Взаимодействие подвесных транспортных устройств с породами и обеспечение безопасности и устойчивости горных выработок

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 622.4

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОДВЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ УСТРОЙСТВ С ПОРОДАМИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Н.М. Качурин, В.Р. Ногих

В результате теоретических и экспериментальных исследований уточнены закономерности напряженно-деформированного состояния пород кровли при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом. Это позволило разработать и внедрить комплекс технических средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок, что имеет важное значение для угольной промышленности Кузбасса.

Ключевые слова: безопасность, устойчивость горной выработки, горные породы, подвесной транспорт, напряженно-деформированное состояние.

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых одной из актуальных задач является обеспечение устойчивости транспортных выработок с поддержанием их в безремонтном состоянии в течение всего периода эксплуатации. На современных высокопроизводительных шахтах возросла не только интенсивность транспортных потоков, но и увеличились габариты и масса транспортируемого оборудования. В соответствии с концепцией прогрессивного развития транспортных систем горнодобывающих предприятий для перевозки крупногабаритного оборудования с массой более 30 т в качестве основного направления принято внедрение подвесных монорельсовых дорог. При эксплуатации подвесных дорог и дизелевозных поездов происходит неравномерное периодическое изменение нагрузок на крепь, вибрация средств подвески монорельсов и пород в окрестности выработки, что приводит к снижению прочности пород при циклическом их нагружении и устойчивости горных выработок в целом [1-4].

Анкерная крепь первого и второго уровней, а также специальная крепь монорельсовой дороги, должны взаимодействовать таким образом, чтобы обеспечить безремонтное содержание транспортных выработок на весь период их эксплуатации. Существующие методики расчета параметров анкерной крепи первого и второго уровней, а также специальной крепи монорельсовой дороги не в полной мере учитывают комплексное влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние (НДС) горного массива в окрестности транспортных выработок, что подтверждается случаями обрушения пород кровли, особенно на сопряжениях выработок, в монтажных и демонтажных камерах угольных шахт.

Таким образом, научно-техническая задача изучения взаимодействие подвесных транспортных устройств с породным массивом для разработки и внедрения способов и средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок посредством реализации новых технологических и технических решений является актуальной.

Предлагаемая концепция создания и эксплуатации многофункциональной системы «геомассив - крепь - транспорт» основана на интеграции условий эксплуатации подвесных дизелевозных дорог, воздействий природных и техногенных процессов, свойств пород и материалов горной крепи, обеспечивающих эксплуатационную устойчивость транспортных горных выработок. Для прогноза НДС горных пород при взаимном влиянии формы и размеров выработки, глубины разработки, свойств горных пород, пространственного расположения и несущей способности анкеров первого и второго уровней и несущих подвески монорельсовой дороги анкеров адаптированы алгоритм Миндлина и метод конечных элементов.

Уточнена закономерность деформирования пород кровли под влиянием полного распора анкера в породах кровли и при подвеске на его нижний конец транспортируемого груза: без распора

Az = 0,00037 х tg (х) + 0,0032 sin (x) tg (27,2496 x) - 0,0265 -

-0,0106 x2 sin2

с распором

Az = 0,0017 exp (x) + 6,6591 • 10-5sin [exp (x)] + 0,0115 sin2 (2,4347 x) +

+0,0959 sin (1,5374- x )[0,3028 exp (x) + x sin (2,4347 x )]-1 --0,0295 - 0,0056 x sin (2,4347 x),

2)

без распора

а = 0,0058 x3tg

—i

с распором

а = 7,9293x + 0,1789x3 - 0,9725 - 4,9569 sin x - 2,9844x2 -

-0,5126 sin3

где Az - значение вертикальных смещений пород кровли, мм; а - нормальные напряжения в породах кровли, МПа;

x - расстояние вглубь пород кровли с началом отсчета от поверхности обнажения горного массива, м.

Справедливость зависимостей (1) - (4) подтверждается и по результатам натурных наблюдений распределения вертикальных напряжений в породах кровли выработки. Корреляционное отношение для зависимостей (1), (2), (3) и (4) соответственно равно: 0,9987; 0,9979; 0,9997 и 0,9943. Установлено, что роль одиночного анкера в породах состоит в формировании по всей его длине зон сжатия в пределах длины анкера и расслоения горных пород выше замка анкера. Зависимости (1) - (4) показывают, что приложение на анкер нагрузки, превышающей первоначальный его распор, приводит к оседанию пород кровли и формированию деформаций растяжения.

Уточнена закономерность распределения касательных напряжений при закреплении анкера одной или несколькими ампулами. По результатам вычислительных экспериментов установлено, что наиболее опасными участками в кровле выработки по критериям прочности и устойчивости пород являются зоны с высокими касательными напряжениями:

без распора

а = 1,1347 x sin {0,5327x2sin [exp (0,7749x)]} sinnig {sin [sin (x )-x

•sin [ tg

с распором 200 кН

а = 0,5727 + 10,1219sin [sin (-0,0236x)] -

-0,9239 [0,2411 + 0,8425x + 1,6585x2 cos

с распором 200 кН

т = 10 x3 sin7 (x) +10x3 sin7 (x) cos(10x) + cos [x - cos (10 x )]-

-11,5241 sin2 (x)-8,8217 sin (x) sin (2,9439 +17,1609 x),

с распором 60 кН т = 26,1369 x sin2 [sin(-0,0643 x5)] sin(3,8582 x) sin(0,0805 x5) +

+tg {tg [0,0884 tg

где T - касательные напряжения в породах кровли, МПа.

Это следует из формул (5) - (8), которые описывают изменение касательных напряжений в породах по оси анкера. Корреляционное отношение для зависимостей (5), (6), (7) и (8) соответственно равно: 0,9987; 0,9683; 0,9952 и 0,9991. Максимальные касательные напряжения выявлены в точках закрепления анкера с породами. Величины этих напряжений увеличиваются пропорционально его натяжению. Сравнение максимальных касательных напряжений с паспортными значениями свидетельствует о формирования концентратора напряжений и возможности разрушения пород в стенках шпура на контакте с анкером. Характерно, что опасный участок локализован в пределах 200-300 мм в пределах верхней части шпура.

При многоампульном закреплении анкера в шпуре происходит не только уменьшение абсолютных величин касательных напряжений, но и снижение их интенсивности по длине анкера по мере приближения от забоя шпура к выработке. Установлено, что для повышения эксплуатационной надёжности анкеров в транспортных выработках посредством снижения вероятности смещений анкеров по трещинам разрыва в клеевом составе между анкером и стенками шпура, необходимо проводить закрепление анкера на интервале от верха анкера к выработке не менее 70 % длины анкера. Граница зон оседаний и подъёма пород под влиянием установленного анкера с закреплением в одной точке вверху шпура расположена примерно на высоте 2/3 длины анкера, считая от кровли выработки, а при многоам-пульном закреплении анкера эта граница расположена примерно на высоте 2/3 расстояния между кровлей выработки и нижним замком (рис. 1, 2).

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

1.0

-1.0 -0.5 ^0 0.5

Расстояние от оси анкера. м

Рис. 1. Изолинии распределения вертикальных смещений при закреплении анкера одной ампулой

Рис. 2. Изолинии распределения вертикальных смещений при закреплении анкера тремя ампулами

При увеличении расстояния между анкерами от 300 до 1000 мм характер распределения смещений и напряжений постепенно меняется от общего влияния к индивидуальному. Рекомендуется для анкеров длиной в пределах 2 м и натяжением до 200 кН принимать предельное расстояние, при котором взаимодействие анкеров нарушается, в пределах 800-900 мм. Установлено, что система анкеров первого уровня и соседние канатные анкера обеспечивают устойчивость пород кровли, однако линия с нулевыми смещениями пород перемещается в сторону кровли выработки, что может привести к местным вывалам пород кровли при возникновении растягивающих напряжений. В этой связи, рекомендуется принимать массу подвесного груза на анкер меньше его начального распора, это возможно при реализации двух вариантов управления многофункциональной системой «геомассив - крепь-транспорт»: снижение массы подвесного груза или увеличение начального распора анкера посредством увеличения его несущей способности.

Обоснован критерий эксплуатационной надёжности системы геомассив - крепь - транспорт, отличающийся пределами изменения расстояний между соседними несущими анкерами 300 - 900 мм и возможностью превышения массы транспортируемого груза несущей способности одного анкера в ряду (рис. 3). Проведены натурные исследования смещений пород

кровли в штольне шахты «Кушеяковская» под влиянием закреплённого в почве выработки натяжного устройства с усилием 100, 200 и 300 кН.

Установлено, что средняя разность измеренных и вычисленных МКЭ смещений не превышает 16 %, то есть доказана возможность применения разработанной методики прогноза параметров напряжённо-деформированного состояния и устойчивости пород кровли.

При циклическом изменении нагрузки на несущий анкер смещения пород кровли увеличиваются по следующей эмпирической зависимости

П =тц [1 + 8

где п - смещения пород кровли в ьтом цикле нагружения анкера, мм;

П1 - смещения пород кровли в первом цикле нагружения анкера, мм;

8 - параметр ползучести горных пород; N - номер цикла нагружения анкера.

Рис. 3. Изолинии распределения вертикальных смещений (мм) пород кровли под влиянием системы анкеров длиной 2 м и двух канатных анкеров длиной 4 м с натяжением 200 кН каждый с одной ампулой в верхней части и распором снизу гайкой 200 кН, асж=30 МПа, канатный анкер на расстоянии 18,5 м нагружен только транспортируемым грузом 200 кН

Установлена зависимость распределения напряжённо деформированного состояния геомассива в окрестности выработок с учётом их формы, размеров, паспортов крепления. Выявлено, что повышение устойчивости армированной анкерами кровли достигается не только за счёт уплотнения породных слоёв, но и повышения несущей способности сформированной породной плиты в кровле с перераспределением менее интенсивного горного давления в боках выработки на расстояние, превышающее почти в 1,5 раза ширину зоны опорного давления для незакреплённой выработки. Взаимодействие вертикальных и горизонтальных напряжений в боках и почве выработки приводит к формированию зоны дезинтеграции пород в окрестности выработки. Вертикальные смещения пород кровли уменьшаются в кровле почти в 2 раза после установки анкеров второго уровня, то есть, выявлена закономерность преобладающего влияния анкеров глубокого заложения по сравнению с анкерами первого уровня.

По результатам исследований обоснованы прогрессивные технологические и технические решения и на их основе разработаны и внедрены на угольных шахтах новые конструкции анкеров и средств подвески транспортных устройств. В соответствии с полученными результатами математического моделирования, натурных экспериментов и выявленными закономерностями взаимодействия анкеров с породами кровли и между собой разработаны, изготовлены и внедрены на угольных шахтах Кузбасса новые конструкции анкерной крепи. В качестве технологического решения предусмотрено принимать массу подвесного груза на анкер меньше его начального распора, что возможно при реализации двух вариантов управления многофункциональной системой «геомассив - крепь - транспорт»: снижение массы подвесного груза или увеличение начального распора анкера посредством увеличения его несущей способности.

Для реализации второго варианта управления многофункциональной системой «геомассив - крепь - транспорт» предложены, изготовлены и внедрены в условиях шахт Кузбасса конструкции анкеров, новизна которых подтверждена авторскими лицензионными патентами и свидетельствами на полезные модели.

Анкерная крепь (патент 99062 РФ), крепь анкерная канатная глубокого заложения (патент 123067), крепь анкерная канатная высокой несущей способности до 500 кН (патент 2505678 РФ) (рис. 4), клинораспор-ный анкер КРА-16 (патент 72271 РФ) полностью обеспечивают эксплуатационную надёжность транспортных подземных выработок с подвесной монорельсовой дорогой в следующих горно-геологических и горнотехнических условиях: глубина разработки - до 800 м, ширина выработок до 12 м, предел прочности пород кровли выше 30 МПа, сила тяжести транспортируемого груза на одну подвеску монорельсового пути не более 300 кН [5-6].

Разработана методика расчета параметров системы «анкер — подвеска — монорельс» и приведён пример расчёта по тестовому варианту для типовых условий шахт Кузбасса. Надежность разработанной методики и соответствие расчетных параметров системы «анкер — подвеска — монорельс» реальным проверены при монтаже и эксплуатации подвесных дорог на пяти шахтах Кузбасса: ОАО «Междуреченская угольная компания-96», ООО «Шахта Чертинская-Коксовая», ОАО «Распадская», ЗАО «Шахта Костромовская», ОАО «Шахта Большевик». Во всех случаях отклонений расчетных параметров от фактических не выявлено.

Для исключения аварийных ситуаций в случае снижения устойчивости пород кровли при сложных горно-геологических условиях разработан способ заполнения пустот с помощью пенобетонного насоса (патент 97085 РФ) и гибкой опалубки, представляющей собой герметичную тару, сшитую из рукава прочной водонепроницаемой ткани, имеющей форму мешка или пакета, закрытого с обоих концов (патент 2417321 РФ).

Рис. 4. Конструкция новой крепи анкерной канатной высокой несущей

способности: 1 - стержень канатного анкера; 2 - клинораспорный замок; 3 - хвостовик анкера; 4 - шайба опорная; 5 - упор сферический; 6 - гайка натяжная; 7 - трубка подачи полимера 8 - боковое отверстие; 9 - трубка отвода воздуха из забоя шпура; 10 - герметезатор; 11 - распорки; 12 - хомуты; 13 - штуцер подачи полимера

Общий вид схемы подвески монорельсовой дороги в выработке, закрепленной анкерной крепью, представлен на рис. 5.

Рис. 5. Общий вид и схема подвески монорельсовой дороги в выработке: 1 — секция крепи; 2 — несущая тележка; 3 — грузовая балка;

4 — подвесная траверса; 5 — поддерживающая рама; 6 — элемент подвески: анкер, вилка-захват и болт с гайкой; 7 — ходовой рельс;

8 — элемент подвески

Результаты исследований, разработанные технические устройства по обеспечению устойчивости горных транспортных выработок с монорельсовыми подвесными дорогами реализованы в рекомендациях для составления паспортов проведения и крепления подготовительных выработок угольных шахт. Реализация разработанной методики апрбирована при составлении дополнения к «Паспорту проведения и крепления Путевого штрека 3-10, конвейерного штрека 3-10, сбоек между ними пласта 10,блока № 3». Раздел «Транспортировка людей, оборудования и материалов по ПМП дизельной тележкой 1500» «ОАО «Распадская» (на время проведения выработок пласта 10 блока № 3). Приведённую документацию можно рассматривать как типовую при внедрении разработанных технологических и технических решений на шахтах Кузбасса.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Обоснована концепция эксплуатационной надёжности многофункциональной системы «геомассив - крепь - транспорт», которая базируется на одновременной реализации принципов полифункциональности, эмерджентности, непротиворечивости взаимодействия и непрерывности совершенствования элементов системы, обеспечивающих адаптивность системы в целом к широкому диапазону горно-геологических и горнотехнических условий.

2. Установлено, что увеличение длины закреплённой части сталепо-лимерного анкера приводит не только к уменьшению абсолютных касательных напряжений на контакте анкер-порода, но и к снижает интенсив-

ность этих напряжений в направлении от дна шпура к кровле выработки. Граница зон оседаний и подъёма пород под влиянием установленного анкера с клеевым закреплением расположена примерно на высоте 2/3 длины незакреплённой части анкера, считая от кровли выработки, а объем зоны растяжения пород в верхней части анкера увеличивается пропорционально длине закреплённой части анкера.

3. Обоснованы следующие параметры эксплуатационной надёжности системы «геомассив - крепь - транспорт»: изменение силы тяжести транспортируемого груза на один несущий анкер не должно превышать 300 кН; расстояния между соседними анкерами составляет 300 - 900 мм; масса транспортируемого груза, приходящаяся на одну подвеску монорельсового пути не должна превышать несущую способность одного анкера в ряду.

4. Установлено, что повышение устойчивости армированной анкерами кровли достигается за счёт уплотнения породных слоёв и увеличения несущей способности сформированной породной плиты в кровле с перераспределением менее интенсивного горного давления в бортах выработки на расстояние, превышающее в 1,5 раза ширину зоны опорного давления для незакреплённой выработки. При этом зависимость параметров опорного давления в бортах выработки от длины анкеров, описывается степенной функцией.

Список литературы

1. Ногих В.Р. Методика и алгоритм расчета параметров анкерной подвески шахтной монорельсовой подвесной дороги // Уголь.-2011.- № 5. -С. 84-85.

2. Ногих В.Р., Ногих С.Р. Анкерная крепь канатная высокой несущей способности АКВ-33 // Уголь.-2012.- № 8. - С. 82.

3. Ногих В.Р. Подвесной монорельсовый путь ПМП-155УС// Уголь.-2009. - № 8. - С. 28-29.

4. Ногих В.Р. Современный формат монорельсовых транспортных систем // Уголь.-2006.- № 4. - С. 34-36.

5. Способ закладки пустот в шахтных выработках: пат. 2417321 РФ, МПК: Е2Ш5/02, Е21Б11/10. Ногих В.Р., Соколенко Д.Н. - Опубл. 27.01.2011.-Заявка № 2009131975/03.

6. Установка монтажная пневматическая самоходная (УМПС): пат. 2327000 РФ, МПК: Е01В29/02, Е01В29/05, Е01В29/16, Е01В29/44. Мирош-ник А.И., Ногих В.Р, Черных Ю.А. - Зарег. 20.06.2011.-Заявка № 2006123972/11.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ногих Владимир Романович, асп. galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

INTERACTION UNDERSLUNG TRANSPORT UNITS WITH ROCKS AND PROVIDING SAFETY AND STABILITY OF MINING WORKINGS

N.M. Kachurin, V.R. Nogih

Regularities of rocks roof mode of deformation by interaction underslung transport units with rock massif were improved as result of theoretical and experimental researches. It made possible to create and introduce complex of technical equipments for providing stability of transport underground workings that is very important for coal industry of Kuznetsk Basin.

Key words: safety, mining working stability, rocks, underslung transport, mode of deformation.

Kachurin Nikolai Mihailovich, Doctor of Sciences, Full Professor, Chief of a Chair, ecology alsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Nogih Vladimir Romanovich, Postgraduate, galina sl.as a.mail.ru, Russia, Tula, Tula State University