Ресурсосберегающая технология строительства капитальных горных выработок

Быков, Алексей Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Ресурсосберегающая технология строительства капитальных горных выработок
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Ресурсосберегающая технология строительства капитальных горных выработок"

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ХОЛДИНГОВАЯ КОМПАНИЯ ДОНБАССШАХТОСТРОЙ

На правах рукописи

Быков Алексей Владимирович

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальности:

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

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Донецк - 2004

Официальные оппоненты:

Док юр технических наук, профессор Петренко Евгений Васильевич Доктор 1ехнических наук, профессор Шуплик Михаил Николаевич Доктор технических наук, профессор Катков Геннадий Алексеевич

Ведущая организация ОАО «КузНИИшахтострой»

'Защит состоится « 20 » апреля 2005 г. в 14 час. на заседании Диссертцион-иого совета Д 212.271.04 в Гульском государственном университете по адресу: 300600 г. Тула, пр. Ленина. 92. тел./факс: (0872) 352-112, l.-mail: nsbfajsps.tsu tula.ru

С диссершцией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана

Ученый секретарь диссертационного совета

Пискунов О.М.

jwej г.\чтъ

&o3f 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В 60-70-е юды прошлого столе шя в СССР еже! одно проходилось только на угольных шахтах около 1000 км капитальных горных выработок. При этом, обследование большого количества выработок в Донецком бассейне показало, что из-за нерационального оконгуривания выработок при буровзрывном способе проходки имеются большие переборы пород и их чрезмерное разрушение. Отсюда - ухудшение условий работы крепи и большой объем ремонтных работ. Были случаи, когда капитальные горные выработки дважды перекреплялись еще в период строительства шахгы. Это сопровождалось большим перерасходом строительных материалов - бетона и, особенно. - металла.

Будучи руководителем треста Горловскуглсстрой и Республиканскою объединения «Укршахтострой» автор организовал выполнение комплекса научно-исследовательских работ с целью совершенствования юрно-капитальных работ (проведения и крепления выработок) на основе широкого использования имеющихся научных достижений и поиска оптимальных решений для каждого технологического процесса. Авюр привлек к выполнению этих работ ведущих ученых и специалистов страны, и сам принял в них непосредственное личное участие.

Главные результаты работ следующие. Разработка и широкое внедрение на угольных шахтах Донбасса способа контурного щадящею взрывания, который впервые был применен на шахтах, опасных по газу и пыли. Впервые на угольных шахтах получила широкое внедрение набрызгбетонная крепь. Наконец, была разработана и внедрена новая, даже с точки зрения сегодняшних достижений горной науки, гибкая ресурсосберегающая технология применения крепи регулируемого сопротивления, идея которой принадлежит автору

В представленной диссертации обобщены научные труды и изобретения автра в области проведения и крепления выработок почти за сорок лет. с 1967 г по 2004 г Разумеется, много трудов опубликовано в соавторстве Разрабо1ка теоретических положений, математические расчеты принадлежат соавторам

Личный вклад автора заклю

шатал ■ главным образом» в организации и выполпе-

РОС И ' М.ХЬНАЯ

нии натурных инструмент »ных наблюденр^-АВКлю ия разрабо(ку и»меритель-

С "i ¡»'»ург

ЮОбРК

пых усгройсгн. установку замерных станций, организацию и осуществление пительных (иногда до года) наблюдений, анализ и обработку полученных ре-IV шаюв. Внедрение результатов автор также целиком взял на себя

В настоящее время трно-капитальные работы резко сократились, если не оказагь - прекратились Однако, мы думаем, все понимаки, что это явление временное В России ото, в какой то степени, «заслуга» шахтостроитетей, под1 отопивших в снос время достаточно запасов полезных ископаемых для разработки. 13 обозримом будущем ни наши ораны, ни мир в целом, не может обойтись без юлезных ископаемых. В России уже сегодня ак авизируются трно-капитальные работы в Концерне «Норильский Никель», проектируется подземный рудник «Мир» Компании «Алроса» Не обойтись и без >пя.

Представленная работа не утра! ила своей актуальности Накоплен большой фактический материал натурных наблюдений, который требует тальнейшего анализа и осмысления. Далеко не исчерпала себя идея крепи регулируемою сопротивления которая получила в пасюяшее время в России дальнейшее развитие

Целью работы является научное обоснование и разрабо!ка комплексной ресурсосберегающей технолоши проведения и крепления капитальных юрных выработок в которой все (ехнологические процессы, начиная с буровзрывных рабо1 и кончая креплением, основанным на управлении несущей способностью крепи, при строительстве выработок в зависимости 01 конкретных юрно-гсологических условий, взаимно дополняют друг друга, чю позволит повысить эффективное!ь и обеспечить безаварийность работ и жентуатационную надежное^ выработок

Идея работы заключается в максимальном использовании законов деформирования и разрушения горных пород в массиве и принципа регулирования несущей способности крепи на основе контроля смешений породной поверхности выработки для получения эффекжвных и зкономичныч инженерных решений по техно гагии строительства капитальных горных выработок.

Методы исследования включают, главным образом натурные инырумен-|альные наблюдения и их обработку с применением статистических меюдов и корречяпионного анализа и обобщение наработанного опыта

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

Буровзрывные работы

- В результате экснеримешальных взрывов и натурных наблюдений установлено новое явление: образование в массиве пород вокр>т выработки при взрывных работах ранее неизвестных трещин, ориентированных почти параллельно кош>ру ссчения выработки Глубина распространения этих трещин вглубь массива, считая от линии оконтуривающих шпуров в 3-4 раза превышает глубину проникновения обычных радиальных трещин вокруг шп>ров. Вновь обнаруженные трещины не являются локальными, а распространяются в массиве почти по всему периметру выработки, а 1аюке вдоль нее.

- В резулыа1е опытно-промышленных взрывов установлена зависимость модуля наведенной фещиноваюеш пород от расстояния до оконтуривающих шпуров.

- Разработан (совместно с П Я Тарановым и Е М Гарцуевым) метод контурною щадящего взрывания, с последующим окоптуриванием путем взрывания в оконтуривающих шпурах зарядов малого диаметра мощных ВВ и зарядов малого диаметра маломощных ВВ

Набрызг-бетонная крепь

- [3 результате натурных инструментальных наблюдений усыновлен эффект упрочнения пород в результате применения набрызг-бетонпой крепи, характеризуемый коэффициентом эффективности Эффект >прочнения отсутствует в

устойчивых породах (уН / (7С < 0,2 ) и составляет около 20 % в породах

средней усюйчивости (здесь ас предел прочности пород на сжатие).

- Установлены корреляционные зависимосж среднего ради>са зоны нсупругих деформаций вокруг выработки и смещений кровли выработки от параметра уН!^.

- Введено понятие критических смещений пород ограничивающих область применения набрызг-бетонной крепи Установлено, что критические смещения кровли выработок при толщине набрызг-бетонного покрытия 20-50 мм являются практически посюянными и составляют {икр / Ь) ■ 102 = 1,3 . где Ь -пролет выработки.

Крепь регулируемого сопротивления

- На основании результатом внедрения набрызг-бетонной крепи предложено использовать понятие «критических смещений», как критерия необходимости ее усиления. и в развитие нот направления, выдвинута идея «крепи регулируемого сопротивления» охватывающей все возможные основные варианты комбинаций различных видов и типов крепи в горно-геологических устовиях Донбасса

- Предложен критерий и получены на основании натурных наблюдений эмпирические расчетные зависимости для определения величин сиптальных смещений кровли выработок для датчиков крепи регулируемою сопротивления, учитывающих конструкцию крепи, интенсивность смещений пород и способ проходки выработки.

Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечивается представительностью исследуемых совокупностей. Обьс-мы натурных инсгруметальных наблюдений содержат сотни и тысячи измерений Измерения, как правило дублировались а результаты измерений взаимно контролировались Полученные корреляционные зависимости характеризуются коэффициентами корреляции с абсолютными значениями, превышающими 0.9. Получена удовлетворительная сходимость расчетных зависимостей с данными шахтных инструментальных наблюдений (максимальное расхождение не превышает 25%) Достоверность подтверждается также положительным опытом внедрения результатов исследований в практику шахтного строительства.

Научное значение диссертационной работы заключается в научном обосновании и реализации нового подхода к выбору параметров технологии проходки и креп тения кап и тальных юрных выработок, основанном на четком (рег>ли-руемом) их изменении в зависимости от конкретных юрно-геологических усто-вий породною массива, с учеюм технологической совместности проходческих операций с изменяющимися конструктивными особенностями крепи на основе установленных закономерностей разрушения и деформирования пород вокруг капитальных горных выработок

Практическое значение и реализация работы. Разработан метод контурною щадящего взрывания. впервые примененный на шахтах, опасных по газу и пыли. Впервые в угольной промышленности для крепления капитальных горных выработок применена набрызг-бетонная крепь. Разработан и внедрен на шахтах Донбасса метод крепления капитальных горных выработок крепью регулируемого сопротивления.

Результаты работы вктючены в нормативно-технические документы [14. 27, 28, 32], а также во Временное руководство по проектированию ресурсосберегающих конструкций крени капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна (ОАО "Росуголь" утверждена в 1997 г )

Рекомендации по креплению капитальных горных выработок приняты производственными обьединениями «Артемуголь», «Артемшахтострой», «Вороши-ловтрадшахтострой», «Ворошиловградуголь», «Горловскуглеорой», «Калинин-уголь», «Краснодонуглестрой», «Краснодонуголь», «Оргтехшахтострой», «Шах-герскан I рацит», при конкретном проектировании и планировании горных работ.

Результаты диссертационных исследований внедрены на шахтах Донбасса: «Александр-Запад». «Ворошиловградская» № 1, «Игнатьевская». «Комсомолец Донбасса». «Кондратьевская Новая», «Красный Октябрь». «С'уходольская Восточная», шахта им А Ф. Засядько, шахта им. Карла Маркса, шахта им. Румянцева

Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Неделе горняка (г Москва. 1999 - 2004 гг ); на Международной конференции «Проблемы 1еомеханики и механики подземных сооружений» (1 Тула 2003 г) на Научно-технических советах "Укршахтострой". "Краснодонуглестрой". "Краснодонуголь" (1987 - 1993 гг); на заседании круглою стола "Строительная геотехнология научно-технические проблемы освоения подземного пространства" (г Москва. 1998 г), на экспертных советах по шахгному строительству по программе "Уголь России" ОАО "Росуюль" (1994-1997 1г.); на исе-дании круглого стола "Научно-технические проблемы разработки экологически безопасных технолотий строительства и эксплуатации подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях" (г Москва. 1997 г.), на межвузовском

семинаре по проблеме "Освоение подземною просфанс!ва недр России и Украины" (1 Краснодон, 1996 г); на Всесоюзной научной конференции "Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения трных выработок" (1 Рудный. 1987 р.): на Всесокпном научно-техническом совещании «Совершенствование органтации и рехноннии проведения горизонтальных и нактонных горных вырабоюк» (г. Павлоград, 1983 г), на II Всесоюзной научной конференции «Проблемы механики подземных сооружений)/ (| Тула, 1982 г), на совместном Техническом совещании РО «Укршахтсфой» и ПО «Шахтерскантрацит» (г. Донецк, 1984 г.); на Секции шах 1 ною и горнорудного строительства НТС Госстроя СССР (1. Ворошиловград, 1982. 1985 гг ): па совместном заседании Секции шахтного и горнорудного строительств НТС 1 осстроя СССР и Секции проектирования и шахтною строительства НТС Мин-угленрома СССР (г Харьков. 1984 г.); на Региональной научно-гехнической конференции "Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ" (г. Тула, 1981 т ); на заседаниях Секции проектирования и шахтною строи ге 1ьсгва Минуглепрома СССР (г Харьков, 1969 г )

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 рабо>. И1 них главными являются 44 научные работы и изобретения

Авюр бла>одарит доктора технических наук профессора Картозия Б.А. за ценные консучыации и помощь при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Буровзрывные работы [6-9, 12-13, 15, 19)

Для решения вопроса о ликвидации переборов пород и чрезмерного рафу-шепия окружающих вырабо1ку пород исследовалось образование трещин в массиве при взрывных работах Был принят трудоемкий но достоверный метод исследования по кернам и по стенкам скважин, которые выбуривались в боках, кровле и иногда - в почве выработки Для наблюдения и анализа трещин в скважинах применялся прибор РВП-451 с помощью которою ючно фиксировалось количество трещин, их направление, раскрытие, а !акже расстояние от поверхности выработки. Одновременно делалась количес! венная

ноет и выработки Одновременно делалась количественная оценка переборов пород.

Трещины, вьнванные взрывными работами, отчетливо отличаются от природных, как при анализе кернов, так и при осмотре стенок скважин с помощью прибора РВП-451.

Массив I орных порол, примыкающий к выработке, имел неодинаковые разрушения как по длине заходки (шпура), так и по высоте выработки. Поверхностные разрушения стенок на iex участках, где располагалась забойка шпура, были меньше, чем на участках расположения заряда. В забое вокруг стаканов шпуров имелись трещины радиальные, идущие от оси шпуров в глубь массива, и кольцевые, расположенные по концентрическим окружностям вокруг шпуров. Радиальные трещины распространялись на 10—15 см от оси шпура

Пробуренные в стспках выработки скважины позволили обнаружить в массиве трещины ранее неизвестного вида - параллельные или почт параллельные сгенкам выработок Глубина их распространения, считая от линии оконтури-ваюших шпуров, достигала 40-50 см, ю есть в 3-4 раза превышала глубину проникновения в массив радиальных трещин. Ьолее гого, на участках между окон-туривающими шпурами радиальных трещин в стенках выработки не было замечено а трещины, параллельные или почти параллельные стенкам выработки, были.

При прохочке полевого бремсберга на шахте «Игнатьевская» было пробурено в кровле почве и. главным образом, в стенках 108 скважин Они позволили хорошо изучить новый вид трещин и убедиться, что массив вокруг выработки расслоен л ими трещинами Частота трещин у поверхности выработки гуще, чем в глубине массива У поверхности выработки трещины располагаются свитами, по 4-3-2 трещины в свите на расстоянии 2-4 мм одна от другой

По мере удаления от поверхности выработки в г тубь массива количество трещин постепенно уменьшается, а расстояние между ними увеличивается, и да-тее наблюдаются лишь одиночные трещины паратлельные или почти параллельные стенкам выработки

Одной из особенностей обнаруженных трещин являлось то. чю они не были локальными, а распространялись в массиве почти по всему периметру выработки, а также вдоль нее. В процессе бурения с промывкой при пересечении первой зоны фешин промывочная вода, поступавшая в выбуриваемую скважину. просачивалась по трещинам в соседние скважины То же наблюдалось при пересечении выбуриваемой скважиной второй и последующих зон фешин.

Взаимно последовательное просачивание воды при выбуривании все! о комплекта скважин по контуру выработки свиде1ельствует о том. чю вокруг выработок при их проведении буровзрывным способом образуются сплошные или почти сплошные зоны трещин, разделяющие массив : орных пород вокруг выработки на слои.

Результаты измерений фещиноватости пород вследствие взрывных работ в песчаниках в стене бремсберга шахты «Игнатьевская» показаны на рис 1. мерения характеризуются большим разбросом измеренных величин, тем не менее установлена корреляционная зависимость модуля трещиноватости пород от расстояния до линии оконтуривающих шпуров, которая имеет виде следующий вид

Мтр= 29 - 7,63 Ьп /тр . (1)

где Мтр- модуль трещиноватое (и (количество трещин на 1 м).

1тр - расстояние от оконтуривающих шпуров в пубь массива, см

Коэффициент коррепяции составляет 0.7637

Прослеживается некоторое различие модуля трещиноватосги вдоль шпуров на линии заряда и на линии забойки.

Установлено, что трещины распространяются в массив по периметру выработки на разную глубину, в зависимости от формы сечения выработки и 01 направления слоистости пород При прямоугольном ссчснии в боках выработки на учас1ке залегания однородных песчаников с направлением слоистости, пернен-шкулярным стенкам выработки, глубина трешинообразования составила 40-50 см от линии оконтуриваюших шнуров (рис 1). В кровле где залегали песчаники поч1и горизонтальными слоями мощностью 10-20 см, глубина грещинообразо-вания составила 65-70 см. а в почве выработки, где параллельно ей залегали гон-

кослоистые песчаники с мощностью слоев от 0,5 до 3 см, глубина распространения трещин в массив была максимальной и достигла 110-120 см. При сводчатой кровле глубина зоны трещнообразования в кровле была меньше, чем при плоской. - 32-34 см.

Расстояние от линии контурных шпуров, см

Рис I Зависимость модуля трешиноватости от расстояния до линии оконтуривающих шпуров.

Глубина зоны грещинообразования существенно зависит как от характера и крепости пород, так и о! вида ВВ. В табл. 1 приведены результаты измерений в стенах выработок в песчаниках и аргиллитах.

На шахтах, где проводились измерения, изучалось разрушение и переборы пород в стенках выработок После взрывания производилась оборка пород на глубину 20-30 см Но и после оборки на стенках отчетливо были заметны тре-

шины, которые с течением времени увеличивались. Раскрытие грещин и отслаивание кусков породы от массива происходило особенно интенсивно в течение первых 2-3 суток после взрывных работ и особенно - в api иллитах. Обшая глубина оборки за это время достигала 40-50 см Затем интенсивность раскрытия трешин и отслаивания кусков породы от массива уменьшалась, но эти явления не прекращались до возведения постоянной крепи.

Таб 1ица 1 Результаты измерений глубины зоны трешинообразования

Шахта, выработка / Сечение в свету, м2 ВВ 1 лубина зоны трещин, см

Игнатьевская, бремсберг 8-16 8,8 ПЖВ-20 40-50

Гам же, западный 3-3,5 1 9,1 ПЖВ-20 55-60

откаточный штрек

№ 5 им. Ленина. 2.5-2 7 9,5 Детонит 125

околоствольный двор 10А

Здесь/- коэффициент крепости по Протодьяконову.

Замеры переборов пород, проведенные в экспериментальных выработках, показывают, чго фактические контуры сечения выработок в проходке, как правило. существенно отличаются от проектных и по форме и по размерам. На шахте № 5 им. В. И. Ленина переборы нередко достигали 36-37 % площади сечения, а излишек сечения выработки -5 м2 Линейные величины переборов породы при проведении выработок околоствольного двора на шахте им А Ф Засядько достигали 40-50 см с каждой стороны выработки, а также со стороны кровли

В результате проведенных работ возникло и укрепилось мнение о необходимости проходить выработки проектным сечением с наименьшими нарушениями окружающих выработку пород, то есть методом щадящего контурного взрывания Целесообразность разработки этого метода с точки зрения повышения устойчивости выработки не вызывала сомнений, тем более, чю такими методами пользовались как за рубежом, так и у нас в рудных шахтах и при сооружении тоннелей.

Все методы контурного взрывания, применявшиеся во время выполнения описанных работ и применяемые в настоящее время в подземных выработках,

можно разделить на две группы: первая - контурное взрывание с последующим оконтуривапием и вторая - контурное взрывание с предварительным оконтури-ванием выработки (образованием щели по контуру выработки). Метод кошур-ного взрывания с предварительным оконтуриванием делится на две подгруппы:

а) предварительное оконтуривание. или щелеобразование механическим способом;

б) предварительное оконтуривание или щелеобразование взрывным способом.

При взрывном способе предварительного щелеобразования по контуру выработки буря! шнуры на расстоянии 20—40 см один от другого и заряжают рассредоточенными зарядами или зарядами малого диаметра. Остальные шпуры (врубовые, вспомогательные, отбойные и др.) заряжают нормальными зарядами.

Оконтуривающие шпуры взрывают в первую очередь, все другие - после оконтуривающих. Повышенный объем бурения и возможность выбивания крепи зарядами оконтуривающих шпуров, которые взрываклея в первую очередь, препятствуют использованию этого способа в выработках, где крепь не должна отставать далеко от забоя.

Широко применяется при проведении подземных выработок группа меш-дов контурно! о взрывания с последующим оконтуриванием. Методы этой группы можно разделить на 4 подгруппы:

а) взрывание оконтуривающих шпуров зарядами с воздушными прослойками;

б) взрывание сплошными зарядами малою диаметра,

в) взрывание зарядами ВВ пониженной работоспособности,

г) взрывание комбинированными зарядами.

В шахтах опасных по газу и пыли, контурное взрывание впервые начали применять в 1965 г по методу, разработанному под руководс!вом П Я Таранова и Е.М. Гарцуева и при участии автора Это метод контурного щадящею взрывания с последующим оконтуриванием путем взрывания в оконтуривающих шпурах зарядов малого диаметра мощных ВВ и зарядов малого диаметра маломощных ВВ

В самом начале экспериментальных работ в шахте I категории по газу были опробованы также заряды с продольным кумулятивным углублением и с воздушной прослойкой (предложенные ВНИИОМШС и производственно-экспериментальным управлением буровзрывных работ Минуглепрома УССР). Эксперименты проводились на шахте им. Абакумова в квершлаге на горизонте 561 м. После каждого экспериментального взрыва в стенке квершлага выбуривали скважины с извлечением кернов и просматривали стенки скважин с помощью прибора РВП-451. По кернам и стенкам скважин определяли характер и глубину трещинообразования Глубина распространения трещин в окружающем массиве служила кри герием оценки метода взрывания (рис. 2).

Результаты этих экспериментов показали, что наименьшая глубина трещинообразования получается при взрывании пагронов аммонита ПЖВ-20 диаметром 25-26 мм в шпурах нормального диаметра (40-42 мм) Более гладкой получается и поверхность выработки.

Прежде чем перейти к широким промышленным экспериментам по контурному взрыванию с применением аммонита ПЖВ-20 в патронах меньшего диаметра. чем установлено ГОСТом 9073-64, авторы в лабораторных, полигонных и произволегвенных условиях установили надежность детонации патронов диаметром 25-26 мм, безотказность передачи детонации от патрона к патрону, безопасность использования их в шахтах, опасных по газу и пыли.

При промышленных экспериментах по контурному взрыванию кроме патронов аммонита ПЖВ-20 диаметром 25-27 мм проверялись также патроны де-юнита 10А диаметром 21-22 мм и патроны ут ленита Э-6 диаметром 36 мм

Эксперименты проводились на шахте № 5 им Ленина комбината «Артем-уголь» в содружестве с трестом «Горловскуглестрой» С применением контурного взрывания в 1965 г. было пройдено 213 м выработок околоствольного двора. Глубина трещинообразования при контурном взрывании в слабых сланцах уменьшилась в 2.5 раза, в песчаниках — в 8 раз (рис 2) Детонит 10А в патронах диаметром 21 мм и аммонит ПЖВ-20 в патронах диаметром 26 мм дали лучшие результаты.

Промышленные эксперименты, проведенные на шахте № 5 им. В. И. Ленина в породах различной крепости, позволили разработать метод расчета параметров БВР при контурном взрывании для пород с коэффициентом крепости 312 при ВВ различной работоспособности и бризантности.

Исследования, проведенные на шахте им. Абакумова при проходке штрека сечением вчерне 9,7 м2 комбайном ПК-Зм в слабо плотных трещиноватых аргиллитах с коэффициентом крепости 3,2-3,4 ни при осмотре кернов скважин, ни при осмотре стенок скважин прибором РВП-451, техногенных трещин обнаружено не было.

Рис. 2 Зависимость модуля трещиноватости пород от расстояния до поверхности выработки при обычном и контурном взрывании

Набрызгбетонная крепь (6,7,27,30,33,37,38]

Крепление выработки набрызгбетоном на шахте им. К. Маркса в 1967 г., было осуществлено, по-видимому, впервые в угольной промышленности, одновременно с внедрением контурного взрывания как естественное развитие прогрессивного способа проходки, потому что прочность стенок и кровли выработки была мало нарушена. Результаты внедрения контурного взрывания прямо привели шахтостроителей к идее крепить такие выработки более дешевой крепью - набрызгбетоном, анкерами или комбинированной (анкера и набрызг-бетон). Кроме всего прочего эти крепи обеспечивают более высокую производительность труда проходчиков.

Экспериментальная проверка возможности и целесообразности применения в выработках, проводимых методом контурного взрывания, крепи из набрызг-бетона была выполнена в 1967 г. на шахте им. К. Маркса. Для проведения экспериментов были подобраны параллельные выработки околоствольного двора нового горизонта: порожняковая ветвь угольного опрокида ствола № 3 и порожняковая ветвь ствола № 2. Первая выработка проводилась методом контурного щадящего взрывания. В ней возводилась крепь из набрызгбетона толщиной 7-12 см. Вторая выработка, расположенная параллельно первой, была проведена методом обычного взрывания и закреплена металлической арочной крепью СГ1-28, предусмотренной проектом. Обе выработки проводились в крепком песчанике (/• = 12-14).

В качестве постоянной крепи в первой выработке - порожняковой ветви угольного опрокида — проектом предусматривалась бетонная крепь толщиной в замке свода 250 мм, в стенках — 300—350 мм. Площадь поперечного сечения в свету 9,5 м2 в проходке - 12,5 м2. При креплении выработки набрызгбетоном толщиной 7-12 см вместо монолитной бетонной крепи для определения возможных зон смещения горных пород на экспериментальном участке были установлены две замерные станции. Благодаря этим экспериментам и полученным положительным результатам трест «Горловскуглестрой» начал более широко применять крепление выработок набрызгбетоном.

Это дало повод приступить к серьезным исследованиям набрызг-бетонной крепи. На шахте им. Поченкова в восточном полевом парном вентиляционном штреке была установлена замерная станция глубинных реперов для исследования процесса формирования зоны неупругих деформаций. Штрек расположен на глубине 784 м в толще глинистых сланцев с прочностью на сжатие 31,8 МПа. Угол падения пород 18-20°. Штрек был закреплен арочной податливой крепью, имел ширину вчерне 3,3 м и высоту 2,9 м.

В кровле выработки в трех скважинах устанавливалось по пять глубинных реперов Конечный репер устанавливался на глубине 12 м. Смещения реперов определялись измерениями от конечного, считаемого неподвижным. Максимальные смещения поверхности выработки перпендикулярно к напластованию пород составили 370 мм. Графики смещений пород в пределах зоны неупругих деформаций показаны на рис. 3.

9Г-------

г г

с ф

О.

го

13 ю

>Л £

0,5

60 120 180 240 U, мм

Рис 3 Графики смещений пород в пределах зоны неупругих деформаций: 1-9 - при наблюдениях, соответственно - 3, 6, 9, 19, 41, 64,132.225 и 436 сут

ги неупругих деформаций пород не наблюдалось. В табл. 2 приведены установленные в результате наблюдений соотношения гс/г0 (/•<, - радиус выработки, гс -радиус зоны неупругих деформаций; для приближенной одномерной схемы), которые аппроксимируются эмпирической формулой:

— = 1,43 уН

'о Кас,

На рис. 4 показан график этой зависимости и точки измерений. Можно отметить их очень хорошее согласование. Коэффициент корреляции составляет 0,9732.

Шахтные инструментальные наблюдения за смещениями (опусканием) пород кровли выработок проводились на замерных станциях, установленных в капитальных выработках пяти шахт, характеристики которых приведены в табл. 2.

Рис. 4 График зависимости радиуса зоны неупругих деформаций от соотношения вертикальных напряжений в массиве и предела прочности пород на сжатие

Таблица 2. Результаты измерения смещений пород кровли выработок

Шахта, выработка Пролет Ь, м н, м «Тс, МПа Время, сут.

1 Им. Засядько, вентиляционный штрек 3,6 529 39 340

2 № 21-бис, порожняковая ветвь 3,5 815 72 316

3 Им. Гагарина, порожняковая ветвь ствола № 2 4,5 830 41 150

4 «Нагольчанская» № 1 -2, ходок приемной площадки 3,6 690 120 350

5 «Булавинская», водосборник № 1 3,1 490 51 195

Производились измерения смещений как при наличии (ин), так и при отсутствии (и), набрызг-бетонного покрытия. По результатам измерений определялся коэффициент эффективности набрызг-бетонной крепи, определяемый по формуле:

Кэф-~ —. (3)

Результаты инструментальных наблюдений на замерных станциях приведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты измерения смещений кровли выработок с набрызг-бетонным покрытием и без него

№№ станций Смещения кровли, и Смещения набрызгбетона ы„,см % (ккр/6)102

см (и/Ь). 102

1 0,34 5,9 1,6 4,7 20 1,3

2 0.28 5,3 1,5 4,1 23 1,2

3 0,51 9,2 2,0 7,6 17 1,4

4 0,14 1,2 0,2 1,2 0 1,4

5 0,24 2,3 0,7 2,1 8,7 -

Смещения кровли выработки (без набрызгбетона) описываются следующей формулой линейной корреляции:

и = Ь

( уН > 4,67 - -0,19

(4)

Г рафик зависимости смещений кровли в безразмерной форме (по отношению к пролету) от отношения вертикальных напряжений в массиве к пределу прочности пород на сжатие показан на рис. 5, где показаны также данные измерений. Коэффициент корреляции составляет 0,9187.

Коэффициент эффективности набрызгбетона при значениях уН/о< < 0,2 равен практически нулю. При больших значениях этой величины коэффициент эффективности можно принять постоянным Л"эф = 20 %.

В результате натурных исследований установлено, что при использовании набрызгбетонного покрытия представляется возможным облегчить конструкцию крепи, в соответствии с коэффициентом эффективности, за счет уменьшения ее параметров (по сравнению с традиционными конструкциями): необходимой несущей способности на 10-30% и податливости на 17-25%.

Выполнены исследования по определению области применения набрызг-бетонной крепи. Автором введено понятие: «критические смещения пород» -смещения (опускание) пород кровли выработки, при которых наблюдались нарушения набрызгбетона. Был избран экспериментальный путь исследования: проводились шахтные инструментальные наблюдения за критическими смещениями пород. Инструментальные наблюдения проводились на экспериментальных участках выработок, характеристика которых приведена в табл. 2. В районе замерных реперных станций для измерения деформативной способности покрытия толщина набрызгбетона составляла 20—50 мм. Величина критических смещений икр приведена в табл. 3. Критические смещения показаны также на графике (рис. 5). Критические смещения для набрызг-бстонного покрытия в условиях наблюдений являются практически постоянными (нкр /V) 102= 1,3 (коэффициент вариации составляет 7.2 %).

Автор много занимался технологией и механизацией возведения набрызг-бетонной крепи, но в настоящее время эти работы 30-летней давности утратили свою новизну и в диссертации не приводятся.

Примерные области Применения и рекомендуемые конструкции набрызг-бетонной крепи приведены в табл. 4.

2,0

1,5

1,0

0,5

°0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рис 5. зависимости смещений кровли выработки от соотношения вертикальных напряжений в массиве к пределу прочности пород на сжатие

Таблица 4. Рекомендуемые конструкции и область применения

набрызг-бетонной крепи

уН1сс Рекомендуемые конструкции крепи

Толщина, мм Элементы усиления крепи

<0,25 <50 Отсутствуют

0,25-0,30 50-80 отсутствуют

0,31-0,40 50-80 анкера, анкера с сеткой

0,41-0,45 80-100 металлические арки

о у и /

X *

х S / "ч.

/о

Крепь регулируемого сопротивления [28-32, 35]

Идея усиления набрызг-бетонной крепи (табл. 4) и определения условий применения крепи по величине критических (для данной конструкции) смещений пород кровли выработки получила по инициативе автора дальнейшее развитие в совместных с кафедрой СПС Московского горного института (теперь -Московский государственный горный университет) исследованиях.

В общем случае крепь регулируемого сопротивления представляет собой совокупность вариантов сочетаний отдельных конструкций крепи, устанавливаемых по длине выработки с рациональными для различных ее участков параметрами, определяемыми на основании непрерывного контроля смещений поверхности (кровли) выработки.

Первая задача исследования - прогноз ожидаемых смещений пород. С этой целью были обобщены и проанализированы результаты исследований и рекомендации институтов: ВНИМИ, ВНИИОМШС. ДонУГИ, КузНИИШахтострой, а также решения одномерных модельных задач К.В. Руппенейта, Ю.М. Либерма-на, Ь.А. Картозия. Расчетные зависимости были скорректированы по результатам натурных наблюдений в восточном полевом откаточном штреке шахты «Во-рошиловградская» №1. В результате были получены и в дальнейшем применя-[ись следующие формулы для определения смещений контура модельной выработки круглого сечения радиус которой равен среднему радиусу рассматриваемой капитальной горной выработки:

1. В устойчивых породах при уН / <ТС <0,2, когда породы испытывают только упругие и упруго-вязкие деформации:

í \

(5)

Е.

уН

2 В породах средней устойчивости при уН!ас =0,2-0,4 . при образовании вокруг выработки зоны пластических деформаций:

А А

и-Ь-

0,5 +

(6)

3. В неустойчивых породах при уН / <ТС >0,4, при образовании вокруг выработки зоны разрушения:

» А 2

и = Ь г.

0,5

> + 1

(7)

где

6 - проле1 выработки;

- длительный модуль деформации, Р - отпор крепи: гс - радиус зоны разрушения;

] +2Я

А — 1,5<тс

1 + вш (р 1 —

1 + А

X, - коэффициент бокового давления, Ф - угол внутренне! о трения; г, - радиус зоны пластических деформаций

Расхождение величин смешений контура сечения выработок, рассчитанных по приведенным формулам с фактическими, замеренными в натуре, не превышало 25 %, что свидетельствует об их пригодности для практических расчеюв.

Проектирование и строительство выработок производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис.6.

Далее, на стадии проецирования по расчетным минимальным смещениям контура сечения выработки выбирается базовая крепь регулируемого сопротивления, а по максимальным значениям - варианты усиления крепи и определяются их параметры.

На последнем этапе проектирования производится определение величины сигнальных смещений для базовой крепи Сигнальные смещения - это максимально допустимые смещения породного контура, при которых базовая крепь еще обеспечивает устойчивое состояние выработки Величины сигнальных смещений определяются по корреляционным формулам которые нолучены в результат обработки шахтных инструментальных наблюдений на замерных станциях I лубинных реперов за смешениями пород вокруг выработки

Рис 6 Влок-схема проектирования и строительства капитальных юрных выработок с применением крепи регулируемого сопротивления

Формулы для буровзрывного способа проходки выработок имеют следующий вид.

= 0,373Ufr — 0,003й^ — 4 , мм (при длине анкера 0,5 м) (8)

ид = l,09«t-0,0009н^-11, мм (при длине анкера 1,5 м) (9)

В качестве датчика-сигнализатора опасных смещений кровли выработок применялся датчик СДК-45 (рис. 7), который устанавливался в скважину диаметром 42 мм в кровле выработки. Спецификация на рис. 8 следующая: 1 - электро-контактная пробка; 2 - груз; 3 - корпус; 4 - стакан; 5 - корпус; 6 - установочный винт; 9 - винт; 10 - винт распорный; 12 - распорка; 14 - пружина; 15 захват; 16 - концевик анкера.

Однако этот датчик имеет ряд недостатков, поэтому автором была предложена более совершенная конструкция измерительною устройства, показанная на рис 8 Основным элементом устройства является глубинный распорный репер 1. В кровле выработки крепится цоколь, состоящий из распорной втулки 2, распирающей муфты 3, опорной пластины 4 и гайки 5. Шганта 6, жестко закрепленная на глубинном репере 7 шайбой 8 и резиновым кольцом 9, свободно перемещается по оси цоколя.

Достоинством данной конструкции прибора является то, что он не только сигнализирует о критических смещениях кровли, но и показывает величины смещений в любой момент времени.

В качестве базовой крепи регулируемого сопротивления рекомендуется в зависимости от геомеханических и горнотехнических факторов рассматривать в первую очередь крепь, использующую несущую способность самого породного массива, а также металлическую арочную податливую крепь из CBII. анкер металлическую, бетонную или блочную крепь Крепи усиления выбираются исходя из того, что они, сочетаясь с базовой крепью позволяют производить требуемые изменения ее параметров и обеспечивают устойчивость выработки

Усиление базовой крепи может производиться в один, два или три этапа, а назначение этапов производится в зависимости от диапазона измеряемых смещений

Рис. 7 Датчик СДК-45

Рис. 8. Устройство для замера сш наль-ных смещений кровли выработки

С целью проверки разработанною метода проектировании крепи регулируемого сопро!ивления и технологии ведения работ с этой крепью был организован экспериментальный учасюк в восточном полевом откаточном ппреке шахгы "Ворошилов! радская" №1 Базовой крепыо па участке длиной 50 м были приняты сгалеполимерные анкера с металлической сеткой, первое усиление -набрынбетон голшиной 150 мм. втрое усиление - установка арочной крепи и третье усиление - тампонаж закренною пространства. Величина сигнальных смешений для базовой крепи - 40 мм.

При креплении выработки базовой крепыо в кровлю были установлены 4 датчика смешений на расстоянии 10 м друг oí друга по длине выработки. Также, с целью проверки работы датчиков рядом с ними были установлены контурные и i дубинные реперные станции. В качестве датчиков использовались приборы С'ДК-45. На участке выработки длиной 20 м датчики 1 и 2 показали сигнальные смещения, поэтому, на этих двадцати метрах было произведено усиление крепи пабрызгбетоном. А датчики 3 и 4 не показали сигнальных смещений и на следующих 30 м выработка осталась закреплена базовой крепью. По прошествии ipex лет состояние крепи на экспериментальном участке хорошее. Смещения пород полностью прекратились.

В 1984 году быто начато опытно-промышленное внедрение крепи регулируемого сопротивления на шахте «Комсомолец-Донбасса» в наклонном и конвейерном квершлагах комплекса перегрузки угля. Всего было испытано и внедрено 6 вариантов крепи. Большей частью в качестве базовой была принята на-брызг-бетонная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами

Реализация результатов работы [10, 11, 14, 16-18, 20-22,30,32-34,38-44]

В шахтах опасных по газу и пыли, метод контурною щадящего взрывания, разработанный под руководством II Я 1аранова и Г. М. 1 арцуева при участии автора, впервые начали применять в 1965 т.

1 осгортехнадзор СССР дал разрешение на применение для контурною взрывания в шахтах, опасных по газу и гтыли, аммонитов ПЖВ-20 и 1-19 в па-

тронах диаметром 27— 28 мм, которые и начали выпускаться серийно, согласно ТУ-69-151.

Годом освоения контурного взрывания был 1966 г. Трест «Горловскуглест-рой» применил контурное взрывание при проведении выработок окотосгволь-Н1.1Х дворов и протяженных капитальных выработок новых горизонтов в 16 выработках семи шахт комбината «Артемуголь» В 1967 г контурное взрывание было внедрено на шахтах «Александр-Запад», им. Румянцева, им К Маркса и «Кондратьевская Новая» На этих четырех шахтах были пройдены выработки общим объемом более 14 гыс. м3 в свету.

В 1968 г на шахте им. Румянцева была организована скоростная проходка выработок околоствольного двора с применением контурно! о в ¡рывания За месяц было пройдено 2530 м3 выработок в свету и установлен всесоюзный рекорд скорости проходки при высоком качестве производства работ В 1968 и 1969 гг меюдом контурного взрывания было пройдено до 2 км выработок

Крепление выработки набрызгбетоном на шахте им К Маркса в 1967 г.. было осуществлено впервые в угольной промышленности, одновременно с внедрением контурного взрывания как ес!ественное развитие профессивного способа проходки, потому что прочность стенок и кровли выработки была мало нарушена. Результаты внедрения контурного взрывания прямо привели автора и шахтостроителей к идее крепить такие выработки более дешевой крепыо - на-брыз1 бетоном, анкерами или комбинированной (анкера и набрызгбетон) Кроме всею прочего эти крепи обеспечивают более высокую производительность труда проходчиков

Проверка метода проектирования крепи регулируемою сопротивления и технологии ведения работ впервые была осуществлена на экспериментальном участке на шахте "Ворошиловградская" №1.

В 1984 юду было намаю опытно-промышленное внедрение крепи регулируемого сопрожвления на шахте «Комсомолец Донбасса» Всего было испытано и внетрено 6 вариантов крепи Большей частью в качестве базовой была принята набрызг-бетонная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами.

Внедрение результатов диссертационных исследований осуществлялось в

соответствии с нормативно-техническими документами, разработанными при участии автора [14, 27. 28, 32J.

Изложенные в диссертации идеи и разработки, относящиеся к крени регу-шрусмою сопротивления, получили дальнейшее развитие и работах Б.А. Кар-юзия. ВН. Каретникова Л В Корчака, В А Пшеничною, ГС Франкевича и др . изданных в 1996-1999 гг и использованы при проектировании и строительстве maxi в Кузбассе

Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе в МГГУ и Гул! У

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные установленными в результате натурных инструментальных наблюдений закономерностями деформирования и разрушения окружающих выработку пород новыми техническими и технологическими разработками по контурному щадящему взрыванию ВВ, технологии нанесения набрызг-бетонпой крепи и техники и технологии крепи регулируемою сопротивления при строительстве капитальных горных выработок, внедрение ко-юрых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы

заключаются в следующем-

Геомеханика, разрушение горных пород Установлены закономерности трещинообразования и разрушения окружающего выработку массива пород при взрывных работах, в гом числе образование ранее неизвестных трещин, ориентированных почги параллельно контуру сечения выработки Установлена зависимость молу ¡т я наведенной трещиноват ости пород от расстояния до оконтуривающих шпуров В результате нспурныч инструментальных наблюдении установлен эффект упрочнения пород при набрызг-бетонной крепи и пре (ложен коэффициент эффективности упрочнения, зависящий от параметра уН / <7С (иесь сгс -

предел прочности пород на сжатие) Установлены корреляционные зависимости среднего радиуса зоны неупругих деформаций вокруг выработки и смешений кровли выработки от параметра уН/ас .

Введено понятие критических смещений пород, ограничивающих обласи. применения набрьт-бетонной крепи и являющихся критерием необходимости ее усиления и как развитие этого направления, выдвинута идея «крепи регулируемого сопротивления», включающей «базовую крепь» и «крепь усиления» и охватывающей все основные возможные варианты комбинаций раз-пичных видов и типов крепи в горно-геологических устовиях Донбасса Предложен критерий и получены на основании натурных наблюдений эмпирические расчетные зависимости для определения величин сигнальных смешений кровпи выработок для датчиков крепи регулируемою сопротивления, учитывающих конструкцию крепи, интенсивность смещений пород и способ проходки выработки.

Строительная геотехнология Разработан (совместно с П Я Тарановым и Ь М Гарцуевым) метод контурного щадящего взрывания при проходке горных выработок, с последующим их оконтуриванием путем взрывания в оконтуривающих шпурах зарядов ВВ малого диаметра.

Разработаны новые технологические и технические решения (устройства) для нанесения бетонной смеси на стенки выработок, зашищенные авторскими свидетельствами

Разработан (совместно с Б А Карюзия. А В. Корчаком и др) способ крепления горных выработок (способ крепи регулируемого сопротивления), защищенный авторским свидетельством Разработан датчик сигнальных смещении кровли выработки как элемент предложенною способа крепления Разработаны способы повышения устойчивости выработок и конструкции «крепи усиления», защищенные авторскими свидетельствами

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Ьыков Л В Прогрессивная технология строительства капитальных юрных выработок в Донбассе и ее применение в России // Горный журнал - № 7, 2004 - С 7-8

2 Быков А В Ресурсосберегающая технопогия строительства капитальных горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень Московского государственною горного университета - М МГГУ, 2004, №2 -С 48-53

3 Быков А В Современные технологии крепления горных выработок тгабрьгабето ном // Горный информационно-аналитический бюллетень Московского юсу дарственного горного университета -М МГГУ,№ 3, 2004 -С 50-53

4 Быков А В Выбор и обоснование параметров усиливающих крепей капитальных горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень Московскою государственного горного университета. - М МГГУ, № 12,2003 -С 11-14

5 Быков А В Ресурсосберегающая технология строительства капитальных горных выработок // Известия Тульского т осударственного университета Серия «Геомеханика Механика подземных сооружений» Вып 1 - Гула ТулГУ 2003 - С 47-53

6 Заславский ИЮ. Быков АВ. Кочпанец ВФ Набрызгбстонная крепь - М «Недра». 1986 - 198 с

7 Контурное взрывание в угольных шахтах / Таранов П Я . Гарнуев Е М Г)дзь А Г Лаврипенко В В , Афснциков С М . Быков А В . Шлендарев В В . Шмитко В Г Донецк И и «Донбасс», 1972 -88 с

8 Быков А В Совершенствование технологии проведения горных выработок с помощью буровзрывных работ // М ЦПИ'Жуголь, - 1972 - 6 с

9 Ьыков А В Совершенствование технологии и организации проведения горизонтальных и наклонных выработок / Шахтное строите тьство, 1984 № 4

10 Контурное прочностное взрывание / Таранов П Я . Гарцуея Г М . Г\дзь А I Быков А В Шлендарев В В . Стрельцов С Д // Безопасность труда в промыштенносли 1967 -№3 - С 39-40

11 Быков А В Всесоюзный рекорд проходчиков 1 ортовки // Шах гное строительство. 1968. №11 -С 1-3

12 Чурсин II И , Ьыков А В , Шлендарев В В Гарцуев Г М Новый всесоюзный рекорд - результат применения НОТ и новой техники // Уголь Украины. 1968, № 10 С 16-18

13 Ьыков А В Применение контурного взрывания трестом Гортовскуглестрой // Шахтное строительство - 1969 -№12 С 19-21

14 Временное руководство по применению контурною взрывания при проведении горных выработок в угогытых шахтах / ГТЯ Таранов БМ Гарцуев, А1 Гудзь. А В Ьыков и др - Донецк ДНИ. 1969 -23 с

15 Быков А В 2530 мJ юрных выработок в месяц высокоэффективная скоростная проходка на шахте им Румянцева / Проектирование и строитетьсгво угольных предприятий - 1969, №1 -С 5-9

16 Быков А В Опыт ведения буровзрывных работ в тресте 1 ор ювскуглестрой // Технология цобычи упя подземным способом Реферативный Сб № 3 (39) ЦНИОИ-уголь -М - 1970 - С 84-86

17 Быков Л В Органтация и технология строительства горизонтов угольных шахг в Центральном районе Донбасса / Проектирование и строительство уюльных предприятий - 1970, №9-10 -С 8-11.

18 Быков А В Горловскуглестрой внедряет передовую технологию горнопроходческих работ // UlaxiHoe строительство. - 1970 - №3 С 26-27

19 Быков А В Трест Горловскутлестрой совершепствуе! работы по подготовке новых горизонтов//Шахтное строительство -1971 - №73 -С 18-19

20 Быков А В , Шлендарев В В , Пудак В И Клиновые врубы и их эффективность // Научно-техн сборник «Разрабо1ка месторождений полезных ископаемых» № 27 Киев «Техника» -1971 - С 63-69

21 Быков А В Рекодная прходка околоствольного двора на шахте «Красный Октябрь»

- Киев УкрНИИ НТИ, 1971 - 15 с

22 Быков А В Новое достижение проходчиков треста Горловскуглестрой // Шахтное строительство - 1972 - №9 С 1-3

23 Быков А В Ускорить технический прогресс в шахтном строительстве // Шахтное строительство - 1980 - № 1 -С. 1-4.

24 Быков А В Крепь peí улируемого сопротивления//Шахтное строительство - 1982

- № 12 -С 11-12

25 Быков А В Анализ конструкций крепей и пути их совершенствования // Шахтное строительство 1981 - № 9 С 7-10.

26 Быков А В Крепи регулируемого сопротивления - Обзорная информация / ЦБНТИ Минуглепрома УССР Донецк - 1987 - 4 с

27 Временное руководство по проектированию крепи регулируемого сопротивления капитальных горных выработок на шахтах Донбасса / Картозия Б А , Корчак А В . Пшеничный В А , С'вирский Ю И, Быков А В , Цеитлин 1 М - М МГИ, 1987 - 23 с

28 Рекомендации по применению o6jiei ченных набрызгбетонных крепей и техноло! ии их возведения в условиях шахт Минуглепрома УССР ' Казакевич Э В , Жукова И В . Быков А В. - Кривой Рог, 1985 68 с

29 Быков А В Ускорить внедрение крепей регулируемою сопротивления на шахтах Донбасса//Шахтное строительство 1986 - №3 С 3-6

30 Быков А В , Фесенко И А Опыт применения крепей регулируемого сопротивления шахтостроительным управлением №2 треста «Артемшахтострой» - Обзорная информация / ЦБНТИ Минутлепрома УССР Донецк - 1986 4 с

31 Скоростное проведение выработок при строительстве горизонта на шахте им Румянцева /Л Д Слипченко, А В Быков, В В Шлендарев. Ь М Тарцуев Серия «Проект иролание и строитечьство угольных предприя тии» -М ЦНИЭИуголь. - 1969 32 с

32 Временное руководство по предотвращению пучения почвы и повышению устойчивости капитальных горных выработок активной разгрузкой и посчедующим упрочнение пород / Г Г Литвинский, 1 В Бабиток, А В Быков и др Коммунарск. 1985 - 36 с

33 Быков Л В , Шлендарев В В 4230 м3 в месяц выработок окотоство тьного двора на шахте «Кондратьевкал // Серия «Проектирование и реконструкция у! очытых пред-приягий» М ЦНЮИуголь, 1972 -50 с

34 Ьыков А В 2110 м3 злектровозною таража за 26 рабочих дней // Проектирование и строительство у! ольных предприятий Реферат Сб №9(105) -М «Недра» 1967 -С 3-7

35 Быков А В . Перепичка Ф И.. Фролов О К. Новая } ыигпичсская трехзвенная крепь (КЭП) /' Шахтное строительство - 1987 - № 1 - С Ю-12

36 А с № 1384772 СССР Способ крепления горных выработок / Картозия Б А . Пшеничный В А , Корчак А В . Ьыков А В , Цейттин Г М , Свирский Ю И (СССР) - № 4068065, Заявт 29 05 86, Опубл 01 12 87

37 А с № 1095709 СССР Способ повышения устойчивости сорной выработки / Лит-винский Г Г , Ьабиюк Г В , Быков А В , Абрамзон ¥ М (СССР) - № 3542421, Заявл 19 01 83. Опубл 01 02 84

38 А с № 1239204 СССР Устройство для нанесения покрытия из набрьщ-бетона / I арцуев Г М , 1 арцуев В Е , Валуконис Г Ю , Быков А В (СССР) - № 3827057. Заявл 17 12 84, Опубл 22 02 86

39 Л с № 935619 СССР Устройство для нанссения бетонной смеси па стенки вертикальных горных выработок / I арцуев СМ, I арцуев В Е , Валуконис Г Ю. Быков А В. (СССР) - № 2999593. Заявл 29 10 80, Опубл 16 02 82

40 А с № 899973 СССР Устройство для проведения горных выработок / Заславский Ю 3 , Дружко С Б , Быков А В Бачурин А Н (СССР) - № 2761078, Заявл 03 05 79 Опубл 2! 09 81

41 А с Ла 1305365 СССР Способ предотвращения пучения почвы / Литвинский Г 1 Быков А В Чех А Г1 (СССР) - № 3979667. Заявт 25 1 1 85, Опуб I 22 12 86

42 А с № 756018 СССР Способ возведения бетонной крепи вертикального ствола и устройство для ею осутцествпения / Тюркян Р А Быков А В . Мустафин 3 Ш , Та-расьев В И Фомин Ю И СтругаревДИ (СССР) -№ 2663083 Заявт 12 09 78. Опубл 21 04 80

4"? А с № 1110906 СССР Жстезобетонная крепь / Заславский И Ю . Шубный А И , Се-тезень А Л Быков А В , Бородуля Н Ф Файвишепко А Г (СССР) - № 3511609. Заявл 15 II 82, Опубп 03 05 84

44 А с № 1150371 СССР Податливая крепь из спецпрофиля / Орлов Н В . Ьыков А В . Мустафин 3 Ш , Шалшин А М , Орлов В В Шатохин В П (СССР) - № 3646632, Заявл 27 09 83. Опубл 15 12 84

Изд лиц ЛР № 070300 от 12.02.97 . Подписано в печать Формат бумаги 60х84'/|6. Бумага офсетная Усл. печ. л. . Уч.-изд л / 7 Тираж /00 экз. Заказ /3

Тульский государственный университет 300600, г. Тула, пр. Ленина. 92

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г Тула, ул. Болдина. 151.

I í

РЫБ Русский фонд

2006-4 6035

Содержание диссертации, доктора технических наук, Быков, Алексей Владимирович

Актуальность работы. В 60-70-е годы прошлого столетия в СССР ежегодно проходилось только на угольных шахтах около 1000 км капитальных горных выработок. При этом, обследование большого количества выработок в Донецком бассейне показало, что из-за нерационального оконтуривания выработок при буровзрывном способе проходки имеются большие переборы пород и их чрезмерное разрушение. Отсюда - ухудшение условий работы крепи и большой объем ремонтных работ. Были случаи, когда капитальные горные выработки дважды перекреплялись еще в период строительства шахты. Это сопровождалось большим перерасходом строительных материалов - бетона и, особенно, - металла.

Будучи руководителем треста Горловскуглестрой и Республиканского объединения «Укршахтострой» автор организовал выполнение комплекса научно-исследовательских работ с целью совершенствования горно-капитальных работ (проведения и крепления выработок) на основе широкого использования имеющихся научных достижений и поиска оптимальных решений для каждого технологического процесса. Автор привлек к выполнению этих работ ведущих ученых и специалистов страны, и сам принял в них непосредственное личное участие.

Главные результаты работ следующие. Разработка и широкое внедрение на угольных шахтах Донбасса способа контурного щадящего взрывания, который впервые был применен на шахтах, опасных по газу и пыли. Впервые на угольных шахтах получила широкое внедрение набрызгбетонная крепь. Наконец, была разработана и внедрена новая, даже с точки зрения сегодняшних достижений горной науки, гибкая ресурсосберегающая технология применения крепи регулируемого сопротивления, идея которой принадлежит автору.

В представленной диссертации обобщены научные труды и изобретения автора в области проведения и крепления выработок почти за сорок лет, с 1967 г. по 2004 г. Разумеется, много трудов опубликовано в соавторстве. Разработка теоретических положений, математические расчеты принадлежат соавторам. Личный вклад автора заключается, главным образом, в организации и выполнении натурных инструментальных наблюдений, включая разработку измерительных устройств, установку замерных станций, организацию и осуществление длительных (иногда до года) наблюдений, анализ и обработку полученных результатов. Внедрение результатов автор также целиком взял на себя.

В настоящее время горно-капитальные работы резко сократились, если не сказать — прекратились. Однако, мы думаем, все понимают, что это явление временное. В России это, в какой то степени, «заслуга» шахтостроителей, подготовивших в свое время достаточно запасов полезных ископаемых для разработки. В обозримом будущем ни наши страны, ни мир в целом, не может обойтись без полезных ископаемых. В России уже сегодня активизируются горнокапитальные работы в Концерне «Норильский Никель», проектируется подземный рудник «Мир» Компании «Алроса». Не обойтись и без угля.

Представленная работа не утратила своей актуальности. Накоплен большой фактический материал натурных наблюдений, который требует дальнейшего анализа и осмысления. Далеко не исчерпала себя идея крепи регулируемого сопротивления, которая получила в настоящее время в России дальнейшее развитие.

Целью работы является научное обоснование и разработка комплексной ресурсосберегающей технологии проведения и крепления капитальных горных выработок, в которой все технологические процессы, начиная с буровзрывных работ и кончая креплением, основанным на управлении несущей способностью крепи, при строительстве выработок в зависимости от конкретных горногеологических условий, взаимно дополняют друг друга, что позволит повысить эффективность и обеспечить безаварийность работ и эксплуатационную надежность выработок.

Идея работы заключается в максимальном использовании законов деформирования и разрушения горных пород в массиве и принципа регулирования несущей способности крепи на основе контроля смещений породной поверхности выработки для получения эффективных и экономичных инженерных решений по технологии строительства капитальных горных выработок.

Методы исследования включают, главным образом, натурные инструментальные наблюдения и их обработку с применением статистических методов и корреляционного анализа и обобщение наработанного опыта.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

Буровзрывные работы В результате экспериментальных взрывов и натурных наблюдений установлено новое явление: образование в массиве пород вокруг выработки при взрывных работах ранее неизвестных трещин, ориентированных почти параллельно контуру сечения выработки. Глубина распространения этих трещин вглубь массива, считая от линии оконтуривающих шпуров, в 3-4 раза превышает глубину проникновения обычных радиальных трещин вокруг шпуров. Вновь обнаруженные трещины не являются локальными, а распространяются в массиве почти по всему периметру выработки, а также вдоль нее.

В результате опытно-промышленных взрывов установлена зависимость модуля наведенной трещиноватости пород от расстояния до оконтуривающих шпуров. Разработан (совместно с П.Я. Тарановым и Е.М. Гарцуевым) метод контурного щадящего взрывания, с последующим оконтуриванием путем взрывания в оконтуривающих шпурах зарядов малого диаметра мощных ВВ и зарядов малого диаметра маломощных ВВ.

Набрызг-бетонная крепь В результате натурных инструментальных наблюдений установлен эффект упрочнения пород в результате применения набрызг-бетонной крепи, характеризуемый коэффициентом эффективности. Эффект упрочнения отсутствует в устойчивых породах (уН/<УС <0,2) и составляет около 20 % в породах средней устойчивости (здесь стс- предел прочности пород на сжатие). Установлены корреляционные зависимости среднего радиуса зоны неупругих деформаций вокруг выработки и смещений кровли выработки от параметра уН/сгс.

Введено понятие критических смещений пород, ограничивающих область применения набрызг-бетонной крепи. Установлено, что критические смещения кровли выработок при толщине набрызг-бетонного покрытия 20-50 мм являются практически постоянными и составляют (икр / Ь) • 10 = 1,3 , где Ь — пролет выработки.

Крепь регулируемого сопротивления

- На основании результатов внедрения набрызг-бетонной крепи предложено использовать понятие «критических смещений», как критерия необходимости ее усиления, и в развитие этого направления, выдвинута идея «крепи регулируемого сопротивления», охватывающей все возможные основные варианты комбинаций различных видов и типов крепи в горно-геологических условиях Донбасса.

- Предложен критерий и получены на основании натурных наблюдений эмпирические расчетные зависимости для определения величин сигнальных смещений кровли выработок для датчиков крепи регулируемого сопротивления, учитывающих конструкцию крепи, интенсивность смещений пород и способ проходки выработки.

Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечивается представительностью исследуемых совокупностей. Объемы натурных инструментальных наблюдений содержат сотни и тысячи измерений. Измерения, как правило, дублировались, а результаты измерений взаимно контролировались. Полученные корреляционные зависимости характеризуются коэффициентами корреляции с абсолютными значениями, превышающими 0,9. Получена удовлетворительная сходимость расчетных зависимостей с данными шахтных инструментальных наблюдений (максимальное расхождение не превышает 25%). Достоверность подтверждается также положительным опытом ф: внедрения результатов исследований в практику шахтного строительства.

Научное значение диссертационной работы заключается в научном обосновании и реализации нового подхода к выбору параметров технологии проходки и крепления капитальных горных выработок, основанном на четком (регулируемом) их изменении, в зависимости от конкретных горно-геологических условий породного массива, с учетом технологической совместности проходческих операций с изменяющимися конструктивными особенностями крепи, на основе установленных закономерностей разрушения и деформирования пород вокруг капитальных горных выработок.

Практическое значение и реализация работы. Разработан метод контурного щадящего взрывания, впервые примененный на шахтах, опасных по газу и пыли. Впервые в угольной промышленности для крепления капитальных горных выработок применена набрызг-бетонная крепь. Разработан и внедрен на шахтах Донбасса метод крепления капитальных горных выработок крепью регулируемого сопротивления.

Результаты работы включены в нормативно-технические документы [14, 27, 28, 32], а также во Временное руководство по проектированию ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна (ОАО "Росуголь", утверждена в 1997 г.).

Рекомендации по креплению капитальных горных выработок приняты производственными объединениями «Артемуголь», «Артемшахтострой», «Вороши-ловградшахтострой», «Ворошиловградуголь», «Горловскуглестрой», «Калинин-уголь», «Краснодонуглестрой», «Краснодонуголь», «Оргтехшахтострой», «Шах-терскантрацит», при конкретном проектировании и планировании горных работ.

Результаты диссертационных исследований внедрены на шахтах Донбасса: «Александр-Запад», «Ворошиловградская» № 1, «Игнатьевская», «Комсомолец Донбасса», «Кондратьевская Новая», «Красный Октябрь», «Суходольская Восточная», шахта им. А.Ф. Засядько, шахта им. Карла Маркса, шахта им. Румянцева.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждащ лись на Неделе горняка (г. Москва, 1999 - 2004 гг.); на Международной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (г. Тула, 2003 г.); на Научно-технических советах "Укршахтострой", "Краснодонуглест-рой", "Краснодонуголь" (1987 - 1993 гг.); на заседании круглого стола "Строительная геотехнология: научно-технические проблемы освоения подземного пространства" (г. Москва, 1998 г.); на экспертных советах по шахтному строительству по программе "Уголь России" ОАО "Росуголь" (1994-1997 гг.); на заседании круглого стола "Научно-технические проблемы разработки экологически безопасных технологий строительства и эксплуатации подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях" (г. Москва, 1997 г.); на межвузовском семинаре по проблеме "Освоение подземного пространства недр России и Украины" (г. Краснодон, 1996 г.); на Всесоюзной научной конференции "Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения горных выработок" (г. Рудный, 1987 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании «Совершенствование организации и технологии проведения горизонтальных и наклонных горных выработок» (г. Павлоград, 1983 г.); на II Всесоюзной научной конференции «Проблемы механики подземных сооружений» (г. Тула, 1982 г.); на совместном Техническом совещании РО «Укршахтострой» и ПО «Шахтерскантрацит» (г. Донецк, 1984 г.); на Секции шахтного и горнорудного строительства НТС Госстроя СССР (г. Ворошиловград, 1982, 1985 гг.); на совместном заседании Секции шахтного и горнорудного строительства НТС Госстроя СССР и Секции проектирования и шахтного строительства НТС Мин-углепрома СССР (г. Харьков, 1984 г.); на Региональной научно-технической конференции "Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ" (г. Тула, 1981 г.); на заседаниях Секции проектирования и шахтного строительства Минуглепрома СССР (г. Харьков, 1969 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 работ. Из них главными являются 44 научные работы и изобретения.

Автор благодарит доктора технических наук профессора Картозия Б.А. за ценные консультации и помощь при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Буровзрывные работы [6-9,12-13,15, 19]

Для решения вопроса о ликвидации переборов пород и чрезмерного разрушения окружающих выработку пород исследовалось образование трещин в массиве при взрывных работах. Был принят трудоемкий, но достоверный метод исследования по кернам и по стенкам скважин, которые выбуривались в боках, кровле и иногда — в почве выработки. Для наблюдения и анализа трещин в скважинах применялся прибор РВП-451, с помощью которого точно фиксировалось количество трещин, их направление, раскрытие, а также -расстояние от поверхности выработки. Одновременно делалась количественная оценка переборов пород.

Трещины, вызванные взрывными работами, отчетливо отличаются от природных, как при анализе кернов, так и при осмотре стенок скважин с помощью прибора РВП-451.

Массив горных пород, примыкающий к выработке, имел неодинаковые разрушения как по длине заходки (шпура), так и по высоте выработки. Поверхностные разрушения стенок на тех участках, где располагалась забойка шпура, были меньше, чем на участках расположения заряда. В забое вокруг стаканов шпуров имелись трещины радиальные, идущие от оси шпуров в глубь массива, и кольцевые, расположенные по концентрическим окружностям вокруг шпуров. Радиальные трещины распространялись на 10—15 см от оси шпура.

Пробуренные в стенках выработки скважины позволили обнаружить в массиве трещины ранее неизвестного вида - параллельные или почти параллельные стенкам выработок. Глубина их распространения, считая от линии оконтури-вающих шпуров, достигала 40-50 см, то есть в 3-4 раза превышала глубину проникновения в массив радиальных трещин. Более того, на участках между окон-туривающими шпурами радиальных трещин в стенках выработки не было замечено, а трещины, параллельные или почти параллельные стенкам выработки, были.

При проходке полевого бремсберга на шахте «Игнатьевская» было пробурено в кровле, почве и, главным образом, в стенках 108 скважин. Они позволили хорошо изучить новый вид трещин и убедиться, что массив вокруг выработки расслоен этими трещинами. Частота трещин у поверхности выработки гуще, чем в глубине массива. У поверхности выработки трещины располагаются свитами, по 4-3-2 трещины в свите на расстоянии 2-4 мм одна от другой.

По мере удаления от поверхности выработки в глубь массива количество трещин постепенно уменьшается, а расстояние между ними увеличивается, и далее наблюдаются лишь одиночные трещины, параллельные или почти параллельные стенкам выработки.

Одной из особенностей обнаруженных трещин являлось то, что они не были локальными, а распространялись в массиве почти по всему периметру выработки, а также вдоль нее. В процессе бурения с промывкой при пересечении первой зоны трещин промывочная вода, поступавшая в выбуриваемую скважину, просачивалась по трещинам в соседние скважины. То же наблюдалось при пересечении выбуриваемой скважиной второй и последующих зон трещин.

Взаимно последовательное просачивание воды при выбуривании всего комплекта скважин по контуру выработки свидетельствует о том, что вокруг выработок при их проведении буровзрывным способом образуются сплошные или почти сплошные зоны трещин, разделяющие массив горных пород вокруг выработки на слои.

Результаты измерений трещиноватости пород вследствие взрывных работ в песчаниках в стене бремсберга шахты «Игнатьевская» показаны на рис. 1. Измерения характеризуются большим разбросом измеренных величин, тем не менее, установлена корреляционная зависимость модуля трещиноватости пород от расстояния до линии оконтуривающих шпуров, которая имеет следующий вид:

Мтр = 29 - 7,63 Ьп /тр , (1) где Л/тр- модуль трещиноватости (количество трещин на 1 м); хр - расстояние от оконтуривающих шпуров в глубь массива, см.

Коэффициент корреляции составляет 0,7637.

Прослеживается некоторое различие модуля трещиноватости вдоль шпуров, на линии заряда и на линии забойки.

Установлено, что трещины распространяются в массив по периметру выработки на разную глубину, в зависимости от формы сечения выработки и от направления слоистости пород. При прямоугольном сечении в боках выработки на участке залегания однородных песчаников с направлением слоистости, перпендикулярным стенкам выработки, глубина трещинообразования составила 40-50 см от линии оконтуривающих шпуров (рис. 1). В кровле, где залегали песчаники почти горизонтальными слоями мощностью 10-20 см, глубина трещинообразования составила 65-70 см, а в почве выработки, где параллельно ей залегали тонкослоистые песчаники с мощностью слоев от 0,5 до 3 см, глубина распространения трещин в массив была максимальной и достигла 110-120 см. При сводчатой кровле глубина зоны трещнообразования в кровле была меньше, чем при плоской, - 32-34 см.

10 20 30 40 см

Расстояние от линии контурных шпуров, см

Рис.1. Зависимость модуля трещиноватости от расстояния до линии оконтуривающих шпуров:

Глубина зоны трещинообразования существенно зависит как от характера и крепости пород, так и от вида ВВ. В табл. 1 приведены результаты измерений в стенах выработок в песчаниках и аргиллитах.

На шахтах, где проводились измерения, изучалось разрушение и переборы пород в стенках выработок. После взрывания производилась оборка пород на глубину 20-30 см. Но и после оборки на стенках отчетливо были заметны трещины, которые с течением времени увеличивались. Раскрытие трещин и отслаивание кусков породы от массива происходило особенно интенсивно в течение первых 2-3 суток после взрывных работ и особенно - в аргиллитах. Общая глубина оборки за это время достигала 40-50 см. Затем интенсивность раскрытия трещин и отслаивания кусков породы от массива уменьшалась, но эти явления не прекращались до возведения постоянной крепи.

Таблица 1. Результаты измерений глубины зоны трещинообразования

Шахта, выработка / Сечение в свету, м2 ВВ Глубина зоны трещин, см

Игнатьевская, бремсберг 8-16 8,8 ПЖВ-20 40

Там же, западный 3-3,5 9Д ПЖВ-20 55откаточный штрек 5 им. Ленина, 2.5-2.7 9,5 Детонит околоствольный двор 10А

Здесь/- коэффициент крепости по Протодьяконову.

Замеры переборов пород, проведенные в экспериментальных выработках, показывают, что фактические контуры сечения выработок в проходке, как правило, существенно отличаются от проектных и по форме и по размерам. На шахте № 5 им. В. И. Ленина переборы нередко достигали 36-37 % площади сечения, а излишек сечения выработки -5м. Линейные величины переборов породы при проведении выработок околоствольного двора на шахте им. А.Ф. Засядько достигали 40-50 см с каждой стороны выработки, а также со стороны кровли.

В результате проведенных работ возникло и укрепилось мнение о необходимости проходить выработки проектным сечением с наименьшими нарушениями окружающих выработку пород, то есть методом щадящего контурного взрывания. Целесообразность разработки этого метода с точки зрения повышения устойчивости выработки не вызывала сомнений, тем более, что такими методами пользовались как за рубежом, так и у нас в рудных шахтах и при сооружении тоннелей.

Все методы контурного взрывания, применявшиеся во время выполнения описанных работ и применяемые в настоящее время в подземных выработках, можно разделить на две группы: первая - контурное взрывание с последующим оконтуриванием и вторая - контурное взрывание с предварительным оконтури-ванием выработки (образованием щели по контуру выработки). Метод контурного взрывания с предварительным оконтуриванием делится на две подгруппы: а) предварительное оконтуривание, или щелеобразование механическим способом; б) предварительное оконтуривание или щелеобразование взрывным способом.

При взрывном способе предварительного щелеобразования по контуру выработки бурят шпуры на расстоянии 20—40 см один от другого и заряжают рассредоточенными зарядами или зарядами малого диаметра. Остальные шпуры * (врубовые, вспомогательные, отбойные и др.) заряжают нормальными зарядами.

Оконтуривающие шпуры взрывают в первую очередь, все другие - после оконтуривающих. Повышенный объем бурения и возможность выбивания крепи зарядами оконтуривающих шпуров, которые взрываются в первую очередь, препятствуют использованию этого способа в выработках, где крепь не должна отставать далеко от забоя.

Широко применяется при проведении подземных выработок группа методов контурного взрывания с последующим оконтуриванием. Методы этой группы можно разделить на 4 подгруппы: а) взрывание оконтуривающих шпуров зарядами с воздушными прослойками;

Зк б) взрывание сплошными зарядами малого диаметра, в) взрывание зарядами ВВ пониженной работоспособности; г) взрывание комбинированными зарядами.

В шахтах, опасных по газу и пыли, контурное взрывание впервые начали применять в 1965 г. по методу, разработанному под руководством П.Я Таранова и Е.М. Гарцуева и при участии автора. Это метод контурного щадящего взрывания с последующим оконтуриванием путем взрывания в оконтуривающих шпурах зарядов малого диаметра мощных ВВ и зарядов малого диаметра маломощных ВВ.

В самом начале экспериментальных работ в шахте I категории по газу были опробованы также заряды с продольным кумулятивным углублением и с воздушной прослойкой (предложенные ВНИИОМШС и производственно-экспериментальным управлением буровзрывных работ Минуглепрома УССР). Эксперименты проводились на шахте им. Абакумова в квершлаге на горизонте 561 м. После каждого экспериментального взрыва в стенке квершлага выбуривали скважины с извлечением кернов и просматривали стенки скважин с помощью прибора РВП-451. По кернам и стенкам скважин определяли характер и глубину трещинообразования. Глубина распространения трещин в окружающем массиве служила критерием оценки метода взрывания (рис. 2). ** Результаты этих экспериментов показали, что наименьшая глубина трещинообразования получается при взрывании патронов аммонита ПЖВ-20 диаметром 25-26 мм в шпурах нормального диаметра (40-42 мм). Более гладкой получается и поверхность выработки.

Прежде чем перейти к широким промышленным экспериментам по контурному взрыванию с применением аммонита ПЖВ-20 в патронах меньшего диаметра, чем установлено ГОСТом 9073-64, авторы в лабораторных, полигонных и производственных условиях установили надежность детонации патронов диаметром 25-26 мм, безотказность передачи детонации от патрона к патрону, безопасность использования их в шахтах, опасных по газу и пыли.

При промышленных экспериментах по контурному взрыванию кроме nail тронов аммонита ПЖВ-20 диаметром 25-27 мм проверялись также патроны де-тонита 10А диаметром 21-22 мм и патроны угленита Э-6 диаметром 36 мм.

Эксперименты проводились на шахте № 5 им. Ленина комбината «Артем-уголь» в содружестве с трестом «Горловскуглестрой». С применением контурного взрывания в 1965 г. было пройдено 213 м выработок околоствольного двора. Глубина трещинообразования при контурном взрывании в слабых сланцах уменьшилась в 2,5 раза, в песчаниках — в 8 раз (рис. 2). Детонит 10А в патронах диаметром 21 мм и аммонит ПЖВ-20 в патронах диаметром 26 мм дали лучшие результаты.

5 30 & 25 о

20 н л с;

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,

Расстояние от поверхности выработки вглубь массива, м

Рис. 2. Зависимость модуля трещиноватости пород от расстояния до поверхности выработки при обычном и контурном взрывании

Набрызгбетонная крепь [6, 7, 27, 30, 33, 37, 38]

Экспериментальная проверка возможности и целесообразности применения в выработках, проводимых методом контурного взрывания, крепи из набрызг-бетона была выполнена в 1967 г. на шахте им. К. Маркса. Для проведения экспериментов были подобраны параллельные выработки околоствольного двора нового горизонта: порожняковая ветвь угольного опрокида ствола № 3 и порожняковая ветвь ствола № 2. Первая выработка проводилась методом контурного щадящего взрывания. В ней возводилась крепь из набрызгбетона толщиной 7-12 см. Вторая выработка, расположенная' параллельно первой, была проведена методом обычного взрывания и закреплена металлической арочной крепью СП-28, предусмотренной проектом. Обе выработки проводились в крепком песчанике (У = 12-14).

1 2 свету 9,5 м в проходке - 12,5 м . При креплении выработки набрызгбетоном толщиной 7-12 см вместо монолитной бетонной крепи для определения возможных зон смещения горных пород на экспериментальном участке были установлены две замерные станции. Благодаря этим экспериментам и полученным положительным результатам трест «Горловскуглестрой» начал более широко применять крепление выработок набрызгбетоном.

В кровле выработки в трех скважинах устанавливалось по пять глубинных реперов. Конечный репер устанавливался на глубине 12 м. Смещения реперов определялись измерениями от конечного, считаемого неподвижным. Максимальные смещения поверхности выработки перпендикулярно к напластованию пород составили 370 мм. Графики смещений пород в пределах зоны неупругих деформаций показаны на рис. 3.

О) с (и о. ,9 \У

240 и, мм

Рис.3 Графики смещений пород в пределах зоны неупругих деформаций: 1-9 - при наблюдениях, соответственно - 3, 6, 9, 19, 41, 64, 132, 225 и 436 сут.

Анализ результатов инструментальных наблюдений показал, что в первый месяц существования выработки интенсивно формируется область неупругих деформаций, и ее образование в основном заканчивается в течение двух месяцев. Дальнейшие смещения поверхности выработки происходят за счет деформаций ползучести пород. Следует отметить, что во всех случаях при значениях параметра уН/ас < 0,25 (ас - предел прочности породы на сжатие) образование области неупругих деформаций пород не наблюдалось. В табл. 2 приведены установленные в результате наблюдений соотношения гс/г0 (г0 - радиус выработки, гс -радиус зоны неупругих деформаций для приближенной одномерной схемы), которые аппроксимируются эмпирической формулой:

Г -с = 1,43 м го 1 ас)

На рис. 4 показан график этой зависимости и точки измерений. Можно отметить ^Т их очень хорошее согласование. Коэффициент корреляции составляет 0,9732.

Рис. 4. График зависимости радиуса зоны неупругих деформаций от соотношения вертикальных напряжений в массиве и предела прочности пород на сжатие

Таблица 2. Результаты измерения смещений пород кровли выработок

Шахта, выработка Пролет Ь, м н, м ас, МПа Время, сут.

1 Им. Засядько, вентиляционный штрек 3,

2 № 21-бис, порожняковая ветвь 3,

3 Им. Гагарина, порожняковая ветвь ствола № 2 4,

4 «Нагольчанская» № 1-2, ходок приемной площадки 3,

5 «Булавинская», водосборник № 1 3,

Производились измерения смещений как при наличии (м„), так и при отсутствии (и), набрызг-бетонного покрытия. По результатам измерений определялся коэффициент эффективности набрызг-бетонной крепи, определяемый по формуле:

Кэф-——-. (3)

Результаты инструментальных наблюдений на замерных станциях приведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты измерения смещений кровли выработок с набрызг-бетонным покрытием и без него станций уЯ/ас Смещения кровли, и Смещения набрызгбетона и„, см Яэф, % (Икр/гОЛО см (и/Ъ). 10^

1 0,34 5,9 1,6 4,7 20 1,

2 0,28 5,3 1,5 4,1 23 1,

3 0,51 9,2 2,0 7,6 17 1,

4 0,14 1,2 0,2 1,2 0 1,

5 0,24 2,3 0,7 2,1 8,7

Смещения кровли выработки (без набрызгбетона) описываются следующей формулой линейной корреляции: и = ь г уН Л 4,67^-0,

График зависимости смещений кровли в безразмерной форме (по отношению к пролету) от отношения вертикальных напряжений в массиве к пределу прочности пород на сжатие показан на рис. 5, где показаны также данные измерений. Коэффициент корреляции составляет 0,9187.

Коэффициент эффективности набрызгбетона при значениях у///сгс < 0,2 равен практически нулю. При больших значениях этой величины коэффициент эффективности можно принять постоянным К3ф = 20 %.

Выполнены исследования по определению области применения набрызг-бетонной крепи. Автором введено понятие: «критические смещения пород» -смещения (опускание) пород кровли выработки, при которых наблюдались нарушения набрызгбетона. Был избран экспериментальный путь исследования: проводились шахтные инструментальные наблюдения за критическими смещениями пород. Инструментальные наблюдения проводились на экспериментальных участках выработок, характеристика которых приведена в табл. 2. В районе замерных реперных станций для измерения деформативной способности покрытия толщина набрызгбетона составляла 20—50 мм. Величина критических смещений мкр приведена в табл. 3. Критические смещения показаны также на графике (рис. 5). Критические смещения для набрызг-бетонного покрытия в условиях наблюдений являются практически постоянными (икр/Ъ). 10 =1,3 (коэффициент вариации составляет 7,2 %).

Примерные области применения и рекомендуемые конструкции набрызгбетонной крепи приведены в табл. 4. ^

2,0 1.5 1,0 0,

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 уЯУ<*с

Рис. 5. зависимости смещений кровли выработки от соотношения вертикальных напряжений в массиве к пределу прочности пород на сжатие

Таблица 4. Рекомендуемые конструкции и область применения набрызг-бетонной крепи уН/етс Рекомендуемые конструкции крепи

Толщина, мм Элементы усиления крепи

0,25 <50 Отсутствуют

0,25-0,30 50-80 отсутствуют

0,31-0,40 50-80 анкера, анкера с сеткой

0,41-0,45 80-100 металлические арки о у и /

X X х / V X / "кр

Крепь регулируемого сопротивления [28-32, 35]

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

1. В устойчивых породах при уН / <УС < 0,2, когда породы испытывают только упругие и упруго-вязкие деформации: и = 1,

2. В породах средней устойчивости при уН / сгс — 0,2 — 0,4 , при образовании вокруг выработки зоны пластических деформаций:

0,5 +

3. В неустойчивых породах при уН1ас> 0,4 , при образовании вокруг выработки зоны разрушения: и— Ъ —— г. Е с где Ъ - пролет выработки;

Есо - длительный модуль деформации;

Р - отпор крепи; гс - радиус зоны разрушения;

1 + 2 ХГ"

А 1С ^С /Э-1 +^П<Р ^ 'С

А = 1,5сгс ——-5-; Р = --:-; Р

1 + Я 1 - 8111 ф гс

X - коэффициент бокового давления; Ф - угол внутреннего трения; ге — радиус зоны пластических деформаций.

Расхождение величин смещений контура сечения выработок, рассчитанных по приведенным формулам с фактическими, замеренными в натуре, не превышало 25 %, что свидетельствует об их пригодности для практических расчетов.

Проектирование и строительство выработок производится в соответствии с блок-схемой, показанной на рис.6.

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

На последнем этапе проектирования производится определение величины сигнальных смещений для базовой крепи. Сигнальные смещения - это максимально допустимые смещения породного контура, при которых базовая крепь еще обеспечивает устойчивое состояние выработки. Величины сигнальных смещений определяются по корреляционным формулам, которые получены в результате обработки шахтных инструментальных наблюдений на замерных станциях глубинных реперов за смещениями пород вокруг выработки. н з: о о. I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ И МАКСИМАЛЬНЫХ СМЕЩЕНИЙ КОНТУРА ВЫРАБОТКИ ПО ЕЕ ДЛИНЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОТПОРА КРЕПИ

ВЫБОР ВАРИАНТОВ БАЗОВОЙ КРЕПИ И ВАРИАНТОВ УСИЛЕНИЯ, ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ иб, Рб и (/ Ру

ВЫБОР СПОСОБА КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЙ КОНТУРА ВЫРАБОТКИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СИГНАЛЬНЫХ СМЕЩЕНИЙ И РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ДАТЧИКАМИ ПО ДЛИНЕ ВЫРАБОТКИ

КРЕПЛЕНИЕ ВЫРАБОТКИ БАЗОВОЙ КРЕПЬЮ, УСТАНОВКА ДАТЧИКОВ В КРОВЛЮ ВЫРАБОТКИ

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА СМЕЩЕНИЯМИ КРОВЛИ ВЫРАБОТКИ

УСИЛЕНИЕ КРЕПИ ВЫБРАННОЙ КРЕПЬЮ УСИЛЕНИЯ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УСТАНОВКОЙ ДАТЧИКОВ НА УЧАСТКАХ ВЫРАБОТКИ, ГДЕ СМЕЩЕНИЯ ДОСТИГЛИ СИГНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА СМЕЩЕНИ ПОВТОРНОЕ УСИЛЕНИЕ КР1 ПРИ КАЖДОМ УСИЛЕНИИ ОС ДАТЧИКОВ И КОНТРОЛЬ 3 ЯМИ КРОВЛИ ВЫРАБОТКИ И ЕПИ ПРИ НЕОБХОДИМОСТИ. /ЩЕСТВЛЯЕТСЯ УСТАНОВКА А СМЕЩЕНИЯМИ КРОВЛИ

ПРОДОЛЖЕНИЕ КОНТРОЛЯ ЗА СМЕЩЕНИЯМИ КОНТУРА ВЫРАБОТКИ ДО ИХ ЗАТУХАНИЯ

Рис. 6. Блок-схема проектирования и строительства капитальных горных выработок с применением крепи регулируемого сопротивления

Формулы для буровзрывного способа проходки выработок имеют следующий вид: ид = 0,373Ид — 0,003иЛ — 4, мм (при длине анкера 0,5 м) (8) ид = 1,09ик - 0,0009и1 -11, мм (при длине анкера 1,5 м) (9)

Однако этот датчик имеет ряд недостатков, поэтому автором была предложена более совершенная конструкция измерительного устройства, показанная на рис 8. Основным элементом устройства является глубинный распорный репер 1. В кровле выработки крепится цоколь, состоящий из распорной втулки 2, распирающей муфты 3, опорной пластины 4 и гайки 5. Штанга 6, жестко закрепленная на глубинном репере 7 шайбой 8 и резиновым кольцом 9, свободно перемещается по оси цоколя.

В качестве базовой крепи регулируемого сопротивления рекомендуется в зависимости от геомеханических и горнотехнических факторов рассматривать в первую очередь крепь, использующую несущую способность самого породного массива, а также металлическую арочную податливую крепь из СВП, анкер металлическую, бетонную или блочную крепь. Крепи усиления выбираются исходя из того, что они, сочетаясь с базовой крепью, позволяют производить требуемые изменения ее параметров и обеспечивают устойчивость выработки.

Рис. 7. Датчик СДК

Рис. 8. Устройство для замера сигнальных смещений кровли выработки

С целью проверки разработанного метода проектирования крепи регулируемого сопротивления и технологии ведения работ с этой крепью был организован экспериментальный участок в восточном полевом откаточном штреке шахты "Ворошиловградская" №1. Базовой крепью на участке длиной 50 м были приняты сталеполимерные анкера с металлической сеткой; первое усиление -набрызгбетон толщиной 150 мм, второе усиление - установка арочной крепи и третье усиление - тампонаж закрепного пространства. Величина сигнальных смещений для базовой крепи - 40 мм.

При креплении выработки базовой крепью в кровлю были установлены 4 датчика смещений на расстоянии 10 м друг от друга по длине выработки. Также, с целью проверки работы датчиков рядом с ними были установлены контурные и глубинные реперные станции. В качестве датчиков использовались приборы СДК-45. На участке выработки длиной 20 м датчики 1 и 2 показали сигнальные смещения, поэтому, на этих двадцати метрах было произведено усиление крепи набрызгбетоном. А датчики 3 и 4 не показали сигнальных смещений и на следующих 30 м выработка осталась закреплена базовой крепью. По прошествии трех лет состояние крепи на экспериментальном участке хорошее. Смещения пород полностью прекратились.

В 1984 году было начато опытно-промышленное внедрение крепи регулируемого сопротивления на шахте «Комсомолец-Донбасса» в наклонном и конвейерном квершлагах комплекса перегрузки угля. Всего было испытано и внедрено 6 вариантов крепи. Большей частью в качестве базовой была принята на-брызг-бетонная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами.

Реализация результатов работы [10, 11, 14, 16-18, 20-22,30,32-34,38-44]

В шахтах, опасных по газу и пыли, метод контурного щадящего взрывания, разработанный под руководством П.Я Таранова и Е.М. Гарцуева при участии автора, впервые начали применять в 1965 г.

Госгортехнадзор СССР дал разрешение на применение для контурного взрывания в шахтах, опасных по газу и пыли, аммонитов ПЖВ-20 и Т-19 в патронах диаметром 27—28 мм, которые и начали выпускаться серийно, согласно ТУ-69-151.

Годом освоения контурного взрывания был 1966 г. Трест «Горловскуглест-рой» применил контурное взрывание при проведении выработок околоствольных дворов и протяженных капитальных выработок новых горизонтов в 16 выработках семи шахт комбината «Артемуголь». В 1967 г. контурное взрывание было внедрено на шахтах «Александр-Запад», им. Румянцева, им. К. Маркса и «Кондратьевская Новая». На этих четырех шахтах были пройдены выработки общим объемом более 14 тыс. м3 в свету.

В 1968 г. на шахте им. Румянцева была организована скоростная проходка выработок околоствольного двора с применением контурного взрывания. За месяц было пройдено 2530 м3 выработок в свету и установлен всесоюзный рекорд скорости проходки при высоком качестве производства работ. В 1968 и 1969 гг. методом контурного взрывания было пройдено до 2 км выработок.

Крепление выработки набрызгбетоном на шахте им. К. Маркса в 1967 г., было осуществлено впервые в угольной промышленности, одновременно с внедрением контурного взрывания как естественное развитие прогрессивного способа проходки, потому что прочность стенок и кровли выработки была мало нарушена. Результаты внедрения контурного взрывания прямо привели автора и шахтостроителей к идее крепить такие выработки более дешевой крепью - набрызгбетоном, анкерами или комбинированной (анкера и набрызгбетон). Кроме всего прочего эти крепи обеспечивают более высокую производительность труда проходчиков.

Проверка метода проектирования крепи регулируемого сопротивления и технологии ведения работ впервые была осуществлена на экспериментальном участке на шахте "Ворошиловградская" №1.

В 1984 году было начато опытно-промышленное внедрение крепи регулируемого сопротивления на шахте «Комсомолец Донбасса». Всего было испытано и внедрено 6 вариантов крепи. Большей частью в качестве базовой была принята набрызг-бетонная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами.

Внедрение результатов диссертационных исследований осуществлялось в соответствии с нормативно-техническими документами, разработанными при участии автора [14, 27, 28, 32].

Изложенные в диссертации идеи и разработки, относящиеся к крепи регулируемого сопротивления, получили дальнейшее развитие в работах Б.А. Кар-тозия, В.Н. Каретникова, A.B. Корчака, В.А. Пшеничного, Г.С. Франкевича и др., изданных в 1996-1999 гг., и использованы при проектировании и строительстве шахт в Кузбассе.

Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе в МГГУ и ТулГУ.

Информация о работе

Быков, Алексей Владимирович
доктора технических наук
Донецк, 2004
ВАК 25.00.20

Диссертация

Ресурсосберегающая технология строительства капитальных горных выработок - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы