Методика определения длины и податливости анкера в зависимости от высоты расслоения пород кровли и эквивалентного пролета выработки

УДК 622.284.7

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ И ПОДАТЛИВОСТИ АНКЕРА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫСОТЫ РАССЛОЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ И ЭКВИВАЛЕНТНОГО ПРОЛЕТА ВЫРАБОТКИ

В.Я. Прушак, Д.Т. Карабань, В.А. Губанов, А.Л. Поляков

ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством», г. Солигорск, Беларусь

В процессе длительных (более 20 лет) исследований состояния кровли капитальных выработок и их сопряжений на Старобинском месторождении калийных солей были выявлены некоторые закономерности в деформировании контура (в первую очередь кровли) этих выработок, что позволило разработать методику определения длины и податливости анкерной крепи, используемой для крепления горных выработок на рудниках Старобинского месторождения.

В соответствии с работой [6] расчет анкерной крепи на Старобинском месторождении калийных солей сводится к определению минимальной мощности (Мщт) скрепляемых анкерами пород. При этом, в зависимости от наличия или отсутствия мер охраны, используются две зависимости определения минимальной мощности скрепляемой потолочины.

Кроме того, в данной работе рассчитываются расстояния между анкерами в ряду и необходимое количество рядов анкерной крепи в сечении протяженной выработки. Не останавливаясь на расчетах и обосновании отдельных параметров входящих в рассмотренные зависимости (что детально рассмотрено в работе [6]), необходимо отметить в них отсутствие таких параметров, как длина анкера и конструктивная податливость анкера. Максимальная длина анкера и его податливость определялись конструктивными

характеристиками крепи завода-изготовителя. Так, в течение последних 30 лет на месторождении используются винтовые анкера и анкера типа «Эстонсланец», максимальная длина которых составляет 1,8-2,0 м с податливостью от 2030 до 60-70 мм, а несущая способность тела анкера на разрыв находится в пределах 100-120 кН. При расчете крепи исходят из того, что расслоения пород кровли в процессе деформирования контура выработки наблюдаются на высоте, которая не превышает активную длину анкера. Под активной длиной анкера, в нашем случае, понимается часть анкера за вычетом клинораспорной головки (для анкера «Эстонсланец») и части винтового анкера, которая располагается в верхней части и является несущей при выдергивании анкера из шпура (при расположении в соляных породах - 20-30 см, при расположении в глинисто-соляных породах - 40-60 см) [5]. Анкерная крепь на месторождении долгое время была единственной для крепления капитальных и подготовительных выработок, отвечала всем требованиям обеспечения их устойчивости и безопасной эксплуатации. При переходе горных работ на глубины разработки свыше 750 м и сроке их службы более 30 лет эффективность поддержания выработок анкерной крепью стала снижаться. Для обеспечения необходимой устойчивости выработок в дополнение к анкерной крепи стали ис-пытываться и применяться и другие виды крепи, например, стяжная крепь, распорно-податливая крепь [3], железобетонная крепь с жесткой арматурой [1], анкерно-тросовая крепь [2]. Одной из главных причин снижения эффективности работы анкерной крепи является развитие процесса деформирования кровли выработок на высоту, которая существенным образом превышает длину существующих и применяемых на месторождении анкеров, то есть последние

перемещаются в выработку вместе с деформированными породами порой с полной потерей несущей способности.

Для эффективного использования анкерной крепи в более сложных горно-геологических условиях необходимо знать фактическую (расчетную) высоту деформирования пород кровли, а также величину прогиба кровли выработок в зависимости от их пролета и срока службы. Ниже приводятся результаты шахтных исследований характера деформирования кровли капитальных выработок на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий», а также методика определения высоты расслоения пород кровли и прогиба кровли выработок в зависимости от их пролета. Методика определения высоты расслоений и прогиба пород кровли выработок в зависимости от их пролета

Как вытекает из вышесказанного, для повышения эффективности работы анкерной крепи и определения параметров ее установки необходимо на стадии проектирования иметь данные (кроме изложенных в работе [6]) о высоте расслоений и прогибе пород кровли выработки на заданный срок ее эксплуатации. Исходя из этих данных, выбирается необходимая длина анкера, несущая способность и податливость крепи. О механизме совместной работы анкерной крепи с боковыми породами в своде естественного равновесия (давления) на калийных рудниках РУП «ПО «Беларуськалий» было немало публикаций, в частности [4]. В последней работе приводится информация о характере и степени деформирования капитальных выработок Третьего калийного горизонта, полученная в результате анализа результатов исследований расслоений пород кровли в 69 сопряжениях с помощью оптического прибора РВП-451 на рудниках 2-, 3-, 4-го рудоуправлений. По результатам исследований были сделаны следующие выводы:

- расслоения пород кровли наблюдаются в выработках на высоте до 3-5 м, то есть за зоной действия анкерной крепи;

- прогиб кровли выработок по их центру составляет 0,3-0,5 м, а податливость существующей анкерной крепи не превышает 70 мм;

- для повышения эффективности работы анкерной крепи необходимо увеличивать длину анкеров, их несущую способность и податливость.

Учитывая сложность математического описания и физического толкования деформационных процессов на границе раздела сред многослойной конструкции (которой является кровля выработок) с различными физико-механическими свойствами, авторы работы предприняли попытку решить поставленные задачи, используя фактический материал о характере и интенсивности деформирования кровли капитальных выработок, который был накоплен на месторождении за последние 20 лет и нашел впервые отражение в работе [4]. Данный материал был дополнен результатами исследований характера деформирования капитальных выработок гор.-620 м в течение 2008 года. Всего было обработано более 90 сопряжений и более 20 линейных участков выработок Третьего горизонта с эквивалентным пролетом от 2 до 11 м. Привязка кровли выработок в пределах пласта и в основном в пределах III и IV сильви-нитовых слоев. Срок службы выработок на момент обследований составлял 15-30 лет.

Оценка характера и интенсивности деформирования пород кровли велась с помощью оптического прибора РВП-451 по скважинам, пробуренным на высоту 6-8 м. Разрешающая способность прибора по определению величины расслоений или трещин в глинисто-соляных породах составляет 1,0-1,5 мм. При суммарном прогибе кровли 0,3-

0,5 м это очень высокая разрешающая способность прибора. Как правило, скважины для оптических исследований бурились в центральной части сопряжений или на линейных участках выработок. Учитывая сложную конфигурацию выработок, из-за их взаимного пересечения, в данной работе под пролетом выработки понимается не ширина выработки, а эквивалентный пролет, методика расчета которого изложена в работе [6] и здесь не рассматривается. Количество и величина расслоений по высоте скважины оценивались вначале на метровых интервалах, что позволило в последующем выделить наиболее деформированные участки кровли, а затем оценивалась максимальная высота расслоений, выше которой наблюдались недеформирован-ные породы. Как показали результаты исследований, расслоения пород кровли и наличие вертикальных трещин по высоте скважины распределены неравномерно. Основная масса деформированных пород находится по высоте скважины в интервале от 2-3 до 5 м от кровли выработки, где в целом суммарная величина расслоений составляет 85-90 % от всех обнаруженных на высоте до 6 м. Исходя из этого, расчетная высота расслоений ^р) ограничивалась от максимальной высоты расслоений ^тах) в виде hp < 0,9^тах. После обработки результатов исследований была получена эмпирическая формула для определения высоты (м) расслоения пород кровли в зависимости от эквивалентного пролета выработок при их проведении в пределах Третьего калийного пласта в виде

Ар = 0,0119 • в3 - 0,2447 • в2 + 2,1622 • в - 4,0513,

при 2,5 < в < 10, где в - эквивалентный пролет выработки, м.

Аналогичным образом была получена эмпирическая формула для определения прогиба кровли в зависимости от

высоты расслоений пород и эквивалентного пролета выработки в виде

ир = - 0,00473 • % - 0,03348 • hр - 0,04466

при 0,05 < ир < 0,4, где ир - расчетный прогиб кровли, м.

Полученные зависимости были совмещены (рис. 1) в виде номограммы для определения заданных величин. На этом же рисунке рассмотрен пример для определения расчетной длины анкера и его податливости, исходя из эквивалентного пролета проектируемой капитальной выработки со сроком службы в пределах 15-30 лет.

При необходимости задача может быть решена в обратном порядке, то есть, исходя из расчетного прогиба кровли и податливости анкера, можно на стадии проектирования определить предельно допустимый пролет выработки. При этом прогиб кровли можно определить по зависимостям, приведенным в работе [6].

Рис. 1. Номограмма для определения активной длины и податливости анкера: 1 - зависимость изменения высоты расслоений кровли от эквивалентного пролета; 2 - зависимость изменения прогиба кровли от высоты расслоений и эквивалентного пролета

При известном (прогнозируемом) прогибе кровли по эмпирической формуле

h =-22,22-и2 -25,251-и - 0,9369

р ? р ? р ? V /

определяют высоту расслоения пород (м) и длину анкеров кровли, и определяют предельно допустимый эквивалентный пролет капитальной выработки. При необходимости и наличии соответствующих данных о характере деформирования кровли капитальных выработок аналогичные зависимости могут быть получены и для капитальных выработок Второго горизонта Старобинского месторождения калийных солей.

Проведенные исследования характера и интенсивности деформирования кровли капитальных выработок Третьего калийного горизонта позволили сделать некоторые выводы, которые сводятся к следующему:

1. Получены эмпирические формулы для определения высоты расслоения и прогиба пород кровли в зависимости от эквивалентного пролета выработок, на основании которых разработаны методика определения длины анкеров и их податливость.

2. Проведенные исследования совместной работы анкерной крепи с породами кровли показали, что расслоения пород кровли капитальных выработок (при сроке их эксплуатации свыше 15 лет) наблюдаются на высоте 3,0-5,0 м от кровли выработок, что превышает в 1,5-2,5 раза длину анкеров.

3. Для повышения эффективности работы анкерной крепи при поддержании капитальных выработок необходимо увеличивать их длину, податливость в соответствии с вышеизложенными результатами. Кроме того (исходя из выявленной высоты расслоения пород), необходимо увеличивать в 1,5-2,0 раза несущую способность существующей анкерной крепи.

Список литературы

1. Губанов В.А. Опыт поддержания капитальных выработок на рудниках Старобинского месторождения калийных солей / В.А. Губанов, Б.И. Петровский // Горная механика. - Солигорск, 2008. - № 1. - С.33-42.

2. Опытно-промышленные испытания анкерно-тросо-вой крепи / В.А. Губанов [и др.] // Горная механика. - Солигорск, 2008. - № 1. - С.52-57.

3. Инструкция по применению на Солигорских рудниках специальных видов крепей: отчет о НИР (заключит. по дог. № 503.С.94-95, этап 5.2) / ОАО «Белгорхимпром»; рук. Ю.Н. Николаев; исполн.: Ю.Н. Николаев [и др.]. - Солигорск, 1995. - 33 с.

4. Испытание новых типов анкерной крепи на Старо-бинском месторождении калийных солей / Д.Т. Карабань [и др.] // Горная механика. - Солигорск, 2008. - № 2. -С.41-49.

5. Николаев Ю.Н. Испытание анкерной крепи на Со-лигорских рудниках / Ю.Н. Николаев, П.П. Ногин, В.А. Губанов // Подземное и шахтное строительство. - М.: Недра, 1991. - № 9. - С. 19-21.

6. Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей. - Солигорск-Минск, 1995. - 214 с.