Выбор и обоснование параметров усиливающих крепей капитальных горных выработок

© А.В. Быков, 2003

УАК 622.28 А.В. Быков

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИВАЮЩИХ КРЕПЕЙ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Как известно, основной объем угля в Украине приходится на подземную добычу. Значительное увеличение глубины добычи и вместе с тем ухудшение горно-геологических условий в последние годы, привели к значительному уменьшению производительности труда и увеличению себестоимости добываемого угля.

Исправить такую ситуацию без привлечения дополнительных субсидий можно, по всей видимости, за счет уменьшения затрат на крепление, которые составляют 30-60% от общей стоимости сооружения горной выработки. Кроме того годовой объем ремонта и перекрепления капитальных и подготовительных выработок составляет порой 35% от общей их протяженности. По данным производственных объединений доля затрат на крепление и поддержание горных выработок составляет от 7 до 15% в общей себестоимости добычи угля, а ее снижение за счет обеспечения устойчивости горных выработок с минимальными затратами, что влияет на конкурентоспособность угля, является актуальной проблемой угольной промышленности Украины.

В настоящее время капитальные горные выработки на всем своем протяжении крепятся в основном крепями одного типа, независимо от изменяющихся по длине выработки горно-геологических условий. Действующие в настоящее время нормативные документы по выбору типа и конструкции крепи в принципе предусматривают дифференцированный подход к креплению различными конструкциями крепей отдельных участков выработки, имеющих более 30% отклонения прочностных свойств вмещающих пород. Однако на практике это положение не реализуется ввиду нетехнологичности перехода от одного типа крепи к другому, т.к. требует наличия определенного запаса нескольких видов крепи, что в современных условиях жестких требований по снижению себестоимости добываемого угля нецелесообразно и практически невозможно. Все это и определяет необходимость разработки гибких технологий крепления горных выработок, основанных на применении крепей регулируемого сопротивления, технологически и конструктивно сочетаемых между собой и обеспечивающих минимальные материальные и трудовые затраты.

В первую очередь необходимо отметить, что проведенные еще в 1967 г. на шахте им. К. Маркса экспериментальные исследования по влиянию буровзрывных работ на состояние пород приконтурного массива показали целесообразность применения контурного взрывания, которое позволяет более эффек-

тивно использовать грузонесу-щую способность вмещающих пород.

В качестве базовой крепи регулируемого сопротивления рекомендуется в зависимости от геомеханических и горнотехнических факторов рассматривать в первую очередь крепь, использующую несущую способность самого массива пород, а также металлическую арочную податливую крепь из СВП, анкер металлическую, набрызгбетон, набрызгбетон с анкерами и набрызгбетон с арками. Крепи усиления выбираются исходя из того, что, сочетаясь с базовой крепью, они позволяют производить требуемые изменения ее параметров и обеспечивают устойчивость выработки. Усиление базовой крепи может производиться в один, два или три этапа, а назначение этапов производится в зависимости от диапазона измеряемых смещений.

С этой целью были обобщены и проанализированы результаты исследований и рекомендации институтов: ВНИМИ, ВНИИОМШС, ДонУГИ, КузНИИШахтост-рой, а также решения одномерных модельных задач К.В. Руппенейта, Ю.М. Либермана, Б.А. Картозия. Расчетные зависимости были скорректированы по результатам натурных наблюдений в восточном полевом откаточном штреке шахты «Ворошиловградская» №1. В результате были получены и в дальнейшем применялись расчетные формулы для определения смещений контура сечения модельной выработки круглого сечения, радиус которой равен среднему радиусу рассматриваемой капитальной горной выработки.

Далее на стадии проектирования по расчетным минимальным смещениям контура выработки выбиралась базовая крепь регулируемого сопротивления, а по максимальным значениям - варианты усиления крепи и определялись их параметры.

На последнем этапе проектирования определялись величины сигнальных смещений для базовой крепи по корреляционным формулам, которые были получены в результате обработки шахтных инструментальных наблюдений на замерных станциях глубинных реперов за смещениями пород вокруг выработки. Эти формулы при буровзрывном способе проходки имеют следующий вид:

при длине анкера 0,5 м

иа = 0,373ик - 0,003м2 - 4 мм

при длине анкера 1,5 м

иа = 1,09ик -0,0009м2 -И, мм

С целью проверки разработанного метода проектирования крепи регулируемого сопротивления и технологии ведения работ с этой крепью был организован экспериментальный участок в восточном полевом откаточном штреке шахты "Ворошиловградская" №1. Базовой крепью на участке длиной 30 м были приняты сталеполимерные анкера с металлической сеткой; первое усиление - набрызгбетон толщиной 130 мм, второе усиление - установка арочной крепи и

Таблица 1

РЕКОМЕНЛУЕМЫЙ ТИП КРЕПИ

Тип крепи Индекс критерия устойчивости

п > 1 0,7 < п £ 1,0 0,2 £ п < 0,7

Набрызг- бетонная крепь Ограждающая крепь, возводится вслед за подвиганием забоя, С = 0,03-0,05 м

Анкер- набрызг- бетонная крепь Незамкнутая, С = 0,06-0,08 м, анкера с сеткой устанавливаются вслед за подвиганием забоя. На-брызг бетона произ-водится с отставанием на 30-60 м. Несущая способность системы 0,1 МПа. При 0,5 < п < 0,7 незамкнутая. Анкера с сеткой возводятся вслед за подвиганием забоя. Набрызг бетона производится с отста-ванием на 3060 м. Не-сущая способность системы 0,1-0,2 МПа.

третье усиление - тампонаж закрепного пространства. Величина сигнальных смещений для базовой крепи - 40 мм.

При креплении выработки базовой крепью в кровлю были установлены 4 датчика смещений на расстоянии 10 м друг от друга по длине выработки. Также, с целью проверки работы датчиков рядом с ними были установлены реперные станции контурных и глубинных реперов. На участке выработки длиной 20 м датчики 1 и 2 показали сигнальные смещения, по-этому,на этих двадцати метрах было произведено усиление крепи набрызгбетоном. А датчики 3 и 4 не показали сигнальных смещений и на следующих 30 м выработка осталась закреплена базовой крепью. По прошествии трех лет состояние крепи на экспериментальном участке было хорошее. Смещения пород полностью прекратились.

Для разработки ресурсосберегающей технологии строительства капитальных выработок, основанной на данном методе крепления, необходимо прежде всего определить параметры усиливающих крепей.

Остановимся более подробно на расчете параметров набрызгбетонной крепи как наиболее приемлемой по рекомендациям, предложенным в работе [4].

В частности предлагается определять толщину набрызгбетонной крепи в капитальных выработках незамкнутой формы без учета свойств набрызгбетон-ных покрытий из предположения работы на изгиб прямоугольной пластины с защемленными кромками, находящимися под воздействием равномерной на-

грузки (на единицу длины).

При определении толщины набрызгбетонной крепи учитывают упрочнение пород инъекцией в трещины набрызгбетона путем уменьшения толщины крепи в среднем на 40%. Кроме того считают, что в изгибаемой пластине напряжение изгиба в два раза меньше сопротивления набрызгбетона на растяжение. С учетом указанных особенностей среднюю толщину крепи из набрызгбетона можно определить по формуле для незамкнутой формы

И = ка —

ЧЯр ,

где к - коэффициент, зависящий от типа и шага крепи (принимается 0,35 для грузонесущей набрызгбетонной комбинированной крепи и 0,25 - для набрызгбетона с анкерами), ц1 - равномерно распределенная нагрузка, Н/м2, Rp - расчетное сопротивление набрызгбетона растяжению, принимается для Rсж = 40 МПа, Rp = 1,2 МПа.

В связи с возможным увеличением со временем величины горного давления толщину постоянной крепи, найденную по данному выражению, следует увеличить на 30-40 %.

В связи с тем, что ко времени установления максимального давления (обычно через 10 дней) набрыз-гбетон набирает всего лишь 75 % своей конечной прочности, в этом выражении необходимо уменьшать значение Rp и принимать его равным 75-100 тс/м2. А в сильно нарушенных породах, где горное давление достигает своего максимального значения черев 1-2 суток, в формулу подставляют 0,3 Кр.

Все расчеты по вышеприведенным формулам являются ориентировочными для назначения толщины крепи, которая должна уточняться в процессе производства работ и наблюдения за состоянием крепи и выработки.

Толщину сплошной набрызгбетонной крепи 5 замкнутого очертания с формой, близкой к окружности, при известных нагрузках рекомендовано ориентировочно определять по формуле расчета крепи с учетом наличия

Таблица 2

ПАРАМЕТРЫ НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПИ

Коэффициент устойчивости

Сечение выработки в свету, м2 Ширина выработки, м 1-0,8 0,7-0,79 0,6-0,69 0,5-0,59

Нагрузка на крепь, МПа Толщина крепи, мм

6,8 3,0 0,025 0,05 0,10 0,20

40 60 80 150

9,9 4,0 0,03 0,08 0,15 0,35

60 100 130 250

15,4 5,41 0,05 0,10 0,20 0,45

100 150 200 350

Таблица 3

Площадь сечения выработки в свету, м2 Длина анкеров, м Количество анкеров в сечении, шт. Толщина набрызг-бетона, мм

Коэффициенты устойчивости

0,5- 0,59 0,6- 0,69 0,7- 0,79 0,8- 1,0 0,5-0,59 0,6- 0,69 0,7- 0,79 0,8- 1,0 0,5- 0,59 0,6- 0,69 0,7- 0,79 0,8- 1,0

6,8 1,8 1,8 1,6 1,6 5 5 4 4 50 50 30 30

10,0 1,8 1,8 1,6 1,6 6 6 5 5 60 50 30 30

14,2 2,0 2,0 1,8 1,8 7 7 5 5 70 60 30 30

15,4 2,0 2,0 1,8 1,8 8 8 6 6 80 70 50 30

17,3 2,0 4 30

неровностей в крепи и породе с предположением, что на крепь действуют только сжимающие нагрузки

м-----^>

5 = ПпГ0

'ткксЖ - 2чА

-1

где пп - коэффициент перегрузки (учитывает возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону пп = 1,2); г0 - радиус выработки в свету, м; тк -коэффициент условий работы крепи (учитывает влияние влажности и т.д.. - 0,7-0,9); Р¥сж - расчетное сопротивление набрызгбетона на сжатие, МПа; д1 -величина нагрузки на крепь МПа); п - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений, вызванную неровностями породной поверхности выработки (для контура выработки, пройденной с помощью буровзрывных работ п = 2-3).

В зависимости от горнотехнических условий крепь из набрызгбетона можно применять в сочетании с анкерами. Набрызгбетонное покрытие при этом нагружается породными вывалами, образующимися между анкерами.

Таким образом, параметры комбинированной крепи могут быть определены необходимой глубиной (т.е. размерами слоя разрушенных пород), шагом установки анкеров, а также толщиной набрызгбетонно-го покрытия.

Предварительный выбор типа крепи и последовательности ее возведения в зависимости от коэффициента устойчивости п можно производить с учетом рекомендаций, полученных в работе [4], которые учитывают форму и интенсивность проявлений горного давления, характеристику крепи и свойства массива горных пород (см. табл. 1).

Конструктивные параметры набрызгбетонной и ан-кер-набрызгбетонной крепей приведены в табл. 2 и 3.

В заключении можно сказать, что разработка новых конструкций крепей и гибких технологий крепления выработок на основе существующих (базовых) конструкций с возможностью их оперативного усиления в процессе строительства и эксплуатации является наиболее перспективным направлением для создания ресурсосберегающих технологий строительства капитальных горных выработок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Франкевич Г.С. Обоснование параметров и разработка крепей капитальных горных выработок с управляемой несущей способностью. - Дисс. докт. техн. наук. - М., 1998. -386 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------------------------------

Быков Алксей Владимирович -НТЦ «Шахтострой», Украин

1. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н, Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. - М.: Недра, 1986. - 288 с.

2. Заславский И.Ю, Быков А.Б, Компанеец В.Ф. Набрызгбетонная крепь. - М.: Недра, 1986. - 196 с.

3. Ерофеев Л.М., Мирошникова Л.А. Расчет крепей горных выработок. - М.: Недра, 1984. - 32 с.

ИНФОРМАЦИЯ _

В Горном информационно-аналитическом бюллетене № 2, 2003 г. на с. 19-21 в статье «Определение смещений кровли в области опорного давления и отжима пласта в очистном забое» сведения об авторах М.Д. Мо-леве и В.А. Матвееве напечатаны ошибочно. Авторы статьи - Матвеев Валентин Александрович, доктор технических наук, профессор Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета и Матвеев Александр Валентинович, младший научный сотрудник Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета.

Файл: БЫКОВА

Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB12~03

Шаблон:

C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do

Ш

Заголовок: Перспективные ресурсосберегающие технологии строительст-

ва капитальных горных выработок Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 14.11.2003 13:57:00

Число сохранений: 12

Дата сохранения: 01.12.2003 18:14:00

Сохранил: Гитис Л.Х.

Полное время правки: 29 мин.

Дата печати: 09.11.2008 18:42:00

При последней печати страниц: 3

слов: 1 866

знаков: 10 640