На правах рукописи

Беликов Алексей Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЕЙ И ОХРАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВЫЕМОЧНЫХ ШТРЕКАХ С КРЕПКИМИ ПОРОДАМИ КРОВЛИ, СОДЕРЖАЩИМИ СЛАБЫЕ КОНТАКТЫ

Специальность:

25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск - 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор

Ткачев Валерий Александрович

Официальные оппоненты: докт. техн. наук

Джигрин Анатолий Владимирович;

канд. техн. наук

Черноус Александр Иванович

Ведущая организация - ООО Ростовгипрошахт

г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится 26 февраля 2009 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) по адресу 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ауд. 107 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), с авторефератом - на сайте www.npi-tu.ru

Автореферат разослан л___ _________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Колесниченко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение устойчивого поддержания выемочных подготовительных выработок является одной из основных проблем подземной разработки угольных пластов, без решения которой невозможно безопасное и экономически эффективное ведение горных работ на угольных шахтах.

Более 30% угольных шахт России отрабатывают пологие угольные пласты мощностью 0,85Ц2,0ам с крепкими породами непосредственной кровли прочностью 50-130аМПа и средне - и труднообрушающимися породами основной кровли на глубинах от 100 до 1200ам.

Применение в данных горно-геологических условиях технологии анкерного крепления и бесцеликовой охраны выемочных выработок позволяет обеспечить скорости их проведения, достаточные для воспроизводства фронта очистных работ при нагрузках на очистные забои от 2000 до 7000 тонн в сутки, улучшить качество добываемой горной массы и обеспечить рентабельную работу угольных шахт.

Большой объем теоретических и экспериментальных работ, выполненных в Российской Федерации и за рубежом, позволил обосновать требования к параметрам анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в повторно используемых выемочных выработках. Эти требования обобщены в Инструкции по применению анкерной крепи на угольных шахтах России (в дальнейшем Инструкции), которая является обязательной к применению на угольных шахтах.

Однако при выполнении нормативных требований к параметрам крепей и охранных конструкций в выемочных выработках с крепкими породами кровли, содержащими слабые контакты (углистые и минеральные прослойки, трещины и зеркала скольжения), отмечается значительное количество случаев завалов выработок и разрушения анкерных крепей и охранных конструкций. Недостаточная изученность влияния слабых контактов на деформирование пород кровли и не соответствие параметров анкерных крепей, крепей усиления и охранных конструкций данным условиям резко снижают безопасность и эффективность поддержания выемочных штреков.

По указанным причинам исследования влияния слабых контактов на деформирование крепких пород кровли выемочных выработок и обоснование для этих условий необходимых параметров анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций, обеспечивающих безопасное поддержание выемочных штреков, являются весьма актуальными.

Цель работы - исследование зависимости влияния слабых контактов на деформирование крепких пород кровли выемочных выработок и обоснование эффективных параметров крепей и охранных конструкций, обеспечивающих безопасное и экономически эффективное их поддержание в сложных горно-геологических условиях.

Основная идея работы заключается в системном подходе к поиску зависимостей деформирования крепких пород кровли выемочных выработок, которые позволяют своевременно и надежно прогнозировать количество расслоившихся слабых контактов и дифференцированно выбирать в зависимости от результатов прогноза параметры анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций, что обеспечивает эффективное и безопасное проведение и поддержание выемочных выработок.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач принят комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение, методы математической статистики, имитационное моделирование, шахтные и стендовые наблюдения и эксперименты.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- доминирующим фактором, определяющим в выемочных выработках с крепкими породами кровли прочностью 50-130аМПа размеры зоны неупругих деформаций кровли, смещения породного контура, а также фактические нагрузки на анкерные крепи, крепи усиления и охранные конструкции, является количество расслоившихся слабых контактов в 2,5ам интервале пород кровли;

- по величине среднего фактического сопротивления на первых четырех рядах анкерной крепи от забоя выработок, соответственно в пределах 0-70акH/м2 и 71-170 кH/м2, можно выделять зоны в кровле выработок, в которых имеется малое (0-3 штуки) или большое (от 4 до 17 штук) количество расслоившихся слабых контактов, и обеспечивать в указанных зонах при глубинах разработки от 100 до 1200 м эффективное поддержание выработок вне зоны влияния очистных работ при длине анкеров и сопротивлении сталеполимерной анкерной крепи, соответственно равных 2,0 и 2,4ам и 120-150 и 240-300акH/м2;

- в зонах с малым или большим количеством слабых контактов в кровле выемочных выработок и в зонах влияния очистных забоев совместно с анкерной крепью должны применяться крепи усиления в виде стоек трения из СВП27 с замками ЗПК и тумб из блоков БКУ с расчетным сопротивлением соответственно 100-150 и 200-300акН на 1ам2 кровли, а также охранные конструкции в виде тумб из деревянно-бетонных блоков БДБ с рекомендуемой разработанными типовыми паспортами плотностью установки 2-3 тумбы на 1 м длины штрека, что обеспечивает безопасное и эффективное поддержание выемочных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: надежностью и представительностью данных шахтных исследований, удовлетворительной сопоставимостью результатов моделирования и шахтных исследований, положительным опытом внедрения выводов и рекомендаций работы на угольных шахтах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены зависимости влияния количества расслоившихся слабых контактов в крепких породах кровли на высоту зоны неупругих деформаций, величину смещений кровли, формирование нагрузки на анкерные крепи, крепи усиления и охранные конструкции в повторно используемых выемочных выработках;

- установлена связь между количеством расслоившихся слабых контактов в кровле и средним фактическим сопротивлением анкерной крепи на первых четырех рядах анкеров от забоя;

- обоснованы параметры анкерной сталеполимерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в виде тумб из деревянно-бетонных блоков, обеспечивающих эффективное поддержание выемочных выработок с крепкими породами кровли, содержащими слабые контакты, при глубинах разработки ота100адоа1200ам.

Научное значение работы состоит в установлении зависимости влияния количества расслоившихся слабых контактов на деформирование крепких пород кровли выемочных выработок и обосновании параметров анкерной сталеполимерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в виде тумб из деревянно-бетонных блоков, обеспечивающих их эффективное поддержание в сложных горно-геологических условиях.

Практическое значение работы состоит:

- в разработке методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса, обеспечивающей безопасное и экономически эффективное поддержание выемочных выработок с крепкими породами кровли, содержащими слабые контакты, при глубинах разработки от 100 до 1200ам;

- в создании крепи усиления в виде тумб из блоков БКУ с малой податливостью (менее 4-5% от начальной высоты тумбы) и с несущей способностью не менее 3000 кН, обеспечивающей поддержание кровли выемочных выработок в зоне влияния очистных работ.

Реализация работы. Разработанные типовые паспорта крепления и охраны выемочных выработок при малом и большом количестве слабых контактов в кровле применяются на 4 шахтах Российского Донбасса.

Разработаны технические требования и изготовлены опытные партии блоков БКУ с высокой несущей способностью и малой податливостью, и проведена их проверка в качестве крепи усиления на 3 шахтах региона.

Опытно-промышленная проверка методики прогноза количества расслоившихся слабых контактов в кровле и выбора типовых паспортов крепления и охраны выемочных выработок на шахтах Российского Донбасса в конвейерном штреке №409 шахты Замчаловская ОАО Замчаловский антрацит, показала, что её применение позволяет обеспечить безопасность поддержания и получить расчетный экономический эффект по сравнению с существующим вариантом крепления и охраны штрека в размере 11,717 млн. рублей (в ценах I кв. 2008аг.).

Апробация работы. Содержание и отдельные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на 53-57 научных конференциях Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ) (2004-2008агг.), на научно-практической конференции Неделя горняка МГГУ и ИПКОН РАН (Москва, 2007) и техническом совете ЗАО УК Гуковуголь(2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 11 научных статей, 1 свидетельство о регистрации программы, из них 7 работ опубликованы в изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований. Работа содержит 196астраниц машинописного текста, 36 рисунков, 14 таблиц и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Треть действующих шахт Российской Федерации разрабатывают пологие угольные пласты мощностью 0,85Ц2,0ам с вмещающими породами прочностью 50-130аМПа. В указанных условиях наибольшее распространение получила технология анкерного крепления и бесцеликовой охраны выемочных штреков с сохранением их для повторного использования с помощью искусственных охранных конструкций. Свыше 70% выемочных штреков, сохраняемых в указанных условиях для повторного использования на шахтах России, приходится на шахты Российского Донбасса, где средняя глубина разработки составляет 610ам, а максимальная 1200ам.

Большой объем теоретических и экспериментальных работ, выполненных ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ, КузНИУИ, ШахтНИУИ, МГГУ, СПбГУ и другими организациями позволил обосновать требования к параметрам анкерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций в повторно используемых выемочных выработках. Эти требования обобщены в Инструкции по применению анкерной крепи на угольных шахтах России, которая является обязательной к применению.

В выемочных выработках вне зоны влияния очистных работ согласно Инструкции должны применяться сталеполимерные анкерные крепи с длиной анкеров 1,8-2,0ам и с расчетным сопротивлением 50-70акН на 1ам2 кровли. В зоне влияния очистных работ в выработках дополнительно применяется крепь усиления из деревянных или металлических стоек с расчетной несущей способностью 80-100акН на 1 м2 кровли. В качестве охранных конструкций Инструкцией рекомендуется использование тумб из деревянно-бетонных блоков с плотностью установки 0,8-1,7 тумбы на 1ам длины штрека.

Однако практика эксплуатации анкерных крепей, крепей усиления и охранных конструкций с параметрами в 1,3-3 раза, превышающими указанные выше, в выемочных выработках шахт Российского Донбасса показала, что они часто являются недостаточными для обеспечения устойчивости кровли выработок.

В выемочных выработках шахт Дальняя, Гуковская, Замчаловская, Западная, Обуховская, Ростовская, Садкинская при глубине разработки от 235 до 917ам, в отдельных зонах протяженностью от нескольких метров до нескольких десятков метров вне зоны и в зоне влияния очистных работ, где в непосредственной кровле выемочных выработок фиксируется большое количество расслоившихся слабых контактов (углистых и минеральных прослойков, зеркал скольжения и субгоризонтальных тектонических трещин) произошел 41аслучай обрушения заанкерованных пород, сопровождавшихся разрушением крепи и охранных конструкций.

Недостаточная изученность влияния слабых контактов на деформации крепких пород кровли вне зоны и в зоне влияния очистных работ и не соответствие параметров анкерных крепей, крепей усиления и охранных конструкций данным условиям резко снижают безопасность и эффективность поддержания выемочных штреков.

Шахтные исследования влияния количества расслоившихся слабых контактов на высоту зоны расслоения, смещения пород кровли и фактическое натяжение анкерной сталеполимерной крепи вне зоны влияния очистных работ производили в конвейерном штреке № 08 пласта k2 шахты Дальняя ОАОаДонской антрацит. Глубина заложения штрека № 08 от земной поверхности составляла 700ам. Непосредственная и основная кровля штрека сложена песчаными и песчано-глинистыми сланцами общей мощностью 6-12ам и прочностью на одноосное сжатие 65-80аМПа.

Определение наличия слабых контактов и их типа, количества трещин расслоения и высоты зоны расслоившихся пород кровли в штреке осуществлялось в шпурах длиной 2,5-3ам с помощью оптического эндоскопа и осмотром стенок вывалов. Рабочее сопротивление анкеров определялись с помощью динамометрического ключа КДМ-1.