Геомеханическое обоснование параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля

Янак, Александр Ефимович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обоснование параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля"

На правах рукописи

ЯНАК АЛЕКСАНДР ЕФИМОВИЧ

УДК 622.268.02:622.831 Геомеханическое обоснование параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке

запасов угля

Специальности: 25.00.22 - «Геотехпология (подземная, открытая и строительная)» и 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском государственном горном

университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Тсрентьев Борис Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Баклашов Игорь Владимирович; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Поташников Виталий Александрович

Ведущая организация - ЗАО «Распадская»

9 ^

Защита диссертации состоится « <и » /¿¿'¿^¿^АЛ— 2006 г. в /ЛГ* часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « % »

Ученый секретарь диссертационного совета, проф., докт. техн. наук Крюков Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В результате проведенной реструктуризации угледобывающей отрасли и внедрения при подземной разработке угля современных высокопроизводительных механизированных комплексов на многих шахтах Кузнецкого бассейна нагрузки на очистной забой возросли до 8000-10000 т/сут. В этих условиях ежемесячное подвигание очистного забоя на пластах средней мощности превышает 250 м. Своевременное обеспечение воспроизводства запасов, подготовленнных к выемке, с учетом монтажных работ может быть достигнуто при скорости проведения подготовительных выработок не менее 250-300 м/мес.

на участках подготовительных выработок, примыкающих к очистному забою. В целях обеспечения высоких темпов проведения и безремонтного поддержания подготовительных выработок, особенно в зонах повышенного горного давления, вызывающих значительное снижение устойчивости пластовых выработок, проводятся дополнительные работы по возведению крепей усиления и упрочению углепородного массива. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3-5 тыс. руб/м) и снижают скорость отработки запасов на 30-40%. В последние годы на шахтах Кузнецкого бассейна для интенсификации подготовительных работ и повышения устойчивости выемочных выработок все большее распространение получают сталеполимерные анкерные крепи.

Анализ технологических процессов во время установки анкеров и их работы в период эксплуатации выработок позволяет определить круг проблем, решение которых позволит повысить эффективность анкерного крепления и, как следствие, устойчивость выработок, увеличить темпы их проведения и снизить затраты. К числу проблем, не решенных до настоящего времени, относятся:

- отсутствие высокопроизводительной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М. М. Протодьяконова;

- фактическое снижение, по сравнению с расчетным величины закрепляемой, контактной с вмещающими породами, части сталеполимерного анкера, что не позволяет обеспечить проектную несущую способность крепи и, соответственно, устойчивость выработки. Это объясняется несовершенством конструкции существующих анкеров, которая не может, в силу своей специфики, обеспечить качественное перемешивание полимерного композита в шпуре и полное заполнение объема шпура полимером.

Таким образом, разработка эффективных технологических средств и технических средств анкерного крепления, обеспечивающих надежное поддержание подготовительных выработок, является актуальной научной и практической задачей.

Целью диссертации является установление закономерностей формирования эквивалентной мощности дезинтегрированных зон породного массива для обоснования параметров, разработки и реализации техники и технологии анкерного крепления подготовительных выработок, обеспечивающих повышение темпов их проведения и надежное сохранение в течение всего периода эксплуатации.

Основная идея работы состоит в реализации системного подхода к управлению устойчивостью подготовительных выработок на базе определения эквивалентной мощности дезинтегрированых зон породного массива и обоснования рациональных технологических и технических решений по анкерному креплению.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

- устойчивость подготовительных выработок шахт определяется минимальной мощностью закрепляемого анкерами массива, зависящей от величины эквивалентной мощности дезинтегрированных пород контура выработки и соотношения прочности первого несущего и последующих слоев пород;

- методика выбора эффективной технологии и параметров анкерного крепления подготовительных выработок базируется на научно обоснованных расчётах величины их эквивалентного пролёта и площади поперечного сечения;

- повышение скорости и устойчивости подготовительных выработок в условиях интенсивной отработки запасов может быть обеспечено за счёт внедрения новых конструкций сталеполимерной анкерной крепи (типа АСП-20.500) и высокопроизводительных, малогабаритных переносных бурильных установок (типа УБ-1350 ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлена зависимость несущей способности сталеполимерной анкерной крепи от скорости установки анкера, качества перемешивания компонентов состава и полноты заполнения шпура;

- научно обоснована конструкция сталеполимерных анкеров с торцевой частью в виде режущей фрезы, позволяющая осуществлять качественное

разрушение ампул, перемешивание компонентов состава и закрепление шпура;

- разработаны технологические требования и усовершенствована конструкция высокопроизводительной, малогабаритной бурильной установки УБ-1350, обладающая улучшенными техническими и эргономическими характеристиками по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами;

- доказана лабораторными и шахтными исследованиями эффективность крепления выработок сталеполимерными анкерами с торцевой частью в виде режущей фрезы, применение которых позволяет уменьшить смещение пород контура выработок на 60-65% по сравнению с другими типами анкеров, повысить устойчивость выработок.

Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием экспериментально-аналитических методов исследований, апробированных методов моделирования, лабораторных и натурных измерений, исследований непосредственно на производстве;

- анализом большого объема информации (статистики, экспериментальных данных) с использованием методов математической статистики и применением для их разработки ЭВМ;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными натурных измерений на полях шахт «Осинниковская», «Антоновская», «Абашевская»;

- положительными результатами внедрения технических и технологических решений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертационной работе, на полях шахт ОАО ОУК «Южкузбассуголь».

Научное значение работы состоит в разработке комплексного подхода и решению задач выбора эффективных способов анкерного крепления и поддержания подготовительных выработок на основе изучения геомеханических зависимостей состояния горного массива и взаимодействия крепей и горных пород, что позволяет обосновать для различных горнотехнических

условий рациональные параметры крепи, увеличить темпы проведения и устойчивость подготовительных выработок.

Практическое значение диссертации заключается в следующем:

- разработан метод прогноза деформаций породного массива подготовительных выработок и их сопряжений в зависимости от величины эквивалентного пролета выработок и эквивалентной мощности деформированных пород слоев;

- разработана, изготовлена, прошла государственную сертификацию и испытана в шахтных условиях бурильная установка УБ-1350 для анкерного крепления, которая по своим техническим характеристикам превосходит аналогичные устройства отечественного и зарубежного производства, что обеспечивает увеличение скорости и диапазона бурения шпуров и установки анкеров, безопасность производства работ;

- разработан, изготовлен и принят в эксплуатацию диагностический стенд СД-ПРК-3800, позволяющий проводить комплексные испытания отечественных и зарубежных бурильных установок на их соответствие паспортным параметрам;

- разработаны и запатентованы два типа анкеров нового технического уровня, имеющие высокую несущую способность, применение которых позволило значительно повысить их устойчивость и внедрить прогрессивные технологические схемы подготовки запасов выемочных участков;

- разработан инструктивный документ по техническому обеспечению эффективного и безопасного ведения работ по анкерному креплению выработок ОАО ОУК «Южкузбассуголь».

Реализация работы. Технология крепления выработок с использованием разработанных бурильной установки УБ-1350, анкеров типа АСП-20 и АСП-20.500 и обоснованными в диссертации параметрами (длина анкера, несущая способность, плотность установки, длина участка закрепления в шпуре и др.) внедрена на 9 шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь», что позволило увеличить темпы проведения пластовых выработок, перейти на постоянные схемы подготовки запасов, повысить безопасность ведения работ. Экономи-

чсская эффективность применения бурильной установки УБ-1350 и анкеров типа АСП составляет в среднем 3940 руб/м, а за счет внедрения постоянных схем подготовки запасов превысила 30 млн руб/год.

Результаты работы в виде учебного материала использовались в учебном процессе в Московском государственном горном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на Международных научно-практических конференциях «Неделя горняка» (Москва, 2003-2006 гг.), Международной научно-технической конференции «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ» (Екатеринбург, 2005 г.), технических советах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 2001-2005 гг.), ООО «Горно-техническая компания (г. Новокузнецк, 1999-2004 гг.), научно-техническом совете ЗАО шахта «Антоновская» (г. Осинники, 2004 г.), семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (2005 г.)

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 5 научных

статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 47 рисунков, 33 таблицы, список литературы из 104 наименований и три приложения.

Основное содержание работы

Успешное решение задач повышения эффективности угледобывающей отрасли России в значительной мере зависит от уровня технологии и технического совершенства горно-подготовительных работ. Период реструктуризации отрасли особенно остро сказался на воспроизводстве очистного фронта. Объёмы проведения подготовительных выработок ежегодно сокращаются в 1,5 раза быстрее, чем это необходимо для стабилизации роста добычи. При подготовке выемочных участков в настоящее время применяются многоштрековые технологические схемы, а сечения выработок увеличились на 2530%. Темпы отработки запасов современными очистными комплексами дос-

тигают 180-200 м/мес., а в некоторых случаях превышают 200 м/мес., что сопоставимо со скоростью проведения подготовительных выработок. Вышеуказанные обстоятельства приводят к разрыву во времени ввода новых очистных забоев, простоям дорогостоящего оборудования и потерям объёмов добычи.

Исследованиями, выполненными на шахтах ОАО ОУК «Южкузбасс-уголь», установлено, что максимальная скорость проведения подготовительных выработок обеспечивается применением анкерной крепи. При этом всё большее распространение и внедрение в практику получают сталеполимер-ные анкерные крепи. Динамика крепления выработок различными типами крепей на шахтах компании представлена в табл. 1.

Таблица 1

Динамика крепления подготовительных выработок , различными видами крепей

Вид крепления Крепление подготовительных выработок по годам, м/%

1999 2000 2001 2002 2003

Рамная крепь 29332 37 24677 33 23020 26 16320 22 13361 18

Анкерная сталеполимер-ная крепь 50389 63 54850 67 64018 74 59311 78 62714 82

Общий объем крепления 79721 100 81402 100 87038 100 75631 100 76075 100

Таким образом, анкерное крепление выработок шахт является одним из ключевых факторов процесса модернизации и механизации подземной угледобычи:

В отечественной и зарубежной практике накоплен значительный опыт анкерного крепления в разнообразных горно-геологических условиях для выработок различного технологического назначения. Общеизвестными являются труды таких учёных, как Атрушкевич O.A., Борисов A.A., Егоров П.В., Михеев О.В., Фрянов В.Н., Широков А.П. и др.

Анализ процессов бурения шпуров, установки анкеров и их работы в период эксплуатации выработок позволил определить недостатки технологии, ликвидация которых позволила бы повысить эффективность анкерного крепления.

Основными проблемами крепления сталеполимерными анкерами являются:

- отсутствие высокопроизводительной малогабаритной переносной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры по периметру выработки в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М.М. Протодьяконова;

- существующие конструкции стержней анкеров не обеспечивают высококачественного перемешивания компонентов полимерного состава в шпуре, что снижает расчётную несущую способность крепи и устойчивость выработки в целом.

Понятие «устойчивость горной выработки» характеризует такое техническое состояние нагруженного массива, при котором в течение необходимого по условиям эксплуатации промежутка времени не происходит смещений контура выработки, приводящих к её выводу из рабочего состояния.

Значительные исследования в области обеспечения устойчивости выработок выполнены коллективами отечественных научно-исследовательских и учебных институтов и отдельными учёными, такими, как Авершин С.Г., Амусин Б.З., Баклашов И.В., Борисов A.A., Грицко Г.И., Егоров П.В., Каретников В.Н., Картозия Б.А., Кузьмин Е.В., Лидер В.А., Михеев О.В., Теренть-ев Б.Д., Фрянов В.Н., Черняк И.Л., Шемякин Е.И., Широков А.П., и другими. Ими разработаны прочностные модели взаимодействия крепей выработок и пород, адекватные реальным горно-геологическим условиям, проведено значительное количество исследований и получены конкретные зависимости, определяющие напряжённо-деформированное состояние (НДС) пород. Несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, до настоящего времени не разработана теория, однозначно описываю-

щая процессы, происходящие при нарушении естественного состояния массива.

Особую актуальность представляют исследования НДС пород и анкерных крепей в условиях стремительно нарастающих объемов их применения на шахтах. Существующие расчётные методы, изложенные в нормативных документах, предназначены для определения параметров механических анкерных крепей и не рассматривают современные сталеполимерные анкеры. При этом в расчётах не учитывается ряд основных определяющих факторов, таких, как форма сечения выработок, разнородность физико-механических свойств пород по периметру выработки, степень нарушенности пород и т.п. Методики не предназначены для расчёта параметров крепей выработок большой ширины (6-8м) и применения анкеров глубокого заложения.

В связи с изложенным для получения достоверных результатов в диссертации разработана методика расчёта НДС пород и параметров анкерной крепи на базе определения эквивалентного пролёта выработок и эквивалентной мощности разрушенных пород. Величина эквивалентного пролёта определяет степень обнажения и устойчивость пород кровли в зависимости от геометрических параметров сечения выработки и ассоциируется с гидравлическим радиусом обнажения пород. Для протяжённых выработок, наиболее распространённых форм поперечного сечения эквивалентный пролёт определится по зависимостям:

для арочной формы: Ьэ — 1,33. (Я + (1); (1.1) для прямоугольной формы: Ьэ = 1,33 <1; (1.2)

для сводчатой формы: Ьэ =1,33(211 + с1). (1.3)

Эквивалентная мощность пород кровли определяется мощностью несущих слоёв пород, в пределах которой они сохраняют необходимую устойчивость при условии установки анкерной крепи минимальной расчётной глубины, и учитывает параметры анкерной крепи и выработки, прочностные и деформационные характеристики пород, определяет величину и скорость смещения пород кровли.

Минимальная мощность скрепляемых анкерами пород в кровле выработки, поддерживаемой без дополнительных охранных мероприятий, определяется по эмпирической зависимости

' Mmin = 1,22)^(0,99 + 0,Ola^^/a.w,2), (1-4)

где шр - размерный параметр; а сж - усреднённая прочность пород в пределах скрепляемой анкерами пачки; ai и mi - соответственно предел прочности на сжатие и мощность первого несущего слоя породы.

В соответствии с расчётным эквивалентным пролётом, эквивалентной и минимальной мощностью скрепляемых анкерами пород кровли определяются по полученным эмпирическим зависимостям параметры анкерного крепления протяжённых горных выработок: расстояние между анкерами в ряду, необходимое количество рядов крепи, длина анкеров и т.д. При расчётах анкерной крепи выработок большой ширины и их сопряжений в основу положены следующие наблюдения: в боках выработок концентрируются сжимающие напряжения, а в кровле и почве образуются естественные разгрузочные зоны. Глубина расслоения пород в разгруженной зоне и нагрузка на крепь выработок находится путём расчёта эквивалентного пролёта и площади сопряжений. Паспорта крепления определяются для восьми схем, включающих четыре вида сопряжений: примыкание, ответвление, пересечение и разветвление в зависимости от коэффициента устойчивости каждого слоя, глубины расслоения и прочности на сжатие пород, интенсивности боковой и вертикальной нагрузки.

В соответствии с разработанными теоретическими воззрениями на взаимодействие анкерных крепей и породного контура выработок в диссертации была произведена классификация существующих конструкций анкерной крепи. Классификация предусматривает деление конструкций на два уровня по величине закрепления толщи пород. К первому уровню отнесены системы анкеров длиной до 3,0м, устанавливаемых, как правило, вблизи подготовительных забоев. Под анкерными крепями второго уровня понимается система

анкеров длиной более 3,0м, в том числе составные и канатные конструкции. В последние годы для крепления подготовительных забоев в практике шахт Южного Кузбасса получили применение сталеполимерные анкеры.

Практика эксплуатации выработок, закрепленных анкерной сталеполи-мерной крепью, показала, что при прочих равных условиях, надёжность и устойчивость выработки тем выше, чем меньше разрыв во времени между обнажением пород и установкой крепи. Этот временной интервал определяется скоростью двух основных технологических факторов: бурения шпуров и установки анкеров, а также качеством перемешивания полимерного состава и заполнения им шпура. Можно говорить, что надёжность крепления в значительной степени определяется техническими характеристиками применяемого бурильного оборудования и конструкцией анкеров.

В настоящее время на шахтах Кузнецкого бассейна для бурения шпуров при анкерном креплении используется большое количество разнообразного оборудования отечественного и импортного производства, которое по своим техническим характеристикам не всегда соответствует горно-геологичсским условиям и технологическим параметрам крепления выработок и безопасности труда. Для определения наиболее рациональных средств бурения в работе проведены сравнительные исследования применяемой на шахтах Кузбасса бурильной техники. Установлено, что отечественные бурильные установки практически не используются, а среди импортных лучшими техническими и эксплуатационными характеристиками обладают установки Турбо-Болтер (Англия). Исследование времени работы импортных бурильных установок на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» показало, что коэффициент их использования составляет в среднем 0,56 - 0,61. К тому же ремонт установки весьма дорог, а ремонтная база отсутствует. Поэтому одной из задач диссертации являлась разработка отечественной малогабаритной бурильной техники, которая по своим техническим и эксплуатационным параметрам не уступала бы импортным образцам, но была бы значительно дешевле. Решение этой задачи было осуществлено в ООО «Горнотехническая компания» (г. Новокузнецк).

В качестве базовой модели была принята бурильная установка Турбо -Болтер, обладающая рядом преимуществ по сравнению с другими импортными и отечественными аналогами. Новая бурильная установка, созданная совместно с фирмой ЕМСДБ (Англия), получила индекс УБ -1350 (Турбо-Болтер). По сравнению с базовой моделью в конструкцию УБ - 1350 внесены свыше десяти технических и технологических изменений, позволивших повысить производительность и эксплуатационную надёжность установки, снизить её стоимость.

Наиболее существенные изменения заключаются в следующем.

1. Переработана конструкция рукояти управления установкой, что позволяет осуществлять дистанционно управление вращением сверла, усилием подачи стойки и подачи воды, обеспечивает оператору безопасность в процессе бурения и установки анкеров, позволяя ему находиться вне места производства работ под защитой закреплённой кровли выработки.

2. Разработана конструкция автоматического возвращения рукоятки управления в исходное положение. Перечисленные конструктивные изменения создают более эргономичные и комфортные условия для работы оператора, позволяют за счёт этого повысить производительность труда.

3. Заменён материал корпуса стойки. Вместо импортного корпус стойки УБ - 1350 изготавливается из стекловолокна и синтетической смолы по технологии отечественного производителя. Это обеспечивает повышенную прочность корпуса, снижает электропроводность и вес изделия. Значительно уменьшается стоимость установки.

4. Заменено соединение гидро- и пневмошлангов с резьбового на безрезьбовое, что позволяет существенно сократить время операций по соединению с магистральными трубопроводами, увеличить безопасность и темпы производства работ.

5. Установлены фильтры на пневмо- и гидромагистралях, глушитель шума пневмодвигателя.

6. Стойка установки снабжена дополнительной рукояткой для удобства её транспортирования и обеспечения повышенного сопротивления удару.

Установка УБ - 1350 была сертифицирована на серийное производство изделий горного машиностроения «Экспертной организацией промышленной безопасности - Научным центром по безопасности в угольной промышленности ВостНИИ», где получила заключение о соответствии требованиям нормативных документов и безопасности. В 2005 г. Кузнецкое управление Госгортехнадзора России выдало разрешение на применение бурильной установки УБ - 1350 в шахтах и рудниках, в том числе опасных по газу и пыли.

Перед запуском в серийное производство бурильной установки УБ - 1350 для уточнения технических характеристик, выявления слабых узлов конструкции и её ремонтопригодности возникла необходимость в проведении стендовых испытаний. В связи с тем что такие испытания в России нигде не проводились и оборудование для этого отсутствует, в ООО «Горнотехническая компания» был разработан и изготовлен оригинальный диагностический стенд для исследования параметров пневматических переносных бурильных установок различных типов, получивший индекс СД-ПРК-3800. Стенд позволяет измерять следующие технические характеристики:

- усилие осевой подачи на каждой ступени установки;

- максимальную величину крутящего момента на шпинделе;

- частоту вращения шпинделя.

Сравнительные испытания установок Турбо-Болтер и УБ-1350, проведенные на диагностическом стенде СД-ПРК-3800, показали, что их основные параметры практически одинаковы, за исключением максимального крутящего момента, который на 4,8% выше у бурильной установки УБ-1350, при этом стоимость её изготовления на 30-40% ниже.

Для проверки работоспособности и технических параметров бурильной установки УБ-1350 в шахтных условиях были проведены эксплуатационные испытания на шахте «Антоновская». В соответствии с программой и методикой испытания проводились в дренажном штреке 30-40 пласта 30 с крепостью пород 6-8 единиц по шкале проф. М.М.Протодьяконова. За период испытаний пробурено 4296м шпуров и установлено свыше 2000 анкеров. В процессе испытаний производились измерения следующих показателей: эр-

гономичности устройств управления установкой; надёжности конструкции и её узлов; ремонтопригодности и энергоёмкости; удельного времени бурения 1м шпура; эквивалентного уровня шума и величины общей вибрации; запылённости на рабочем месте оператора.

Сравнение результатов эксплуатационных испытаний бурильной установки УБ-1350 с применяемыми отечественными и импортными аналогами показало, что по уровню шума и вибрации она имеет характеристики на 10-15% ниже, что обеспечивает более комфортные и безопасные условия труда оператора.

Устойчивость выработок, как выявлено ранее проведенными исследованиями, обеспечивается не только скоростью установки анкерной крепи в проходческом забое, но и надёжностью их взаимодействия с породами периметра выработки. Анализ взаимодействия пород и сталеполимерной анкерной крепи показал, что эффективность крепления во многом определяется прочностью закрепления анкерного стержня в шпуре, которая зависит от качества перемешивания полимерного состава, скорости его отвердения и полноты заполнения шпура. Широко распространённые сталеполимерные анкеры типа АСП, А20В, А20, торцевые части которых выполнены скошенными под углом 45° , не обеспечивают вследствие такой конструкции качественного перемешивания состава из-за преждевременного разрыва оболочки ампулы, вытекания компонентов состава до их оптимального количественного смешивания и отвердения, следовательно, плохо закрепляются в шпуре.

С целыо повышения надёжности закрепления анкера и устойчивости выработок в ОАО ОУК «Южкузбассуголь» при участии автора разработана конструкция анкера с принципиально новой торцевой частью. Основной отличительной особенностью является то, что торцевая часть стержня анкера выполнена в виде фрезы с двумя боковыми режущими кромками, диаметром на 3-4 мм больше диаметра стержня. Такая конструкция позволяет эффективно разрушать полиэтиленовую оболочку ампулы, качественно перемешивать состав и препятствовать его вытеканию из шпура. Анкеры, получившие индекс АСП-20 и АСП-20.500, прошли сертификацию в ЗАО «НИИЦ Куз-

НИУИ» и получили заключение №01-04 от 13.01.2004 г. о возможности их применения для крепления горных выработок. Конструкции анкеров новых типов представлены на рис. 1.

Испытания стержней анкеров, изготовленных из стали марки 3, проведенные в СШМНУ на разрывной машине Р-50, дали следующие результаты: начало деформации стержней происходит при нагрузке 7,0-8,0 т, разрыв стерж-ней-при нагрузке 11,0-12,0 т.

Результаты испытаний позволили получить разрешение Госгортехнадзора России (№РРС 04-11299 от 26.02.2004 г.) на применение анкеров типа АСП-20 в промышленности. В лабораторных условиях были проведены исследования прочности закрепления анкеров в шпуре с использованием прибора ВГШ-20 и качества перемешивания закрепляющего состава анкерами различной конструкции. Результаты сравнительных испытаний показывают, что качество перемешивания состава и заполнения шпура при использовании анкеров АСП 20.500 значительно улучшилось ( примерно на 30-40%).

Эксплуатационные испытания анкеров АСП-20 и АСП-20.500 проведены на полях шахт «Томская», «Юбилейная» и «Аллардинская». В общей сложности было закреплено 3800 м выработок в различных горнотехнических условиях. Испытаниями установлено, что время установки анкера до полного отвердения состава составляет в среднем около 10 мин., что на 10-12% меньше, чем у других типов анкеров, а за счёт более качественного перемешивания состава анкеры нового типа имеют повышенную на 25-30% несущую способность. За время наблюдений за смещениями пород кровли не установлено фактов потери выработками устойчивости и работоспособности.

Преимущества анкерного крепления нового типа определили их широкое внедрение на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь». Динамика использования анкеров типа АСП-20, АСП-20.500 и ШК-1М представлена в табл. 2.

Таблица 2

Динамика использования анкеров на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» _за период с 2002 по 2005 гг. _

Типы анкеров Годы В% 2005 г к 2002 г.

2002 2003 .. 2004 2005

ШК-1М 136237 158168 . 147395 169412 +24,4

АСП-20 395220 436416 421832 569570 +44,1

Прочие 4689 1414 1393 1308 -82,0

Всего 536146 595998 570620 740290 +38,0

Соотношение ШК-1 м/АСП-20 0,35 0,36 0,35 0,30

Сравнительные исследования устойчивости выемочных штреков, закреплённых различными типами крепей, проведены на шахтах «Осинниковская» и «Абашевская» в сложных горнотехнических условиях в зонах и вне зон влияния очистных работ. Исследования показали, что смещения пород кровли штреков вне зоны влияния очистных работ при креплении их анкерами типа АСП-20 в 2,5 раза ниже, чем при креплении рамными крепями. При исследованиях деформации пород в выемочных штреках, закреплённых анкерами АСП и АСП-20, установлено, что при использовании анкеров нового типа смещения кровли за весь период эксплуатации выработок были на 6065% ниже, чем при применении анкеров старого типа ( АСП-20 - 60-70 мм; АСП - 100-110 мм, рис.3). Это несмотря на то, что выработка, закреплённая анкерами АСП-20, находилась в зоне влияния очистных работ.

Полученные результаты испытаний крепления штреков анкерами типов АСП-20 и АСП-20.500, обеспечивающими высокую устойчивость выработок, их эксплуатационную надёжность и безопасность работ, позволили перейти на повсеместное их применение на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» и широкое внедрение прогрессивных технологий подготовки запасов выемочных участков по постоянным схемам. За счёт внедрения технологии подготовки запасов по постоянным схемам существенно сокращаются сроки ввода

в работу новых очистных забоев и может быть получен экономический эффект по каждому выемочному участку около 3,0 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению устойчивости подготовительных выработок выемочных участков шахт путем разработки и внедрения высокопроизводительных, малогабаритных буровых установок и новых конструкций анкерного крепления, имеющих существенное значение для угольной отрасли РФ.

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что проблему интенсификации очистной выемки угольных пластов на шахтах Кузнецкого бассейна (рост нагрузок на очистной забой до 10000-12000 т/сут. и увеличение скорости подвигания до 6-8 м/сут.) необходимо рассматривать в увязке с обеспечением высокой скорости проходки участковых подготовительных выработок, их высокой надежности и безопасности при эксплуатации.

Анализ отечественного и мирового опыта крепления горных выработок показывает, что использование анкерного крепления позволяет значительно увеличить темпы и снизить затраты на проведение подготовительных выработок, уменьшить шахтные расходы в целом. '

Исследованиями динамики применения различного типа анкеров на шахтах Кузбасса установлена тенденция к замещению сталеполимерными анкерами других типов крепей (соответственно 6,5 в 1999 г. и 35% в 2003 г.).

2. Основными проблемами анкерного крепления, не решенными до настоящего времени, являются: отсутствие высокопроизводительной малогабаритной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М. М. ГТрото-дьяконова, нерациональная конструкция стержней анкеров, не обеспечивающая качественного перемешивания компонентов полимерного состава в

шпуре и отсутствие нормативных документов и методик расчета сталеполи-мерных анкеров и анкеров глубокого заложения.

3. Разработана комплексная методика, позволяющая на базе определения эквивалентной мощности дезинтегрированных пород контура и эквивалентного пролета протяженных выработок, в том числе выработок большой (6-8 м) ширины и увеличенного (18-25 м2) поперечного сечения, достоверно рассчитывать параметры зоны закрепления пород и анкерного крепления в зависимости от свойств пород, формы и размеров поперечного сечения выработок.

4. Установленные закономерности напряженно-деформированного состояния пород, разрушения горного массива вокруг выработок и нагружения крепей позволили методически обосновать параметры паспортов крепления основных конфигураций и сопряжений горных выработок с использованием анкеров различных типов — глубокого заложения и сталеполимерных.

5. Разработана техническая документация на изготовление совместно с фирмой EMCDS (Англия) на базе серийного изделия TURBO-BOLTER переносной компактной бурильной установки УБ-1350, которая по своим техническим характеристикам превосходит базовую модель, а по стоимости дешевле на 30-40%. Бурильная установка УБ-1350, изготовленная в ООО «Горно-техническая компания», прошла межведомственную сертификацию в научном центре по безопасности работ в угольной промышленности Вост-НИИ и получила разрешение на серийное производство.

6. Разработаны комплексные программы методики стендовых и эксплуатационных испытаний бурильной установки УБ-1350. Для осуществления стендовых испытаний перед запуском бурильной установки УБ-1350 в серийное производство был сконструирован и изготовлен специальный стенд СД-ПРК-3800, позволяющий исследовать основные параметры установки. Сравнительные стендовые испытания бурильных установок TURBO-BOLTER и УБ-1350 показали, что технические изменения, внесенные в конструкцию, позволили повысить величину максимального крутящего момента на 4,8% при незначительном увеличении других показателей.

7. В процессе эксплуатационных испытаний бурильной установки УБ-1350, проведенных в особо сложных горно-геологических условиях шахты «Антоновская» было пробурено 4296 м шпуров и установлено свыше 2000 анкеров различных типов. Исследования шумовых, вибрационных характеристик установки, эргономичности работы оператора показали, что они соответствуют требованиям ГОСТов и на 10-15% лучше отечественных и зарубежных аналогов. Исследование запыленности рабочей зоны оператора в процессе бурения показало превышение норм ПДК, однако по сравнению с другими бурильными установками зафиксировано снижение запыленности в 1,3-1,5 раза.

По результатам стендовых и эксплуатационных испытаний установки УБ-1350 Кузнецким округом Госгортехнадзора РФ было дано разрешение на ее использование на шахтах, опасных по газу и пыли.

8. Разработаны конструкции сталеполимерных анкеров типа АСП-20 и АСП-20.500, отличающихся от существующих тем, что торцевая часть стержня выполнена в виде режущей головки с двумя боковыми режущими кромками. Такая конструкция обеспечивает одновременное разрушение ампулы с полимерным составом, его качественное перемешивание и более полное заполнение шпура. Сравнительные стендовые испытания существующих конструкций сталеполимерных и новых типов анкеров показали, что при использовании последних качество перемешивания и заполнения шпуров повышается на 30-40%.

Промышленные испытания работоспособности анкеров АСП-20 и АСП-20.500, проведенные на шахтах «Томская», «Юбилейная», «Алардин-ская» в различных горнотехнических условиях, показали их высокую несущую способность (115-130 кН), технологичность установки и безопасность производства работ. По результатам испытаний приемочной комиссией ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в 2002 г. была дана рекомендация к постановке этих типов анкеров в промышленное производство и широкое внедрение на шахтах компании.

9. Анализ динамики применения различного типа анкеров на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» показывает, что за период с 2002 по 2005 г. показатель использования сталеполимерных анкеров типа АСП-20 увеличился на 44%, механических анкеров типа ШК-1М — на 24%, а прочих анкеров сократился на 82%.

10. В результате натурных исследований устойчивости подготовительных выработок, проведенных на шахтах «Осинниковская» и «Абашевская», установлено, что смещения пород кровли выемочных штреков вне зоны влияния очистных работ при их креплении анкерами типа АСП-20 в 2,5 раза ниже, чем при использовании рамных крепей. При сравнительных исследованиях деформаций пород контура выработок в зонах влияния очистных работ, закрепленных сталеполимерными анкерами АСП-20 и АСП, зафиксировано снижение смещений кровли штреков за период эксплуатации в среднем на 60-65% (АСП-20 - 60-70 мм, АСП - 100-110 мм). Анализ влияния устойчивости выемочных штреков на технико-экономические показатели очистных забоев показал, что повышение площади сечения и устойчивости штреков при использовании анкерной крепи АСП-20 позволило увеличить надежность работы участка и, как следствие, темпов отработки запасов в 1,8 раза и нагрузки на очистной забой в 1,5 раза (с 2250 до 3340 т/сут.).

11. Разработана комплексная технология крепления подготовительных выработок и повышения их устойчивости, включающая:

- методику расчета деформаций и смещений пород контура выработок, в том числе большой площади поперечного сечения (до 25 м2);

- определение оптимальных параметров сталеполимерной анкерной крепи в соответствии с эквивалентным пролетом выработок;

- применение созданной и изготовленной в ООО «Горнотехническая компания» компактной бурильной установки УБ-1350, позволяющей за счет увеличения скорости бурения шпуров и установки анкеров в ограниченном пространстве подготовительного забоя предотвратить расслоение свежеобнаженной поверхности пород;

- использование анкеров новой конструкции типа АСП-20, обеспечивающих качественное перемешивание компонентов полимерного состава и повышение за счет этого скорости полимеризации, более полное заполнение шпуров, создание высокой степени адгезии состава и стенок шпура с увеличением несущей способности анкеров до 130 кН.

12. Применение комплексной технологии крепления подготовительных выработок и повышение их устойчивости позволило увеличить на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» долю подготовки запасов выемочных участков по постоянным схемам до 40-45% от общего объема подготовки, что обеспечило за счет снижения прямых расходов по приобретению и исключению из процесса проходки выработок работ по монтажу и демонтажу транспортного проходческого оборудования экономический эффект в размере 3,03,2 млн руб. на каждый выемочный участок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ногих С.Р., Волошин В.А., Янак А.Е. и др. Методическое руководство по применению анкерной крепи на шахтах ЗАО УК «Южкузбассуголь». - Новокузнецк: ЗАО УК «Южкузбассуголь», 2002. - 47 с.

2. Терентьев Б.Д., Груздев В.А., Янак А.Е. Повышение надёжности работы выемочных участков высокогазоносных угольных пластов. Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2004, №6. -С. 229-232.

3. Янак А.Е. Проблема анкерного крепления горных выработок угольных шахт. Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2005, №3. -С.96-97.

4. Сайтов Н.И., Янак А.Е. Новые рабочие органы для проходческих работ и очистной выемки угля./Горные машины и автоматика. - М.: 2005, №3. - С.19-21.

5. Терентьев Б.Д., Янак А.Е. Принципы обоснования природоохранной технологии очистной выемки угольных пластов. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2006, №1. - С. 56 - 58.

Подписано в печать 13.09.06 Формат 60x90/16

Объем 1.п. л. Тираж 100 экз. Заказ №*/б<5

Типография Московского государственного горного университета 119991, Москва, Ленинский проспект, 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Янак, Александр Ефимович

Введение.

1. Современное состояние анкерного крепления на шахтах. Цели и задачи исследований.

1.1. Анализ тенденций развития горно-подготовительных работ на шахтах

1.2. Анализ современного опыта применения анкерного крепления на угольных шахтах.

1.3. Проблемы анкерного крепления на угольных шахтах России.

Выводы.

2. Исследование взаимодействия анкерных крепей и пород вокруг подготовительных выработок шахт.

2.1. Анализ современных представлений о состоянии пород вокруг подготовительных выработок.

2.2. Ранжирование применяемых анкерных крепей по их взаимодействию с породами.

2.2.1. Классификация анкерных крепей.

2.2.2. Анкерная крепь первого уровня.

2.2.3. Анкерная крепь глубокого заложения (второй уровень).

2.3. Анализ исследований взаимодействия анкерных крепей выработок и горного массива.

Выводы.

3. Теоретическое обоснование взаимодействия анкерных крепей и горного массива.

3.1. Анализ нормативных документов по расчету и применению анкерной крепи.

3.2. Теоретические исследования взаимодействия анкерных крепей и горного массива.

3.3. Методика расчета параметров анкерных крепей.

Выводы.Ill

4. Исследование средств бурения и разработка универсальной бурильной установки.

4.1. Исследование средств бурения шпуров (скважин) и установки анкерной крепи.

4.2. Разработка конструкции бурильной установки для анкерного крепления.

4.3. Стендовые испытания бурильной установки УБ

4.4. Промышленные испытания бурильной установки УБ

4.4.1. Программа и методика испытаний.

4.4.2. Эксплуатационные испытания бурильной установки УБ-1350.

Выводы.

5. Разработка и внедрение новых типов сталеполимерной анкерной крепи.

5.1. Разработка конструкций анкеров нового технического уровня

5.2. Эксплуатационные испытания анкеров нового типа.

5.3. Исследование устойчивости выемочных подготовительных выработок, закрепленных новыми типами анкерной крепи.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля"

В результате проведенной реструктуризации угледобывающей отрасли и внедрения при подземной разработке угля современных высокопроизводительных механизированных комплексов на многих шахтах Кузнецкого бассейна нагрузки на очистной забой возросли до 8000-10000 т/сут. В этих условиях ежемесячное подвигание очистного забоя на пластах средней мощности превышает 250 м. Своевременное обеспечение воспроизводства запасов подготовительных к выемке с учетом монтажных работ может быть достигнуто при скорости проведения подготовительных выработок не менее 250-300 м/мес.

Однако в настоящее время средние темпы проведения подготовительных выработок на шахтах Кузбасса составляют в различных горногеологических условиях 150-190 м/мес. С учетом влияния возможных неблагоприятных факторов (геологические нарушения, высокая газоносность угольных пластов и пород и т. п.) средняя скорость проведения штреков не превышает 100-120 м/мес. В связи с постоянным ростом газообильности горных работ и необходимостью подачи дополнительных количеств воздуха для снижения концентрации метана до безопасного уровня сечения подготовительных горных выработок значительно увеличились, а многие шахты перешли на многоштрековую технологию подготовки запасов выемочных участков. Эти обстоятельства, в свою очередь, вызывают увеличение объема подготовительных работ и сроков подготовки запасов к очистной выемке, что в некоторых случаях приводит к несвоевременному вводу в эксплуатацию очистных забоев. Среднегодовые простои одного комплексно-механизированного забоя на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в среднем составляют 45 дней, что влечет потери добычи угля на компании до 1,8 млн т/год. Анализ показателей работы длинных очистных забоев, оснащенных механизированными комплексами, показал, что до 85% их простоев по геомеханическим факторам 4 связаны с обрушением пород и разрушением крепи на участках подготовительных выработок, примыкающих к очистному забою. Для обеспечения высоких темпов проведения и безремонтного поддержания подготовительных выработок, особенно в зонах повышенного горного давления, вызывающих значительное снижение устойчивости пластовых выработок, проводятся дополнительные работы по возведению крепей усиления и упрочению углепородного массива. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3-5 тыс. руб/м) и снижают скорость отработки запасов на 30-40%. В последние годы на шахтах Кузнецкого бассейна для интенсификации подготовительных работ и повышения устойчивости выемочных выработок все большее распространение получают сталеполимерные анкерные крепи.

- фактическое снижение, по сравнению с расчетным величины закрепляемой, контактной с вмещающими породами, части сталеполимер-ного анкера, что не позволяет обеспечить проектной несущей способности крепи и, соответственно, устойчивости выработки. Это объясняется несовершенством конструкции существующих анкеров, которая не может, в силу своей специфики, обеспечить качественное перемешивание полимерного композита в шпуре и полное заполнение объема шпура полимером.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

- устойчивость подготовительных выработок шахт определяется минимальной мощностью закрепляемого анкерами массива, зависящей от величины эквивалентной мощности дезинтегрированных пород контура выработки и прочности первого несущего слоя;

- величина деформации и размеры зон дезинтегрированных пород в кровле подготовительных выработок определяются величиной их эквивалентного пролёта, формой и площадью поперечного сечения, наличием анкерной крепи;

- в процессе взаимодействия анкерной крепи и пород происходит «самостабилизация» усилий, напряжений и деформаций в закрепленной части массива с проявлением эффекта «обоймы» и повышением прочности системы «крепь - массив».

Научная новизна работы заключается в следующем:

- доказано, что минимальная мощность скрепляемых анкерами пород контура выработки определяется соотношением прочности первого несущего и последующих слоёв массива;

- установлено, что несущая способность анкерной крепи определяется величиной адгезии между стенками шпура и отвердевшим полимером, которая зависит от качества перемешивания компонентов состава и полноты заполнения шпура;

- доказано, что разработанная конструкция анкеров с торцевой частью в виде режущей фрезы позволяет осуществлять качественное разрушение полимерных ампул, перемешивание компонентов состава и заполнение шпура;

- установлено, что крепление горных выработок сталеполимерными анкерами с торцевой частью в виде режущей фрезы позволяет уменьшить смещение пород контура на 60 - 65% по сравнению с другими типами анкеров и повысить устойчивость выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке комплексного подхода и решению задач выбора эффективных способов анкерного крепления и поддержания подготовительных выработок на основе изучения геомеханических зависимостей состояния горного массива и взаимодействия крепей и массива, что позволяет обосновать для различных горнотехнических условий рациональные параметры крепи, увеличить темпы проведения и устойчивость подготовительных выработок.

Практическое значение диссертации заключается в следующем:

- разработан инструктивный документ по техническому обеспечению эффективного и безопасного ведения работ по анкерному креплению выработок ОАО ОУК «Южкузбассуголь». 8

Реализация работы. Технология крепления выработок с использованием разработанных бурильной установки УБ-1350, анкеров типа АСП-20 и АСП-20.500 и обоснованными в диссертации параметрами (длина анкера, несущая способность, плотность установки, длина участка закрепления в шпуре и др.) внедрена на 9 шахтах ОАО ОУК «Южкуз-бассуголь», что позволило увеличить темпы проведения пластовых выработок, перейти на постоянные схемы подготовки запасов, повысить безопасность ведения работ. Экономическая эффективность применения бурильной установки УБ-1350 и анкеров типа АСП составляет в среднем 3940 руб/м, а за счет внедрения постоянных схем подготовки запасов превысила 30 млн руб/год.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на Международных научно-практических конференциях «Неделя горняка» (Москва, 2003-2004 гг.), Международной научно-технической конференции «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ» (Екатеринбург, 2005 г.), технических советах ОАО ОУК «Южкузбасс-уголь» (г. Новокузнецк, 2001-2005 гг.), ООО «Горно-техническая компания (г. Новокузнецк, 1999-2004 гг.), научно-техническом совете ЗАО шахта «Антоновская» (г. Осинники, 2004 г.), семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (2005 г.)

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Янак, Александр Ефимович

Выводы

Широко применяемые в настоящее время сталеполимерные анкеры типов АСП, А20В, А20 и другие вследствие недостатков конструкции стержня не обеспечивают качественного перемешивания компонентов полимерного состава, что отрицательно влияет на его отвердение, снижает связь состава со стенками шпура и надежность анкерного крепления в целом. Разработанные при участии автора конструкции сталеполимерных анкеров типов АСП-20 и АСП-20.500 за счет оснащения торцевой части стержня режущей головкой с двумя боковыми режущими кромками позволяют обеспечить одновременное разрушение ампулы с полимерным составом, качественное перемешивание полимерного состава в необходимых пропорциях и более полное заполнение шпура полимером. Сравнительные стендовые испытания существующих анкеров АСП, А20 и новых АСП-30 (АСП-20.500) показали, что использование последних позволяет повысить качество перемешивания закрепляющего состава на 30-40%.

Эксплуатационные испытания анкеров АСП-20 и АСП-20.500, проведенные на шахте «Есаульская», доказали их высокие технологические и эксплуатационные характеристики. По результатам

182 эксплуатационных испытаний приемочной комиссией ОАО ОУК «Южкузбассуголь» была дана рекомендация к постановке этих типов анкеров в промышленное производство и широкое внедрение на шахтах компании.

Промышленные испытания работоспособности нового типа анкеров, проведенные на шахтах «Томской», «Юбилейной» и «Алардинской» в различных горно-геологических условиях, показали их высокую несущую способность (115-130 кН), технологичность установки, безопасность производства работ. Полученные положительные результаты различного рода испытаний нового типа анкеров определили тенденцию на полное замещение анкеров А20, АСП анкерами АСП-20 и АСП-20.500. Повсеместное внедрение новых типов анкеров на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» обеспечило более высокую устойчивость выемочных подготовительных выработок, их эксплуатационную надежность и безопасность работ, позволило широко применять прогрессивную технологию подготовки запасов выемочных участков по постоянным схемам, повысить скорость отработки запасов и нагрузки на очистные забои.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению устойчивости подготовительных выработок выемочных участков шахт путем разработки и внедрения высокопроизводительных, малогабаритных буровых установок и новых конструкций анкерного крепления, имеющих существенное значение для угольной отрасли РФ.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

Исследование динамики применения различного типа анкеров на шахтах Кузбасса установлена тенденция к замещению сталеполимерными анкерами другие типы крепей (соответственно 6,5 и 35% в 2003 г.).

2. Основными проблемами анкерного крепления, не решенными до настоящего времени, являются: отсутствие высокопроизводительной малогабаритной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М. М. Протодьяконова, нерациональная конструкция стержней анкеров, не обеспечивающая качественного перемешивания

184 компонентов полимерного состава в шпуре и отсутствие нормативных документов и методик расчета сталеполимерных анкеров и анкеров глубокого заложения.

5. Разработана техническая документация на изготовление совместно с фирмой EMCDS (Англия) на базе серийного изделия TURBO-BOLTER переносной компактной бурильной установки УБ-1350, которая по своим техническим характеристикам превосходит базовую модель, а по стоимости дешевле на 30-40%. Бурильная установка УБ-1350, изготовленная в ООО «Горно-техническая компания», прошла межведомственную сертификацию в научном центре по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ и получила разрешение на серийное производство.

185 основные параметры установки. Сравнительные стендовые испытания бурильных установок TURBO-BOLTER и УБ-1350 показали, что технические изменения, внесенные в конструкцию, позволили повысить величину максимального крутящего момента на 4,8% при незначительном увеличении других показателей.

7. В процессе эксплуатационных испытаний бурильной установки УБ-1350, проведенных в особо сложных горно-геологических условиях шахты «Антоновская» было пробурено 4296 м шпуров и установлено свыше" 2000 анкеров различных типов. Исследование шумовых, вибрационных характеристик установки, эргономичности работы оператора показали, что они соответствуют требованиям соответствующих ГОСТов и на 10-15% лучше отечественных и зарубежных аналогов. Исследование запыленности рабочей зоны оператора в процессе бурения показало превышение норм ПДК, однако по сравнению с другими бурильными установками зафиксировано снижение запыленности в 1,3-1,5 раза.

Промышленные испытания работоспособности анкеров АСП-20 и

АСП-20.500, проведенные на шахтах «Томская», «Юбилейная»,

186

Алардинская» в различных горно-технических условиях, показали их высокую несущую способность (115-130 кН), технологичность установки и безопасность производства работ. По результатам испытаний приемочной комиссией ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в 2002 г. была дана рекомендация к постановке этих типов анкеров в промышленное производство и широкое внедрение на шахтах компании.

9. Анализ динамики применения различного типа анкеров на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» показывает, что за период с 2002 по 2005 гг. показатель использования сталеполимерных анкеров типа АСП-20 увеличился на 44%, механических анкеров типа ШК-1М - на 24%, а прочих анкеров сократился на 82%.

10. В результате натурных исследований устойчивости подготовительных выработок, проведенных на шахтах «Осинниковская» и «Абашевская» установлено, что смещения пород кровли выемочных штреков вне зоны влияния очистных работ при их креплении анкерами типа АСП-20 в 2,5 раза ниже, чем при использовании рамных крепей. При сравнительных исследованиях деформаций пород контура выработок в зонах влияния очистных работ, закрепленных сталеполимерными анкерами АСП-20 и АСП, зафиксировано снижение смещений кровли штреков за период эксплуатации в среднем на 60-65% (АСП-20 — 60—70 мм, АСП - 100-110 мм). Анализ влияния устойчивости выемочных штреков по технико-экономические показатели очистных забоев показал, что повышение площади сечения и устойчивости штреков при использовании анкерной крепи АСП-20 позволило увеличить надежность работы участка и, как следствие, темпов отработки запасов в 1,8 раза и нагрузки на очистной забой в 1,5 раза (с 2250 до 3340 т/сут.).

11. Разработана комплексная технология крепления подготовительных выработок и повышения их устойчивости, включающая методику расчета деформаций и смещений пород контура выработок, в том числе большой площади поперечного сечения (до 25 м2);

187 определение оптимальных параметров сталеполимерной анкерной крепи в соответствии с эквивалентным пролетом выработок; применение, созданной и изготовленной в ООО «Горнотехническая компания» компактной бурильной установки УБ-1350, позволяющей за счет увеличения скорости бурения шпуров и установки анкеров в ограниченном пространстве подготовительного забоя предотвратить расслоение свежеобнаженной поверхности пород; использование анкеров новой конструкции типа АСП-20, обеспечивающих качественное перемешивание компонентов полимерного состава и повышение за счет этого скорости полимеризации, более полное заполнение шпуров, создание высокой степени адгезии состава и стенок шпура с увеличением несущей способности анкеров до 130 кН.

12. Применение комплексной технологии крепления подготовительных выработок и повышение их устойчивости позволило увеличить на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» долю подготовки запасов выемочных участков на постоянных схемах до 40-45% от общего объема подготовки, что обеспечило за счет снижения прямых расходов по приобретению и исключению из процесса проходки выработок работ по монтажу и демонтажу транспортного проходческого оборудования экономический эффект в размере 3,0-3,2 млн руб. на каждый выемочный участок.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Янак, Александр Ефимович, Москва

1. Анкерная крепь. Справочник // Широков А. П., Лидер В. А. и др.- М.: Недра, 19990. 205 с.

2. Ануфриев В. Е., Ремезов А. В. и др. Двухуровневая схема анкерного крепления контура горных выработок. Труды международной конференции. Кемерово: Изд. КузГТУ, 1998. - С. 123-126.

3. Атрушкевич А. А., Атрушкевич О. А. и др. Новые анкерные крепи, способы их возведения и средства обеспечения технологии крепления. — ВНИИгидроуголь. Новокузнецк, 1996. — 8 с.

4. Атрушкевич О. А. Научная оценка соответствия конструкций анкерной крепи горно-геологическим условиям ее применения и обоснование комбинированных видов анкеров для большинства горногеологических условий. Уголь, 2001, № 3. С. 60-64.

5. Атрушкевич О. А. Обоснование параметров технологии крепления подготовительных выработок в неравнопрочном углепородном массиве. Дисс. канд. техн. наук. -М.: МГИ, 1997. 168 с.

6. Бинянски 3. Управление горным давлением. М.: Мир, 1990. 62 с.

7. Борисов А. А., Матанцев В. М. и др. Управление горным давлением. -М.: Недра, 1983. 168 с.

8. Борисов А. А., Борисов Д. Ф. и др. Технология подземной разработки пластовых месторождений. М.: Недра, 1972. — 536 с.

9. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н. и др. Оценка устойчивости кровли щирокой выработки с рамной и анкерной крепью. — М.: Глюкауф, 1999, ноябрь, №2(4). -С. 17-21.

10. Брайнинг Ф., Ополоны К. Проект повторного использования прямоугольного штрека с анкерной крепью на глубине 1200 м // Глюкауф.- 2004, август № 2(3). С. 33-39.

11. Вареха Ж. П., Любимников О. А. Особенности применения цементных ампул АПД при анкеровании горных пород. Уголь, 2002, №2.-С. 17-20.

12. Волошин В. А. Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления. Дисс. канд. техн. наук. Новокузнецк. — 2002. 148 с.

13. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Кузбасса. Прокопьевск: КузНИУИ, 1996. 95 с.

14. Временная методика расчета и выбора параметров крепи сопряжений подготовительных выработок для шахт ОАО УК «Кузнецкуголь». — Новокузнецк, 2001. 45 с.

15. Вылегжанин В. Н. и др. Применение анкерной крепи в неустойчивых выработках // Сб. трудов КузНИУИ, 1990. 176 с.

16. Гаврилов Н. В., Никишичев Б. Г., Лавров С. И. Технико-экономический анализ рамных крепей подготовительных выработок шахт концерна «Кузнецкуголь». Уголь, 1991, № 4. С. 40-43.

17. Горное дело. Терминологический словарь. — М.: Недра, 1981. —479 с.

18. Горная энциклопедия в 5-ти т. -М.: Сов. энцикл., 1984-1991.

19. Грохотов Ф. И. Обоснование условий устойчивости выработок и параметров технологий угледобычи на базе прочностных и структурных характеристик вмещающих пород. Дисс. докт. техн. наук. МГГУ, 1998. -343 с.

20. Дмитриев В. А. Формирование зон упругого восстановления и зон сжатия вокруг горных выработок. Уголь, 1983, № 12. — С. 12—17.

21. Дрибан Н. Я. Развитие деформаций на контуре выработки // Известия ВУЗов. Горный журнал, 1989, № 1. С. 31-37.

22. Егоров П. В., Квон С. С. и др. Состояние и перспективы применения анкерных крепей на шахтах Кузбасса. Изд-во КузГТУ. -Кемерово, 1996.-20 с.

23. Егоров А. П., Ремезов А. В. Технология анкерного крепления и поддержания сопряжений очистных забоев с выемочными штреками. — Кемерово: Изд. КузГТУ, 1999. С. 22-27.

24. Ержанов Ж. С. и др. Напряженное состояние одиночных выработок в наклоннослоистом горном массиве. — Алма-Ата: Наука, 1967. -113 с.

25. Ерофеев JI. М., Мирошникова JI. А. Повышение надежности крепи горных выработок. — М.: Недра, 1988. 245 с.

26. Ерофеев JI. М., Мирошникова JI. А. Применение комбинированной анкерметаллической крепи для крепления горных выработок. М.: ЦНИЭНуголь, 1982 г. 30 с.

27. Жихарев Н. Я. Состояние подготовительных выработок «Воркутауголь». Уголь, 1996, № 6. С. 17-19.

28. Завадский И. Ю., Компанией, В. Ф. и др. Повышение устойчивости подготовительных выработок угольных шахт. — М.: Недра, 1987.- 128 с.

29. Заславский Ю. 3. Исследование геомеханических процессов вокруг горной выработки. Уголь, 1987, № 6. С. 17-20.

30. Инструкция по геологическим работам на угольных месторождениях Российской Федерации. — С.-П., 1993. — 93 с.

31. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса. Минтопэнерго РФ, ВНИМИ. СПб.: 1998 - 48 с.

32. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. СПб.: ВНИМИ, 2000. - 70 с.

33. Калашников Н. Я. Рамно-анкерная крепь. Горный журнал, 1997, № 1-2.-С. 17-21.

34. Каретников В. Н. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. М.: Недра, 1989. - 570 с.

35. Катков Г. А. Измерение нагрузок на крепь горных выработок. -М.: Недра, 1969.- 137 с.

36. Каталог горно-геологических факторов, влияющих на устойчивость подготовительных выработок шахт Кузбасса. Кемерово, 1983.-70 с.

37. Кинев Т. С. Опыт применения анкерной крепи с быстротвердеющими вяжущими заполнителями на Южно-Уральских бокситовых рудниках. Цветная металлургия, 1984, № 10, № 20.

38. Ковальчук А. Б. Технология совмещенной выемки и подготовки запасов угля очистными механизированными комплексами с присечными крепями. Дисс. докт. техн. наук. М.: МГИ, 1985. -401 с.

39. Козел А. М. О работе анкеров в системе крепи // Известия ВУЗов. Горный журнал, 2003, № 11. С. 31-35.

40. Костантинова Н. Я. Об оптимальном расположении выработки в слоистом массиве. Горный журнал, 1989, № 10. С. 41-44.

41. Корнилков М. В. Расчет рамно-анкерных крепей как систем с односторонними лишними связями // Изв. ВУЗов. Горный журнал, 1994, №2.-С. 28-31.

42. Коряга С. С. Обоснование параметров технологии крепления и поддержания подготовительных выработок на шахтах Южного Кузбасса. Дисс. канд. техн. наук. М.: МГГУ. - 1995. - 176 с.

43. Кошелев К. В., Петренко Ю. А., Новиков А. О. Охрана и ремонт горных выработок. М.: Недра, 1990. - 218 с.

44. Кравченко В. И. Предупреждение завалов очистных забоев. -М.: Недра, 1970.-200 с.

45. Кузьмич О. Ю. Некоторые особенности трещинообразования в массиве вокруг подготовительных выработок. Угольная промышленность СССР. ЦНИЭИуголь, вып. № 7, 1989.192

46. Кушнаренко Г. А. Разработка технологии сохранения выемочных штреков с применением секционных крепей в зонах динамического опорного давления. Дисс. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1989.-211 с.

47. Лаврик В. Г. Развитие технологии анкерного крепления на шахтах компании «Кузнецкуголь». Уголь, 2000, № 5. С. 53-55.

48. Лавров С. И. Исследование различных типов анкерных крепей в условиях шахты «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь». Уголь, 1991, №4.-С. 37-39.

49. Лиминг Д., Флук С. Применение комбайнов «Болтер Майнер» для подготовки участков с длинными очистными забоями. Глюкауф, 2(4), декабрь 2001. С.

50. Луганцев Б. Б. Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве. Дисс. докт. техн. наук. — М.: ШахтНИУИ, 2003. 288 с.

51. Лыков И. Ф. Гипотеза о направлении кливажа и трещины в массиве горных пород. М.: Уголь, 1968, № 2. С. 10-14.

52. Методическое руководство по применению анкерной крепи на шахтах ЗАО УК «Южкузбассуголь». Новокузнецк, 2002. - 47 с.

53. Методическое руководство по укреплению углепородных массивов химическим анкерованием. — М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1987.-48 с.

54. Морозов А. Ф. Флуктуации зональной дезинтеграции осадочных пород вокруг подготавливающих выработок. Уголь Украины, 1991, № 7. -С. 23-25.

55. Назаренко Н. Я. О проявлении горного давления в подготовительных горных выработках. Уголь, 1989, № 6. С. 13-18.

56. Ногих С. Р., Лукин К. Д., Фрянов В. Н. Совершенствование опыта сохранения выемочных штреков для их повторного использования. Уголь, 1993, №7.-С. 14-16.

57. Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей. Солигорск — Минск: Беларуськалий, 1995. - 213 с.

58. Опалони К., Полисос Н., Бартель Р. Техника крепления анкерами на шахтах компании ДСК М.: Глюкауф, 2000, май, № 12. - С. 45-52.

59. Опыт развития анкерного крепления на шахтах Кузбасса / Под ред. акад. Егорова П. В. Кемерово, 1999. - 29 с.

60. Открытие № 400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок // Е. И. Шемякин, М. В. Курленя, В. Н. Опарин и др. / БИ, 1992, № 2.

61. Отраслевая инструкция по применению рамных и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт. — М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1985. 280 с.

62. Правила безопасности в угольных шахтах. Часть 2. Самара: Самарский дом печати, 1995. — 235 с.

63. Проскуряков Н. М. Управление состоянием массива горных пород. -М.: Недра, 1991.-368 с.

64. Рева В. Н., Мельников О. И., Райский В. В. Поддержание горных выработок. М.: Недра, 1995. - 249 с.

65. Ржевский М. Е., Корженкова И. Н. Современные конструкции анкеров для крепления транспортных тоннелей. Транспортное строительство, 1986. С. 35-38.

66. Ройтер Э., Хермюльхайм В. Анкерная крепь в угольной промышленности США. Глюкауф, 1985, № 9. - С. 31-36.

67. Руководство по повышению несущей способности анкерной крепи распорно-замкового и клинощелевого типов на шахтах Ростовской области. Шахты, 2001. - 43 с.

68. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. М.: Стройиздат, 1983.-223 с.

69. Руппель У., Виттенерг Д., Виттхаус X. Рассмотрение области применения крепи. М.: Глюкауф, 2002, май, № 1(2). - С. 54-59.

70. Руппель У., Ополони К. Особенности применения анкерной крепи на высокопроизводительных участках в аспекте международного сравнения . М.: Глюкауф, 2000, № 2(3). - С. 31-37.

71. Рыженков М. И. и др. Результаты упрочнения нарушенного участка пласта 29а шахты «Большевик» полимерными смолами // Уголь, №6. 2003. -№ 8. - С. 32-33.

72. Савин Г. Н. Влияние крепления на распределение возле узких подземных горных выработок // Записки Института горной механики АН УССР, 1947, № 5. С. 121-136.

73. Свержевский В. JL О напряжениях в породах вокруг горных выработок. Уголь, 1987, № 2. С. 14-18.

74. Семевский В. Н., Волжский В. М. и др. Штанговая крепь. — М.: Недра, 1965.-328 с.

75. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1985. - 256 с.

76. Степин А. А. и др. Пути развития технологии возведения сталеполимерной анкерной крепи. Горный журнал, 1983, № 9. С. 27-29.

77. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В. Н. Вылегжанин, П. В. Егоров, В. И. Мурашев. Новосибирск.: Наука, 1990. - 295 с.

78. Таранов В. М., Циферблат В. JI. Механизация установки анкерной крепи за рубежом. ВНИИТС, экспресс-информация, серия 2, вып. 3, 1986.

79. Тенье Б., Фосс Х-В., Нельман В. Штрек с комбинированной крепью на шахте «Эвальд Хуго». - М.: Глюкауф, 2001, июнь № 1(2). — С. 28-35.

80. Терентьев Б. Д. Повышение надежности и безопасности отработки запасов выемочных участков угольных шахт. Дисс. докт. техн. наук. М.: МГГУ - 2000. - 306 с.

81. Тимофеев О. В. Методика расчета параметров штанговой крепи при упруго-пластической деформации массива пород // Устойчивость и крепление горных выработок. — JL, 1974.

82. Ткачев В. А. Обоснование эффективных способов крепления и поддержания подготовительных выработок с учетом взаимовлияния с очистными забоями. Дисс. докт. техн. наук. Новочеркасск, 2000. — 342 с.

83. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. JL: ВНИМИ, 1986.-121 с.

84. Фармер Я. Выработки угольных шахт. М.: Недра, 1990. - 269 с.

85. Федоров М. В. Оценка устойчивости горной выработки // Известия ВУЗов. Горный журнал, 1987, № 1. С 18-23.

86. Фисенко Г. JI. Предельное состояние горных пород вокруг горных выработок. М.: Недра, 1976. - 272 с.

87. Фрегер Г. Е., Джигрин А. В., Тациенко В. П. Спирально армированные композитные анкера. М.: Изд. ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Скочинского, 2001. - 179 с.

88. Цай С. Н. О механизме разупрочнения горных пород при увеличении скорости их деформирования // Известия ВУЗов. Горный журнал, 1988, № 7. -С. 40-45.

89. Циллиген В. Расширение выработки прямоугольного сечения в монтажную камеру лавы при помощи очистного комбайна // Глюкауф, 2004, август № 2(3). С. 29-33.

90. Черноус А. И. Обоснование параметров технологии анкерного крепления горных выработок в условиях глубоких шахт Восточного Донбасса. Дисс. канд. техн. наук. М.: МГГУ, 2003. — 117 с.

91. Черняк И. Л., Кузьмич О. Ю., Зайденварг В. Е. Геомеханические процессы в слоистом массиве вокруг одиночных выработок. Шахтное строительство. 1991, № 1-2. С. 37-39.

92. Черняк И. Л., Ярунин С. А. Управление состоянием массива горных пород. М.: Недра, 1995. — 395 с.

93. Чубриков А. В., Шабловский А. В. и др. Технология канатного анкерования кровли с полным заполнением шпуров полимерной смолой Геофлекс // Уголь. 2003, № 12. - С. 9-11.

94. Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л. и др. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Ч. 1: Данные натурных наблюдений. ФТПРПИ, 1986, № 3. С. 3-15.

95. Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л. и др. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Ч. 3: Теоретические представления. ФТПРПИ, 1987, № 1. С. 3-8.

96. Широков А. П., Лидер В. А., Писляков Б. Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. — М.: Недра, 1976. 208 с.

97. Широков А. П. Теория и практика применения анкерной крепи. -М.: Недра, 1981.

98. Широков А. П., Найдов М. И. и др. Анкерная крепь в Кузбассе. — М.: Недра, 1990.-216 с.

99. Югон А., Кост А. Штанговое крепление горных пород. Пер. с франц. М.: Госгортехиздат, 1963. - 204 с.

100. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. -М.: Недра, 1987.-566 с.

101. Stephan D. Das Verhalten von Ankern in geschichteten Gebirge und resultieronde Anforderungen. Gluckauf — Forschungschafte, BRD, 1985. — P. 63-74.

102. Ankerausbrau in Bergbau. Zweites internationales Kollquium. Verlag der Augustinus Buchhanglung: 52062. Aachen, 1995. - 469 p.

103. Chambon С. Periodicite des convergences de lang des voies influences par la taille qu'elles desservent. Revue de lTndustrie minerale, 1966, vol. 48. N 12. P. 961—972.

Информация о работе

Янак, Александр Ефимович
кандидата технических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.22

Диссертация

Геомеханическое обоснование параметров технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы