекты применения паспортов с анкерными крепями для выработок, намеченных к проход ке в 1993 г.

Основные положения диссертации содержатся в следующих работах.

1. Лазаренко Б.М. Поддержание боков подготовительных выработок ан керами / Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности. - 1991. -15 4 / ЦНМЭИ. - С. 19-23.

2. Лазаренко Б.М. Геомеханическое обоснование поддержания подготовительных выработок анкерами / Тр. ВНПЫИ, 1991. - Сб.: Свойства горного массива и управление его состоянием. - 163. - С. 218-221.

3. Лазаренко Б.М., Ардашев К.А. и др. / Тр. ВНЖШ, 1991. - Сб.: Свойства горного массива и управление его состоянием. - № 163. -С. 243-245.

4. Лазаренко Б.М., Апдашев К.А. Руководство по выбору и расчету паспортов поддержания рнкеоами бесцеликовых повторно используемых выработок на шахтах Кузбасса. - Кемерово, 1992.

Печатный цех ВНИШ. Зак. 17. 15.04.93 г. Тираж 100