ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ УЧАСТКОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ШАХТ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»

На правах рукописи
РОМАШКЕВИЧ Алексей Анатольевич
ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ УЧАСТКОВЫХ
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В
УСЛОВИЯХ ШАХТ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»
Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,
открытая и строительная)
Авторе ферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2009
Работа выполнена в Государственном образовательном
учреждении
высшего
профессионального
образования
Санкт-Петербургском государственном горном институте
имени Г.В. Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор
Шик Владимир Михайлович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Мустафин Мурат Газизович
кандидат технических наук
Согрин Борис Борисович
Ведущее предприятие – ОАО «ГИПРОШАХТ»
Защита диссертации состоится
16 декабря 2009 г.
в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета
Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном
институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по
адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2, ауд. 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного института
имени Г.В. Плеханова (технического университета).
Автореферат разослан 13 ноября 2009г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Э. И. БОГУСЛАВСКИЙ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы определяется задачами повышения
эффективности отработки угольных пластов длинными столбами с
охраной участковых подготовительных выработок целиками.
В настоящее время ведущие отечественные угледобывающие
компании переходят на работу по схеме «шахта-лава» с
использованием высокопроизводительных очистных комплексов с
охраной участковых подготовительных выработок целиками и
применением анкеров в качестве основной крепи. Доказана
возможность в горно-геологических условиях шахт ОАО «СУЭККузбасс» работать с нагрузками более 4 млн.т. угля в год.
Рост
нагрузки
очистных
забоев
сдерживается
неудовлетворительным состоянием подготовительных выработок на
сопряжениях с лавой. Как показывает опыт отработки пластов на
шахтах им. С.М. Кирова, «Полысаевская», «Талдинская-Западная1», «Талдинская-Западная-2», «Котинская» и «№ 7», причинами,
ограничивающими нагрузку на очистные забои и снижающими
безопасность
ведения горных работ, являются: интенсивное
заколообразование в кровле, разрушение закрепленных стенок
выработок и, как следствие, увеличение высоты и объема вывалов
пород кровли, закрепленных штанговой анкерной крепью (стальной
стержень, закрепленный полимерным составом).
Имеется значительное количество отраслевых и бассейновых
нормативных документов, содержащих рекомендации по расчету
параметров анкерного крепления и охране выработок целиками, однако
в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» не обеспечивается устойчивое
состояние выработок в течение их срока службы: вокруг выработок
развивается зона деформаций и разрушений в слабых вмещающих
породах. Одной из важных причин снижения устойчивости участковых
подготовительных выработок в специфических условиях шахт ОАО
«СУЭК-Кузбасс» является несоответствие параметров крепи условиям
ее применения. Практика показала, что обеспечить устойчивость
участковых подготовительных выработок, закрепленных штанговыми
анкерами, при парной подготовке возможно дополнительным
креплением канатными анкерами.
Вопросами
обеспечения
устойчивости
участковых
3
подготовительных выработок занимались ученые К.А. Ардашев,
Н.П. Бажин, А.А. Борисов, Ю.В. Громов, И.Е. Долгий, В.П. Зубов,
О.И. Казанин, О.В. Ковалев, Г.И. Коршунов, Ю.Н. Кузнецов,
А.С. Малкин, О.И. Мельников, А.Г. Протосеня, В.В. Райский,
М.И. Устинов, В.Н. Фрянов, В.М. Шик и многие другие, но
обоснование параметров анкерного крепления участковых
выработок, охраняемых целиками разработано недостаточно, в
частности для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Все это определяет актуальность работы по обоснованию
способов обеспечения устойчивости участковых подготовительных
выработок в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Цель работы. Обеспечение устойчивости участковых
подготовительных выработок, закрепленных штанговыми анкерами
и охраняемых целиками на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Идея работы. Параметры анкерного крепления участковых
выработок, охраняемых целиками, шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс»
необходимо определять с учетом азимута и величины
горизонтальных напряжений.
Основные задачи исследований:
1. Анализ факторов, влияющих на устойчивость кровли
выработок и краевых частей околоштрековых целиков на шахтах
развитых угледобывающих стран.
2. Установление причин неустойчивости кровли и
определение преимущественных форм деформирования и
разрушения участковых подготовительных выработок на шахтах
ОАО «СУЭК-Кузбасс».
3. Изучение устойчивости подготовительных выработок,
охраняемых целиками, и процессов взаимодействия крепи с
породами кровли с учетом влияния повышенных горизонтальных
напряжений на физических моделях.
4. Апробация результатов теоретических и лабораторных
исследований крепления участковых подготовительных выработок,
охраняемых целиками в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Методы исследований. Для решения поставленных задач
использован комплексный метод исследований, включающий:
анализ и обобщение данных, опубликованных в горнотехнической
4
литературе
по
проблеме
устойчивости
участковых
подготовительных выработок в условиях высоких горизонтальных
напряжений, анализ форм обрушений пород заанкерованной кровли;
шахтные исследования процессов деформирования и разрушения
краевых частей целиков, форм обрушений пород непосредственной
кровли в подготовительных выработках; регистрация и анализ
величин смещений почвы и кровли; физическое моделирование.
Научная новизна:
 Установлена квадратическая зависимость отношения длины
кровли выработки, нарушенной заколами, к общей длине этой
выработки, от угла между продольной осью выработки и
направлением максимального горизонтального напряжения.
 Установлена нелинейная (гиперболическая и параболическая
для различных участков по ширине выработки) зависимость формы
зоны расслоения в кровле участковой выработки от величины
действующих
горизонтальных
напряжений,
позволяющая
определять размеры области расслоений кровли, что необходимо
для выбора параметров канатной крепи.
Основные защищаемые положения:
1. В условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» на устойчивость
участковых выработок при парной подготовке влияет их ориентация
относительно горизонтальных напряжений и величина этих
напряжений.
2. При характерной для рассматриваемых шахт ОАО
«СУЭК-Кузбасс» ширине выработок, расслоение и разрушение
непосредственной
кровли
происходит
под
действием
горизонтальных сил на высоту, превышающую мощность
заанкерованной кровли.
3. Для обеспечения устойчивого состояния участковых
выработок, охраняемых целиком, необходимо устанавливать
канатные анкера, закрепленные вне контура расслоения, геометрия
которого зависит от геологических и технологических факторов.
Практическая значимость работы:
 Разработаны рекомендации по расположению участковых
подготовительных выработок относительно направления главных
5
максимальных горизонтальных напряжений для обеспечения
устойчивости этих выработок.
 Разработаны
рекомендации
к
совершенствованию
действующих методик расчета параметров канатной анкерной
крепи, позволяющие учитывать повышенные горизонтальные
напряжения.
 Разработан способ исследования анкерной крепи на моделях
из эквивалентных материалов и устройство для его реализации, что
позволяет повысить надежность физического моделирования
процессов расслоения и обрушения непосредственной кровли.
Достоверность и обоснованность научных положений и
рекомендаций подтверждается обследованием более 40 выработок
на шести
шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»; лабораторными
исследованиями на физических моделях и анализом результатов
исследований, проведенных в развитых угледобывающих странах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались на ежегодных научных конференциях
молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их
освоение» (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г.); 5-ой международной
научно-технической
конференции
«Современные
проблемы
освоения минеральных ресурсов Севера» (г. Воркута, 2008 г.);
научном симпозиуме «Неделя горняка – 2008» (МГГУ, г. Москва);
научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных
ископаемых СПГГИ (ТУ).
Личный вклад автора:
- сформулированы цель, идея и задачи исследований;
- выполнен анализ отечественной и зарубежной
горнотехнической литературы по проблеме диссертации;
- разработана методика и проведены исследования
устойчивости участковых подготовительных выработок на шести
шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»;
- разработана методика моделирования процессов
деформирования и разрушения вмещающих пород в окрестности
штреков, расположенных в поле повышенных горизонтальных
6
напряжений; изготовлены и отработаны две модели из
эквивалентных материалов;
- на прессовом оборудовании испытаны более 200 образцов
для подбора эквивалентных материалов;
- выполнены обработка и интерпретация полученных
результатов;
- сформулированы основные защищаемые положения и
выводы;
- разработаны практические рекомендации по обеспечению
устойчивости
участковых
подготовительных
выработок,
охраняемых целиками угля, закрепленных штанговой анкерной
крепью.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 5
печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК
Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа
изложена на 189 страницах машинописного текста, состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99
наименований, включает 94 рисунка, 11 таблиц, 5 приложений.
Автор выражает благодарность научному руководителю
д.т.н., проф. В.М. Шику за постоянное внимание к данной работе,
помощь в определении общей идеи работы, направлений
исследований и интерпретации полученных данных; техническим
работникам ОАО «СУЭК-Кузбасс» за помощь в сборе информации
и проведении шахтных исследований; сотрудникам кафедры
разработки месторождений полезных ископаемых и лаборатории
моделирования научного центра Геомеханики и проблем горного
производства Санкт-Петербургского горного института за полезные
замечания и ценные советы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе диссертационной работы на основе анализа
горнотехнической литературы обоснована необходимость учета
влияния горизонтальных напряжений на устойчивость участковых
подготовительных выработок для выбора способа обеспечения
устойчивости. Проведен сравнительный анализ горно-геологических
7
условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» с шахтами развитых
угледобывающих стран. Сформулированы цели и задачи
исследований.
Во второй главе приведены результаты натурных
исследований на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», в результате
которых установлено: 1) параметры способов обеспечения
устойчивости участковых выработок не имеют достаточного
обоснования; 2) формы проявления горного давления: интенсивное
заколообразование; «обыгрывание» анкеров в кровле выработок;
плитообразный
отжим
с
потерей
устойчивости
слоев
заанкерованной кровли - свидетельствуют о присутствии
повышенных горизонтальных напряжений.
В третьей главе приведены результаты физического
моделирования процессов деформирования и разрушения кровли
выработок, охраняемых целиками, на моделях из эквивалентных
материалов в условиях повышенных горизонтальных напряжений.
В
четвертой
главе
представлены
разработанные
рекомендации по расположению участковых подготовительных
выработок, охраняемых целиками, и расчету параметров их крепи на
шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»
Основные результаты исследований отражены в следующих
защищаемых положениях:
1. В условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» на
устойчивость участковых выработок при парной подготовке
влияет их ориентация относительно горизонтальных
напряжений и величина этих напряжений.
Анализ опыта отработки пологих пластов показал, что
обеспечение производительности очистных забоев на уровне 10 - 15
тыс. т угля в сутки и более - итог целого комплекса организационнотехнических и технологических мероприятий, среди которых
особого внимания заслуживает применение анкерной крепи как
основного средства крепления подготовительных выработок.
Анализ исследований, проведенных в США и Кузбассе,
показал, что отношение максимальных горизонтальных напряжений
σx к вертикальным гравитационным γH (γ – средний объемный вес
пород, Н – глубина) на сравнительно небольших глубинах до 500 м,
8
может на отдельных шахтах составлять 1,5 – 2. В таких условиях
требуется дополнительное обоснование способов и параметров
крепления.
Для проведения шахтных исследований использовался метод
оценки напряженного состояния, основанный на анализе визуально
наблюдаемых трещин в кровле и стенках горных выработок,
который дает возможность по ориентировке этих трещин установить
направление горизонтальных напряжений и дать относительную
оценку их величин. Это метод при изучении полей напряжений в
Кузбассе широко использовали А.А. Белицкий, А.С. Забродин, П.В.
Егоров.
На шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» изучением полей
исходных напряжений длительное время занимается главный геолог
А.И. Екимов. С учетом полученных им результатов, проведены
исследования процессов деформирования и разрушения участковых
подготовительных выработок, в результате чего установлено, что
действующее максимальное главное горизонтальное напряжение на
шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» в среднем имеет северо-восточное
направление под углом 40°.
В результате шахтных исследований и анализа опыта
поддержания участковых подготовительных выработок на шахтах
«Полысаевская», им. С.М. Кирова, «Талдинская-Западная - 1»,
«Талдинская-Западная - 2», «Котинская», «№ 7» установлено, что,
помимо строения и свойств комплекса пород кровли, на
устойчивость участковых подготовительных выработок влияют
повышенные горизонтальные напряжения.
Участковые выработки пройдены в породах осадочного типа,
из которых можно выделить алевролиты средне- и мелкозернистые
от неустойчивых до среднеустойчивых, слоистые песчаники мелкои среднезернистые, трещиноватые.
Породы по устойчивости на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»
относятся к следующим типам:
- неустойчивые в зонах тектонических нарушений;
- средней устойчивости, трещиноватые, средней крепости.
Стенки участковых выработок представлены углем
крепостью от 0,7 до 1,5 по шкале профессора М.М. Протодьяконова.
9
При подготовке парными выработками можно выделить
следующие характерные этапы «работы» крепи выработок:
проведение выработок, время до подхода первой лавы, зона
повышенного горного давления от выработанного пространства
первой лавы, время до подхода второй лавы, зона опорного давления
второй лавы. Самым сложным моментом является поддержание
повторно используемой выработки, охраняемой целиком, после
прохода первой лавы.
Анализ преимущественных форм разрушения контура
выработок позволяет говорить о влиянии повышенных
горизонтальных
напряжений.
Наблюдения
показали,
что
интенсивность
образования
заколов
(закол
в
кровле,
сопровождаемый вывалом высотой более 0,2 м) в кровле выработок,
приводящих к разрушениям кровли и ее обрушению, зависит от
ориентации оси выработки относительно направления действия
горизонтальных напряжений. В наиболее сложном состоянии
находятся участковые подготовительные выработки, которые
расположены перпендикулярно к действующему горизонтальному
напряжению: наиболее интенсивные заколы сопровождаются
вывалами пород кровли, а в выработках, закрепленных
сталеполимерной анкерной крепью, отмечены многочисленные
обрушения блоков слоистых пород непосредственной кровли,
закрепленных согласно действующим инструкциям для этого вида
крепи.
Зависимость нарушенности кровли участковой выработки
заколами по данным, полученным в натурных условиях, показывает
(рис.1), что по мере увеличения угла δ нарушенность кровли N
возрастает. Аппроксимация (при корреляционном отношении
τ = 0,97 и коэффициенте надежности μ = 3,8) полученных натурными
замерами данных представлена уравнением:
N = 0,015δ2-0,2δ+2,3, %
(1)
где δ – угол между направлением выработки и максимальным
главным горизонтальным напряжением, градус.
Полученные
данные
необходимо
учитывать
при
проектировании выработок. Таким образом, главным проектным
параметром при наличии высоких главных горизонтальных
10
тектонических напряжений является ориентировка штреков
относительно
максимального
главного
горизонтального
напряжения.
Уменьшение угла δ с 90° до 45° позволяет снизить
количество разрушений кровли в форме заколов, вызванных
горизонтальными напряжениями, в 4 раза.
Рис. 1 – Нарушенность кровли участковой выработки заколами в зависимости от
угла δ
На шахтах в условиях повышенных горизонтальных
напряжений расслоение пород кровли распространяется выше
укрепленного анкерами слоя кровли. С одной стороны полость
обрушения имеет характер излома, а с другой стороны (целика)гладкие поверхности блоков. Это показывает, что причиной
разрушений кровли в зоне излома являются горизонтальные
напряжения, которые способствуют развитию заколов (трещин) в
кровлю, пока последние не пересекут слабый отделяющийся слой
кровли выше анкеров. Образующаяся при этом плита работает как
консоль, закрепленная с одной стороны, до тех пор, пока слой не
разрушится, в результате чего происходит его обрушение.
2. При характерной для рассматриваемых шахт ОАО
«СУЭК-Кузбасс» ширине выработок, расслоение и разрушение
непосредственной
кровли
происходит
под
действием
горизонтальных сил на высоту, превышающую мощность
заанкерованной кровли.
11
С целью изучения напряженно-деформированного состояния
массива в окрестности участковых подготовительных выработок,
охраняемых целиками в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс»,
были проведены лабораторные исследования на моделях из
эквивалентных материалов.
Первая модель является базовой и представляет общие
условия применения подготовки выемочных столбов парными
выработками с анкерным креплением при отсутствии повышенных
горизонтальных напряжений.
Вторая модель представляет условия шахт ОАО «СУЭККузбасс», для изучения процессов деформирования и разрушения
кровли с анкерной крепью при охране участковых выработок
целиками в условиях повышенных горизонтальных напряжений.
Первая модель исследована на стенде МФ-1, на котором
нагружение модели осуществлялось вертикальной пригрузкой. Во
второй модели (на поворотном стенде) нагружение осуществлялось
как вертикальными так и горизонтальными силами. Пригрузка
осуществлялась посредством электромеханических силовых
элементов.
Напряжения в моделях регистрировались датчиками типа
МДГ-3, подключенными к информационно-измерительной системе
СИИТ-3, которая выводила данные на ЭВМ.
С учетом выбранного линейного масштаба моделирования
1:100, были подобраны эквивалентные материалы (ЭМ),
обеспечивающие выполнение критериев подобия. Испытаны более
150 образцов и подобрана соответствующая рецептура ЭМ на
основе мелкодисперсного кварцевого песка и эпоксидной смолы
ДЭГ-1 c отвердителем - полиэтиленполиамином. Были учтены
реальные прочностные характеристики углей и пород с учетом
результатов испытаний образцов угольного пласта и вмещающих
пород и средних коэффициентов структурного ослабления (для
перехода от показателя прочности в образце к прочности в массиве).
Объектом исследований являлись подземные горные
выработки, закрепленные штанговой анкерной крепью при парной
подготовке. Ширина выработок 5 м, ширина целика 15 м. Длина
штанговых анкеров 2 м.
12
Целью лабораторных исследований являлось установление
закономерностей деформирования и разрушения горных пород в
окрестности участковых выработок, охраняемых целиками на
глубинах до 300 метров при повышенных горизонтальных
напряжениях, действующих в массиве.
По результатам физического моделирования было
проанализировано распределение вертикальных напряжений в
нижнем слое непосредственной кровли по этапам горных работ и в
графической форме представлено на рис. 2. То же, для
горизонтальных напряжений представлено на рис. 3.
Учтены следующие этапы горных работ: I – пройдены оба
штрека; II – подход правой лавы; III – подход левой лавы.
Рис. 2 – Распределение концентраций вертикальных напряжений в кровле пласта
при различных этапах ведения горных работ
Рис. 3 – Распределение концентраций горизонтальных напряжений в кровле пласта
над целиком при различных этапах ведения горных работ
13
Установленные на моделях формы и параметры разрушений
пород кровли участковых выработок соответствуют результатам,
полученным натурными наблюдениями в выработках шахт ОАО
«СУЭК-Кузбасс», причем зависимость положения огибающей зоны
расслоения в кровле участковой подготовительной выработки от
величины действующих горизонтальных напряжений имеет вид:
а расч
 kх
,
0

х


2
1  х3
hm  
,
(2)
а расч
  k х 2  0,5,
 х  а расч

2
2
где hm – высота расслоения в относительных мощностях пласта,
арасч – расчетная ширина участковой выработки, м; х – отношение
текущей координаты к ширине выработки; k – масштабный
параметр для перевода физической модели на натуру, k=2-2,5.
Рис. 4 – Форма и параметры расслоения в кровле участковой подготовительной
выработки, закрепленной штанговыми анкерами: 1 и φ1 - огибающая и угол
огибающей зоны расслоения при 
х
 0, 4Н ; 2 и φ2 - огибающая и угол
огибающей зоны расслоения при 
 2Н ; hm – высота расслоения в
х
относительных мощностях пласта.
Зона расслоения в условиях  х  0,4Н распространяется
под углом φ1= 65-75º на высоту 0,8 мощности пласта (рис. 4). Зона
расслоения в условиях  х  2Н распространяется под углом
φ2 = 80-90º на высоту двух мощностей пласта.
14
Анализ результатов шахтных и лабораторных исследований
показал, что к числу факторов, оказывающих существенное влияние
на состояние участковых выработок, относятся: величина
горизонтальных напряжений, состояние боков междуштрекового
целика, характер деформирования нижних слоев непосредственной
кровли, укрепленных штанговыми анкерами.
Полученные результаты позволяют обоснованно подойти к
выбору
параметров
обеспечения
устойчивости
и
усовершенствованию действующих методик расчета анкерной крепи
выработок при парной подготовке.
3. Для обеспечения устойчивого состояния участковых
выработок, охраняемых целиком, необходимо устанавливать
канатные анкера, закрепленные вне контура расслоения,
геометрия
которого
зависит
от
геологических
и
технологических факторов.
Как показали натурные и лабораторные исследования, при
расчете параметров анкерного крепления необходимо учитывать:
- влияние повышенных горизонтальных напряжений на
процессы деформирования и разрушения контура участковой
подготовительной выработки зависит от взаимной ориентации такой
выработки и максимального главного горизонтального напряжения;
- наличие характерных для повышенных горизонтальных
напряжений проявлений горного давления: заколы в кровле; отжим
в боках выработки на всю мощность пласта; обыгрывание анкерной
крепи; обрушение (блоками) закрепленной анкерами пород
непосредственной кровли;
- обрушение кровли выработки на высоту более высоты
свода естественного равновесия;
- изменение условий деформирования и разрушения контура
выработки в зоне опорного давления второй лавы: увеличение
глубины отжима и возникновение заколов до начала отжима в
целике.
Опыт отработки пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»
показал, что не обеспечивается устойчивое состояние крепи
выработок, закрепленных анкерной крепью уже при проходе первой
лавы.
15
Результаты шахтных и лабораторных выполненных в работе
исследований дали основание для анализа условий деформирования
пород кровли, закрепленных штанговыми и канатными анкерами
применить расчетный метод теории плоского изгиба однопролетных
балок, защемленных на опорах. Такими опорами являются
околоштрековые целики, а местом защемления – точки максимума
опорного давления (рис. 5).
Рис. 5 - Графики концентраций напряжений: I – этап – пройдены два штрека; II и
III – этапы – подход лав с правой и левой сторон
Максимальный изгибающий момент на опорах в
закрепленных анкерами слоях непосредственной кровли от
совместного влияния вертикальных (q и R) и горизонтальной сил Т,
может быть определен по формуле:
M max 


qa 2
Ra
 z q   x  m н.к .  cos  
,
12
4
(3)
где q - равномерно распределенная нагрузка от собственного веса
балки, кН; а – эффективная ширина выработки, м; z q - прогиб балки
под действием равномерно распределенной нагрузки q, мм; σх горизонтальные
напряжения,
МПа;
mн.к.
мощность
непосредственной кровли, м; δ - угол между направлением
16
выработки и максимальным главным горизонтальным напряжением,
градус; R – сила реакции канатных анкеров, кН.
Полная длина канатного анкера определяется по формуле:
Lк  hm  m пл  l1  l 2 ,
(4)
где hm – высота зоны расслоения в относительных мощностях
пласта; mпл – мощность пласта, м; l1 – длина части анкера,
выступающая за контур выработки, l1 = 0,15 м; l2 – величина
заглубления анкера за контур зоны обрушения, l2 =1,1 м.
Расчетная ширина выработки при отсутствии анкеров в
бортах определяется по формуле:
арасч.о = апр + 2а1 + а2
(5)
где апр – проектная ширина выработки, м; а1 - зона активного
отжима, м; а2 - зона предельного состояния (характеризуется
паспортом прочности), м.
Определение расчетной ширины выработки, необходимой
для определения параметров паспортов крепления, при креплении
боков без затяжки и с затяжкой соответственно:
арасч.б. = апр + kmt
(6)
арасч.з.= апр + kо
(7)
где t – время отработки выемочного столба, месяцы; k = 0,02 –
скорость развитие отжима во времени, м/мес; m – мощность пласта,
м; kо= 0,5 – суммарная величина отжима в боках закрепленной
выработки, м.
Для определения числа канатных анкеров в ряду на 1 м
выработки в зависимости от величины эффективного пролета
участковой подготовительной выработки и мощности пачки слоев
непосредственной кровли, закрепленной сталеполимерными
анкерами при угле δ =0-90° разработаны номограммы рис. 6.
В работе в результате обработки шахтных и лабораторных
исследований представлены рекомендации к корректировке
действующих паспортов крепления на шахтах ОАО «СУЭККузбасс».
17
Рис. 6-Номограмма для определения числа канатных анкеров в зависимости от
расчетная ширина участковой выработки и мощности пачки слоев закрепленной
канатными анкерами: mнк – мощность пакета слоев, непосредственной кровли,
скрепленной анкерами, м; арасч – расчетная ширина выработки с учетом зон отжима,
м; R – необходимое усилие канатных анкеров, кН; Nанк – количество анкеров,
устанавливаемых на 1 м выработки, кН.
В работе предложены схемы расположения участковых
подготовительных выработок относительно направления главных
максимальных горизонтальных напряжений, позволяющие уже на
стадии проектирования получить информацию о возможном
количестве нарушений и вносить поправку в паспорта крепления
участковых подготовительных выработок анкерной крепью.
Использование
разработанных
рекомендаций
по
совершенствованию паспортов крепления в условиях шахт
ОАО «СУЭК-Кузбасс» позволит повысить эффективность отработки
угольных пластов длинными столбами по простиранию, за счет
увеличения нагрузки на очистной забой и получить предполагаемый
экономический эффект до 260 млн. рублей на выемочный столб.
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация
является
законченной
научноквалификационной работой, в которой содержится решение
актуальной задачи обеспечения устойчивости участковых
подготовительных выработок при парной подготовке.
Основные
научные
результаты
и
практические
рекомендации заключаются в следующем:
1. Установлено, что при подготовке парными выработками в
условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» для обоснования способов
обеспечения устойчивости выработок необходимо учитывать
влияние горизонтальных напряжений на деформирование и
разрушение контура выработок.
2. Установлено существенное влияние расположения
участковых
подготовительных
выработок
относительно
направления действующих максимальных главных горизонтальных
напряжений на деформирование и разрушение контура этих
выработок.
3. Разработана методика моделирования процессов
деформирования и разрушения вмещающих пород в окрестности
штреков, расположенных в поле повышенных горизонтальных
напряжений.
4. Установлено, что под действием повышенных
горизонтальных напряжений деформирование и разрушение
выработок сопровождается: интенсивным заколообразованием по
всей длине выработки; существенным увеличением высоты зоны
разрушения пород в кровле выработок; плитообразным отжимом с
потерей устойчивости слоев заанкерованной кровли.
5. Обеспечить устойчивость кровли участковых выработок
при парной подготовке в условиях высоких горизонтальных
напряжений возможно установкой полимерных анкеров в бока
выработок для предотвращения отжима и канатных анкеров в
кровлю с заложением замка вне зоны деформирования и
разрушения, определяемые по разработанной методике.
6. Использование разработанных рекомендаций по
совершенствованию паспортов крепления в условиях шахт
ОАО «СУЭК-Кузбасс» позволит повысить эффективность отработки
19
угольных пластов длинными столбами по простиранию за счет
увеличения нагрузки на очистной забой и получить предполагаемый
экономический эффект до 260 млн. рублей на выемочный столб.
На предлагаемые в работе новые технические решения по
исследованию работы анкерной крепи получен патент на
изобретение.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Ромашкевич А.А. Расчет параметров паспорта крепления
подготовительных выработок канатными анкерами в условиях ш.
«ВОРКУТА» // Записки Горного института. Т. 172, 2007 г., СПб.:
СПГГИ (ТУ), с. 39-42.
2. Ромашкевич А.А. Обоснование крепления подготовительных
выработок сочетанием штанговых и канатных анкерных крепей /
Ромашкевич А.А., Шик В.М. // Записки Горного института. Т. 180,
2009 г., СПб.: СПГГИ (ТУ), с. 18-20.
3. Патент на изобретение № 2368785 Российской Федерации,
МПК7 Е 21 D 11/00 Способ исследования работы анкерной крепи на
моделях из эквивалентных материалов и устройство для его реализации
/ Шик В.М., Зуев Б.Ю., Ромашкевич А.А., Лодус Е.В. Опубликовано:
27.09.2009 Бюл. №27.
4. Ромашкевич А.А. Применение канатных анкеров для
крепления подготовительных выработок // Материалы 5-ой
межрегиональной научно-практической конференции «Освоение
минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Т. 16, № 1,
2007 г., Воркута, ВГИ, с. 61-64.
5. Ромашкевич А.А., Коршунов Г.И. Крепление сопряжений с
учетом влияния горизонтальных напряжений // Труды 6-ой
межрегиональной научно практической конференции «Освоение
минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Т. 1, апрель
2008 г., г. Воркута, ВГИ, с. 157 - 160.
20