Использование фрактальной модели кровли горной выработки при выборе способа усиления анкерной крепи

© Е.С. Кулешов, 2008

УДК 622.281.74 Е.С. Кулешов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ КРОВЛИ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ ПРИ ВЫБОРЕ СПОСОБА УСИЛЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

Приведены эффективные технико-технологические решения по усилению анкерной крепи в действующих выработках угольных шахт, основанные на результатах аналитических исследований устойчивости фрактальной модели заанкерованной кровли.

В последние годы проблема поддержания выработок на шахтах Российского Донбасса обострилась. В значительной мере это относится к капитальным и подготовительным вы-работкам, закрепленным при проходке анкерной крепью распорно-замкового типа и имеющим длительные сроки поддержания. В некоторых выработках произошло обрушение заан-керованных пород кровли и при этом пострадали люди. В ходе расследования и анализа причин аварий было установлено, что одной из объективных составляющих являются отказы анкерной крепи, как следствие низкой несущей способности анкеров. Снижение во времени силовых параметров анкеров и сопротивления анкерной крепи в целом происходит в результате дезинтеграции (разупрочнения) анкеруемых пород и коррозии элементов анкеров, вызванной термодинамической нестойкостью металла в агрессивной среде угольных шахт.

Результаты обследования 122 выработок на шахтах Российского Донбасса показывают, что в настоящее время около 45 км выработок с анкерной крепью необходимо перекрепить другими видами крепи или усилить анкерную крепь.

Необходимость усиления анкерной крепи возникает в том случае, когда прогнозируемый резерв работоспособного состояния анкерной крепи, обусловленный несущей способностью замков анкеров (Инс) и остаточный срок поддержания выработки до её погашения (Тв) находятся в зависимости Ннс < Тв или Ннс = 0, а коэффициент работоспособности крепи Кр < 1. Коэффициент работоспособности крепи представляет собой отношение фактической несущей способности замков анкеров к расчётной, определённой на начало проходки выработки и равной 40 кН/м2. При этом предполагается, что прогнозируемый резерв работоспособного состояния крепи с учётом степени коррозионного износа (Ик) больше или равен остаточному сроку поддержания выработки, то есть Ик > Тв.[1]

Традиционным приемом при ремонте и восстановлении выработок, находящихся в активной эксплуатации, является перекрепление рамной крепью из специального металлического профиля. Недостаток традиционных технологий в том, что при нынешнем материальном снабжении в отрасли и отсутствии финансовой поддержки восстановление эксплуатационного состояния выработок и надежности крепи для угледобывающих предприятий является

сложной задачей, требующей значительных материальных и трудовых затрат. К этому следует добавить то, что известные способы усиления анкерной крепи с точки зрения геомеханики являются пассивными, поскольку дополнительно установленная рамная крепь выполняет только ограждающие функции и заметного влияния на деформационные процессы в приконтурном массиве пород не оказывает.

До настоящего времени вопросы усиления анкерной крепи и повышения её работоспособности при длительной эксплуатации выработок не входили в круг решаемых задач при креплении и поддержании выработок с анкерной крепью. Для научных и проектных организаций горного профиля эта проблема трансформируется в поиск альтернативных экономичных и, что не менее важно, эффективных технических решений, которые гарантировали бы надёжность крепления выработки и безопасность работ.

При длительных сроках поддержания выработок в породах кровли появляются трещины и заколы, вызванные силами горного давления; происходит расслоение заанкерованных пород и вывалы отслоившихся отдельностей между анкерами.

Согласно кинетической (термофлук-туационной) концепции разрушения твёрдых тел, предложенной академиком С.Н. Журковым, в твёрдых телах непрерывно идёт процесс накопления повреждений (старение), которое приводит к полному разрушению тел. Приложенные извне нагрузки и соответствующие напряжения лишь уменьшают длительность существования тела в неразрушенном состоянии.

Естественное старение и разрушение твёрдых тел, в том числе и горных пород, неразрывно связано и обусловлено появлением, развитием и консолидацией трещин. Представляя механизм раз-

рушения твёрдых тел, трещину всегда упрощённо представляют в двухмерной системе координат. Форма поверхности трещин, видимая невооружённым глазом, как показали исследования Ф.П. Грохотова, даже при многократном уменьшении не меняется, то есть изменение масштаба не приводит к изменению наблюдаемой формы. Таким образом, наблюдаемые формы являются самоподобными и их можно моделировать с помощью фракталов.

При моделировании непосредственной кровли выработки, закреплённой анкерами, с помощью нагруженного фрактального дерева С. Солла с двумя характеристиками прочности рёбер Роп и у Роп, и долей рёбер прочность

у Роп , равной а может быть определена

вероятность разрушения рёбер п-го уровня [2].

Установлено, что при увеличении прочности рёбер у-Роп значительно снижается вероятность разрушения пород кровли, а сам процесс разрушения контролируется исключительно прочными рёбрами. Увеличение прочности рёбер у-Роп можно реализовать по двум направлениям: или увеличением количества анкеров на п-ом уровне или же повышением несущей способности анкеров и работоспособности анкерной крепи в целом.

При длительном поддержании выработок с течением времени будут постепенно снижаться значения а за счёт роста интенсивности трещиноватости и у за счёт роста коррозионного износа. Причем, при закреплении анкеров в сухих породах у всегда будет значительно больше единицы (у>>1), в увлажненных породах у может иметь значения меньше единицы.

Расчеты вероятности разрушения за-анкерованной кровли горной выработки для сухих и увлажненных пород дают результаты, приведенные в таблице.

Таблица

Вероятность разрушения пород непосредственной кровли выработок, закрепленных анкерами при вероятности разрушения собственно пород Р! = 0,3245 и меняющейся вероятности разрушения Р2 породного блока с анкером

Т, лет 0 5 10 15 20

Сухие породы Р2 0,0040 0,0060 0,0110 0,0245 0,0930

Рп 0,1642 0,1970 0,2304 0,2644 0,3013

Увлажнённые Р2 0,0040 0,0110 0,0930 0,7918 0,9999

породы Рп 0,1642 0,2304 0,2551 0,4647 0,5271

Численное исследование фрактальной модели заанкерованной кровли горной выработки показывает, что вероятность разрушения непосредственной кровли, закрепленной анкерами, при сухих породах кровли возрастает с течением времени по линейному закону, при увлажненных породах кровли наблюдается резкий рост вероятности разрушения при снижении прочности анкеров ниже уровня прочности пород. В этом случае вероятность разрушения отдельного блока пород с находящимся в нём анкером приближается к 1, что в реальных условиях приводит к обрушению блока пород с анкером.

Аналитическое решение задачи позволило установить, что одним из способов усиления анкерной крепи в выработках с длительным сроком поддержания является повышение несущей способности анкеров (в модели уроп). Для анкерной крепи распорно-замкового типа (ЭС, АД, ШК и др.) способ усиления может реализоваться по следующим основным направлениям:

- замена существующих анкеров анкерами нового технического уровня и повышенной несущей способностью;

- установка дополнительных элементов замка;

- увеличение контактной прочности пород в приконтурном слое скважин;

замена элементов замка более совершенными конструкциями;

- заполнением свободного объёма скважин твердеющими составами.

Технико-экономический анализ и сравнение возможных решений позволил установить, что технически целесообразным и экономически выгодным способом усиления анкерной крепи является повышение несущей способности анкеров путём заполнения свободного объёма скважин твердеющими смесями. Применение других возможных вариантов, судя по данным практики, ограничено по техническим соображениям в сочетании с высокой трудоемкостью работ.

С учетом специфических технических требований, сформулированных по результатам исследования подземной инфраструктуры шахт, в том числе энергетических коммуникаций, систем транспорта и водоснабжения, в ОАО «ШахтНИУИ» создано технологическое оборудование в составе шахтного пнев-монагнетателя, прорезиненных рукавов, герметизаторов устья скважин, контролирующих приборов, запорной и управляющей арматуры. Определена наиболее рациональная рецептура твердею-

щей смеси и основные технологические параметры инъекционного способа усиления анкерной крепи.

Сущность способа состоит в том, что твердеющая смесь на основе портландцемента М500 из аккумулирующей емкости с использованием энергии сжатого воздуха от автономного источника под давлением 0,350,50 МПа подается в свободный объем скважин с анкерами. По сути дела, распорно-замковый анкер, заполненный по всей длине твердеющим составом, можно рассматривать как железобетонный с повышенной жесткостью и несущей способностью.

Как показали результаты инструментальных исследований силовых параметров, усиленных таким образом, анкеров в условиях шахты «Комсомольская правда», сопротивление анкерной крепи в людском ходке №1 возросло в 2,0-2,5 раза, составило 85100 Кн/м2 и вполне отвечает нормативно-техническим требованиям.

Следует отметить, что наряду с увеличением сопротивления анкерной крепи наблюдается эффект упрочне-

1. Луганцев Б.Б.,Кулешов Е.С.,Беликов В.В. Методика оценки состояния анкерной

крепи рапорно-замкового типа в длитель-ноэксплуатируемых выработках угольных шахт // Изв. вузов. Сев. Кавк.регион. Техн.науки. 2004. с. 66-76.

ния пород кровли. Техническая эндоскопия приконтурного слоя пород кровли в пределах глубины анкерова-ния, равной 1,8-2,2 м, оптическим прибором типа РВП конструкции ШахтНИУИ показала следующее. При нагнетании водоцементной композиции в скважины с анкерами твердеющая смесь заполняет кососекущие техногенные трещины и трещины расслоения пород по напластованию (трещины горного давления) с образованием перекрываемых зон упрочненных цементацией пород в окрестности скважин с анкерами.В кровле выработки формируется грузонесущая плита с прочной связью между блоками и повышенной устойчивость породных обнажений.

Практические результаты реализации инъекционного способа усиления анкерной крепи непосредственно в шахтных условиях подтвердили справедливость выбранной имитационной модели заанкерованной кровли, техническую и экономическую целесообразность принятых решений.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Луганцев Б.Б., Лущик А.Г., Кулешов Е.С. Имитационные модели разрушения пород и угля в подземных горных выработках // Изв. вузов.Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2004. - с. 23-25. ЕЛЗ

— Коротко об авторе -

Кулешов Е.С. - кандидат технических наук, директор ООО «Стандарт». Рецензент канд. техн. наук Ошеров Борис Аронович.

д