Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам"

На правах рукописи

АНТОНЮК Сергей Анатольевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПАРНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ПЛАСТАХ, СКЛОННЫХ К ГОРНЫМ УДАРАМ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Розенбаум Марк Абрамович

Официальные оппоненты:

Абрамкин Николай Иванович доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический

университет «МИСиС», кафедра разработки пластовых месторождений, профессор

Синяускас Степан Валерьевич кандидат технических наук, МКУ «Департамент ГХ» г. Шахты, начальник дорожно-транспортного управления

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева»

Защита состоится 01 июля 2015 г. в 11 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 1171А

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 30 апреля 2015 г.

Ученый секретарь СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

2015 _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время порядка 80 % угля добывается на шахтах РФ из пластов, расположенных на глубине 150 метров и ниже, при этом большинство из них относится к опасным по горным ударам. Как известно, эффективная отработка месторождения возможна при разработке угольного пласта длинными столбами, которая, в свою очередь, сопряжена с целиковой системой охраны выработок, при этом возникает ряд вопросов, важнейшими из которых являются: определение расстояния между парными выработками на пластах, склонных к горным ударам, и крепление подготовительных выработок, позволяющие обеспечить эффективное их проведение и поддержание. В настоящее время в Кузнецком бассейне основным видом крепи горных выработок является анкерная крепь (около 85 % выработок). Однако до сих пор в «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам» применение анкерной податливой крепи допускается в горных выработках со сроком службы не более 2 лет. Это создает массу проблем, таких как трудовые и материальные затраты, связанные с перекреплением выработок, которые, в большинстве случаев, находятся в хорошем состоянии и по характеру проявления горного давления отвечают требованиям ПБ, предъявляемым к эксплуатируемым выработкам.

Изучением проблем проведения и крепления горных выработок на пластах, склонных к горным ударам, занимались многие исследователи. Существенный вклад в решение этой проблемы внесли: Авершин С.Г., Петухов И.М., Бич Я.А., Ардашев К.А., Рева В.И., Фисенко Г.Л., Яковлев Д.В., Борисов A.A., Линьков A.M., Филинков A.A., Шабаров А.И., Зубков В.В., Кротов Н.В., Сидоров B.C., Шванкин М.В., Лазаревич Т.И., Розенбаум М.А., Коршунов Г.И., Казанин О.И., Проскуряков Н.М., Протосеня А.Г., Долгий И.Е., Першин В.В., Калинин С.И., Абрамкин Н.И., Согрин Б.Б. и др. На основе исследований этих

ученых создана научная база и разработаны нормативные документы, регламентирующие эти вопросы.

Однако до сих пор не ясно, как влияют параметры выработок и типы крепи на величину разрушения горного массива вокруг выработки в результате горного удара, влияет ли применение анкерной крепи на изменение удароопасности горного массива, какие требования необходимо учитывать при выборе крепи выработок в этих условиях. К сожалению, в технической литературе практически отсутствуют работы, посвященные изучению этих вопросов в сложившихся условиях, а имеющиеся работы малочисленны и, как правило, носят частный характер. Поэтому диссертационная работа, посвященная вышеперечисленным вопросам, является несомненно актуальной, от этого в конечном итоге зависят объемы добычи, рентабельность и безопасность работ угледобывающих предприятий.

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам.

Идея диссертационной работы заключается в том, чтобы слоистую кровлю горных выработок, закрепленную анкерной крепью, рассматривать как структуру, обладающую определенной податливостью, а расчет расстояния между парными выработками осуществлять с учетом возможной зоны разрушения пласта в случае горного удара.

Основные задачи исследований:

- исследование форм, закономерности и параметров разрушения массива вокруг выработок при горном ударе;

- исследование влияния анкерной крепи горных выработок на изменение удароопасности горного массива.

Методы исследований:

- анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, по вопросам изучения наиболее рационального способа проведения и крепления выработок на пластах, склонных к горным ударам;

- шахтные измерения и наблюдения в капитальных и подготовительных выработках на пластах, склонных к горным ударам;

- анализ и обобщение полученных при шахтных исследованиях материалов;

- численное моделирование процесса проходки выработки, находя-щейся вне зоны влияния очистных работ, с помощью метода конечных элементов, реализованного в программе SIMULIA - Abaqus Unifield FEA 6.7, предоставленной на кафедре строительства горных предприятий и подземных сооружений, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научная новизна:

- установлены зависимости величины разрушения угольного массива и горных выработок при горном ударе от глубины работ, прочности угля и сечения выработок, и получена формула для её прогноза;

- установлено, что при применении анкерной податливой крепи в горных выработках со сроком службы более 2 лет критерии, характеризующие удароопасность горной выработки, находящейся вне зоны влияния очистных работ: расслоение пород кровли, выход буровой мелочи, внешнее состояние выработок и несущая способность анкерной крепи, практически не меняются и не достигают значений, относящихся к категории «ОПАСНО».

Основные защищаемые положения:

1. Расчет минимальных расстояний между парными выработками на пластах, склонных к горным ударам, необходимо осуществлять с учетом возможной зоны разрушения пласта в случае горного удара, размеры которой зависят от глубины работ, мощности пласта, сечения выработки и прочности угля на сжатие.

2. На пластах, склонных к горным ударам, возможно эффективное поддержание сталеполимерной анкерной крепью горных выработок, в том числе со сроком их службы более 2-х лет.

3. Минимизации вредных последствий в выработках в случае горного удара можно достичь за счет использования разработанной автором комбинированной крепи, имеющей конструктивную боковую податливость и способность сопротивляться как горизонтальным, так и вертикальным нагрузкам.

Практическая значимость работы:

- разработана методика определения допустимого

5

расстояния между парными выработками на пластах, склонных к горным ударам, при их проведении и эксплуатации;

- обоснована возможность крепления выработок со сроком службы более 2-х лет проводимых по пластам, склонным к горным ударам;

- разработан новый способ крепления капитальных и подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях, имеющий конструктивную вертикальную и боковую податливость, и способность сопротивляться как горизонтальным, так и вертикальным нагрузкам;

- разработана численная геомеханическая модель, позволяющая при использовании комбинированного (анкерно-рамного) способа крепления определить максимально допустимое расстояние от проходческого забоя до места установки рамной крепи, при котором обеспечивается совместная работа анкерной и рамной крепи.

Реализация результатов работы. Обоснование параметров целика между конвейерной печью 25-94 и вентиляционной печью 25-95 для охраны рассматриваемых выработок от вредного влияния очистных работ при отработке лавы 25-94 пл. Поленовского в условиях шахты «им. С.М. Кирова» осуществлялось с использованием методики расчета расстояния между параллельными выработками на пластах, склонных к горным ударам, разработанной в процессе выполнения диссертационного исследования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается значительным объемом исследований, проведенных в натурных условиях на шахтах РФ, анализом и обобщением информации о динамических явлениях, произошедших на шахтах Кизеловского угольного месторождения , Шурабского угольного месторождения, Баренцбургского угольного месторождения ГП «Государственный трест «Арктикуголь» и на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь»; анализом исследований, проведенных в горных выработок на пластах, склонных к горным ударам, в условиях шахт Кузнецкого угольного месторождения: шахты «им. С.М. Кирова» ОАО «СУЭК-Кузбасс»,

6

шахты «Первомайская» ОАО УК «Северный Кузбасс»,

ЗАО «Распадская-Коксовая» ОАО «Распадская»; применением современ-ных методов численного моделирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и российских научно-технических конференциях, симпозиумах и заседаниях, в том числе: на 53-ей научно-практической конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами; на заседаниях в ООО «Центре Трансфера Технологий EMAG» (Катовице, Польша, 2014 г.); на 21-ой научно-практической конференции в Ханойском горно-геологическом университете (Ханой, Вьетнам, 2014 г.); на XXIII Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2015».

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования; анализе и обобщении материала о динамических явлениях, произошедших на шахтах ГП «Государственный трест «Арктикуголь» и ОАО «Воркутауголь»; проведении, сборе и анализе результатов натурных экспериментов, проводимых в условиях шахт Кузбасса, заключающихся в определении категории удароопасности угольных пластов по выходу буровой мелочи и обследовании выработок, закрепленных анкерной крепью по специально подготовленной методике, разработанной в КузГТУ; разработке численной геомеханической модели с помощью программы SIMULIA - Abaqus Unifield FEA 6.7, предоставленной на кафедре строительства горных предприятий и подземных сооружений Горного университета; получении основных научных результатов, формулировке выводов и разработке рекомендаций по проведению и креплению парных выработок на пластах, склонных к горным ударам.

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 4-х опубликованных работах; из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и образования России, и 1 заявка на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, содержащих 20 таблиц и 51 рисунок, заключения, списка использованной литературы из 123 источников и 2 приложений. Общий объем работы составляет 146 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика и актуальность работы.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих способов борьбы с горными ударами при проходке и креплении выработок и поставлены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе приводятся результаты исследований форм и параметров разрушений горного массива вокруг выработок вследствие горного удара, а также оценка применяемой крепи к противодействию способности разрушению выработок при горном ударе. Выведена формула для прогнозного определения величины разрушения пород вокруг выработок в случае горного удара.

В третьей главе представлены результаты исследований, выполненных в натурных условиях, по установлению влияния анкерной крепи на изменение удароопасности угольного массива, а также приведена оценка состояния выработок, пройденных на пластах, склонных к горным ударам, и закрепленных только анкерной крепью.

В четвертой главе приведены разработанные рекомендации по проведению и креплению выработок на пластах, склонных к горным ударам. Представлен разработанный способ крепления горных выработок на пластах, склонных к горным ударам. Представлена разработанная численная геомеханическая модель, позволяющая при использовании комбинированного (анкерно-рамного) способа крепления определить максимально допустимое расстояние от проходческого забоя до места установки рамной крепи, при котором обеспечивается совместная работа анкерной и рамной крепи.

В заключении отражены обобщенные выводы, полученные по результатам исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору М.А. Розенбауму за помощь в выполнении работы, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства за ценные советы и полезные замечания.

Основные защищаемые положения: 1. Расчет минимальных расстояний между парными выработками на пластах, склонных к горным ударам, необходимо осуществлять с учетом возможной зоны разрушения пласта в случае горного удара, размеры которой зависят от глубины работ, мощности пласта, сечения выработки и прочности угля на сжатие.

Прогнозное определение видимой глубины разрушения породного массива вокруг горных выработок в случае возникновения горного удара является важной научно-технической задачей, позволяющей определять по условиям безопасности параметры проводимых выработок типы и параметры крепи, а также параметры защитной зоны, задаваемой в краевой части пласта для приведения выработок в неудароопасное состояние.

Необходимые исследования по решению данного вопроса проводились в шахтных условиях при расследовании горных ударов, произошедших в горных выработках на шахтах Баренцбургского угольного месторождения ГП «Государственный трест «Арктикуголь» и на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь». Кроме этого к анализу привлекались материалы других исследований, изложенных в каталоге горных ударов, а также в литературных и фондовых источниках.

При проведении исследований в шахтных условиях отмечались: шахта, выработка, в которой произошел горный удар, пласт, фиксировались видимые разрушения крепи, кровли, угольного массива, отмечалась высота вывалов из кровли и разрушения бортов выработки, измерялась протяженность участка видимых разрушений по длине выработки. Кроме визуально видимых разрушений массива измерялась фактическая глубина разрушения, сведений о которой в технической литературе крайне мало.

Фактическая глубина разрушения определялась путем бурения шпуров в массив за пределы видимого разрушения или путем проведения специальной выработки в сторону разрушенного массива. Длина разрушенной части массива определялась по состоянию угольного массива в случае проведения выработки или по виду штыба при бурении. Уголь, раздавленный в зоне разрушения, представлял собой мелкозернистое сыпучее тело, огражденное кровлей, почвой и неразрушенным массивом.

Для определения фактических зон разрушения горных пород при горном ударе использовались также данные, приведенные в каталоге горных ударов. Всего было рассмотрено 27 случаев горных ударов.

На основании результатов исследований и данных, приведенных в каталоге горных ударов, были построены зависимости глубины разрушения угольного массива (Д/, м) в случае горного удара от таких показателей, как: глубина работ (Н, м), площадь сечения выработки (5, м2) и мощность пласта (т, м).

В результате статистической обработки данных была получена формула для прогнозного определения фактической глубины разрушения угольного массива вокруг выработки при горном ударе (А/, м), которая приведена ниже:

л, й-Н-у-

А/=—(1)

т-Я у

где 5- площадь сечения выработки, м2; Н- глубина разработки, м; у - объемный вес пород, т/м3; т - мощность пласта, м; Яу -прочность угля на сжатие, т/м2.

В таблице 1 приведены глубины разрушения горных пород вокруг выработок, измеренные в натурных условиях и рассчитанные по формуле (1).

Исходя из результатов, было установлено, что минимальное расстояние между параллельными выработками на пластах, склонных к горным ударам, следует принимать с учетом максимальных значений следующих параметров:

1. Возможной глубины разрушения массива вокруг одной из

параллельных выработок в случае горного удара. При этом расчет по формуле (1) выполняется для выработки большего сечения.

2 Глубины защитной зоны, создаваемой в охранном целике при проведении горных выработок в соответствии с требованиями «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам».

Таблица 1 - Фактическая и расчетная глубина разрушения при горном ударе_^__^______

№ Наименование выработки Площадь сечения выработки, в, м2 Глубина, Н, м Объемный вес пород кровли, у, т/м5 Мощность пласт, м, т Прочность угля на сжатие, т/м", Яу Ширина защитной зоны в краевой части пласта, п,м Фактическая глубина разрушения в боках выработки, А/, м Глубина разрушения, рассчитанная по формуле (1), Д/, м

Баренцбургское угольное месторождение ГП «Государственный трест «Арктикуголь»

1 28СВШ 9,2 600 2,6 1,7 1000 4,4 8,5 8,4

2 Сопряжение 28 север, лавы с 28 север, прорежут, штреком 9,2 620 2,6 1,7 1000 4,4 8,7 8,7

3 Сопряжение 28 СВШ с диагональной вент, сбойкой № 1 9,5 640 2,6 1,7 1000 4,4 9,4 9,3

«Шахта «Северная» ОАО «Воркутауголь»

1 Вентиляционный бремсберг 142-ю пл. «Четвертого» 9,3 760 2,6 1,6 1150 6,2 9,3 9,4

2. На пластах, склонных к горным ударам, возможно эффективное поддержание сталеполимерной анкерной крепью горных выработок, в том числе со сроком их службы более 2-х лет.

Исследования показали, что наименьшее разрушение кровли выработок при горном ударе имеет место при креплении кровли сталеполимерной анкерной крепью.

В настоящее время основным направлением способа крепления и поддержания выработок на шахтах Кузбасса принята

11

сталеполимерная анкерная крепь, однако, несмотря на все положительные аспекты, в «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам» (РД 05-328-99), имеется ограничение по креплению выработок анкерной крепью, согласно которому применение деревянной и податливой анкерной крепи допускается в выработках со сроком службы до 2 лет. Запрет основан на том, что анкерная крепь якобы приводит слоистый массив в жесткую неподатливую систему, которая становится источником удароопасности. Однако практика показывает, что естественная податливость всей системы анкерной крепи, включающей элементы - стержень, опорную шайбу и решетчатую затяжку, при длине анкера от 2 м и более, варьируется в интервале от 52 до 74 мм, что соответствует требованиям инструкции по применению анкерной крепи на пластах, склонных к горным ударам

Целью проводимых исследований являлась оценка в натурных условиях влияния анкерной крепи на изменение удароопасности угольного массива, а также оценка состояния выработок, пройденных на пластах, склонных к горным ударам и закрепленных только анкерной крепью.

Исследования проводились в пяти горных выработках на пластах, которые по всем своим признакам относятся к угрожаемым по горным ударам, в условиях шахт Кузнецкого угольного месторождения: ОАО «СУЭК-Кузбасс» шахты «им. С.М. Кирова», ОАО УК «Северный Кузбасс» шахты «Первомайская», ОАО «Распадская» ЗАО «Распадская-Коксовая». Выработки находятся вне зоны влияния очистных работ. Срок эксплуатации выработок составляет более 2 лет.

При проведении исследований в шахтных условиях отмечались: шахта, выработка, пласт, состояние бортов и кровли выработки, состояние анкерной крепи и степень удароопасности пласта.

Оценка степени удароопасности проводилась совместно с группой прогноза. Бурили шпуры диаметром 43 мм в борт выработки. Прогнозные шпуры бурили в обе стороны, по крепкой пачке угля. Затем с каждого погонного метра шпура измеряли объем

буровой мелочи, с помощью штыбосборника и мерного сосуда емкостью 5 л. Каждое измерение относили к середине интервала и сравнивали с номограммой (РД 05-328-99).

Результаты измерений представлены в виде средних арифметических значений выхода буровой мелочи с периодичностью в 5-9 месяцев (см. рисунки 2, 3, 4, 5, 6), где / - глубина бурения, м; V- объем буровой мелочи с одного метра скважины, л/м.

т = 2,1 -2,3 м

........ |6 08.Ю-20.08.10г. ——02.01.11 -08.01.11 г. -06.06.11 - 12.06.1 1г.-»- 20.05.12-28.05.12 г.

-}- -1-1-

н

HF.ni А С НС

3 ш.......-

1__Чип

2 -2 I---" г,

Г ,----------4----- 1 —

1 1 -

1 2 3 4 5 (. ¡'/т. м

Рисунок 2 - пласт Болдыревский, фланговый вентиляционный уклон № 24-03, шахта «им. С.М. Кирова» ОАО «СУЭК-Кузбасс»

№ 24-03, шахта «им. С.М. Кирова» ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Рисунок 4 - пласт XXIV, основной штрек гор. - 40 м, участок от сопряжения главного квершлага с заездом на основной штрек до ПК 54, шахта «Первомайская» ОАО УК «Северный Кузбасс»

Рисунок 5 - пласт III, транспортный бремсберг, участок от сопряжения транспортного бремсберга со сбойкой № 3 до сопряжения транспортного бремсберга со сбойкой № 7, ЗАО «Распадская-Коксовая» ОАО «Распадская»

Рисунок 6 - пласт III, вентиляционный бремсберг, участок от сопряжения вентиляционного бремсберга со сбойкой № 1 до сопряжения вентиляционного бремсберга со сбойкой № 7, ЗАО «Распадская-Коксовая» ОАО «Распадская»

Исходя из данных представленных на рисунках 2, 3, 4, 5 и 6 видно, что количество выхода буровой мелочи из прогнозных шпуров при эксплуатации выработок, соответствующее категории «ОПАСНО», не выявлено.

Обследование анкерной крепи выработок производились с участием специалистов шахты, по специально подготовленной методике, разработанной в КузГТУ, состоящей из инструментального и визуального осмотра.

Визуальная оценка деформаций выработок и элементов анкерной крепи производилась металлической рулеткой; коррозионный износ элементов анкерной крепи - штангенциркулем.

После визуального осмотра состояния выработок и крепи производилась проверка прочности закрепления анкеров в шпурах с помощью приборов ПКА-3 и ПКА-1. При определении прочности закрепления анкеров, осевое усилие, прилагаемое к стержню анкера, должно было составлять не более 70 % от расчетной несущей способности анкеров, установленных в кровле выработок и боках. Анкера считались надежно закрепленными в породах кровли и боках, если при нагружении они не проскальзывали в шпуре при указанных выше нагрузках.

Изменения параметров рассматриваемых выработок за два года эксплуатации не вызывают ухудшения геомеханической ситуации в выработках, не нарушают режим проветривания, а также не осложняют процесс транспортировки грузов по выработкам.

Данные наблюдения показали, что ни в одной из наблюдаемых горных выработок, закрепленных анкерной крепью, не отмечается формирование удароопасной ситуации, что выработки, закрепленные анкерной крепью, в течение 2-3 лет находятся в хорошем состоянии и по характеру проявления горного давления отвечают требованиям ПБ, предъявляемым и к эксплуатируемым выработкам: коррозионный износ относится к типу поверхностных, анкерные стержни в шпурах в кровле и боках обследуемых выработок сохраняют требуемую несущую способность, потеря анкерами прочности закрепления в породах и угольном массиве не установлена и находится на уровне 70-132 кН.

3. Минимизации вредных последствий в выработках в случае горного удара можно достичь за счет использования разработанной автором комбинированной крепи, имеющей конструктивную боковую податливость и способность сопротивляться как горизонтальным, так и вертикальным нагрузкам.

В ходе исследований было установлено, что применяемые для крепления подготовительных выработок на удароопасных пластах арочные металлические или рамные крепи, рассчитаны на сопротивление от вертикальной нагрузки и не способны сопротивляться деформациям и разрушениям боковых стенок выработок при горном ударе, а также ,что крепление боков выработки на пластах, склонных к горным ударам, анкерной крепью длиной 1,52,5 м не защищает бока выработки от разрушения при горном ударе.

Поэтому для минимизации вредных последствий в выработках при горном ударе был разработан способ крепления горных выработок на удароопасных пластах. Способ крепления выработки осуществляют следующим образом (см. рисунок 7).

Проводится подготовительная выработка по пласту, опасному по горным ударам. При проходке выработки крепление

кровли и боков производится комбинированной крепью, состоящей из анкерной и рамной податливой крепи, затем с помощью канатных анкеров, закрепляемых в почве пласта, и хомута с отверстиями прижимают стойки рамной крепи к угольному массиву, а между массивом и хомутом, на анкерах располагают податливый элемент и шайбу (см. рисунок 8).

— — — V— — 1— — — —

От я [42. ¡К '3 Узел А

1- подготовительная выработка; 2 - угольный пласт;

3 - анкерная крепь; 4 - рамная податливая крепь; 5 - канатные анкера; 6 - хомут с отверстиями; 7 - стойки рамной крепи; 8 - податливый элемент; 9 - шайба; 10 - угол установки канатных анкеров; 11 - слои породы; 12 - активная длина канатного анкера;

13 - расстояние от почвы выработки до места установки анкера;

14 - мощность непосредственной почвы Рисунок 7 - Комбинированная крепь В качестве податливого элемента используют, например; обрезки швеллеров и металлических труб, уголки, деревянные бруски и т.д. Анкера устанавливают к горизонтальной плоскости под углом а и закрепляют их в слое породы, являющемся продолжением почвы выработки. На основании известных закономерностей была составлена схема нагружения, из которой выведена представленная формула:

b + h

a = arc cos-, град., (2)

^ a

где la - активная длина анкера 12;

b - расстояние от почвы выработки до места установки анкера 13; И - мощность непосредственной почвы 14.

Узел А

|Ч2 lA

1- угольный пласт; 2 - канатные анкера; 3 - хомут с отверстиями;

4 - стойка рамной крепи; 5 - податливый элемент; 6 - шайба Рисунок 8 - Узел податливости

С целью более эффективной работы комбинированного (анкерно-рамного) способа крепления выработок, проводимых по пластам в пределах Ленинской синклинали в программе SIMULIA -Abaqus Unifield FEA 6.7 разработана численная геомеханическая модель, позволяющая определить оптимальное расстояние от проходческого забоя до места установки рамной крепи, при котором обеспечивается совместная работа анкерной и рамной крепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Исследования показали, что наименьшие разрушения кровли выработок при горном ударе имеют место при креплении кровли сталеполимерной анкерной крепью.

2. Установлено, что применяемые для крепления выработок на пластах, склонных к горным ударам, арочные металлические или рамные крепи рассчитаны на сопротивление от вертикальной нагрузки и не способны сопротивляться деформациям и

разрушениям боковых стенок выработок при горном ударе, а крепление боков выработки на пластах, склонных к горным ударам, анкерной крепью длиной 1,5-2,5 м не защищает бока выработки от разрушения при горном ударе, так как их длина значительно меньше фактической глубины разрушения пород.

3. Установлено, что минимальное расстояние между параллельными выработками на пластах, склонных к горным ударам, необходимо принимать с учетом максимальных значений следующих параметров:

- возможной глубины разрушения массива вокруг одной из параллельных выработок в случае горного удара, при этом расчет по формуле выполняется для выработки большего сечения:

- глубины защитной зоны, создаваемой в охранном целике при проведении горных выработок в соответствии с требованиями «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам».

4. Наблюдения, проводившиеся в течение 2,5-3 лет, показали, что критерии, характеризующие удароопасность горной выработки, находящейся вне зоны влияния очистных работ: расслоение пород кровли, выход буровой мелочи, внешнее состояние выработки и несущая способность анкерной крепи практически не меняются и не достигают значений, относящихся к категории «ОПАСНО». Таким образом, установлено, что эффективное поддержание горных выработок сталеполимерной анкерной крепью возможно, в том числе, со сроком их службы более 2-х лет на пластах, склонных к горным ударам.

5. Исследования показали, что суммарная податливость всей системы анкерной крепи, включающей элементы: стержень, опорную шайбу и решетчатую затяжку, - при длине анкера от 2 м и более варьируется в интервале от 52 до 74 мм, что соответствует требованиям инструкции по применению анкерной крепи на пластах, склонных к горным ударам.

6. Для минимизации вредных последствий в случае горного удара разработан способ крепления горных выработок на удароопасных пластах, имеющий конструктивную боковую податливость и способность сопротивляться как горизонтальным,

так и вертикальным нагрузкам.

7. Разработана численная геомеханическая модель, позволяющая при использовании комбинированного (анкерно-рамного) способа крепления определить максимально допустимое расстояние от проходческого забоя до места установки рамной крепи, при котором обеспечивается совместная работа анкерной и рамной крепи.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Розенбаум М.А. К вопросу об определении фактической глубины разрушения в случае горного удара / М.А. Розенбаум, С.А. Антонюк // Вестник КузГТУ. - 2014. - № 3. - С. 55-58.

2. Антонюк С.А. К вопросу об определении расстояния между парными выработками на удароопасных пластах / С.А. Антонюк, C.B. Кузьмин // Маркшейдерский Вестник. - 2014. -№ 6. - С. 37-39.

3. Розенбаум М.А. Исследования проявления горного давления и удароопасности в выработках, закрепленных анкерной крепью, на пластах, склонных к горным ударам, в условиях шахт Кузнецкого угольного бассейна / М.А. Розенбаум, В.В. Першин, C.B. Кузьмин, С.А. Антонюк//Уголь.-2015.-февраль №2.-С. 27-31.

В прочих изданиях:

4. Розенбаум М.А. Новые возможности исследования геомеханических процессов на моделях из эквивалентных материалов / М.А. Розенбаум, C.B. Кузьмин, С.А. Антонюк // Майнинг Репорт Глюкауф. -2014. -декабрь № 4. -С. 31-33.

Розенбаум М.А., Антонюк С.А. Способ крепления горных выработок на удароопасных пластах // Заявка на изобретение № 2014124439. - 2014. - май. - 34 с.

РИЦ Горного университета. 28.04.2015. 3.373. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

2012477739

2012477739