Разработка и исследование рациональных конструкций крепи для подготовительных выработок глубоких шахт при обработке мощных угольных пластов наклонными слоями

Актуальность проблемы. Решение задач, стоящих перед угольной промышленностью нашей страны, имеет важное народнохозяйственное значение, что нашло свое отражение в основных направлениях экономического и социального развития на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года, принятых ХХУТ съездом КПСС.

Развитие угледобывающей промышленности Грузинской ССР осуществляется, в основном, за счет шахт Ткибули-Шаорского каменноугольного месторождения. Наличие мощных, весьма сближенных угольных пластов в совокупности с их сильной геологической на-рушенностью требует решения комплекса вопросов, связанных с применением рациональных для данных систем разработки эффективных конструкций крепи глубоких горизонтов.

С ростом глубины, состояние подземных горных выработок резко ухудшилось. Смещение пород на глубоких горизонтах охватывает весь контур выработки и достигает значительных величин порядка 1000 мм. Существующие типовые конструкции крепей, применяемые на малых глубинах, ввиду несоответствия условиям глубоких горизонтов, преждевременно выходят из строя, вызывая неоднократные перекрепления выработок. Вследствие этого растут затраты на поддержание выработок, ухудшаются условия труда и безопасность работ.

Особенно в тяжелых условиях оказались подготовительные выработки, подвергающиеся влиянию очистных работ, в частности, слоевые штреки защитных пластов и угольные квершлаги (орты). Так, например, с ростом глубины от 600 м до 800 м стоимость поддержания I м слоевых штреков в год увеличилась на 20 руб. По данным комбината «Грузутоль» стоимость перекрепления слоевых штреков на глубоких горизонтах в 2 раза превышает стоймость их проведения.

В ближайшие годы предусматривается дальнейшее увеличение глубины подземной разработки Ткибули-Шаорского месторождения до 1700 м и более, что еще более осложнит поддержание подготовительных выработок. Поэтому установление характера проявления горного давления на глубоких горизонтах шахт и разработка на их основе рациональных конструкций крепи, способствувдих снижению затрат на поддержание подготовительных выработок, испытывающих вдаяние очистных работ является актуальной научной задачей.

Цель работы. На основе проявления горного давления обосновать и разработать рациональные конструкции крепи для подготовительных выработок глубоких шахт при отработке мощных угольных пластов наклонными слоями (на примере Ткибули-Шаорского каменноугольного месторождения).

Идея работы. Заключается в выборе формы, ориентации и параметров крепи, соответствующих основным закономерностям проявления горного давления в подготовительных выработках, испытывающих влияние очистных работ.

Методы исследований. В диссертации использованы методы научного обобщения, шахтных инструментальных наблюдений, математической статистики и теории корреляции, испытания шахтной крепи в лабораторных и производственных условиях, а также графический и технико-экономический анализ полученных результатов с использованием ЭВМ.

Достоверность содержащихся в диссертации положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом и продолжительностью производственных испытаний, хорошей сходимостью результатов натурных и лабораторных исследований, положительными результатами внедрения рекомендуемых конструкций крепи.

Научные положения, защищаемые в диссертации и новизна:

— закономерность проявления горного давления в подготовительных выработках, испытывающих влияние очистных работ при отработке мощных угольных пластов наклонными слоями на больших глубинах;

— величина соотношения вертикальной (по нормали к пласту) конвергенции с боковой составляющей 2,5−3,5;

— закономерность изменения смещений! фовли слоевых штреков в зависимости от времени и расстояний до забоев штрека и лавы (впереди линии очистного забоя) при различных глубинах разработки, описываемые полиномами пятой степени;

— формула для определения основных параметров крепи подготовительных выработок, в зависимости от глубины заложения, прочности пород и размеров выработки;

— форма, ориентация и параметры крепи подготовительных выработок глубоких шахт, испытывающих влияние очистных работ.

Практическая ценность работы заключается в разработке эллипсовидной и полигональной податливой крепи для слоевых штреков защитных пластов и квершлагов (ортов). Применение этих крепей обеспечивает снижение стоимости поддержания выработок и улучшает условия труда и безопасность работ, а также в установлении зависимостей между параметрами узла податливости, усилием зажатия узла, сопротивлением податливости и величиной нахлестки.

Реализация работы. Внедрение эллипсовидной податливой крепи из спецпрофиля осуществлено в слоевом штреке № 13 Ткибульс-кой шахты им. Ленина.

Эллипсовидная податливая крепь используется институтом.

Грузгипрошахт" в проектах разработки глубоких горизонтов шахт Ткибули-Шаорского месторождения,.

Аппробашгя работы. Основные положения диссертации докладывались на У Всесоюзном семинаре по исследованию проявления горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (г. Ткибули, 1978 г.), на Всесоюзной научной конференции по проблемам механики подземных сооружений (г.Ленинград, 1978 г.), на научном семинаре отдела проведения и поддержания горных выработок Донецкого научно-исследовательского угольного института (г. Донецк, 1984 г.), на научном семинаре отраслевой научно-исследовательской лаборатории оснований и подземных сооружений Минуглепрома УССР при Макеевском инженерно-строительном институте (г. Макеевка, 1984 г.), на заседании кафедры горной геомеханики: Донецкого политехнического института (г.Донецк, 1984 г.), на заседании кафедры разработки месторождений полезных ископаемых ШИ им. В. И. Ленина (г.Тбилиси, 1984 г.).

Конструкция эллипсовидной податливой крепи из спецпрофиля удостоена премии на Всесоюзном открытом конкурсе по разработке технических решений эффективных конструкций крепей подготовительных выработок (г. Москва, 1975 г.).

Конструкция податливой полигональной крепи из спевдрофиля защищена авторским свидетельством № 6050X4 от 6 января 1978 года.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в девятнадцати печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы ж 5 приложений.

2,6, Выводы по результатам шахтных наблюдений.

Шахтные инструментальные и визуальные наблюдения, выполненные на замерных станциях позволили сделать следующие выводы:

I* Подготовительные выработки глубоких горизонтов шахт Ткибули, где iJj ^ 0,5, характеризуются интенсивным всесторонним смещением породного контура. Эти смещения значительно превышают податливость используемых на шахте крепей, поэтому в указанных условиях необходимо применение конструкции крепи с увеличенной податливостью и улучшением податливым режимом работы.

2, Нагрузка на! фепь в слоевых штреках защитных пластов имеет неравномерный характер и возрастает с увеличением глубины (замерные станции Jfe№ 13,14,15,16,17,18),.

3, Смещения пород в слоевых штреках защитных пластов наблюдается по всему периметру выработок. При этом максимальные смещения проявляются в направлении, перпендикулярном напластованию пород и значительно превышают конструктивную податливость применяемой арочной крепи, минимальные приурочены к бокам выработки и по величине в 2−3 раза меньше максимальных. Наиболее интенсивное смещение пород наблюдается в первый период, в течение 10−12 суток. За этот же период происходит формирование основных нагрузок,.

4, Смещения контурных и глубинных реперов подтверждают образование вокруг выработки зоны неупругих деформаций, которая имеет удлиненную форму,.

5, В защитных пластах величина смещения пород почвы достигает значительных величин и в ряде случаев превышает смещения кровли и боков, что указывает на необходимость применения замкнутых конструкций 1фепи.

6. Соотношение вертикальной конвергенции с боковой для защитных пластов шахт Ткибули составляет 2,5−3,5, что предопределяет необходимость удлиненной формы крепи с различной степенью податливости, причем такая крепь должна располагаться с длинной оси по нормали напластования пород,.

7. Смещения контура в разгруженных пластах в 2−3 раза меньше, чем в защитных,.

8, В участковых квершлагах наблюдается симметричный характер смещения по отношению к главным осям выработки. Эти смещения значительно превышают конструктивную податливость применяемой кольцевой крепи,.

9, Влияние очистных работ на смещения контура выработки проявляется с приближением линии очистного забоя на расстояние 27−35 м, причем максимальные величины смещения отмечены при проходе лавы данного участка штрека.

3. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОДАТЛИВОГО УЗЛА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ.

КРЕПИ ИЗ СПЕЦПРОФИЛЯ 3.1, Постановка задачи и методика выполняемых работ.

Исследование работы податливых конструкций металлической крепи на глубоких горизонтах шахт, а также визуальные наблюдения за их состоянием в различных горно-геологических условиях показывают, что эффективность применения податливой крепи достигается при нормальной работе узлов податливости.

Существенное значение для нормальной работы узлов имеет правильное их размещение относительно главных нагрузок и выбор оптимальной рабочей характеристики узла в зависимости от конкретных горно-геологических условий.

Правильным следует считать такое расположение узла, при котором направление податливости совпадает с направлением главных нагрузок, в результате чего исключается возможность заклинивания элементов крепи и разрушение узла.

Узел податливости характеризуется такими параметрами, как сопротивление, усилие зажатия и величина нахлестки. Между ними существует определенная взаимосвязь. Так сопротивление податливости находится в прямой зависимости от усилия, с которым зажимается узел, величина нахлестки также оказывает значительное влияние на степень податливости.

Между тем в шахтных условиях при проведении и креплении подземных выработок в зависимости от ожидаемых нагрузок требуется различная величина сопротивления крепи. Установление зависимости между этими параметрами позволит придать узлам требуемое сопротивление путем зажатия гаек на хомутах соответствующей силой при определенной величине нахлестки.

В шахтных условиях при установке металлической крепи из спецпрофиля усилие зажатия гаек на хомутах не фиксируется специальными приспособлениями. Крепильщик зажимает узел обычным гаечным ключем интуитивно. Поэтому в ряде случаев гайки на хомутах оказываются зажатыми до такой степени, что крепь работает почти в жестком режиме. В таких случаях крепь деформируется и выходит из строя еще до наступления податливости в узлах. И наоборот, в ряде случаев узел оказывается зажатым настолько слабо, что не используется полная грузонесущая способность крепи. В обеих случаях не удается в полной мере использовать как несущую способность, так и деформативные свойства конструкции крепи.

Следует отметить, что по данным отечественной практики суммарное сопротивление податливости типовых конструкций крепей, применяемых на угольных шахтах, принимается равным 15 -20 10 кН на арку или 8−10 кН на стойку крепи. Вместе с тем в печати нет данных, указывающих, какое при этом требуется усилие зажатия узла. Шахтные инструментальные и визуальные наблюдения показали, что существенной влияние на работоспособность металлических конструкций крепи из спецпрофиля оказывает неравномерность нагрузок на крепь, в частности, условия, когда вертикальная конвергенция превосходит боковые или наоборот, когда горизонтальные смещения значительно превышают вертикальные.

Трехзвеньевую и пятизвеньевую конструкции арочной податливой крепи следует применять в основном при вертикальных смещениях пород, так как в таком случае ввиду вертикального расположения узлов, направление податливости будет совпадать с направлением основных нагрузок на крепь и поэтому узлы податливости будут работать в благоприятных условиях.

В условиях, когда преобладающим являются горизонтальные смещения, применение указанных крепей неоправдано ввиду отсутствия узлов податливости работающих в основном в горизонтальном направлении.

Таким образом, в условиях, когда основные смещения в выработке направлены со значительным отклонением от вертикали, применение существующих конструкций арочных крепей с вертикальным расположением узлов податливости приводит к деформации и разрушению крепи ввиду несоответствия работы узлов податливости с характером смещений пород в выработке.

Неравномерность нагружения податливой крепи часто вызвана наличием пустот за крепью и неплотной забутовкой закрепного пространства, что также является причиной неудовлетворительной работы узлов податливости. Качественная забутовка обуславливает взаимодействие крепи с массивом, что является необходимым условием для использования несущей способности крепи в полной мере.

Следует отметить, что в условиях интенсивного смещения пород несущая способность крепи на смещение контура выработки влияет незначительно /35/. Вместе с тем в определенных пределах реакция крепи оказывает значительное влияние на деформацию окружающих выработку пород, поэтому несущая способность крепи должна использоваться наиболее полно /112,113/.

Рациональное использование грузонесущей способности податливых конструкций крепи из спецпрофиля возможно при оптимальном сопротивлении податливых узлов.

Следовательно, необходимо, чтобы имелась определенная взаимосвязь между сопротивлением податливости узла и несущей способностью крепи.

Таким образом, задача, поставленная стендовыми испытаниями, заключалась в следующем: установить зависимость между сопротивлением податливости и усилием зажатия узла при различных величинах нахлестки и на основе полученных данных определить оптимальную рабочую характеристику узла податливости крепи из СВП-27. Стендовые испытания осуществлялись на основании работы /112/ для податливых узлов, расположенных на прямолинейных участках крепи с использованием пресса ПГ—100 (рис. 3.1).

Пресс ПГ-ЮО был дополнен приспособлениями в виде гнезд, которые исключали соскальзывание с платформы пресса торцов спецпрофиля.

При испытании узлов фиксировались нагрузка на узел, относительные смещения элементов крепи в узле и усилия зажатия узла.

В процессе испытания фиксировались также изменение зазоров между элементами крепи, ширина профилей и деформаций хомутов и планок.

Начальная величина нахлестки узла в наших опытах принята равной 200 мм, а конечная — 1000 мм, что соответствует величине податливости 800 мм.

С точки зрения облегчения опытов к нижнему элементу податливого узла приваривались для каждого эксперимента в отдельности отрезки спецпрофилей длиной 200,400,600,800 и 1000 м. Это давало возможность при различных величинах усилия зажатия гаек на хомутах и определенных величин нахлестки не разбирать конструкцию узла.

Узел податливости состоял из двух отрезков спецпрофиля длиной 1300 мм каждый из хомутов с диаметром стержня 24 мм с планками, Дяя контроля за усилием зажатия гаек на хомутах между спецпрофилем и хомутами в узле были расположены два, предварительно оттарированных механических динамометра типа 50Д-180,.

Для зажатия узла применялся специальный динамометрический ключ конструкции Свердловского института НИПИГОРМАШ типа М-40. На шкале ключа фиксируется величина крутящегося момента, По крутящему моменту с использованием паспорта ключа определяется величина натяжения хомута.

Сопротивление податливости узла фиксировалось в момент смещения элементов спецпрофиля между собой, а начало смещения элементов спецпрофиля фиксировалось при помощи индикатора ИЧ с ценой деления основной шкалы, равной 0,01 мм.

При испытании узла податливости суммарное усилие зажатия на узел менялось от 2 10 кН до 18 10 кН с интервалом по 2 10 кН.

Всего при наличии пяти различных величин нахлестки, семи вариантов значения усилия зажатия узла и повторении каждого опыта три раза, было осуществлено 105 опытов.

3.2. Работа податливых узлов и результаты испытаний.

Данные, полученные в результате испытаний, приведены в таблице 3.1 (среднеарифметические значения величин после трех испытаний). Они позволили установить зависимости между параметрами узла податливости из СВП-27- сопротивлением податливости (Р), величиной нахлестки () и усилием зажатия узла (Gr). В частности, по результатам таблицы построены график сопротивления податливости в зависимости от усилия зажа.

Рис. 3.1. Схема испытания узла податливости на прессе.

I — платформа- 2 — спеццрофиль- 3 — хомут- 24 4 — динамометр- 5 — ицдикатор- 6 гайка М24- 7 — планка.

Результаты испытания спеццрофиля СВП-27.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненное исследование позволило сформулировать следующие основные выводы и рекомендации,.

1. Установлено, что подготовительные выработки на глубоких горизонтах сооружаются в слабых породах (^ > 0,5) сильно нарушенных и склонных к выветриванию, применяемые в этих выработках типовые арочные и кольцевые конструкции крепи из спецпрофиля не соответствуют условиям глубоких шахт, так как 62% выработок, закрепленных этими видами крепи деформированы, Параметры крепи при этом выбираются методом инженерной аналогии.

2. Производственными исследованиями установлено, что основные смещения в подготовительных выработках глубоких горизонтов реализуются за 10−15 суток после обнажения контура выработки. За этот же период происходит формирование основных нагрузок на крепь,.

3. Исследованиями проявления горного давления на глубоких горизонтах показано образование вокруг выработки зоны неупругих деформаций, которая имеет удлиненную форму с длинной осью в направлений главных смещениймаксимальные величины смещений и нагрузок в слоевых штреках направлены по нормали к напластованию пород, минимальные — приурочены к бокам выработки, Соотношение вертикальной конвергенции к боковой составляет 2,5−3,5.

4. Методом математической статистики установлены закономерности изменения смещений кровли слоевых штреков в зависимости от времени и расстоянии до забоев штрека и лавы при различных глубинах разработки.'.

5. Разработаны технические требования по форме, ориентации и параметрам крепей подготовительных выработок глубоких шахт, учитывающие закономерности проявлений горного давления цри отработке мощных угольных пластов наклонными слоями.

6. На основе корреляционного анализа получена формула для определения основных параметров крепи подготовительных выработок в зависимости от глубины заложения, прочности пород и размеров выработки.

7. Разработаны и испытаны из СВП-27 податливая полигональная крепь для участковых квершлагов и эллипсовидная податливая крепь для слоевых штреков защитных пластов. Эллипсовидная податливая крепь внедрена на Ткибульской шахте им. Ленина и используется институтом «Грузгипрошахт» в проектах разработки глубоких горизонтов шахт Ткибули.

8. Фактический экономический эффект от внедрения эллипсовидной податливой крепи составляет 178 руб/м., расчетны экономический эффект — 107 тыс. руб/год.