Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка способов проведения и средств крепления широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на шахтах Воркутского месторождения

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка способов проведения и средств крепления широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на шахтах Воркутского месторождения"

На правах рукописи

БОРИСОВ Алексей Валентинович

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРОВЕДЕНИЯ И СРЕДСТВ КРЕПЛЕНИЯ ШИРОКИХ ВЫРАБОТОК В ЗОНЕ ИНТЕНСИВНОГО ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ШАХТАХ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая, строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Розенбаум Марк Абрамович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Громов Юрий Викторович кандидат технических наук, доцент Антонов Александр Александрович

Ведущая организация - ЗАО "СПб-Гипрошахт"

Защита д и с с е состоится"^МОпи^О > 5 г. в /О

На заседании Диссертационного совета 002.1fflB.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии "Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ШО&ЗОаЛ 2005

г

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В. М. Шик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние угольной промышленности РФ характеризуется сравнительно низкой производительностью очистных забоев, которая в среднем по отрасли не превышает 1400 т/сутки. Дальнейшее успешное развитие угольной промышленности требует значительного увеличения нагрузок на очистные забои с доведением их на пластах средней мощности и мощных до 5-10 тыс.т/сутки. Выпускаемые в настоящее время отечественные и зарубежные механизированные комплексы последнего поколения, такие как КМ-138, КМ-142, КМ-144, КМ 700/800, МКЮ, "Лонгволл", "Джой", ДБТ и др., в состоянии обеспечить такие нагрузки, однако их применение требует определенных условий при подготовке выемочных участков и, в первую очередь, проведения и поддержания выработок большого сечения, в том числе находящихся в зоне активных проявлений горного давления (зоны опорного давления от отрабатываемого и смежного выемочных столбов). К таким выработкам относятся выемочные штреки, а также монтажные и демонтажные камеры. Практика показывает, что в сложных условиях, особенно в зоне влияния опорного давления, при проведении и эксплуатации этих выработок часто возникают аварийные ситуации, связанные с обрушениями кровли и завалами выработок.

Проблеме обеспечения устойчивости широких выработок посвящены работы таких ученых, как Ардашев К. А., Заславский Ю. 3., Мостков В. М., Зубов В. П., Райский В. В., Рева В. Н., Розенбаум М. А., Привалов А. А., Долот-кин Ю. Н., Калинин С. И., Штумпф Г. Г., Ремизов А. В., Храмцов В. И. и др. Несмотря на значительный научно-технический прогресс и достигнутые успехи проблема проведения и эффективного поддержания широких выработок, особенно в зоне активных проявлений горного давления, до сих пор не решена. Практически отсутствуют рамные крепи поддерживающего типа, позволяющие обеспечить эффективное поддержание этих выработок, а применение усиливающей крепи, особенно в монтажных и демонтажных камерах приводит к резкому снижению производительности монтажно-демонтажных работ. До настоящего времени не разработана технология проведения широких выработок, при которой была бы обеспечена их устойчивость при дальнейшей эксплуатации. Следует также отметить, что до настоящего времени нет единого мнения о характере деформирования кровли таких выработок и не разработана методология их крепления, отсутствуют нормативные документы, регламентирующие такие работы. Диссертационная работа, направленная на обеспечение устойчивого состояния широких выработок, имеет важное научное и практическое значение и поэтому является актуальной.

При проведении шахтных и лабораторных исследований большую помощь автору оказали: Ю. Н. Долоткин, О. Т. Степаненко, А. И. Вовк, В. В. Комиссаров, Ю. М. Погудин и другие, которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.

Целью работы является обеспечение устойчивости широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на основе установленных закономерностей деформирования вмещающих пород.

Идея работы заключается в том, что обеспечение устойчивости широких выработок достигается путем применения рамной арочной крепи постоянного сопротивления, и технологии проведения широкой выработки отдельными заходками заданной ширины с установкой на их границе анкеров повышенной длины.

Задачи исследований:

1. Установить закономерности деформирования пород вокруг широких выработок в зависимости от величины незакрепленного пролета кровли, прочности пород и глубины их расположения.

2. Разработать на основе выявленных закономерностей способ крепления широких выработок, технологию их проведения и конструкцию крепи, обеспечивающих их устойчивое состояние.

3. Разработать методику расчета параметров анкерной крепи широких выработок.

Методы исследований. В работе использовался комплексный метод, включающий анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных, фондовых и патентных источниках; натурные эксперименты в условиях шахт "Заполярная", "Комсомольская", "Северная", "Воргашорская"; моделирование с помощью эквивалентных материалов в лабораторных условиях; статистическую и аналитическую обработку результатов исследований, полученных в натуре и на моделях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. С помощью сталеполимерной анкерной крепи повышенной длины можно регулировать величину смещения кровли по ширине выработки, при этом кровлю широкой выработки можно рассматривать как многопролетную балку, опертую на краевые части массива и на промежуточные неподвижные опоры, в качестве которых используются анкеры повышенной длины на границе заходок.

2. Для крепления широких выработок параметры коротких анкеров определяются по величине смещений кровли только в заходках, а параметры длинных анкеров - с учетом всей ширины проводимой выработки.

3. Интенсивность проявлений горного давления в широких выработках можно регулировать применением рамной крепи постоянного сопротивления и технологии проведения с помощью заходок, параметры которых определяются из условия минимальных смещений кровли.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Доказано, что при креплении кровли анкерами величина нагрузки, при которой она переходит в запредельное состояние, зависит от длины анкеров, и в диапазоне 1,5-6,0 м она кратна увеличению их длины, при этом смещения кровли по ширине выработки имеют минимальные значения в местах установки длинных анкеров.

2 Получены зависимости величин смещений кровли выработок от их ширины в диапазоне 5-10 м для пород прочностью 30-60 МПа и глубины работ 400-1000 м. Установлено, что с увеличением ширины выработок от 5 до 10 м величины смещений кровли увеличиваются в 1,5-2,5 раза.

3. Установлено, что смещения кровли в широких выработках можно регулировать за счет применения анкерной крепи различной длины, устанавливаемой в заходках и на их границе и выбора рациональной ширины заходок. Получена зависимость величины устойчивого обнажения кровли в заходках, при минимальном ее смещении, от ширины и длины заходок, мощности и прочности пород кровли.

4. Разработана и испытана новая конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой положено требование обеспечения постоянного сопротивления оригинального узла податливости. Применение разработанной крепи, по сравнению с базовой, позволяет уменьшить смещения кровли в выработках в 1,5-2,0 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается представительным объемом исследований, проведенных на шахтах ОАО "Воркутауголь" (было оборудовано 22 замерных станции на трех пластах) моделированием на эквивалентных материалах в лабораторных условиях (отработано 26 моделей), хорошей сходимостью расчетных и фактических параметров проведения и крепления широких выработок, положительными результатами промышленных испытаний разработанных конструкций крепи и способа проведения широких выработок на шахтах "Октябрьская", "Воргашорская", "Южная", "Заполярная", "Северная" и др.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета параметров анкерной крепи широких выработок;

- разработана, создана и прошла промышленные испытания новая конструкция рамной крепи для широких выработок;

- обоснована и разработана новая технология проведения широких выработок;

- обоснованы и прошли промышленные испытания рациональные схемы проведения широких выработок с применением анкерной и комбинированной крепей.

Реализация работы. Результаты работы используются при решении вопросов проведения широких выработок на шахтах ОАО "Воркутауголь" в проектных и конструкторских организациях при проектировании горных работ, выборе типа крепи и технологии проведения широких выработок, а также при составлении нормативно-методических документов, регламентирующих применение анкерной крепи на шахтах России.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийском совещании по корректировке и подготовке оконча-

тельной редакции "Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России", (Санкт-Петербург 16-18 ноября 1999 г.), на техническом совещании ОАО "Воркутауголь", (Воркута, 1 декабря 1999 г ); на секции НТС Госгортехнадзора России по угольной промышленности (Москва, 21 мая 1997 г.), на секции по горному давлению и горным ударам Ученого совета ВНИМИ (Санкг-Пегербург, 2003 г ).

Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методики исследований, организации и участии в экспериментальных исследованиях на шахтах ОАО "Воркутауголь", участии в разработке и промышленном испытании новых конструкций крепи и способа проведения широких выработок и получении на них "Патента на изобретения РФ", обработке материалов экспериментов и получении научных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 131 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35 рисунков, список используемой литературы из 63 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены горно-геологические условия и характеристика Воркутского месторождения, рассмотрено их влияние на эффективность отработки угольных пластов, а также современное состояние из>чен-ности вопроса проведения и поддержания широких горных выработок в зоне активного проявления горного давления.

Воркутское месторождение каменного угля является частью Печорского угольного бассейна и расположено в северо-восточной части Усин-ской мегаклинали. Оно представляет собой брахисинклинальную складку (мульду), длинная ось которой ориентирована в субмеридиональном направлении, углы падения по выходам основных угольных пластов в пределах южного замыкания мульды составляют 6-8°; к северу они возрастают и достигают 45-50°. Разрабатываемые шахтами ОАО "Воркутауголь" угольные пласты "Мощный", "Тройной", "Четвертый" и "Пятый" выдержаны по площади и мощности . Уголь пластов полублестящий, полосчатый, трещиноватый, марки "Ж". Вмещающие породы представлены слоистыми трещиноватыми аргиллитами, алевролитами, песчаниками. Процентное соотношение гранулометрических групп следующее: песчаники - 47, алевролиты - 43, аргиллиты - 8,9, угли - 6,4.

Современное состояние горных работ на Воркутском месторождении характеризуется усложнением горно-геологических и горно-технических условий Это обусловлено, в первую очередь, переходом горных работ на большие глубины, повышенной интенсивностью работ, необходимостью

увеличения объема добычи, а следовательно, применение более производительного крупногабаритного и тяжеловесного оборудования и улучшения условий вентиляции. Все перечисленные факторы требуют увеличения сечения выработок и решения проблемы надежного крепления в течение всего периода их поддержания.

Статистические данные свидетельствуют о тем, что с ростом глубины работ происходит увеличение объемов проведения выработок и особенно площади их поперечного сечения При этом известно, что с увеличением сечения горных выработок увеличивается интенсивность проявлении горного давления, а несущая способность применяемых поддерживающих типов крепи (например, рамных металлических из СВП и др ) существенно падает. Кроме того, анализ показал, что применяемые в настоящее время очистные механизированные комплексы нового поколения требуют увеличения ширины камеры для их монтажа, что, в свою очередь, требует существенного увеличения материальных и трудовых затрат. Зарубежный и отечественный опыт свидетельствует, что одним из способов снижения этих затрат является применение анкерной крепи. Опыт применения анкерной крепи для широких выработок показывает, что важнейшим показателем, определяющим устойчивость и эффективность их поддержания, являются параметры анкерной крепи. Во всех известных методиках расчета анкерной крепи определяемыми ее параметрами являются длина анкеров, их суммарное сопротивление на единицу поддерживаемой площади или длины выработки, и плотность установки анкеров принятой несущей способности Опорные прогоны (верхняки) и затяжка, как правило, принимаются без расчета в зависимости от степени устойчивости непосредственной кровли, плотности установки анкеров, срока поддержания выработки и т. п.

Все известные методики (при некотором различии) определения длины анкеров для крепления кровли основаны на двух расчетных схемах. Первая - основана на прикреплении (подвешивании) залегающих непосредственно нал выработкой неустойчивых пород к вышележащему устойчивому массиву пород за пределами свода обрушения. Вторая - основана на скреплении (связывании) нескольких неустойчивых слоев или блоков пород над выработкой и формировании из этих пород устойчивой плиты или арки При этом в обеих расчетных схемах основным требованием к анкерной крепи является ее максимальная жесткость для предотвращения расслоения и разрушения связанных анкерами пород.

Расчеты анкерной крепи по известным методикам, основанным на определении свода обрушения кровли, показывают, что для большинства условий расположение в массиве пластовых подготовительных выработок шириной до 5 м, за исключением зон тектонических нарушений с интенсивной кососекущей трещиноватостью пород и глубины свыше 500-600 м, их поддержание может быть обеспечено только одной анкерной крепью с длиной анкеров в кровле до 2-2,2 м и сопротивлением крепи до 50-60 кН/м2. При этом в условиях в боках также необходима установка анкерной крепи с

длиной анкеров 1,6-1,8 м и сопротивлением крепи 20-25 кН/м2. Таким образом, краткий анализ существующих методик расчета параметров анкерной крепи показывает, что до настоящего времени отсутствует единый подход к определению параметров крепления широких выработок. Кроме того, применение методик расчета, основанных на определении свода обрушения или толщины укрепленного слоя для этих выработок, приведет к значительному увеличению длины анкеров и плотности крепления.

Основным отличием широких выработок является увеличенный пролет обнажения кровли, а следовательно, более высокие напряжения, возникающие в кровле и боках выработки и, как следствие этого, большие величины смещений пород на контуре этих выработок. Различие в проявлении горного давления в обычных и широких выработках заметны особенно резко при попадании их в зону опорного давления от смежной или отрабатываемой лавы. В этих условиях особое значение приобретают типы крепи и их несущая способность. При выборе крепи таких выработок одним из основных вопросов является выбор наиболее целесообразного режима ее работы - жесткого или податливого. Таким образом, несмотря на значительное количество работ, посвященных креплению широких выработок, особенно в зоне опорного давления, до сих пор нет единого мнения о том, какую крепь наиболее целесообразно применять: рамную поддерживающую или анкерную, жесткую или податливую. Основным недостатком рамных крепей является относительно небольшая податливость, а также неспособность создания и поддержания распора при установке и при работе в податливом режиме. Практически отсутствуют нормативные документы, регламентирующие параметры анкерной крепи для широких выработок, не разработана технология их проведения, учитывающая деформирование широких выработок и способствующая максимально возможному сохранению естественной устойчивости пород. На основании выполненного анализа состояния вопроса в первой главе диссертации сформулированы цель и задачи настоящего исследования, которые приведены выше, а результаты изложены в трех главах диссертации и заключаются в следующем.

Вторая глава посвящена результатам исследования проявлений горного давления в широких (5,5- 12,0 м) выработках на шахтах ОАО "Воркутауголь" с целью определить работоспособность применяемой крепи и установить особенности проявлений горного давления, присущих выработкам такой ширины.

Исследования проводились на шахтах "Северная", "Заполярная", "Комсомольская" и "Воркутинская" в конвейерных и вентиляционных штреках и в монтажных камерах. Всего было оборудовано 22 замерные станции, расположенные на разных пластах, из них 16 замерных станций в конвейерных и вентиляционных штреках и 6 в монтажных камерах. Горные выработки были расположены на глубинах 270-1010 м. Форма сечения выработок арочная и трапециевидная. Размеры сечений 10,4-19,5 м2. Ширина этих выработок 6,5-10 м. Выработки проводились комбайном типа ГПКС,

крепь - металлическая арочная или трапециевидная. Во всех случаях наблюдений рассматриваемые выработки охранялись от выработанного пространства целиками угля шириной 6-12 м.

В конвейерных и вентиляционных штреках замерные станции оборудовались вне зоны влияния опорного давления от отрабатываемой лавы и по мере подвигания очистного забоя попадали в эту зону.

В монтажных камерах замерные станции оборудовались при их проведении на расстоянии 1,0-1,5 м от забоя, и наблюдения проводились до периода стабилизации смещений пород, когда их скорость уменьшалась до 1-2 мм/сут.

На рис. 1 представлены графики смещений кровли и почвы в конвейерных штреках 312-ю "бис" и 316-ю шахты "Комсомольская"; конвейерном штреке 214-с шахты "Заполярная", а также в монтажных камерах 832-ю шахты "Воркутинская", 912-ю шахты "Северная" и 212-ю шахты "Комсомольская". Как видно, при некоторых различиях в количественных значениях величин смещений, характер их был примерно одинаков. Так, в конвейерных и вентиляционных штреках смещения кровли отмечались на расстоянии 60-80 м впереди лавы, на уровне очистного забоя они достигали 90-100 мм, а после прохода лавы на расстояние 180-220 м их величина достигала 500-550 мм. Смещения почвы на уровне забоя составляли 300 мм, а на расстоянии 300 м за лавой 800-900 мм. Высота выработки при этом уменьшалась до 1,2-1,6 м, крепь сильно деформировалась и для дальнейшего использования выработки требовалось ее перекрепление с одновременной поддиркой почвы На рис. 2 показаны характерные случаи деформаций и разрушения выработок.

и, мм

Рис. 1, а. I рафики смешении кровли (!) и лочвы(2) в конвейерных штреках

- 122-ю шачгы «Воркутинская»,ил «Тройной»,

---- 214-с шахгы «Заполярная пл «Тройной»,

------------12-ю шахты «Комсомольская», п т «Четвертый»

расстояние до забоя, м

Рис. I, о. Графики смещений кровли в монтажных камерах

- 832-ю шахты «Воркутинская», ил «Четвертый»,

----912-ю шахты «Северная», пл «Тройной»,

------212-ю шахты «Комсомольская», пл «Тройной»

В монтажных камерах интенсивные смещения кровли отмечались сразу при проведении выработок (см. рис. 1) и через 5 суток в сечении замерной станции составляли 100-120 мм. Крепь при этом сильно деформировалась, отмечались случаи порыва затяжек и хомутов. Для сохранения выработок приходилось ставить по ее центру крепь усиления. Скорость смещений была примерно постоянной и составляла 20-25 мм/сутки. Как видно, после установки стоек усиления скорость смещений значительно уменьшилась и составила 1,5-2 мм/сутки.

Исследования, проведенные в монтажной камере 212-ю по пласту Тройной на шахте Комсомольская интересны тем, что в этой выработке не устанавливали крепь усиления, поэтому уже на расстоянии 10 м от забоя смещения кровли составили 160 мм, при этом отмечались случаи деформации крепи и затяжки, высыпания угля с боков выработки. Относительная стабилизация смещений кровли отмечена на расстоянии 20-25 м от забоя, при этом величина смещений кровли составила 180-200 мм, крепь практически выбрала свою податливость, отжим угля из бортов выработки отмечался на глубине 0,6-0,9 м.

Анализ результатов исследований показывает, что существующие виды рамной поддерживающей крепи и принятая технология проведения выработок шириной 6,5-10 м (одновременно на всю ширину) не обеспечивают их устойчивого состояния. Для поддержания выработок в эксплуатируемом состоянии требуются дополнительные мероприятия и значительные затраты по усилению крепи, перекреплению выработок и доведению их размеров (ширины и высоты) до требуемых ПТЭ.

В третьей главе представлены результаты исследований устойчивости широких выработок, полученные на моделях из эквивалентных материалов. Изучение влияния анкерной крепи на устойчивость кровли широких выработок проводилось в лаборатории моделирования ВНИМИ. При этом решались две задачи: определение влияния параметров анкерной крепи на характер и величину смещения кровли широких выработок и влияние ширины выработок на величину смещения кровли.

Рис. 2. Характерные случаи деформации крепи горных выработок

Для изготовления эквивалентных материалов использовались просеянный песок и вяжущий состав из эпоксидной смолы с добавкой глицерина. Прочность материала модели в масштабе моделирования 1:50 соответствовала типичным породам Воркутского месторождения, представленным песчано-глинистыми сланцами, аргиллитами и алевролитами с пределом прочности в образцах на сжатие равным 35-40 МПа. Кроме того, при изучении влияния ширины выработок на характер и величину смещений кровли моделировались породы прочностью на сжатие 60 МПа.

Моделируемый массив изготавливался на плоском стенде длиной 5 м с последующим разделением его на равные по длине блоки, это обеспечивало одинаковую однородную структуру и прочность массива во всех опытах. Ширина модели составляла 20 см. В каждом блоке в кровлю исследуемой выработки, в период изготовления модели, закладывались анкеры, скрепленные с массивом по всей их длине. Анкеры изготавливались из отрезков проволоки, снабженных с одной стороны опорной плитой размерами (в модели) 2x2 см. Материал проволоки, ее диаметр и предельные нагрузки подбирались предварительными испытаниями. Отрабатывались следующие схемы моделей. В первом блоке испытывалась выработка без крепления кровли, во втором - анкерная крепь устанавливалась по квадратной сетке с расстоянием между анкерами равным 2 см, при эгом плотность крепи в пересчете на натуру составляла 1 анкер/м2. В третьем блоке, дополнительно к крепи второго блока, устанавливали глубинные анкеры, которые связывали 8 слоев кровли. Глубинные анкеры располагались в два ряда вдоль оси выработки в середине ее ширины. Наблюдения за опусканием кровли выработок проводились в трех точках ее поперечного сечения: в центре выработки и на расстоянии % ее ширины от каждой боковой стенки. При исследовании влияния ширины выработок на величину смещения кровли в блоках выполнялись выработки шириной 7-10 м в пригруженном массиве. При этом величина нагрузки с учетом масштаба модели соответствовала глубине расположения выработок 400, 600, 800 и 1000 м.

Исследования показали, что по характеру смещений кровли каждая из рассмотренных схем моделирования имеет свои отличительные особенности. В выработках без крепи опускание кровли с увеличением нагрузок происходит равномерно, примерно с одинаковой скоростью. Такое равномерное приращение происходит до величины, примерно равной прочности материала модели на сжатие, после чего следовало пластическое течение материала. При креплении кровли анкерами на глубину 2,0 м с плотностью установки анкеров 1 анкер/м2 характер смещений кровли меняется: отличается рост нагрузок на кровлю при незначительном ее смещении, а при достижении определенной величины нагрузки сопровождается значительными смещениями при малых приращениях внешних нагрузок. Такие ''ступени" повторяются 2-3 раза. Эти особенности деформирования объясняются, по нашему мнению, наличием анкерной крепи. Пачка скрепленных анкерами пород до некоторого момента сопротивляется внешним нагрузкам, затем

происходит резкий рост смещений, и скрепленная пачка пород, как бы "разгружаясь", переходит в новое устойчивое состояние, при котором система "порода-крепь" способна выдержать нагрузку большую, чем ту, которая вызвала эти резкие перемещения кровли.

В следующей схеме, помимо приконтурных анкеров длиной 2 м, были установлены глубинные анкеры длиной 4 м в пересчете на натуру. Глубинные анкеры существенно изменили величину и характер смещений кровли. Следует отметить, что система "порода-крепь" в этом случае оказалась более жесткой и переход ее в запредельное состояние происходил при более высоком уровне напряжений, практически в два раза больших, чем в случае крепления двухметровыми анкерами. Особо важно отметить, что в поперечном сечении выработки по ее ширине смещения кровли имели разные, весьма отличающиеся значения. В середине пролета выработки смещения кровли сдерживались глубинными анкерами, а наибольший прогиб кровли имел место примерно по середине пролетов между местом установки глубинных анкеров и боками выработки.

Таким образом, результаты исследований подтвердили правильность принятой идеи о креплении широких выработок путем разделения их по ширине на несколько пролетов, на границах которых следует устанавливать анкеры повышенной длины, а в пределах каждого из образовавшихся пролетов параметры анкеров будут определяться исходя из возможной величины максимальных смещений в пределах границ образованных пролетов. Место установки анкеров повышенной длины, как показали исследования, можно условно принять за неподвижную опору, то есть можно считать, что в этом месте смещения кровли практически отсутствуют. Исследования влияния ширины выработок на величину опусканий кровли в них были выполнены на моделях из эквивалентных материалов в выработках, имитирующих вентиляционные штреки (как наиболее тяжелые по условиям поддержания и монтажные камеры). Получены зависимости величин опусканий кровли выработок от их ширины в диапазоне 5-10 м для пород прочностью 30-60 МПа при глубине работ 400-1000 м. Установлено, что при одной и той же пубине работ с увеличением ширины выработок от 5 до 10 м опускания кровли увеличиваются в 1,5-2,5 раза.

Четвертая глава посвчшена обоснованию рациональных способов проведения и средств крепления широких выработок. В ней приведены результаты опытно-промышленных испытаний предложенных автором конструкции крепи и технологии проведения широких выработок, а гакже методика расчета параметров крепи для этих выработок.

Проведенный анализ, а гакже результаты исследований проявлений юрного давления в выработках шириной 6,5-10 м показали, что в настоящее время известные конструкции металлических поддерживающих крепей не позволяют эффективно использовать их в условиях повышенного горного давления, что характерно для широких выработок, особенно на глубинах, достигнутых горными работами на Воркутском месторождении. В свя-

зи с этим была поставлена задача разработать такую конструкцию крепи, которая обеспечила бы ее эксплуатационную надежность и необходимую несущую способность. Основной идеей, положенной в основу разработанной конструкции крепи, явилось обеспечение постоянного сопротивления узла податливости. Это достигается за счет того, что в металлической арочной податливой крепи, состоящей из верхняка и стоек, соединенных между собой внахлестку узлами податливости, состоящими из скобы, планок и гаек, планка каждого узла податливости имеет ^образную форму и изготавливается из переформированного отрезка спецпрофиля, имеющего зазоры между боковыми стенками с возможностью их смыкания при монтаже узла податливости, для придания им пружинящих свойств при воздействии на крепь нагрузок со стороны кровли. Такая конструкция позволяет обеспечить повышенную несущую способность крепи за счет стабилизации усилия сжатия элементов крепи, обеспечивающей постоянное сопротивление узла податливости.

Промышленные испытания новых замков с использованием пружинящих планок ППК производились в конвейерном штреке 822-ю пласта Тройного на шахте "Воркутинская". Результаты наблюдений за смещениями пород кровли на экспериментальном и базовом участках при креплении их металлической арочной крепью с замками ППК и ЗМК представлены на рис. 3. Как видно, смещения пород кровли, отмеченные на реперных станциях за период наблюдений в течение 75 суток, составили на экспериментальном и базовом участках соответственно 26 и 72 мм, то есть на экспериментальном участке они были в три раза меньше. На разработанную конструкцию крепи получен патент на изобретение №2135774 (Металлическая арочная податливая крепь) от 15.10.98 г.

1001-------------1--

I

2 80---------

| 60

и

X

X

и

140 о

20

0 10 20 30 40 50 60 70 время I, сут

Рис. 3. Графики смещения пород кровли на экспериментальном базовом участках

В отечественной и зарубежной горной практике накоплен значительный опыт проведения широких выработок. При всем многообразии технологий их можно условно разделить на две группы: первая - это технологические схемы с проведением выработки сразу на заданное сечение, вторая -технологические схемы с опережающим сооружением выработки малым сечением и последующим расширением ее до принятого сечения. Анализ известных способов сооружения выработок большого сечения показывает, что всем им в известной мере присущи такие недостатки, как трудности оформления забоя и возведения крепи, возможность расслоения и внезапных вывалов породы, невозможность оперативного регулирования параметров заходок или первоначально проводимых выработок с учетом устойчивости породы, ограниченная область применения и т.п.

В основу разработанного автором способа проведения широких выработок было поставлено условие минимизации расслоения пород кровли от действия сил горного давления путем регулирования параметров (ширины и глубины) заходок и их количества. Для этого предварительно определяется мощность и прочность каждого из породных слоев кровли на высоту, равную не менее половины ширины проводимой выработки, а затем по полученным данным вычисляют их средние значения и рассчитывают величину площади устойчивого обнажения, при котором не происходит расслоение пород кровли. При достижении кровлей этой площади обнажения производят ее анкерование и после этого приступают к выемке смежной заходки.

Для проверки разработанного способа проведения выработок, определения минимальных размеров заходок и параметров крепи выработок были проведены комплексные исследования в условиях шахт ОАО "Воркутауголь" Натурные наблюдения проводились на шахтах "Октябрьская", "Ворга-шорская", "Южная" и "Заполярная".

В процессе эксперимента использовались различные схемы крепления монтажной камеры на четырех участках. На рис. 4 приведена выкопировка из плана горных работ экспериментального участка и схемы крепления монтажных камер. В результате обработки данных шахтных измерений была получена корреляционная зависимость площади устойчивого обнажения кровли от усредненной мощность слоев кровли и их средневзвешенной крепости/, которая выражается в виде формулы:

Выбор технологической схемы проведения выработки зависит от расчетной величины В зависимости от характеристик пород кровли и ширины проводимой выработки рекомендованы следующие схемы их проведения. Схема 1 - проведение выработки сразу на полную ширину В с глубиной заходки h не менее шага установки крепи. Схема 2 - проведение выработки двумя заходками с разделением ширины выработки на две части Для обеих схем должно выполняться условие:

5У = 0,316/

(1)

^у^'мр >

где - фактическая ширина проводимой заходки.

(2)

XXX X X хххххххххх

) конвейерный ппрск 1155-ю пл Четвертого

венти-шционный штрек 632-ю пл Четвертого

Участок II

1

й

Рис.4. Вмконироикэ и! плана юрных рабог жеперичемгальнот участка и сх^мы крем гспия

чошажпон камеры

Наблюдения показали, что ширина заходок, которую определяли по условию, исключающему расслоение пород в них, а также установка крепи в заходке и крепи усиления (длинных анкеров) на границе заходок, значительно уменьшают величину смещения кровли и повышают ее устойчивость. Исследования на участках с различными видами и параметрами крепи монтажной камеры показали, что за один и тот же период времени смещения пород кровли в базовой выработке в 4-7 раз превышают смещения, зафиксированные на экспериментальных участках. Необходимо отметить, что минимальные смещения кровли (20—30 мм) зафиксированы на участках с установкой в качестве крепи усиления длинных анкеров.

Результаты исследований позволили разработать методику определения параметров анкерной крепи широких выработок, так как действующей нормативный документ, в частности "Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России", не охватывает выработки шириной более 6,5 м. Методика предназначена для расчета параметров анкерной крепи в выработках шириной 6,5-12 м, проводимых в типичных горно-геологических и горно-технических условиях угольных шахт Печорского бассейна, включая условия интенсивного проявления горного давления на больших глубинах, проведение выработок в слабых трещиноватых породах и охрану их целиками. Особенность данной методики заключается в том, что определение параметров коротких анкеров осуществляется по величине смещений кровли только в заходках, а длинных анкеров - с учетом всей ширины выработки, при этом используется установленная в работе зависимость величины смещений кровли в выработках от их ширины, а количество и параметры заходок определяются с учетом устойчивости кровли в них и общей ширины проводимой выработки.

В диссертации представлен порядок расчета, даны формулы для определения исходных величин смещений кровли, сопротивления крепи, длины анкеров и плотности их установки. Приведены примеры расчета параметров анкерной крепи широких выработок по предлагаемой методике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи выбора способов проведения и крепления широких выработок, что имеет важное практическое значение для повышения эффективности применения современных средств комплексной механизации при подземной разработке угольных пластов.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Существующие виды рамной крепи и принятая технология проведения выработок шириной 6,5-10,0 м не обеспечивает их устойчивого состояния, при этом величины конвергенции пород в зоне опорного давления

достигают 800-900 мм и более и для поддержания выработок в эксплуатационном состоянии требуются дополнительные мероприятия и значительные затраты по усилению крепи и по перекреплению выработок.

2. С увеличением ширины выработок от 5 до 10.0 м при прочих равных условиях величины смещений в них увеличиваются в 1,5-2,5раза. В выработках одинаковой ширины с увеличением прочности пород с 30 до 60 МПа смещения кровли уменьшаются в 2-3,5 раза; при увеличении глубины работ с 400 до 1000 м смещения увеличиваются в 1,8-2,0 раза.

3. Технология проведения широких выработок заходками позволяет применять параметры крепи, полученные из условия обеспечения минимальных смещений и расслоений пород кровли в отдельных заходках. Получена зависимость плошади устойчивого обнажения кровли в заходках от их ширины и длины, мощности и прочности пород кровли.

4. При проведении широких выработок заходками и креплении кровли анкерами различной длины, короткими в заходках и длинными на ее границе со смежной заходкой, деформации и разрушения кровли выработки происходят при более высоком уровне нагрузок, чем при креплении только короткими анкерами, при этом в поперечном сечении широкой выработки мини-мальиые величины смещений кровли происходят в месте установки длинных анкеров. В выработках, пройденных в массиве, длинные анкеры в данном случае можно рассматривать в качестве дополнительной опоры, вблизи которой смещения кровли в выработке практически отсутствуют.

5. Разработана и испытана новая конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой заложено требование обеспечения постоянного сопротивления узла податливости, которое достигается ^образной в поперечном сечении формой планки замка, выполняемой из переформированного отрезка спецпрофиля, обладающей пружинящими свойствами при воздействии на крепь нагрузок со стороны пород кровли.

6. Разработаны и испытаны четыре схемы проведения широких выработок с использованием заходок и крепления их анкерной и комбинированной крепями. При этом наименьшие смешения кровли имеют место в выработках с применением анкерной крепи различной длины, устанавливаемой в заходках и на их границе.

7. Разработана методика расчета параметров анкерной крепи широких выработок, отличительной особенностью которой является: определение параметров коротких анкеров по величине смещений кровли только в за-ходках и длинных - с учетом всей ширины выработки, использованием зависимости величины смещений кровли в выработках от ее ширины и определение количества и параметров заходок с учетом устойчивости кровли в них и общей ширины проводимой выработки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующихработах:

1 . Борисов А. В., Вернигор В. М., Долоткин Ю. Н. и др. Анкерная крепь для поддержания сопряжений выработок с лавой // Безопасность труда в промышленности. - 1998. -№ 10.-С. 12-14.

2. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н., Тютюнников М. М. Крепь для охраны но и отите 1Ы1Ы\ выработок / Патент РФ на изобретение № 2112882 от 17 06 96 г

3. Борисов А. В., Назинцев П. М., Долоткин Ю. Н. и лр. / Патет РФ на изо-брек'пие № 2115774 01 15 10 98 г Металлическая арочная податливая крепь

4. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н., Погудим Ю. М. и др. Оценка устойчиво-ии кровли широкой выработки с рамной и анкерной крепью // Гтюкауф - Эссен Ф1Ч 1999 -№2 - С 17-22

5. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н., Погудин Ю. М. и др. Способ сооружения г орной выработки / Патент РФ на изобретение № 2167299 от 29 06 99 I

6. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н., Погудин Ю. М. Оценка ¡ффеыивносш методов анкерования кровли горной выработки Со ф М1 I У - М 2002, № 9 -С 149-151

7. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н., Погудин Ю. М. и др. Исследование устойчивости кровли вырабоюк с рамными крепями Со |р М1 1 У - М , 2002 - № 9 -С 151-152

8. Борисов А. В., Долоткин Ю. Н., Погудин Ю. М. и др. Определение рациона 1ым.1\ парлмсфом зон анкеронания кровли в проходческом забое Сб науч С1 Меж 1\ наро шои нау чно-мрам ической конференции - Новокузнецк, 2003 -С 172 175

9. Борисов А. В., Вовк А. И., Погудин Ю. М. Экспериментатьное крепление демошажпои камеры ыатеполимерными анкерами Сб ф МГГУ - М , 2003 №11 С 98 99

Печатный цех ВНИМИ. Зак 1 Тираж 100 Объем 1,25 п. л.

25.00

1 6 «FF. M " Í

42

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Борисов, Алексей Валентинович

Общая характеристика работы.

Глава 1 Состояние изученности вопроса, цель, задачи и методы исследования

1.1 Горно-геологические и технологические особенности разработки пластов на шахтах Воркутского месторождения.

1.2 Основные физико-механические свойства вмещающих пород и их характеристики.

1.3 Состояние изученности вопроса крепления широких выработок

1.3.1 Отечественный и зарубежный опыт крепления широких выработок.

1.3.2 Методы определения параметров анкерной крепи.

Глава 2 Исследования проявлений горного давления в выемочных штреках и монтажных камерах.

2.1 Методика исследований.

2.2 Исследования проявлений горного давления в конвейерных и вентиляционных штреках.

2.2.1 Шахта "Комсомольская".

2.2.2 Шахта "Заполярная".

2.3 Исследования проявлений горного давления в монтажных камерах.

Выводы по главе

Глава 3 Исследование устойчивости широких выработок на моделях из эквивалентных материалов.

3.1 Методика исследований.

3.2 Влияние параметров анкерного крепления на величину и характер смещения кровли широких выработок

Выводы по главе.

Глава 4 Разработка рациональных способов проведения и средств крепления широких выработок.

4.1 Разработка конструкции рамной податливой крепи для широких выработок.

4.2 Разработка технологии проведения и крепления широких выработок.

4.3 Методика определения параметров анкерной крепи широких выработок.

4.3.1 Основные исходные данные и расчетные положения

4.3.2 Порядок расчета, определение смещений пород и оценка интенсивности горного давления.

4.3.3 Выбор конструкции анкерной крепи широких выработок и способ их проведения.

4.3.4 Примеры расчета параметров анкерной крепи широких выработок.

Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка способов проведения и средств крепления широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на шахтах Воркутского месторождения"

Актуальность работы

Современное состояние угольной промышленности РФ характеризуется сравнительно низкой производительностью очистных забоев, которая в среднем по отрасли не превышает 1400 т/сутки. Дальнейшее успешное развитие угольной промышленности требует значительного увеличения нагрузок на очистные забои с доведением их на пластах средней мощности и мощных до 5-10тыс.т/сутки. Выпускаемые в настоящее время отечественные и зарубежные механизированные комплексы последнего поколения такие как КМ-138, КМ-142, КМ-144, КМ 700/800, МКЮ, "Лонгволл", "Джой", ДБТ и др. в состоянии обеспечить такие нагрузки, однако их применение требует определенных условий при подготовке выемочных участков и, в первую очередь, проведения и поддержания выработок большого сечения , в том числе находящихся в зоне активных проявлений горного давления (зоны опорного давления от отрабатываемого и смежного выемочных столбов). К таким выработкам относятся выемочные штреки, а также монтажные и демонтажные камеры. Практика показывает, что в сложных условиях, особенно в зоне влияния опорного давления, при проведении и эксплуатации этих выработок часто возникают аварийные ситуации, связанные с обрушениями кровли и завалами выработок.

Проблеме обеспечения устойчивости широких выработок посвящены работы таких ученых, как Ардашев К.А., Заславский Ю.З., Мостков В.М., Зубов В.П., Райский В.В., Рева В.Н., Розенбаум М.А., Привалов A.A., Долот-кин Ю.Н., Калинин С.И., Штумпф Г.Г., Ремизов A.B., Храмцов В.И. и др. Несмотря на значительный научно-технический прогресс и достигнутые успехи проблема проведения и эффективного' поддержания широких выработок, особенно в зоне активных проявлений горного давления, до сих пор не решена. Практически отсутствуют рамные крепи поддерживающего типа, позволяющие обеспечить эффективное поддержание этих выработок, а применение усиливающей крепи, особенно в монтажных и демонтажных камерах приводит к резкому снижению производительности монтажно-демонтажных работ. До настоящего времени не разработана технология проведения широких выработок, при которой была бы обеспечена их устойчивость при дальнейшей эксплуатации. Следует также отметить, что до настоящего времени нет единого мнения о характере деформирования кровли таких выработок и не разработана методология их крепления, отсутствуют нормативные документы, регламентирующие такие работы. Диссертационная работа, направленная на обеспечение устойчивого состояния широких выработок, имеет важное научное и практическое значение и поэтому является актуальной.

При проведении шахтных и лабораторных исследований большую помощь автору оказали: Ю.Н.Долоткин, О.Т.Степаненко, А.И.Вовк, В.В.Комиссаров, Ю.М.Погудин и другие, которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.

Целью работы является обеспечение устойчивости широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на основе установленных закономерностей деформирования вмещающих пород.

Идея работы заключается в том, что обеспечение устойчивости широких выработок достигается путем применения рамной арочной крепи постоянного сопротивления, и технологии проведения широкой выработки отдельными заходками заданной ширины с установкой на их границе анкеров повышенной длины.

Задачи исследований

1. Установить закономерности деформирования пород вокруг широких выработок в зависимости от величины незакрепленного пролета кровли, прочности пород и глубины их расположения.

2. Разработать на основе выявленных закономерностей способ крепления широких выработок, технологию их проведения и конструкцию крепи, обеспечивающих их устойчивое состояние.

3. Разработать методику расчета параметров анкерной крепи широких выработок.

Методы исследований. В работе использовался комплексный метод, включающий анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных, фондовых и патентных источниках; натурные эксперименты в условиях шахт "Заполярная", "Комсомольская", "Северная", "Воргашорская"; моделирование с помощью эквивалентных материалов в лабораторных условиях; статистическую и аналитическую обработку результатов исследований, полученных в натуре и на моделях.

Научные положения, выносимые на защиту

1. С помощью сталеполимерной анкерной крепи повышенной длины можно регулировать величину смещения кровли по ширине выработки, при этом кровлю широкой выработки можно рассматривать как многопролетную балку, опертую на краевые части массива и на промежуточные неподвижные опоры, в качестве которых используются анкера повышенной длины на границе заходок.

2. Для крепления широких выработок параметры коротких анкеров определяются по величине смещений кровли только в заходках, а параметры длинных анкеров - с учетом всей ширины проводимой выработки.

3. Интенсивность проявлений горного давления в широких выработках можно регулировать применением рамной крепи постоянного сопротивления и технологии проведения с помощью заходок, параметры которых определяются из условия минимальных смещений кровли.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Доказано, что при креплении кровли анкерами величина нагрузки, при которой она переходит в запредельное состояние зависит от длины анкеров, и в диапазоне 1,5-6,0 м она кратна увеличению их длины, при этом смещения кровли по ширине выработки имеют минимальные значения в местах установки длинных анкеров.

2. Получены зависимости величин смещений кровли выработок от их ширины в диапазоне 5-10 м для пород прочностью 30-60 МПа и глубины работ 400-1000 м. Установлено, что с увеличением ширины выработок от 5 до 10 м величины смещений кровли увеличиваются в 1,5-2,5 раза.

3. Установлено, что смещения кровли в широких выработках можно регулировать за счет применения анкерной крепи различной длины, устанавливаемой в заходках и на их границе и выбора рациональной ширины за-ходок. Получена зависимость величины устойчивого обнажения кровли в заходках, при минимальном её смещении, от ширины и длины заходок, мощности и прочности пород кровли.

4. Разработана и испытана новая конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой положено требование обеспечения постоянного сопротивления оригинального узла податливости. Применение разработанной крепи, по сравнению с базовой, позволяет уменьшить смещения кровли в выработках в 1,5-2,0 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается представительным объемом исследований, проведенных на шахтах ОАО "Воркутауголь", (было оборудовано 22 замерных станции на 3-х пластах) моделированием на эквивалентных материалах в лабораторных условиях (отработано 26 моделей), хорошей сходимостью расчетных и фактических параметров проведения и крепления широких выработок, положительными результатами промышленных испытаний разработанных конструкций крепи и способа проведения широких выработок на шахтах "Октябрьская", "Воргашорская", "Южная", "Заполярная", "Северная" и др.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета параметров анкерной крепи широких выработок;

- разработана, создана и прошла промышленные испытания новая конструкция рамной крепи для широких выработок;

- обоснована и разработана новая технология проведения широких выработок;

- обоснованы и прошли промышленные испытания рациональные схемы проведения широких выработок с применением анкерной и комбинированной крепей.

Реализация работы Результаты работы используются при решении вопросов проведения широких выработок на шахтах ОАО "Воркутауголь" в проектных и конструкторских организациях при проектировании горных работ, выборе типа крепи и технологии проведения широких выработок, а также при составлении нормативно-методических документов, регламентирующих применение анкерной крепи на шахтах России.

Апробация работы Основные положения диссертации докладывались на Всероссийском совещании по корректировке и подготовке окончательной редакции "Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России", Санкт-Петербург 16-18 ноября 1999 г.; на техническом совещании ОАО "Воркутауголь", Воркута, 1 декабря 1999 г.; на секции НТС Госгортехнадзора России по угольной промышленности, (Москва, 21 мая 1997 г.); на секции по горному давлению и горным ударам Ученого Совета ВНИМИ (Санкт-Петербург, 2003 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методики исследований, организации и участии в экспериментальных исследованиях на шахтах ОАО "Воркутауголь", участии в разработке и промышленном испытании новых конструкций крепи и способа проведения широких выработок и получении на них "Патента на изобретения РФ", обработке материалов экспериментов и получении научных результатов.

Публикации По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35" рисунков, список используемой литературы из 63 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Борисов, Алексей Валентинович

Выводы по главе

1. В настоящее время отсутствуют способы эффективного проведения и применения широких выработок, обеспечивающих их устойчивость при проведении и последующей эксплуатации, максимально учитывающие горно-геологических особенности залегания пород и условия эксплуатации выработок.

2. Разработана и испытана конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой заложено требование обеспечения постоянного сопротивления узла податливости, которое достигается и-образной в поперечном сечении формой планки замка, выполняемой из переформированного отрезка спецпрофиля и обладающей пружинящими свойствами при воздействии на крепь нагрузок со стороны пород кровли.

Исследования показали, что применение такой конструкции крепи выработок позволяет в три раза уменьшить величину смещений кровли и обеспечить устойчивое состояние выработки.

3. Установлено, что применение технологии проведения широкой выработки заходками по её ширине позволяет применять их параметры, полученные из условия обеспечения минимальных смещений и расслоений пород в заходке до возведения крепи. Получена зависимость устойчивого обнажения кровли в заходках от их ширины и длины, мощности и прочности породных слоев кровли.

4. Испытаны четыре схемы проведения широких выработок с использованием заходок, которые крепили арочной рамной и комбинированной крепью. Наименьшие смещения пород кровли отмечены при проведении выработки заходками, параметры которых определялись по полученной автором зависимости. Параметры сталеполимерной анкерной крепи определены в соответствии с шириной заходки, а на границе заходок устанавливалась крепь усиления, состоящая из анкеров крепи большой длины. Исследования показали, что величины смещений в этом случае в 4-7 раз меньше, чем в базовом варианте при проведения выработки сразу на полную ширину и креплении выработок металлической рамной крепью.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи выбора способов проведения и крепления широких выработок, что имеет важное практическое значение для повышения эффективности применения современных средств комплексной механизации при подземной разработке угольных пластов.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Существующие виды рамной крепи и принятая технология проведения выработок шириной 6,5-10,0 м не обеспечивает их устойчивого состояния, при этом величины конвергенции пород в зоне опорного давления достигают 800-900 мм и более и для поддержания выработок в эксплуатационном состоянии требуются дополнительные мероприятия и значительные затраты по усилению крепи и по перекреплению выработок.

2. С увеличением ширины выработок от 5 до 10,0 м при прочих равных условиях величины смещений в них увеличиваются в 1,5-2,5разра. В выработках одинаковой ширины с увеличением прочности пород с 30 до 60 МПа смещения кровли уменьшаются в 2-3,5 раза; при увеличении глубины работ с 400 до 1000 м смещения увеличиваются в 1,8-2,0 раза.

3. Технология проведения широких выработок заходками позволяет применять параметры крепи, полученные из условия обеспечения минимальных смещений и расслоений пород кровли в отдельных заходках. Получена зависимость площади устойчивого обнажения кровли в заходках от их ширины и длины, мощности и прочности пород кровли.

4. При проведении широких выработок заходками и креплении кровли анкерами различной длины, короткими в заходках и длинными на её границе со смежной заходкой, деформации и разрушения кровли выработки происходят при более высоком уровне нагрузок, чем при креплении только короткими анкерами, при этом в поперечном сечении широкой выработки минимальные величины смещений кровли происходят в месте установки длинных анкеров. В выработках, пройденных в массиве, длинные анкеры (£>В/2) в данном случае можно рассматривать в качестве дополнительной опоры, вблизи которой смещения кровли в выработке практически отсутствуют.

5. Разработана и испытана новая конструкция рамной крепи для широких выработок, в основу которой заложено требование обеспечения постоянного сопротивления узла податливости, которое достигается и-образной в поперечном сечении формой планки замка, выполняемой из переформированного отрезка спецпрофиля, обладающей пружинящими свойствами при воздействии на крепь нагрузок со стороны пород кровли.

6. Разработаны и испытаны четыре схемы проведения широких выработок с использованием заходок и креплении их анкерной и комбинированной крепями. При этом наименьшие смещения кровли имеют место в выработках с применением анкерной крепи различной длины, устанавливаемой в заходках и на их границе.

7. Разработана методика расчета параметров анкерной крепи широких выработок, отличительной особенностью которой является: определение параметров коротких анкеров по величине смещений кровли только в заходках и длинных - с учетом всей ширины выработки, использованием зависимости величины смещений кровли в выработках от её ширины и определение количества и параметров заходок с учетом устойчивости кровли в них и общей ширины проводимой выработки.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Борисов, Алексей Валентинович, Санкт-Петербург

1. Кононенко В.К. Эффективные способы крепления сопряжений выработок шахт Западного Донбасса. Шахтное строительство. 1985, №5.

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

3. Использование анкерной крепи при очистной выемке угля. А.П.Широков, В.А.Шемякин. Обзор. -М., 1976.

4. Маухер Б., Могк Э., Кулассек М., Росински Д. Оптимизированная концепция крепления в заключительной фазе отработки на шахте "Вальзум". Глюкауф, 1999, ноябрь №2.

5. Руппель У., Ополони К. Особенности применения анкерной крепи на высокопроизводительных добычных участках в аспекте международного сравнения. Глюкауф, 2000, сентябрь №2.

6. Лангханки Б. Проектная концепция повторного использования штрека прямоугольного сечения с анкерной крепью. Глюкауф, 2002, март №1(2).

7. Уве Райнэкке. Проходка штрека прямоугольного сечения с применением анкерной крепи. Глюкауф, 1998, №2.

8. Лангош У. Проектные основы управления горным давлением комбинированной крепью в пластовых штреках. Глюкауф, 2002, март №1.

9. Райневардт К.-Ю. Современный уровень развития и новые разработки проходческой техники в компании Глюкауф, 2001, июнь№1.

10. Ополони К., Полисос Н., Бартель Р., Люттиг Ф. Техника крепления анкерами на шахтах компании ДСК-теория и практика. Глюкауф, 2000, май №1(2).

11. Руппель У., Виттенберг Д., Хольгер Виттхаус. Расширение области применения анкерной крепи. Глюкауф, 2000, май №1(2).

12. Горбачев Д.Т., Крашкин И.С., Саламатин А.Г. К вопросу применения многоштрекового способа подготовки выемочных полей на перспективных шахтах. Уголь, 1997, июнь №6.

13. Лама Р. Д., Маршалл П. Повышение скорости проходки подготовительных выработок в каменноугольной промышленности Австралии. Глюкауф, 1990, декабрь 23/24.

14. Отчет о научной командировке на 15-ю Международную конференцию по горному давлению. США, г.Голден. 1996 г. ВНИМИ. 1997.СП6.

15. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. СПб., ВНИМИ, 1991. 87 С.

16. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Печорского бассейна. СПб., Воркута, ВНИМИ, 1995. С.59.

17. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Кузнецкого бассейна. ВНИМИ, КузНИУИ, Прокопьевск, 1996. -С.93.

18. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса. СПб., ВНИМИ, 1998.

19. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Ростовской области. Шахты, ШахтНИУИ, 1993. С. 121.

20. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. СПб. ВНИМИ. 2000. С.69.

21. Заславский Ю.З. Крепление капитальных горных выработок в глубоких шахтах Донбасса. Уголь Украины, 1963, №3.

22. Бетенин М.Е. Об устойчивости капитальных выработок на глубоких шахтах. Уголь Украины, 1963, №11. С.13-15.

23. Давыдович И.Л., Ю., Басинский Ю.М., Беркович И.М. Выбор основных расчетных параметров для крепления капитальных выработок глубоких шахт. Уголь Украины, 1963, №12. С.8-11.

24. Бетенин М.Е. Влияние слоистости горных пород и сечения выработок на характер их деформаций. Уголь Украины, 1964, №9. -С. 6-8.

25. Епифанцев Ю.К., Комиссаров М.А., Максименко А.Н. Проведение и крепление подготовительных выработок на шахтах Украины. Уголь Украины, 1964, №2. С.1-9.

26. Сосновский М.В. Гипотеза горного давления в выработках глубоких шахт. Уголь Украины, 1964, №5. С.48-50.

27. Максименко Я.С., Олейников Ю.А., Ткаченко В.И. и др. Камерно-столбовая система разработки на шахте XXI съезда КПСС. Уголь Украины, 1964, №6. С.7-9.

28. Трушко В.Л., Протосеня А.Г., Матвеев П.Ф. и др. Геомеханика массивов и динамика выработок глубоких рудников. Санкт-Петербургский горный институт. СПб. 396 с.

29. Мурзаев Г.Г., Протосеня А.Г., Огородников Ю.Н. и др. Крепь горных выработок глубоких рудников. М., Недра, 1984. С.250.

30. Протосеня А.Г. Методика расчета параметров крепи стволов, сооружаемых в пластичных породах. Шахтное строительство, 1990, №5. -С.23-25.

31. Орлов В.В. К вопросу о выборе типа крепи для горных выработок на больших глубинах. Сб. Разработка угольных месторождений на больших глубинах, Углетехиздат, 1955. С.47-52.

32. Ефремов Г.Д. Крепь для капитальных горных выработок глубоких шахт. Уголь Украины, 1963, №12. С.1-9.

33. Алферов Б.В., Липкинд Р.И. О расчетах нагрузок на крепь капитальных выработок глубоких шахт Донбасса. Труды УкрНИИОМШс, вып.ХН, Госгортехиздат, 1961. С.23-27.

34. Покалюков С.Н. Рациональные конструкции сборной железобетонной крепи для горно-капитальных выработок глубоких шахт. Харьков, Ред.из.отд.ВНИИОМШс, 1963. С.54-56.

35. Спелдинг Дж. Управление горным давлением. Теория и практика. Сб.Горное давление, Госгортехиздат, 1961. С.36-43.

36. Шуерман Ф. Борьба с ослаблением напряжений в породах, составляющих стенки выработки. Доклад на Международной конференции по горному давлению. Париж, 1960. С.150-158.

37. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. Госгортехиздат, 1963. С.234.

38. Максимов А.П. Некоторые соображения об устойчивости горных выработок при разработке глубоких горизонтов. Шахтное строительство, 1964, №5. С.15-18.

39. Salustowier A. Gorofwor jano osroder Maxwell, Ksiege Jubileuszowe prof.dra.inz.Wierbickiego, 1959. C. 167-174.

40. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. Углетехиздат, 1948. -С.252.

41. Кузнецов Г.Н. О механизме взаимодействия боковых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих угольных пластов. Сб.Исследование горного давления применительно к механизированным крепям. Углетехиздат, 1954. С.63-72.

42. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород. Углетехиздат, 1960. С.232.

43. Белаенко Ф.А. Расчет крепи стволов шахт на больших глубинах в условиях Донецкого бассейна. Сб. Разработка угольных месторождений на больших глубинах (труды совещания в г.Донецке в октябре 1953 г.). Углетехиздат, 1955. С.37-42.

44. Фенер Р. Исследования горного давления. Сб.Горное давление. Госгортехиздат, 1961. С. 187-191.

45. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. Сб.Горное давление. Госгортехиздат, 1961. С. 136-143.

46. Маньковский Г.И. Проходческие щиты в угольную промышленность. Шахтное строительство, 1963, №6. -С.8-11.

47. Булычев Н.С. О механизме взаимодействия массива пород с крепью вертикального ствола и расчете крепи. Сб.Горное давление и крепь вертикальных стволов. Госгортехиздат, 1963. С.43-47.

48. Вентер И., Стассен П. Давление и сдвижение в массиве мягких горных пород. Международный конгресс по горному давлению. Лейпциг, октябрь 1958. С.29-35.

49. Парашкевов Р. Върху избора на подходяща характеристика на крепежа за линии изработки, прокапани в слабы екали. "Минно дело и металлургия", 1963, №1.-С.19-21.

50. Авторское свидетельство СССР, №846738 кл.Е21Д11/14 "Узел податливости рамной крепи" Ю.Н.Макаров, А.А.Филинков, Б.И. №26, 1981.

51. Авторское свидетельство СССР, №875070 кл. Е21Д11/14 "Металлическая арочная податливая крепь" Ю.Н.Бессонов, В.Н.Левчук, В.И.Околопулак, Б.И.Костюкевич, В.Ф.Фатеев, Б.И. №39, 1981.

52. Авторское свидетельство СССР, №1592504 кл.Е21Д11/14 "Замковое соединение для элементов крепи из спецпрофиля" А.И.Соколов, Л.Ф.Новикова, В.А.Потапенко и др., Б.И. №34, 1990.

53. Патент РФ №2042032 кл.Е21Д 20/00 "Способ крепления горных выработок" Ю.М.Погудин, Э.Р.Бехтольд, В.Е.Геинц, Б.И. №23, 1995.

54. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть И. Набор модулей и пояснительная записка. М., ИГД им.А.А.Скочинского, 1991.-С.4.

55. Давыдович И.Л., Бажин Н.П., Коренной Ю.П. и др. Горное давление в подготовительных выработках угольных шахт. М., Недра, 1971. 288 с.

56. Управление деформациями горного массива : Сб.науч.тр. Л.: ВНИМИ, 1986.-130 с.

57. Якоби О. Практика управления горным давлением. М., Недра, 1987. 566 с.

58. Штумпоф Г.Г. Деформация и разрушение осадочных пород вокруг капитальных и подготовительных горных выработок// ФТПРПИ. 1990. -№3.

59. Донцул Н.Ф. Расчет расслаиваемости кровли очистных камер. СПб.: СЗТУ, 2001.-112 с.

60. Погудин Ю.М., Долоткин Ю.Н., Борисов A.B. и др. Исследование устойчивости кровли выработок с рамными крепями // Горный информационно-аналитический бюллетень, ММГУ, 2002, №9. С. 151-152.

61. Борисов A.B., Долоткин Ю.Н., Погудин Ю.М. и др. Оценка устойчивости кровли широкой выработки с рамной и анкерной крепью// Глюкауф, №2 (4), 1999. С. 17-21.

62. Отчет НИР по дог.№УН-178-02,ВНИМИ, 2003. Научн.руков.д.т.н. Розенбаум М.А. "Разработать рекомендации по применению сталеполимерной анкерной крепи в горных выработках шириной более 8 м, в том числе в зоне влияния очистных работ".