Обоснование эффективных способов борьбы с пучением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт

Актуальность работы. При разработке угольных месторождений довольно часто встречаются деформации пород в виде выдавливания их внутрь выработок — пучение. Обычно оно наиболее интенсивно проявляется со стороны почвы угольного пласта в подготовительных выработках. Вследствие особенностей генезиса угольных месторождений непосредственная почва пластов, как правило, сложена более слабыми по сравнению с остальными породами разностями. Кроме того, в них развиты зоны сдвига, вызванные разной степенью уплотнения пород и последующими тектоническими процессами.

Пучение пород почвы чрезвычайно усложняет ведение горных работ, опыт показывает, что уже при достижении в выработках величин пучения более 300 — 350 мм необходимо применение специальных мер борьбы с ним.

Многочисленные наблюдения в горных выработках показали, что интенсивность и абсолютная величина перемещений при пучении связаны с большим количеством горно-геологических и производственных факторов. В настоящее время раскрыт механизм пучения, выявлены и определены основные закономерности, разработаны методики прогноза и обоснованы возможные способы борьбы с пучением для различных глубин ведения горных работ и типов вмещающих пород. При этом было доказано, что наибольший эффект в борьбе с пучением достигается путем разгрузки вмещающего выработку массива от высоких напряжений. В качестве способов разгрузки предлагаются: проведение разгрузочных выработок, создание различного рода щелей и скважин, взрывание пород с образованием в почве зон дробления и т. п. Данные решения характеризуются весьма сложной технологией работ, большой трудоемкостью и стоимостью.

Это приводит к тому, что в практике эксплуатации угольных шахт основным способом по-прежнему остается подрывка вспучившихся пород, т. е. ликвидируются последствия этого явления, а не его причины. При этом достигается только кратковременный и незначительный эффект, а в долгосрочной перспективе на борьбу с пучением расходуются большие материальные и трудовые затраты.

В последнее время в научной и технической литературе появились сведения об успешном применении способа борьбы с пучением путем крепления кровли сталеполимерной анкерной крепью высокой несущей способности. Однако в работах не приведены объяснения этого эффекта (авторы не могут его объяснить), не разработаны методики расчета параметров и схем анкерного крепления, приводящие к возникновению указанного эффекта, не определена область применения данного способа.

Решению этих задач и посвящена данная работа.

Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (ИЛИ) по заданию Федерального агентства по образованию.

Цель работы: обоснование эффективных способов борьбы с пучением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт, обеспечивающих снижение затрат при их эксплуатации.

Идея работы: снижение концентраций напряжений в боках подготовительной выработки и давления на почву пласта, приводящих к развитию ползучести пород почвы, достигается увеличением площади опоры кровли на бока выработки за счет упрочнения слоистой структуры пород кровли сталеполимерной анкерной крепью с обоснованными параметрами.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ механизма и схем возникновения пучения пород почвы и установить причинно-следственную связь этого явления с природными и техногенными факторами.

2. Исследовать закономерности изменения нагрузок на почву выработки путем разработки рациональных схем и параметров крепления кровли сталеполимерной анкерной крепью.

3. Разработать рекомендации по борьбе с пучением почвы выработок путем крепления ее кровли сталеполимерной анкерной крепью высокой несущей способности.

4. Определить область применения и выполнить оценку экономической эффективности разработанных решений.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ состояния вопроса способов борьбы с пучением, натурные эксперименты в условиях шахт «Комсомольская» и «Заполярная», моделирование с помощью эквивалентных материалов в лабораторных условияханалитические методы прогнозирования устойчивости пород в окрестности выработок, статистический анализ данных натурных и лабораторных исследований.

Защищаемые научные положения:

1. Влияние искусственной зоны разгрузки в угольном пласте на пучение почвы подготовительной выработки заключается в уменьшении ширины зоны ее разрушения от сдвига под пластом, уменьшении коэффициента разрыхления пород при разрушении под воздействием сжимающих напряжений от изгиба в результате более плавного перехода ее от зоны опорного давления к зоне разгрузки, при этом в зоне разгрузки величина горизонтальных напряжений даже в непосредственной почве у границ с зоной опорного давления является близкой к исходной, равной ^ уН.

1 — [X.

2. Уменьшение напряжений в боках выработки и снижение давления на ее почву можно обеспечить путем крепления кровли сталеполимерными анкерами глубокого заложения, высокой (более 100 кН), несущей способности, устанавливаемыми под углом 45 — 50° к горизонтальной оси, при этом проекция анкера на горизонтальную плоскость определяет ширину разгруженной зоны в боках выработки.

3. Интенсивность и величина пучения пород почвы определяется отношением между глубиной анкерования кровли и шириной выработки, при этом с увеличением этого соотношения с 0,25 до 0,55 величина пучения снижается в 2 раза, а при величине отношения менее 0,25 установка анкеров практически не влияет на пучение почвы.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что на больших глубинах в породах средней крепости эффективным способом борьбы с пучением почвы является разгрузка массива от высоких напряжений путем создания в боках выработки разгруженных зон шириной 1,0 — 1,2 /тразл.шах, где /7разр.тах — возможная глубина разрушения пород почвы.

2. Доказано, что проекция на горизонтальную плоскость анкера длиной равной 0,5 В и более, где В — пролет выработки, установленного под углом 45° - 50° к горизонту характеризует ширину разгруженной зоны в боках выработки, при этом имеет место выравнивание давления по ширине этой зоны, что уменьшает нагрузку на бока и почву выработки, а пик давления перемещается в сторону массива на расстояние (0,55^-0,6)5, при этом наибольший эффект разгрузки достигается, когда горизонтальная проекция анкерной крепи по длине превышает расстояние от стенки выработки до области максимума опорного давления.

3. Получена зависимость уменьшения величины пучения пород почвы от отношения между длиной наклонно установленных сталеполимерных анкеров и шириной подготовительной выработки.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается использованием апробированных аналитических и экспериментальных методов, представительным объемом данных, полученных в лабораторных и натурных условиях (выполнены исследования на 4 моделях из эквивалентных материалов и 20 замерных станциях в угольных шахтах), хорошей сходимостью расчетных и фактических параметров работы анкерной крепи выработок, положительным результатом промышленных испытаний предложенного способа борьбы с пучением пород почвы.

Практическое значение работы заключается в:

— разработке способа борьбы с пучением пород почвы путем крепления кровли сталеполимерной анкерной крепью высокой несущей способности;

— разработке методики расчета параметров крепления кровли подготовительной выработки с учетом уменьшения прогнозной величины пучения почвы;

— разработке и промышленном испытании паспортов крепления выработки на экспериментальных участках, позволивших уменьшить величину пучения пород почвы и снизить затраты на поддержание выработок. i.

Реализация работы. Результаты работы использованы при креплении кровли анкерной крепью на шахтах ОАО «Норильский никель» и «ЮжКуз-бассуголь».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (г. Москва, 2009 — 2010 гг.) — 57 — 59 научные конференции Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2007 — 2009 гг.) — «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2007 г.) — на открытом техническом совещании ОАО «Воркутауголь», 10−12 сентября 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 133 страницах машинописного текста, содержит 1 таблицу, 36 рисунков, список использованных источников из 55 наименований.

Выводы по главе.

1. Проведенные исследования показали, что применяемые крепи МТПШ и КМП-АЗ не обеспечивают поддержание выработок в удовлетворительном состоянии. При этом величины смещений кровли и почвы на уровне забоя лавы составляли соответственно 150-^200 и 250-К300 мм, на расстоянии 150−180 м за забоем первой лавы эти величины достигали 300-е-500 мм и 650-г800 мм. Подрывка пород почвы лишь на короткое время (2−3 месяца) обеспечивает удовлетворительное состояние выработок, процесс пучения после подрывки пород проявляется с еще большей интенсивностью и часто приводит к полной потере выработки их эксплуатационной способности.

2. Экспериментальные участки, закрепленные по предлагаемым паспортам крепления сталеполимерной анкерной крепью длиной 2,4−2,5 м по кровле (4−5 анкеров) и 3,0−3,4 м установленных в бока (2 анкера в ряду) на расстоянии от кровли 0,5 м под углом 45° к горизонтальной плоскости находились в зоне опорного давления и сохраняли свою эксплуатационную способность в течение всего срока службы. При этом величина смещений кровли и почвы соответственно на уровне забоя составляли 50-Т-100 мм и 200-К250 мм. На расстоянии 150 м за забоем лавы составляли 120-И50 и 250³⁵⁰ мм, т. е. величина пучения почвы и смещения кровли оказались в 2−3,5 раза меньше, чем на базовых участках. При таких величинах смещений не требуется применение специальных мероприятий по борьбе с пучением.

3. Полученный в результате внедрения разработанных решений по борьбе с пучением пород почвы экономический эффект составил 78 тыс. руб. на 1000 т угля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании установленных закономерностей влияния сталеполимерной анкерной крепи, установленной в кровле подготовительных выработок, на изменение напряженно-деформированного состояния пород их боков и почвы решена задача снижения величин пучения пород почвы подготовительных выработок, что имеет существенное значение для шахтного строительства.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Выполнено аналитическое исследование процесса пучения в подготовительных выработках, определены стадии разрушения пучащих пород почвы, в результате чего установлено, что на больших глубинах в породах средней крепости эффективным способом борьбы с пучением почвы является разгрузка массива от высоких напряжений путем создания в боках выработки разгруженных зон шириной 1,0 — 1,2 hpaзртач, где /гра3р max — возможная глубина разрушения пород почвы.

2. Произведено моделирование процессов пучения пород почвы в подготовительных выработках методом эквивалентных материалов, на основании которого установлено, что уменьшение напряжений в боках выработки и снижение давления на почву пласта можно достичь путем изменения структуры пород кровли за счет их крепления сталеполимерными анкерами с заданными параметрами, установленными по разработанной схеме.

3. Доказано, что проекция на горизонтальную плоскость анкера, длиной равной 0,5 В и более, где В — пролет выработки, установленного в бока выработки под углом 45° - 50° к горизонту характеризует ширину разгруженной зоны в боках выработки, при этом имеет место выравнивание давления по ширине этой зоны, что уменьшает нагрузку на бока и почву выработки, а пик давления перемещается в сторону массива на расстояние 0,55 — 0,6 В. Наибольший эффект разгрузки достигается, когда горизонтальная проекция анкерной крепи по длине превышает расстояние от стенки выработки до области максимума опорного давления.

4. Установлено, что интенсивность и величина пучения почвы зависит от соотношения глубины анкерования кровли и ширины выработки. Установлена зависимость уменьшения прогнозной величины пучения пород почвы от отношения длины анкера и ширины выработки. При этом с увеличением этого отношения с 0,25 до 0,55 величина пучения уменьшается вдвое.

5. Промышленное внедрение предлагаемого способа борьбы с пучением показало, что на экспериментальных участках, закрепленных в соответствии с разработанными паспортами крепления сталеполимерной анкерной крепью, величины пучения пород почвы и смещения кровли оказались в 2 -3,5 раза меньше, чем на базовых участках, закрепленных крепью МТПШ и КМП-АЗ. При этом в течение всего срока существования выработки на экспериментальных участках не потребовалось применения специальных мероприятий по борьбе с пучением.

6. Полученный в результате внедрения разработанных решений по борьбе с пучением пород почвы экономический эффект составил 78 тыс. руб. на 1000 т угля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Розенбаум М. А., Черняховский. С.М., Савченко Е. С. Исследование высоты расслоения пород кровли в горных выработках в зоне опорного давления. Записки горного института. — Т. 172. — СПб.: Горный институт, 2010. -С.68 — 73.

2. Привалов А. А. Савченко Е.С. Способы установки крепи усиления в выработках с анкерной крепью // Рукопись деп. в МГГУ Горный информационно-аналитический бюллетень 05.10.2009., № 740/02. — 11 с.

3. Привалов А. А., Савченко Е. С. Современные способы борьбы с пучением почвы в подготовительных выработках. Рукопись деп. в МГГУ Горный информационно-аналитический бюллетень 05.10.2009., № 741/02−10. — 5 с.

4. Привалов А. А., Савченко Е. С. Состояние массива пород в близи выработок, закреплённых рамной крепью, проводимых буровзрывным способом // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. — С. 105 — 111.

5. Привалов А. А., Савченко Е. С. Влияние крепи боков выработки на устойчивости пород кровли. // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. — Новочеркасск: ЮРГТУ 2009. — С. 97 — 104.