автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Выбор и обоснование эффективных способов охраны и конструкций крепи подготовительных выработок шахт Ленинского и Беловского районов Кузбасса

РГ6 од На правах рукописи

/ 8 ИЮН 1998

Ануфриев Виктор Петрович

УДК 622.267.3

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ОХРАНЫ И КОНСТРУКЦИЙ КРЕПИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ШАХТ ЛЕНИНСКОГО И БЕЛОВСКОГО РАЙОНОВ КУЗБАССА

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождении

полезных ископаемых

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в АО Угольная компания "Лснинскуголь"

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук

Егоров П.В.

Научный консультант - доцент, кандидат технических наук

Бобер Е.А.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

Фрянов В.Н.

кандидат технических наук Сурков A.B.

Ведущее предприятие - ОАО УК "Северокузбассуголь".

защита состоится 26 мая 1998 г. в 13 часов на заседании Диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля и углехимли Сибирского отделения Российской академии наук (650025. г.Кемерово, ул.Рукавишшгкова, 21)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.

Автореферат разослан 24 апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

Б.В.Власенко

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Повышение эффективности добычи угля и безопасности труда является основной задачей, стоящей перед угольной промышленностью России в современных условиях перехода экономики на рыночные отношения. Улучшение работы шахт по добычи угля в значительной мере сдерживается высокой трудоемкостью охраны й большими затратами на крепление и ремонт подготовительных выработок.

' На шахтах Ленинского и Беловского районов добывается более 23% всей подземной добычи угля в Кузбассе. В настоящее время здесь поддерживается около 880 км подготовительных выработок, из них до 20%_ приходится ежегодно ремонтировать и частично перекреплять, з том числе примерно 20% выработок, расположенных на глубине до 250 м и 80% - на глубине 250-570 м. Основная доля затрат на поддержание приходится на выемочные штреки лав, составляющие более 70% общей протяженности проводимых выработок на шахтах районов. На глубине более 300 м особенно сильно деформируются выработки, охраняемые целиками угля шириной до 12-15 м и выработки, проводимые вприсечку к выработанному пространству с оставлением возле них полосы угля шириной до 2-3 м.

Большие объемы ремонтных работ, неудовлетворительное состояние значительной части подготовительных выработок на нижних горизонтах сдерживают темпы и снижают эффективность очистных работ, в особенности лав, оснащенных механизированными комплексами. Одной из основных причин ухудшения состояния подготовительных выработок шахт районов и резкого увеличения затрат на их охрану и ремонт с углублением горных работ является недостаточная изученность закономерностей проявлений горного давления в выработках и геомеханических процессов, происходящих в углепородных массивах вокруг них.

Изложенное свидетельствует об актуальности научных исследований, направленных на изыскание и внедрение эффективных способов охраны и конструкций крепи для поддержания подготовительных выработок в условиях шахт Ленинского и Беловского районов Кузбасса.

Диссертационная работа выполнена по результатам плановых НИР КузГТУ и ОАО УК "Ленинскуголь" за 1990-1996 г.г.

Целью диссертации является повышение устойчивости и эффективности поддержания подготовительных выработок на основе установленных закономерностей геомеханических процессов и обоснованных способов охраны и конструкций крепи. - .

Идея работы заключается в использовании закономерностей геомеханических процессов, происходящих в углепородных массивах вокруг подготовительных выработок под влиянием подготовительных и очистных работ, для повышения их устойчивости и обеспечения нормального жсплуатационного состояния.

Задачи исследований:

• установить закономерности проявлений горного давления в подготовительных выработках при различных способах их охраны и глубине расположения;

• установить влияние работы металлической, смешанной, анкерной и комбинированной крепей на смещения пород и устойчивость выработок;

• разработать рациональные способы охраны выработок и обосновать их параметры;

• выявить и обосновать рациональные конструкции крепи для подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;

• установить область эффективного применения рациональных способов охраны и конструкций крепи в подготовительных выработках.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта охраны и крепления подготовительных выработок угольных шахт, натурные инструментальные наблюдения за механическими процессами в углепородных массивах и проявлениями горного давления в выработках; лабораторные испытания прочностных свойств вмещающих горных пород; методы математической статистики и корреляции; опытно-промышленные испытания и внедрение технических и технологических разработок в производственных условиях; технико-экономический анализ разработок и технических решений.

Научные положения, выносимые на защиту;

• закономерности геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах и проявления горного давления в подготовительных выработках составляют базу для обоснования рациональных способов их охраны и поддержания;

• основными факторами, определяющими характер и степень проявлений горного давления в подготовительных выработках, являются прочность пород, способ охраны от влияния очистных работ и глубина расположения выработок, продолжительность разрыва между очистными и подготовительными работами на границе соседних выемочных столбов, конструкция и механическая характеристика крепи;

• закономерности деформирования вмещающих горных пород под влиянием временного опорного давления собственного очистного забоя и остаточного опорного давления в краевой части массива' угля на границе с выработанным пространством позволяют обосновать выбор рационального способа и варианта бесцеликовой охраны подготовительных выработок;

• величина смещения пород за срок службы выработки является критерием, позволяющим выбирать рациональную конструкцию крепи и вариант крепления выработки;

• при ожидаемом смещении пород кровли менее величины безопасного смещения заанкерованных пород за срок службы выработок, их возможно и целесообразно крепить анкерной крепью, при больших смещениях пород кровли - анкерной в сочетании с рамными крепями;

• полученные корреляционные уравнения позволяют прогнозировать смещение пород в подготовительных выработках, в зависимости от основных влияющих факторов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и

рекомендаций работы подтверждается:

• достаточным объемом экспериментальных исследований проявлений горного давления в подготовительных выработках вне зоны и в зоне влияния очистных работ при различных способах охраны на шахтах Ленинского и Беловского районов Кузбасса с применением современных методов и приборов (10 шахт, 32 шахтопласта в интервале глубины горных работ от 100 до 550 м);

• положительным опытом внедрения и применения бесцеликовых способов охраны и анкерной крепи в подготовительных выработках;

• удовлетворительной сходностью результатов прогнозирования смещений пород, с данными инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления (расхождение не более 15 %).

Научная новизна работы заключается в следующем:

• установлены закономерности геомеханических процессов в углепо-родных массивах вокруг подготовительных выработок и проявлений горного давления в выработках, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;

• выявлены факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на устойчивость и эксплуатационное состояние подготовительных выработок;

• установлены закономерности деформирования горных пород вокруг выработок, охраняемых без целиков, под влиянием временного и остаточного опорного давления и их параметры;

• обоснованы геомеханические условия и рациональные параметры бесцеликовых способов охраны выработок;

• обоснованы принципы выбора анкерной и рамной крепей в подготовительных выработках в зависимости от смещения пород за срок их службы;

• раскрыт характер деформирования заанкерованных пород кровли подготовительных выработок в зависимости от структурно-текстурных элементов строения;

• установлены взаимосвязи, позволяющие оценивать степень влияния основных факторов на смещение пород кровли и почвы подготовительных выработок.

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

• управлять проявлениями горного давления в подготовительных выработках, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;

• выбирать и обосновать эффективные способы охраны и конструкции крепи подготовительных выработок;

• прогнозировать смещение пород в выработках при различных способах их охраны;

• повысить устойчивость выработок и снизить затраты на их охрану и крепление.

Реализация работы. Результаты исследования и рекомендации используются шахтами АООТ "Ленинскуголь " и "Беловоуголь" при выборе и обосновании способов охраны и конструкций крепи подготовительных выработок.

Апробации работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на научно-техническом совете АООТ "Ленинскуголь" (Ленинск-Кузнецкий, 1992-1996), в ассоциации "Кузбассуглетехнология" (Кемерово, 1995), на научных семинарах Куз-ГТУ (Кемерово, 1994, 1996), Международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь, 1995), научно-практической конференции Международных ярмарок - выставок "Уголь Кузбасса" (Новокузнецк, 1996).

Публикации. Автором опубликовано П печатных работ, в том числе 7 по теме диссертации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 203 страницы машинописного текста, включая 33 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 103 наименований.

Основное содержание работы

. • Проведенным анализом состояния и обследованиями подготовительных выработок шахт Ленинского и Беловского районов Кузбасса установлено, что на шахтах этих районов поддерживается 880 км подготовительных выработок, из них до 20 % приходится ежегодно ремонтировать и перекреплять, в том числе примерно 20 % выработок, расположенных на глубине до 250 м и 80 % - на глубине 250-570 м. На глубине более 300 м особенно сильно деформируется под влиянием очистных работ выемочные штреки, охраняемые целиками угля шириной 10-15 м, штреки, поддерживаемые на границе с выработанным пространством и используемые повторно и штреки, проводимые вприсечку к выработанному пространству с оставлением возле них полосы угля шириной до 3-4 м.

В последние годы на шахтах района около 33 % общей длины проводимых выработок крепится металлической рамной крепью из спецпрофиля СВП, 34 % - металлической анкерной , 23 % - смешанной рамной из деревянных стоек и плоского металлического верхняка из спецпрофиля СВП и 10 % - анкерной в сочетании с рамной, деревянной рамной и другими типами крепи. Выявлено, что из общего объема опасных деформаций крепи выработок примерно 94 % происходит в зоне влияния очистных работ и 6 % - вне зоны влияния очистных работ. С переходом на нижние горизонты под воздействием очистных работ наиболее существенно возрастаю? опасные деформации смешанной и деревянной крепи.

.. , Анализ показывает, что на шахтах районов, разрабатывающих пласты на глубине до 200 м, на ремонте и поддержание подготовительных выработок занято 2,2-3 % всех подземных рабочих, на шахтах, разрабатывающих пласты на глубине более 350 м, -8-10%.

Большие исследования в области охраны и крепления подготовительных выработок выполнены коллективами научно- исследовательских и учебных институтов: ВНИМИ, ИГД им.А.А.Скочинского, ИУ СО РАН, ИГД СО РАН, КузНИУИ, ДонУИ, ПНИУИ, КНИУИ, ВНИИгидро-уголь, МГГУ, КузГТУ, СПБГГИ, ТулГУ, ДонГТУ, КузНИИшахтострой и 'др.

Значительный вклад в формирование научных представлений о геомеханических процессах, происходящих в углепородном массиве вркруг подготовительных выработок, и в решении проблемы проектирования и расчета крепи горных выработок внести отечественные и зарубежные ученые КААрдашев, Б.ЗАмусин, Н.П, Бажин, И.В.Баклашов, АА.Борисов, Н.С.Булычев, Г.И.Грицко, П.В.Егоров, Л.М. Ерофеев,

B.В.Егошин. Ю.З.Заславский, М.П.Зборщик, В.Н.Каретников,

C.И.Калинин, Б.А.Картозия, М.В.Курленя, Г.И.Кулаков, АЛлбасс,

A.В.Сурков, Б.КЛебедев, Г.Г. Литвинский, ВАЛидер, В.П.Мазикин,

B.И.Мурашев, А.Г.Протосеня, В.Н.Рева, К.В .Руппенейт, ГЛ.Фисенко, В.Н.Фрянов, В.Н.Цыцаркин, И Л.Черняк, В.М.Шик, Е.И. Шемякин, А.П.Широков, Г.Г.Штумпф, О Лкоби и др.

Несмотря на успехи в области поддержания подготовительных выработок угольных шахт, затраты на их крепление и ремонт еще велики и возрастают с увеличением глубины разработки. Это объясняется главным образом тем, что применяемые способы охраны и средства крепления базируются на недостаточной изученности* влияния ряда горногеологических и горнотехнических факторов на механические процессы деформирования и разрушения пород массивов вокруг горных выработок и проявления в них горного давления. В наибольшей мере это относится к выработкам, подвергаемым воздействию очистных работ и расположенным на больших глубинах.

Проведенный анализ состояния изученности вопроса позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Для установления закономерностей механических процессов во вмещающих породах и проявлений горного давления в подготовительных выработках проводились комплексные исследования на шахтах шахтоуправления "Кольчугинское", "Полысаевская", "Комсомолец", "Октябрьская", "Чертинская", "Новая" и других, которые включали инструментальные и визуальные наблюдения в выработках и лабораторные испытания прочностных свойств пород. Выработки для натурных наблюдений были отобраны из расчета охвата их по способу охраны от влияния очистных работ, глубине расположения, типа крепи, основным структурно-текстурным элементам строения вмещающих пород и глубине расположения. Часть опытных выработок поддерживалась вне зоны влияния очистных работ, подавляющая часть - в зоне влияния очистных работ и охранялась в массиве угля и погашалась за очистным забоем по мере подвигания, целиками угля и бесцеликовыми способами.

Инструментальными наблюдениями в подготовительных выработках, поддерживаемых в массиве угля вне зоны влияния очистных работ, установлено следующее.

В выработках с боковыми породами средней прочности и прочными (осх> 40 МПа) смещение кровли и почвы затухает в основном в течение 18-20 сут после проведения. Деформации слабых и очень слабых пород проявляются довольно интенсивно в течение 30-35 сут, в дальнейшем очи замедляются до 0,3-0,5 мм/сут, но полностью не затухают.

Увеличение глубины расположения выработок с 100 до 400 м, т.е. в 4 раза, влечет за собой рост деформаций и смещений пород в 2-2,6 раза, а увеличение ширины выработки с 3 до 5,5 м, т.е. в 1,8 раза, приводит к росту смещения кровли и почвы, сложенных прочными породами, в 1,3-1,4 раза, породами средней прочности - в 1,5-1,6 раза, слабыми породами - в 1,7-1,9 раза.

Выявлено, что выработки, охраняемые в массиве угля и погашаемые за очистным забоем по мере его подвигания, не испытывают большого горного давления как на верхних (Н< 250-300 м), так и на нижних (Н=300-550 м) горизонтах. В них за срок службы смещение кровли и почвы, представленной прочными породами, обычно не превышает 40-50 мм, породами средней прочности - 70-90 мм, слабыми породами - 110-120 мм. Влияние опорного давления на выемочные штреки, расположенные на глубине 100-130 м, распространяется на 18-23 м впереди забоя лавы, расположенные на глубине 400-550 м - на 36-48 м. До попадания в зону влияния очистных работ смещение кровли и почвы по бокам выемочных штреков происходит в основном равномерно, в зоне влияния очистных работ оно протекает в 1,6-2,2 раза быстрее со стороны лавы, чем со стороны массива угля.

В выемочных штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиками угля шириной 10-12 м и расположенных на глу-

бине до 200 м, смещение пород кровли и почвы за срок службы составляет от 70 до 350 мм, расположенных на глубине от 250 до 500 м - от 440 до 960 мм* Деформация и устойчивость штреков, охраняемых целиками указанной ширины, в большей мере зависит от соотношения времени проведения их и. отработки соседнего столба (лавы). При проведении штреков через 10-12 мес и более после отработки соседнего столба смещение кровли и почвы, в них в 1,5-2 раза меньше, чем при проведении до отработки его. На нижних горизонтах особенно сильно проявляется горное давление в штреках при проведении их навстречу очистному забою в соседнем столбе. На участке встречи забоев протяженностью 160-200 м смещение пород кровли и почвы в 2,5-3 раза больше, чем при проведении штреков через 10-12 мес после отработки соседнего столба.

Инструментальными наблюдениями установлено, что на, глубине расположения 100 м охрана выемочных штреков лав от вредного влияния очистных работ в соседнем столбе обеспечивается при ширине целика не менее 10-12 м, на глубине 200 м - 22-25 м, на глубине 300 м - 26-30 м, на глубине 400-500 м - 35-40 м. Получена зависимость между смещением пород кровли и почвы и в выемочных штреках, глубиной Я их расположения и шириной вц целика

и = 56,44-26,8 Вц+5,7бН-0,049ьаг-35хЮ '4Н2 , (1)

при множественном корреляционном отношении 11=0,90. Формула справедлива при Н = 100-400 м, вц = 7-35 м.

Около 75 % шахт рассматриваемых районов ведут горные работы на глубине 200-400 м. Оставление возле выемочных штреков лав, долевое участие которых в общем объеме проводимых выработок составляет примерно 72 %, целиков шириной 20-40 м приведет к весьма большим потерям угля со всеми возможными при этом отрицательным последствиями - эндогенным пожарам, горным ударам и другим геодинамическим явлениям. Оставление же целиков шириной 10-12 м влечет за собой резкое увеличение расхода крепежных материалов и затрат на крепление и ремонт выработок.

Исследованиями проявлений горного давления в подготовительных выработках, охраняемых бесцеликовыми способами, установлено следующее.

Основными факторами, влияющими на смещение пород и устойчивость выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством для повторного использования, являются прочность и обру-шаемость основной кровли пласта, мощность пласта, глубина расположения и несущая способность крепи выработки и ограждающе-поддерживающей крепи со стороны выработанного пространства.

За срок службы смещение кровли и почвы в повторно используемых выемочных штреках лав, расположенных на глубине до 200 м, составляет

от 220 до 430 мм, расположенных на глубине 200-300 м - от 370 до 610 мм, на глубине 300-400 м- от 420 до 740 мм. Из общей величины смещений пород кровли и почвы под влиянием очистных работ за время двукратного использования штрека 10-13 % происходит под воздействием опорного давления впереди забоя первой лавы, 52-63% - в зоне активного сдвижения и обрушения пород кровли в выработанном пространстве позади забоя первой лавы, 5-8 % - в зоне установившихся смещений пород и 2028 % - в зоне опорного давления впереди забоя второй лавы.

Протяженность зоны опорного давления впереди забоя первой лавы находится в пределах 21-36 м на глубине разработки до 200 м и в пределах 36-43 м на глубине разработки 300-400 м, впереди забоя второй лавы она составляет еоответсвенно 25-27 и 62-80 м. При мощности Ьк лег-кообрушающихся пород кровли h* £ 7m (ш - мощность пласта) протяженность зоны активного сдвижения и обрушения пород позади забоя первой лавы обычно не превышает 50-60 м, при среднеобрушающихся породах она составляет 80-110 м, труднообрушающихся породах ~ 170-210 м.

В выработках, проводимых непосредственно на границе с выработанным пространством после затухания сдвижения пород в нем и стабилизации остаточного опорного давления в краевой части массива, смещение пород кровли и почвы за срок службы в 1,7-2,2 раза меньше, чем в выработках, сохраняемых на границе с выработанным пространством и используемых повторно.

Выявлено, что существенное влияние на смещение пород и устойчивость присечных выработок оказывает полнота извлечения рамной крепи в соседнем выработанном пространстве. По данным инструментальных наблюдений смещение пород кровли и почвы в выемочных штреках, проводимых на границе с погашенными выемочными штреками, из которых по мере отработки столбов рамная крепь полностью извлекается, в 1,2-1,3 раза меньше, чем при оставлении ее в выработанном пространстве.

Натурными наблюдениями установлено, что до глубины 160-190 м оставляемая возле присечных выемочных штреков сплошная угольная - полоса шириной до 3-4 м способствует улучшению их эксплуатационного состояния и снижению деформаций пород. В этом интервале глубины смещения кровли и почвы в штреках при оставлении возле них полосы угля в 1,2-1,3 меньше, чем при проведении непосредственно по контакту с выработанным пространством. Начиная с глубины 200 м угольная полоса интенсивно деформируется под действием остаточного опорного давления соседнего выработанного пространства и опорного давления собственной лавы, а с глубины 300 м почти повсеместно разрушается, вследствие чего резко осложняется охрана и эксплуатация выработок.

Угольная полоса является слабой режущей опорой для нависающих пород кровли в выработанном пространстве. Постепенное раздавливание угля полосы с углубленнием горных работ приводит к передаче веса на-

"нГнеГ ^ ^ °ХраНЯеМОЙ БЬ1Раб°™ " Увеличение „а-

кпепь^гл^п^1®^"3 СХШа К расЧету На^и на дольную полосу и

ь ^ТиГ:"" ПРИ РаЗЛИ'Ш° деФ°РмиР0Ванн°м состоянии полосы угля. При условии, когда за срок службы выработки величина

счетом пород кровли ДЬК в ней меньше безопасной величины деформации полосы угля Д1г„у пригрузка Рлр на крепь выработки за счет остаточного опорного давления практически равна нулю

В условиях же, когда ДЬК >Д1ц, и, в особенности, когда конструктивная податливость крепи ДЬК, которой закреплена выработка, больше или равна ДЬГ, т.е. при ДЬ,? > ЛЬ,, происходит опасная деформация и разрешение угля полосы и передача притрузки РГф с полотна креп?!

№=70-75°

бот*™™ ¿,?ХСМа К РаСЧИУ "^У3™ на ильную полосу и крепь выработки при нормальном и опасно деформированном ее состояниях-

„я о ШрОШ КрОВЛИ ПЛаста над вь'Ра6°™ой, оказывающие давление на нее, 2 - то же, над полосой угля; 3 - консольно нависающие породы- 4 -

породы „ад краевой частью отрабатываемого столба пласта, оказывающие давление на выработку

= пол°жение кровли при нормальном состоянии полосы угля- = = то же, полоса угля опасно деформирована

"^ГРУЗКЗ на кРепь выработки при опасных деформациях и разрушении угля полосы может быть определена из выражения .

где bn - ширина полосы угля, м; hK - мощность пород кровли, оказывающих давление на полосу угля, выработку, м; у - объемный вес пород кровли, консольно нависающих на полосу угля, м; 0 - угол обрушения пород кровли, град (по данным шахтных наблюдений с= 70-75°).

Полоса угля работает по существу на одноосное сжатие в связи с маленькой шириной и ее не будет опасно деформировать при условии

^ Я (3)

' **

где Р„ - нагрузка на полосу угля; - площадь сечения полосы угля; Я«» -предел прочности угля полосы на сжатие в естественных условиях залегания.

Нагрузка на полосу угля Р„ равняется Рпр , определяемая по формуле (2).

Испытана и успешно применяется на нижних горизонтах отдельных шахт рассматриваемых районов разработка пластов с погашением временных целиков между выемочными штреками соседних столбов. Инструментальными наблюдениями установлено, что выработки, проводимые на границе смежных столбов с оставлением между ними временного целика шириной, большей протяженности зоны вредного проявления опорного давления в окрестности очистной выработки, и отработкой его впоследствии одновременно с ведением очистных работ в лаве второго смежного выемочного столба, находятся в устойчивом нормальном эксплуатационном состоянии на протяжении всего срока службы. Смещение пород кровли и почвы в них за время эксплуатации обычно не превышает 80-90 мм. При этом способе охраны выработки находятся практически в таких же условиях как и при охране в массиве угля и погашении за очистным забоем по мере его подвигания.

Получены зависимости для определения протяженности зон опорного давления в окрестности очистных выработок и смещения пород кровли и почвы в выемочных штреках в зависимости от ширины временных предохранительных целиков возле них.

Исследовано влияние работы различных конструкций рамной и анкерной крепей на устойчивость подготовительных выработок. Установлено, что смешение пород кровли и почвы и металлической рамной из спецпрофиля СВП и смешанной крепи из металлического верхняка из спецпрофиля и деревянных стоек и совместная работа этих крепей и окружающих пород с момента проведения выработки и в течение всего времени ее эксплуатации характеризуется двумя или тремя стадиями:

первая - породы с момента установки крепи смещаются без существенного смещения крепи до формирования плотного контакта между ними; вторая - породы и крепь смещаются совместно равномерно единоП системой "крепь-массив" до исчерпания податливости крепи. В тех случаях, когда смещение пород кровли и почвы за срок службы выработки не превышает податливости крепи, система "крепь-масснв" функционирует совместно до погашения выработки.

. Третья стадия совершается в тех случаях, когда смещение пород за срок службы выработки превышает критическую величину, при которой проиходят опасные деформации и разрушение крепи, т.е. когда ик-и^Ь'кр (рис.2).

В первой стадии смещение пород кровли и почвы происходит в основном в 1,6-2,5 раза быстрее, чем смешение крепи. Продолжительность этой стадии при прочих равных условиях тем меньше, чем меньше зазор между кровлей и крепью при ее установке в выработке.

Арочные крепи КМП-АЗ из спецпрофиля СВП-17 в выемочных штреках и других выработках площадью сечения до 10-12 м2 обычно опасно деформируются при смещении в вертикальном направлении более 240 мм, а крепи КМП-АЗ из спецпрофиля СВП-22 в бремсбергах, уклонах и других выработках площадью сечения 14-18 м2 - при смещении более 260-280 мм.

Увеличение сопротивления крепи влечет за собой снижение смещения пород кровли и почвы. Однако между этими показателями нет обратно пропорциональной зависимости. По данным шахтных, испытаний рост сопротивления металлической арочной крепи из спецпрофиля СВП от 52 до 104 кПа, сопровождается снижением смещения пород на 27-30 %.

Смешанная крепь из деревянных стоек и плоского металлического верхняка из спецпрофиля СВП в выработках площадью сечения до 8-10 м2 опасно деформируется и теряет несущую способность при смешении пород кровли и почвы более 120-140 мм. Она обладает низкой устойчивостью как в поперечном, так и в продольном направлении выработки. С переходом на глубины разработки более 300 м надежность работы ее существенно снижается и область целесообразного применения очень мала. Здесь смещение пород кровли и почвы в выработках в зоне влияния очистных работ в подавляющем большинстве больше предельной величины безопасного смещения смешанной крепи в вертикальном направлении.

Установлено шахтными испытаниями, что преобладающая прочность закрепления замков металлических клинораспорных анкеров ШК-. 1М и АК-8У в боковых породах угольных пластов составляет 80-100 кН, в угле пластов - 40-50 кН, а прочность закрепления сталеполимерных анкеров в породах превышает 110 кН, в угольных массивах она составляет 60-75 кН.

Рис.2. Общий характер деформирования и взаимодействия массива пород с рамной крепью с момента ее установки до погашения выработки: 1,П,Ш - стадии смещения пород кровли и почвы и крепи; 1,2 - кривые смешения соответственно кровли и почвы и крепи; точки А и В - начало и конец совместно работы крепи и массива в едином режиме; ВД - смещение крепи в опасно деформированном состоянии

Прочность закрепления замков Рз анкеров ШК-1М в зависимости от предела прочности пород сжатии Ос* описывается уравнением (4), анкеров АК-8У - уравнением (5)

Рз = 48,49+0,037a<3S+86xl0-4G2cK , (4)

при значении коэффициента корреляции г = 0,94 и надежности его ц = 23;

Рз = 42,08+0,560-^+52x10 ^о« , (5)

при г = 0,95 и ц = 22,9.

Установлено, что деформации и разрушения заанкерованных пород кровли подготовительных выработок происходит обычно по пяти схемам в зависимости от структурно-текстурных элементов пород и их прочностных свойств. Показан механизм деформирования пород кровли по каждой схеме.

В выработках, закрепленных анкерной крепью и испытывающих небольшое горное давление (смещение пород кровли, при рамной крепи ик.р<120-130 мм), смещение кровли, при прочих равных условиях, в 2-2,5 раза меньше, чем в выработках с металлической, смешанной и деревянной рамными крепями, а в выработках,испытывающих повышенное горное давление (ик.р>300 мм), - в 1,3-1,6 раза меньше.

Следовательно

иа=(0,4-0,7)иР. (6)

Выполненные исследования показывают, что подготовительные выработки, испытывающие большое горное давление, в которых по степени геомеханических процессов не применима анкерная крепь в качестве единстсвенной крепи, целесообразно и экономически выгодно крепить металлической анкерной крепью в сочетании с металлической рамной и другими типами рамной крепи. Установлен режим оптимальной совместной работы анкерной и рамной крепи исходя из предельной величины безопасного смещения заанкерованных пород кровли и критической величины смещения рамной крепи, при которой она опасно деформируется.

В выработках, охраняемых в массиве и временными целиками, исключающими вредное взаимное влияние очистных работ в соседних столбах, целесообразно при проведении возводить анкерную крепь, а рамную крепь - по мере попадания их в зону влияния очистных работ (обычно к моменту смещения заанкерованной кровли на 70-90 мм). В выработках, испытывающих повышенное горное давление с момента сооружения, наиболее эффективно анкерную и рамную крепь возводить одновременно при проведении их (рис.3).

На основе результатов исследований геомеханических процессов в породных массивах и проявлений горного давления установлено, что на глубине разработки до 250-300 м наиболее эффективно поддержание выработок на границе с выработанным пространством и повторное использование их при отработке смежного столба и проведение их непосредственно по контакту с обрушенными породами соседнего выработанного пространства, а на глубине более 250-300 м - охрана выработок временными целиками, исключающими вредное взаимное влияние очистных работ в соседних столбах, и выемкой их одновременно с очистными работами в лаве второго выемочного столба и способ проведения выработок непосредственно на границе с выработанным пространством. Основной областью эффективного применения способа сохранения выработок на границе с выработанным пространством для повторного использования являются выработки по пластам с лепсообрушающимися породами мощ-

ностью до 2-2,5 м, способа с оставлением временного целика между соседними столбами с выемкой его со вторым столбом - выработки по пластам любой мощности со средне- и труднообрушающимися породами кровли.

Для количественной оценки основных .факторов .влияющих на механические процессы в породах вокруг подготовительных выработок, и обоснования способов охраны выработок были обработаны данные шахтных и лабораторных исследований методами математической статистики с использованием ЭВМ и установлены корреляционные связи, позволяющие прогнозировать величину смешений пород кровли и почвы.

Величины смещения пород кровли и почвы (О) в зависимости от предела прочности 1а при сжатии (осж) и глубины расположения выработок (Н). поддерживаемых вне юны илишшя счисшьи; рцЗ^:. __и.^.;;

И = 89,32-2,43а(Ж+0,045Н+0,15а2сж +7*10 мм (7)

при ..множественном корреляционном отношении Н.=0,91. Уравнение справедливо при Ос^ 30-80 МПа, Н= 100-450 м.

Для выработок, поддерживаемых в массиве угля и погашаемых за очистным забоем по мере подвигания, получено уравнение связи

' и = 198,94-5,55ссж+0123Н+0)035а2ет.-64x10-6Н2 (8) при Е = 0,93,

Для выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством и используемых повторно, зависимость смещения пород кровли и почвы от площади их сечения в проходке глубины расположения и прочности пород при сжатии имеет вид

и =-204,86-13,77ссж+1,61Н +82,845^, +0,168-12x10 «Н2-2,1073.2 , (9)

при 11=0,93.

Формула справедлива при <?сж=38-78 МПа, 8,^=7,3-12 м2, Н=82-400 м.

Для выработок, проводимых непосредственно на границе с выработанным пространством, зависимость между и, Сеж, Н и продолжительностью разрыва I между отработкой столба и проведением присечкой выработки описывается уравнением

:и=440,45-8)71а;ж-87)921+0!72Н+0,На^+5)29{2+5к10-'1Н^ , (10)

К=0,84.

Формула получена для условий сгСЗЕ=35-70 МПа, Н=108-400 м, 1=0,5-12мес.

и, мм 800

Ю0

а з б г,т. 8о во 4<7 го ot.fi 5

II /!)

„ • __> 3

У —

п

§

I

'I

со

№ 300

900 100

0 3 6 го 60 чо оо ос,»

в

Рис.3. Графики смещения кровли и почвы в вентиляционном штреке лавы № 337 по пласту 3, проведенном вприсечку к выработанному пространству с оставлением полосы угля шириной 4 м (шахта "Чертинская"): а - закрепленном анкерной и металлической податливой рамной крепью одновременно при проведении; б - закрепленном при проведении анкерной крепыо и с 50 м впереди забоя лавы металлической рамной (она возводилась в промежутке между рядами анкерной крепи); в - металлической рамной (шаг крепи на участках 0,5 м); 1,2,3 - глубина закладки реперов в кровлю соответственно 0,4; 1; 2 м; в почву - 0,4 м

Для выработок, охраняемых временными целиками угля между соседними столбами, отрабатываемыми одновременно со вторым столбом из соседних, получена зависимость вида

11=172,47-5,79 Вт 3,21а;ж+0,67Н+0,078в^+0,23а'сж-В2г-10 5Н:, (11) И =0,86

Формула справе,олива при асж=40-80 МПа, Н=120-480 м, ширине в ц= 18-45 м.

Установлены условия и области эффективного применения металлической анкерной крепи и анкерной крепи в сочетании с металлической и другими типами рамной крепи, определены основные параметры анкерной крепи для контактных горно-геологических и горнотехнических условий. Максимальная величина безопасного смещения пород кровли в выработках, закрепленных анкерной крепью длинной 1,8-2.2 м и охраняемые в массиве и целиками угая, составляет 130-160 мм, в выработках, охраняемых бесцеликовьши способами - 170-210 мм.

Длина анкеров, являющаяся наряду с прочностью их закрепления в углепородном массиве важнейшим параметром анкерной крепи, зависит главным образом от размеров зоны опасных деформаций и возможных вывалов пород. Первостепенное значение имеют сведения о зонах опасных деформаций пород кровли выработок.

Обработкой данных шахтных исследований геомеханических процессов и проявлений горного давления в выработках с применением глубинных реперов и накопленных материалов об опасных деформациях и вывалах пород кровли в подготовительных выработках получены формулы для определения высоты зоны опасных деформаций и возможных вывалов пород кровли в зависимости от глубины расположения выработок и прочности пород кровли при сжатии:

для выработок, охраняемых в массиве угля и погашаемых за очистным забоем,

Ьа„ =2,80+39хЮ"4Н-556'-<10'4 0сж-Зх1О'6Н2+423х1О-6а2сж , (12)

11=0,95;

для выработок, проводимых вприсечку к выработанному пространству (на контакте с выработанным пространством и с оставлением полосы угля шириной 3-4 м),

=1,10+69хЮ4Н-89х104 сгеж -9х10-6Н'-65*10-%2сж , (13)

11=0,91;

для выработок, охраняемых от выработанного пространства целиком угля шириной 10-12 м.

Ьян=1,48+46х1(НН-163х10-'ос«-5х10-*№+11х10-6сг2«-- , (14)

11=0,94.

На основе выявленных размеров зон опасных деформаций пород кровли даны предложения по определению длины анкеров и расстояния между ними для выработок, эксплуатируемых в различных условиях.

Расчетная длина анкеров для выработок на глубине до 200 м составляет в основном 1,6-1,8 м. на глубине 200-300 м - 2-2,4 м, на глубине 300-500 м - 2,2-2.6 м.

На основе установленных закономерностей проявлений горного давления, натурных испытаний различных способов охраны и средств крепления обоснованы объемы применения эффективных способов охраны и типов крепи в подготовительных выработках в условиях шахт Ленинского и Ведовского районов Кузбасса и дана оценка экономической эффективности от внедрения и использования результатов выполненных исследований.

Предложены формулы для расчета экономического эффекта от применения рекомендуемых способов охраны и типов крепи.

Установлено, что в условиях шахт рассматриваемых районов около 80% выемочных выработок целесообразно и экономически выгодно охранять бесцеликовыми способами, из них примерно 55% с помошью погашаемых временных целиков угля.

Наиболее эффективными крепями являются металлическая анкерная и анкерная крепь в сочетании с металлической рамной из спецпрофиля. На шахтах районов анкерная крепь применима в объеме не менее 60%, анкерная крепь в сочетании с рамной - 20% общей протяженности проводимых выработок. Стоимость крепления 1 м выработки металлической анкерной крепью в 5,5-6 раз ниже, чем металлической рамной из спецпрофиля СВП.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований на шахтах Ленинского и Беловского районов Кузбасса составил более 2,6 млрд.рублей в ценах 1997 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение задачи геомеханического обоснования способов охраны и крепления подготовительных выработок пологих угольных пластов, имеющей существенное значение для повышения эффективности и безопасности отработки угольных месторождений Кузбасса.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

I. На основании анализа состояния подготовительных выработок и результатов натурных наблюдений установлено, что с переходом на

«

глубины разработки более 300 м применяемые на шахтах Ленинского и Беловского районов Кузбасса способы охраны выработок как целиками угля, так и бесцеликовыми способами с оставлением возле них ограждающей полосы угля шириной до 3-4 м, не обеспечивают их устойчивость и нормальное эксплуатационное состояние. Особенно сильно повышенное горное давление и опасные деформации пород и крепи проявляются в выемочных штреках лав, протяженность которых составляет более 70 % всего объема ежегодно проводимых выработок.

2. Выявлено, что деформации и смещения пород в подготовительных выработках вне зоны влияния очистных работ зависят главным образом от прочности вмещающих пород, глубины их расположения и площади сечения. В них смещение кровли и почвы, сложенной породами средней прочности и прочными (сеж>40 МПа) затухает в основном в течение 18-20 сут после проведения*сложенных слабыми породами, в течение - 30-40 сут. Увеличение глубины расположения выработок в интервале от 100 до 400 м сопровождается ростом смещения пород в них в 2-2,6 раза.

3. Основными факторами, влияющими на геомеханические процессы и устойчивость выработок в зоне влияния очистных работ являются способ охраны, прочность вмещающих пород, глубина расположения, разрыв во времени между проведении их и отработкой соседнего столба и обрушаемость пород кровли в выработанном пространстве соседнего столба.

В выработках, охраняемых в массиве угля и погашаемых за очистным забоем, смещение кровли и почвы, представленной прочными породами не превышает 40-50 мм, средней прочности - 70-90 мм, слабыми - 110-120 мм. В выемочных штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиками угля шириной 10-12 м, смещения составляют на глубине до 200 м 70-350 мм, от 250 до 500 м - 440-960 мм. и зависят от соотношения времени их проведения и отработки соседнего столба (лавы). Смещения в повторно используемых выемочных штреках лав, расположенных на глубине до 200 м, составляют 220-430 мм, 200300 м - 370-610 мм, 300-400 м - 420-740 мм. При этом 52-63% от общей величины смещений происходит в зоне активного сдвижения и обрушения пород кровли позади первой лавы, и 20-28% - в зоне опорного давления впереди забоя второй лавы.

4. Установлено, что до глубины 160-190 м оставляемая возле при-сечных выемочных штреков сплошная угольная полоса шириной до 3-4 м способствует снижению деформаций пород в 1.2-1.3 раза по сравнению с случаем проведения штрека непосредственно по контакту с выработанным пространством.

На глубине разработки более 200-250 м оставляемые возле при-сечных выемочных штреков угольные полосы шириной до 3-4 м разрушаются под действием опорного давления собственного очистного за-

боя и остаточного опорного давления соседнего выработанного пространства, что приводит к резкому увеличению нагрузки на крепь и усложняет их поддержание.

5. Раскрыты особенности взаимодействия металлической податливой крепи из спецпрофиля СВП, смешанной крепи из металлического верхняка и деревянных стоек, металлической анкерной и комбинированной анкерно-рамной крепей с окружающими породами и влияние их работы на смещение пород и устойчивость выработок.

Совместная работа этих крепей и окружающих пород с момента проведения выработки характеризуется двумя или тремя стадиями: первая - породы смещаются до формирования плотного контакта с крепью в 1.6-2.5 раза быстрее, чем элементы крепи; вторая - породы и крепь смещаются совместно равномерно единой системой до исчерпания податливости крепи; третья - отмечается в тех случаях, когда смешения пород за срок службы выработки превышают критическую величину, при которой происходят опасные деформации и разрушения крепи.

Установлено, что арочные крепи КМП-АЗ из СВП-17 в выработках сечением 10-12 м2 опасно деформируются при вертикальных смещениях более 240 мм, а из СВП-22 - более 260-280 мм. Смешанная крепь теряет несущую способность при смещении 120-140 мм. Увеличение со-простивления металлической арочной крепи от 52 до 104 кПа сопровождается снижением смещения пород на 27-30%.

6. Установлено, что деформации и разрушения заанкерованных пород кровли в выработках могут быть описаны пятью схемами в зависимости от структурно-текстурных элементов их строения и прочности. Однородные и тонкослоистые породы с <тсж<40 МПа деформируются постепенно и хаотично разрушаются от контура вглубь кровли с образованием небольших вывалов в пролетах между анкерами, образуя в последующем единый свод равновесия.

Слоистые породы с ос*>40-45 МПа разрушаются постепенно по контактам напластования вглубь массива от 0.5 до 2 м.

Заанкероваппые породы обрушаются как единая плита по контакту слабого прослойка, залегающего выше на 0.5-0.6 м места закрепления замков анкеров.

Нижние слои кровли мощностью до 0.8-1 м , сложенные макроде-фектными породами низкой прочности, разрушаются до прочных пород и нависают на перетяжку и анкеры.

Заанкерованные однородные породы с сгсж >50-70 МПа мало деформируются без заметных признаков расслоения.

В выработках, закрепленных анкерной крепью и испытывающих небольшое горное давление (UK p<120-130 мм), смещение пород кровли в 2-2,5 раза меньше, чем в выработках с рамными крепями, а в выработках, испытывающих повышенное горное давление (UK.p>300 мм), - в 1.31,6 раза меньше.

7. Установлены эффективные способы охраны и типы крепи подготовительных выработок, выявлены условия и области их целесообразного применения. На глубине разработки до 250-300 м наиболее эффективно поддержание выработок на границе с выработанным пространством для повторного использования и проведения их вприсечку непосредственно к выработанному пространству, на глубине более 250300 м - охрана выработок временными целиками, исключающими вредное взаимное влияние очистных и подготовительных работ в соседних столбах, и выемкой их одновременно с очистными работами второго столба, и способ проведения выработок вприсечку непосредственно к выработанному пространству.

8. Обоснованы объемы возможного и эффективного применения анкерной крепи и анкерной крепи совместно с рамной в подготовительных выработках. Показано, что в условиях шахт рассматриваемых районов не менее 60% общей протяженности проводимых выработок можно успешно крепить металлической анкерой крепью, 20 % - анкерной крепью в сочетании с рамными крепями.

9. Расчетный экономический эффект от внедрения результатов исследований на шахтах Ленинского и Беловского районов Кузбасса составляет около 8,6 млрд. руб. в год, фактический эффект за счет частичной реализации разработок - более 2,6 млрд. руб. в ценах 1997 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Ануфриев В.П., Байкин В.В., Вагапов М.С., Курзанцев О.С. К вопросу выбора крепи выемочных штреков комплексно-механизированных забоев // Ассоциация "Кузбассуглетехнология": Сб. науч. тр. № 7,-Кемерово, 1994,-С.43-48.

2. Выбор .места заложения выемочных штреков в пределах опорного контура очистной выработки/ О.С.Курзанцев, А.Е.Клыков, В.П.Ануфриев и др. II Совершенствование технологии процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. № 8 / Ассоциация "Кузбассуглетехнология". - Кемерово. 1994. - С.22-26.

3. Ануфриев В.П., Курзанцев О.С., Колмагоров В.М. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород на сопряжениях комплексно-механизированных забоев II Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах гра-допромышленных агломераций // Тез. докл. Международного симпозиума. БРМ-95.-Москва-Пермь, 1995. - С.9.

4. Ануфриев В.П. Совершенствование способов охраны подго тови-тельных выработок угольных шахт // Тез. докл. 4 Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности". -Новокузнецк, 1997. - С.124-126.

5. Бобер Е.А., Вагапов М.С., Ануфриев В.П. К вопросу охраны подготовительных выработок угольными целиками П Подземная разработка угольных и рудных местрождений: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. -Кемерово, 1997,- С.27-31.

6. Воспроизводство подготовленных запасов угля на пологих пластах / В.П.Ануфриев, В.М.Колмагоров, Е.А.Бобер, М.С.Вагапов // Подземная разработка угольных и рудных месторождений: Сб. науч. тр. / Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1997. - С.31-36.

7. Егоров П.В., Ануфриев В.П. Проявления горного давления в подготовительных выработках шахт Кузбасса и прогрессивные способы повышения их устойчивости. - М.:Горный вестник № 6, Академия горных наук, 1997, - С.32-35.

Подписано в печать 21.04.98г. Формат 60x84/16. Бумага белая писчая. Объем 1.2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 206

Типография Кузбасского государственного технического университета. 6Ö002G, Кемерово, ул.Красноармейская,115. Лицензия ЛР № 020313.