Установление области применения анкерной крепи в горных выработках

- © В.Ф. Демин, М.М. Баймульдин,

Т В. Демина, 2013

УДК 622.831

В.Ф. Демин, М.М. Баймульдин, Т.В. Демина

УСТАНОВЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Рост глубины горных работ и уход от первоначальной отработки запасов, залегающих в более благоприятных условиях эксплуатации влечет за собой развитие ежегодное осложняющих факторов ведения горных работ. Факторами, сдерживающие достижение показателей по добыче угля: простои очистных забоев по причине изношенности горношахтного оборудования и его несоответствия горнотехническим условиям. Сравнительный анализ аварийности очистного оборудования по шахтам Угольного департамента показывает рост аварийности. Разработанные угольным департаментом технологические меры, направлены на увеличение нагрузки и снижение себестоимости угля. Одним из рациональных путей улучшения состояния выработок и экономии материальных ресурсов является применение анкерной крепи. Широкое применение анкерного крепления ограничивается недостаточной изученностью геомеханических процессов вблизи выработок. Применение сталеполимерных анкеров целесообразно в сложных горногеологических и горно-технических условиях разработки.

Ключевые слова: подземные горные работы, анкерная крепь, факторы, эффективность, исследования, горно-геологические и горнотехнические условия разработки, технологические схемы, проведение горных выработок, виды крепления, уровень технических характеристик.

На процесс поддержания выработок оказывают влияние геомеханические, технологические факторы, а также промежуточного характера, возникающие в результате влияния горных работ на геомеханическое состояние массива пород. К геомеханическим факторам можно отнести природные параметры массива: прочность, объемный вес, трещиноватость, глубину залегания, угол падения и др.; к технологическим - форму и сечение выработки, податливость и несущую способность крепи. В группе факторов промежуточного характера наиболее важными следует считать опорное давление вокруг очистного забои и искусственно вызванную при проведении выработок трещи-новатость вмещающих пород и угольных пластов.

Прочность пород в Карагандинском бассейне с ростом глубины их залегания закономерно возрастает. Объемный вес пород (у) в Карагандинском бассейне до глубины 1000-1200 м меняется от 2,3 до 2,7 г/см3 и в среднем для расчета веса покрывающей толщи может быть принят 2,5 г/см3. С ростом глубины увеличивается вертикальная составляющая горного давления уН, однако при этом изменяется и прочность вмещающих выработку пород. На одной и той же глубине прочность даже для однотипных пород может меняться в значительных пределах.

Целесообразным будет применение комплексного безразмерного критерия, учитывающего глубину, прочность пород и их плотность

К = ,

асж

где у - плотность угля, кН/м3; Н - глубина разработки, м; осж - прочность горных пород, кН/м2.

Природная трешиноватость пород различных типов на разных глубинах не остается величиной постоянной. Слабые поды, как правило, ослаблены в большей степени.

В породах Карагандинского бассейна широко развиты трешины эндогенного и экзогенного кливажа. Густота трешин эндокливажа обусловливается составом пород и мошностью их прослоев. Степень интенсивности трешиновато-сти уменьшается от аргиллитов к алевролитам и песчаникам и по мере увеличения мошности слоев независимо от литологических разностей пород. Расстояние между экзогенными трешинами колеблется от нескольких сантиметров до 10 м и зависит от тектонического строения участка, литологического состава пород и степени их метаморфизма. В мягких породах они встречаются чаше, чем в прочных. Величину Кстр принимать для пород: слаботрешинова-тых - 0,9-1,0; среднетрешиноватых - 0,7-0,89; сильнотрешиноватых - 0,50,69.

Фактор трешиноватости массива может быть учтен коэффициентом структурного ослабления Кстр: Y * Н

К =-7—--

Кстр * асж

Характер проявления опорного давления вокруг очистного забоя сушест-венно зависит от глубины залегания пласта, его мошности, длины очистного забоя. Увеличение горного давления в зоне поддержания выемочного штрека учитывается коэффициентом концентрации, величина которого на глубинах до 700 м достигает Кконц = 2,0. По оси очистного забоя коэффициент концентрации горного давления на этой глубине достигает 3,5 - 4,0. С учетом опорного давления показатель трудности условий поддержания составит К = Кконц *у* Н

Кстр * асж

При К<0,3 условия поддержания считаются легкими, при К = 0,3-0,5 -средней трудности, при К = 0,5-1,0 - трудными, при К>1,0 - очень трудными (табл. 1).

По совокупности воздействия отрицательных факторов к сложным по условиям поддержания выработок в бассейне можно отнести следуюшие пласты: к18, к14, к13, к4, к3, к2 в Промышленном районе; к10, к7, д7 - на Саранском и Шаханском участках; к13, д2, д1 - в Шерубай - Нуринском районе.

Для оценки сложности различных горно - геологических условиях шахто-пластов Карагандинского угольного бассейна произведено ранжирование по формальным критериальным признакам в соответствии с технологическими последствиями горных работ. Ниже приведен перечень формальных геотехнологических критериальных признаков, по которым произведена оценка и сформирован итоговый алгоритм.

Ка. Управляемость кровли: мошность пород непосредственной кровли (MJ/вынимаемая мошность пласта (тп): диапазоны: ^6 - легкоуправляемая; 3<У<6 - средней управляемости; 0<У<3 - трудно управляемая. Экспертный коэффициент по классам кровли: для 1 - кп = 1,0; 2 - кп = 0,7-0,8; 3 - кп = 0,5.

Таблица 1

Показатели, характеризующие тектоническую иарушеииостъ угленосных районов и участков Карагандинского бассейна

Угленосный район бассейна Участок района Угол п толши Щ адения ах, гра- /с Средняя протяженность разрывных нарушений, а2, км Относительное количество разрывных нарушений, а3, 1/км2 Относительная протяженность разрывных нарушений, а4, км/км2 Коэффициент дизъюнктивности Кд, 1/км

от-до средний

Карагандинский Промышленный (центр) 5-25 15 1,0 0,2 0,2 0,35

Саранский 10-30 20 1,6 0,8 1,8 0,58

Шерубай-Нуринский Южный 15-60 37 1,9 1,8 3,4 1,52

Центральный 10-30 20 2,4 1,2 2,9 1,04

Караджаро-Шаханский и Долинский 0-40 20 2 0,7 1,4 1,1

Тентекский Тентекский 5-30 17 1,2 0,8 1 0,5

Кб. Крепость породы непосредственной кровли: Qcж, Н/м2: диапазоны: Qcж до 13,5 - сложена углистым аргиллитом, кп = 0,5; 13,5 - 400 - аргиллит, кп = 0,75; 400 - 500, аргиллит с алевролитом, кп = 0,85; 500 - 600, алевролит, кп = 1,0.

Кв. Предел прочности вмещающих пород на сжатие, Qcж, МПа: диапазоны: QcЖ < 12, кп = 0,5; Qcж < 15, кп = 0,6; Qcж < 20, Кп = 0,7; Qcж < 25, Кп = 0,85; Qcж < 30, кп = 0,9; Qcж > 30, кп = 1,0.

Кс. Мощность пород непосредственной кровли при пределе прочности на растяжение др, Н/м2:

Непосредственная кровля Основная кровля

Ярнк /Яр"к

кп = 0,7 - углистый аргиллит Мк < 2м, 11/65, алевролит

кп = 0,75 -аргиллит Мк  2, 45/65, алевролит

кп = 0,8 - аргиллит Мк > 2, 45/65, алевролит

кп = 0,9 - алевролит-аргиллит Мк > 2, 50/65, алевролит

кп = 0,95 -алевролит Мк > 2, 55/60, алевролит

кп = 1,0 - алевролит Мк > 2, 55/60, песчаник

Кд. Дизъюнктивная нарушенность пласта (число нарушений на километр выемочного поля), кн, шт/км2: диапазоны: кн до 3 - кп = 1,0; 3 - 5 - кп = 0,9; 6 -10 - Кп = 0,75; 11 - 15 - Кп = 0,6; 16 - 20 - Кп = 0,55; 21 - 25 - Кп = 0,5; 26 - 30 - Кп = 0,45; 31 - 40 - Кп = 0,4; 41 - 50 - Кп = 0,35; 51 - 60 - Кп = 0,3

Ке. Длина нарушений на километр выемочного поля, к (км/км): диапазоны: К до 0,5 - кп = 1,0; 2, кп = 0,9; 4 - кп = 0,8; 6, кп = 0,7; 8, кп =0,6; 10; кп = 0,5; 12, Кп = 0,4; 14, Кп = 0,3.

К. Трещиноватость пород непосредственной кровли по углу их распространения ар: диапазоны: ар до 40о, кп = 1,0; 50о - 0,85; 60о - 0,75; 70о -0,5; 80о - 0,4; 90о - 0,3.

КК. Расстояние между трещинами Ь: диапазоны: Ь > 5м - кп =1,0; 4 - 0,85; 2 - 0,7; 1,0 - 0,5; 0,5 - 0,3; < 0.2 - 0,2.

Ке. Наличие ложной кровли Нлк: диапазоны: Нлк до 100% - кп =0,5; 90% -0,7; 80% - 0,8; 70% - 0,9; 5. 50% - 1,0.

Км. Мощность ложной кровли Млк: диапазон Млк = 0,1 - 0,2, кп =0,8; 0,2 -0,4, 0,7; 0,4 - 0,6, 0,5; 0,6 - 0,8, 0,4.

Км. Обводненность выработок Ов: диапазоны: Ов до< 5 м3/ч, кп=1,0; 15 -0,85; 25 - 0,75; 35 - 0,6; 50 - 0,5; 70 - 0,3; 100 - 0,1.

Общий оценочный показатель коб определяется суммой формальных критериальных признаков

Коб = КА+ КБ + Кв + Кс + Кд + Ке + +К + Кк + Ке + Км + Км

Условия, которые в большей степени являются сложными обладают суммой по формальным критериальным признакам, которая равна одиннадцати, возможность и целесообразность использования крепи в иных условиях оценивается по отношению к максимальному значению (рис. 1). Разработанная компьютерная версия экспертной информационной системы программы по заданному алгоритму выводит также информацию о том признаке (Я), который оказывает преобладающее негативное влияние и на который необходимо воздействовать для повышения эффективности горных работ.

шахта им. Костенко

(Я): У - управляемость кровли; М - мощность пород непосредственной кровли; Р - расстояние между трещинами; Д - дизъюнктивная нарушенность пласта. Рис. 1. Сложность условий разработки по пластам и шахтам

Таблица 2

Факторы, обусловленные горно-геологическим особенностями разработки

Параметры Германия Великобритания Австралия США Караганлинский бассейн

Глубина разработки, м 1000 600 260 360 450-820

Вертикальная составляющая горного давления рп, МПа 25 15 6,5 9 15

Горизонтальная составляющая горного давления рг, МПа Рг = 1хРп 25 />, = 1,5x0,22 ,5 Рг=2хРп 13 Рг = 1*Р„ 18 15

Мощность угольных пластов, м 2,0 2,5 3,1 2,2 1,0-8,5/ средняя 2,28

Угол залегания пластов, град 5 -10, не более 15 не более 5 не более 5 не более 5 7 - 25

Породы кровли от тонкослоистых аргиллитов до песчаников Усж=35 - 80 от аргиллитов до песчаников Усж=35 -70 от аргиллитов до песчаников, от части уголь Усж=5 - 80 от аргиллитов до песчаников и известняков Усж=Ю - 80 от аргиллитов до песчаников Усж=Ю - 80

Породы почвы усж прочность на одноосное сжатие в МПа тонкослоистые аргиллиты, раститель ные прослойки и угольные проплати усж=45 аргиллиты, частично пересечен ные корнями Усж=45 аргиллиты, частично пересечен ные корнями Усж=40 аргиллиты, частично песчаники Усж=40 аргиллиты

Таблица 3

Вертикальная и горизонтальная составляющие критерия нагруженности массива горных пород

Критерии нагруженности Германия Великобритания Австралия США Караганлинский бассейн

Вертикальная составляющая Рь / ^о сж 25/^45=3,7 15/745=2,2 6,5/^/40=1 9/ л/40 =1,4 15/745 =2,2

Горизонтальная составляющая Рг/л/о сж 25/ л/45 =3,7 22,5/ л/45 = =3,4 13/740=2,1 18/ >/40 =2,8 15/ л/45 =2,2

Схема использования штреков

V

Степень напряженности массива

доЗ низкая

до 4,5 средняя

от 4,5 высокая

Частота использования %

1 О

Е V

50

1Я

Планируемая

доля применения %

1 5

60

25

3 5

Рис. 2. Системы анкерного крепления на шахтах в зависимости от степени напряженности породного массива и схемы использования штреков

Таблица 4

Факторы, связанные с использованием выемочных штреков

Германия Великобритания Австралия США Карагандинский бассейн

Схема подготовки выемочных участков ЕУ гя ЕЙ ЕЙ ЕЙ ЕЙ

Оставление целиков нет да, жесткий да, податливый да, податливый нет

Ширина целика 0 80 -130 10-20 10-30 0

Форма сечения штрека арочное прямоугольное прямоугольное прямоуголь ное прямоугольное

Высота штрека 4-4,8 2,5-4 2,5-5 2 -4 2 -3,5 3,5-3,7

Ширина штрека 6-7,5 5-5,8 4,5-6 5-6 4,7 -6,1 5,5-6,5

Присечка пород: кровли да да иногда нет нет иногда

почвы да да иногда нет нет иногда

Таблица 5

Технологические факторы применения анкерной крепи

Технологические факторы Германия Великобритания Австралия США Карагандинский бассейн

Длина анкера, м 25,0-30,5 22 19-21 16-19 22

Длина анкера по породе, м 2,1-2,4 2,1-2,4 1,5-2,4 2,1-2,4 2,3

Расчетная несущая способность, кН ( в зависимости от материала) 360-540 310 220-320 150-220 250

Форма сечения выработки арочная прямоугольная прямоугольная прямоугольная прямоугольная прямоугольная

Плотность установки анкеров, ан-кер/м2: кровля бока 1-2 0,6-1,9 1,4-2,2 0,5-1,2 1,1-3,0 0,3-0,9 0,5-0,7 0,11-0,23 0,4-0,7 0.09-0,15 1,0-1,5 0,6-0,7

В табл. 2 приведены факторы, обусловленные горно-геологическим особенностями разработки в странах с развитой угольной промышленностью в сравнении с условиями залегания угольных пластов в Карагандинском бассейне.

В табл. 3 приведены вертикальная и горизонтальная составляющие критерия нагруженности массива горных пород, в табл. 4 и на рис. 2 - факторы, связанные с использованием выемочных штреков.

В табл. 5 представлены технологические факторы применения анкерной крепи.

Комплексная отработка нескольких пластов на большой глубине в Германии требует в большинстве случаев поддержания выемочных штреков после первого прохода лавы (отработка участка прямым ходом - схема «БУ»). В некоторых случаях выработки должны обеспечивать отработку второй лавы (отработка первой лавы прямым и второй лавы обратным ходом - схема «7Н»). Это необходимо по следующим причинам: высокая температура вмещающих пород и газообильность пластов требуют подсвежения исходящей струи за лавой; стремление избежать оставления жёстких целиков, так как опорное давление при отработке нескольких пластов приводит к существенным повреждениям горных выработок и, кроме того, к неравномерному оседанию земной поверхности со значительными повреждениями.

В немецких (как и карагандинских) шахтах выемочные штреки имеют как арочное, так и прямоугольное сечение. Вследствие небольшой мощности пластов в большинстве случаев требуется подрывка кровли и (или) почвы. По условия размещения оборудования в штреке его остаточная ширина около лавы должна быть не меньше 5,0-5,5 м, а при использовании арочной крепи необходимо, чтобы штрек в проходке имел ширину до 7,5 м.

Для сравнения: на шахтах англосаксонских стран используются штреки шириной 4,5-6,0 м прямоугольной формы, закреплённые анкерной крепью, которые проходятся исключительно комбайновым способом по пласту с оставлением жёстких или податливых целиков. Штреки погашаются после прохода лавы (отработка участков обратным ходом «БЕ»). Для шахт англосаксонских стран не характерно высокое опорное давление под воздействием краевых частей соседних пластов и опускание слоев пород кровли вслед за лавой, гттш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Демин Владимир Федорович — доктор технических наук, профессор, академик Международной академии информационных наук, Баймульдин Мурат Муратович — магистр,

Демина Татьяна Владимировна — кандидат технических наук, старший преподаватель, Карагандинский государственный технический университет, kargtu@kstu.kz

А_.