Геомеханическое обоснование технологии анкерного крепления подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля

В результате проведенной реструктуризации угледобывающей отрасли и внедрения при подземной разработке угля современных высокопроизводительных механизированных комплексов на многих шахтах Кузнецкого бассейна нагрузки на очистной забой возросли до 8000−10 000 т/сут. В этих условиях ежемесячное подвигание очистного забоя на пластах средней мощности превышает 250 м. Своевременное обеспечение воспроизводства запасов подготовительных к выемке с учетом монтажных работ может быть достигнуто при скорости проведения подготовительных выработок не менее 250−300 м/мес.

Однако в настоящее время средние темпы проведения подготовительных выработок на шахтах Кузбасса составляют в различных горногеологических условиях 150−190 м/мес. С учетом влияния возможных неблагоприятных факторов (геологические нарушения, высокая газоносность угольных пластов и пород и т. п.) средняя скорость проведения штреков не превышает 100−120 м/мес. В связи с постоянным ростом газообильности горных работ и необходимостью подачи дополнительных количеств воздуха для снижения концентрации метана до безопасного уровня сечения подготовительных горных выработок значительно увеличились, а многие шахты перешли на многоштрековую технологию подготовки запасов выемочных участков. Эти обстоятельства, в свою очередь, вызывают увеличение объема подготовительных работ и сроков подготовки запасов к очистной выемке, что в некоторых случаях приводит к несвоевременному вводу в эксплуатацию очистных забоев. Среднегодовые простои одного комплексно-механизированного забоя на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в среднем составляют 45 дней, что влечет потери добычи угля на компании до 1,8 млн т/год. Анализ показателей работы длинных очистных забоев, оснащенных механизированными комплексами, показал, что до 85% их простоев по геомеханическим факторам 4 связаны с обрушением пород и разрушением крепи на участках подготовительных выработок, примыкающих к очистному забою. Для обеспечения высоких темпов проведения и безремонтного поддержания подготовительных выработок, особенно в зонах повышенного горного давления, вызывающих значительное снижение устойчивости пластовых выработок, проводятся дополнительные работы по возведению крепей усиления и упрочению углепородного массива. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3−5 тыс. руб/м) и снижают скорость отработки запасов на 30−40%. В последние годы на шахтах Кузнецкого бассейна для интенсификации подготовительных работ и повышения устойчивости выемочных выработок все большее распространение получают сталеполимерные анкерные крепи.

Анализ технологических процессов во время установки анкеров и их работы в период эксплуатации выработок позволяет определить круг проблем, решение которых позволит повысить эффективность анкерного крепления и, как следствие, устойчивость выработок, увеличить темпы их проведения и снизить затраты. К числу проблем, не решенных до настоящего времени, относятся:

— отсутствие высокопроизводительной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М. М. Протодьяконова;

— фактическое снижение, по сравнению с расчетным величины закрепляемой, контактной с вмещающими породами, части сталеполимер-ного анкера, что не позволяет обеспечить проектной несущей способности крепи и, соответственно, устойчивости выработки. Это объясняется несовершенством конструкции существующих анкеров, которая не может, в силу своей специфики, обеспечить качественное перемешивание полимерного композита в шпуре и полное заполнение объема шпура полимером.

Таким образом, разработка эффективных технологических средств и технических средств анкерного крепления, обеспечивающих надежное поддержание подготовительных выработок, является актуальной научной и практической задачей.

Целью диссертации является установление закономерностей формирования эквивалентной мощности дезинтегрированных зон породного массива для обоснования параметров, разработки и реализации техники и технологии анкерного крепления подготовительных выработок, обеспечивающих повышение темпов их проведения и надежное сохранение в течение всего периода эксплуатации.

Основная идея работы состоит в реализации системного подхода к управлению устойчивостью подготовительных выработок на базе определения эквивалентной мощности дезинтегрированых зон породного массива и обоснования рациональных технологических и технических решений по анкерному креплению.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

— устойчивость подготовительных выработок шахт определяется минимальной мощностью закрепляемого анкерами массива, зависящей от величины эквивалентной мощности дезинтегрированных пород контура выработки и прочности первого несущего слоя;

— величина деформации и размеры зон дезинтегрированных пород в кровле подготовительных выработок определяются величиной их эквивалентного пролёта, формой и площадью поперечного сечения, наличием анкерной крепи;

— в процессе взаимодействия анкерной крепи и пород происходит «самостабилизация» усилий, напряжений и деформаций в закрепленной части массива с проявлением эффекта «обоймы» и повышением прочности системы «крепь — массив».

Научная новизна работы заключается в следующем:

— доказано, что минимальная мощность скрепляемых анкерами пород контура выработки определяется соотношением прочности первого несущего и последующих слоев массива;

— установлено, что несущая способность анкерной крепи определяется величиной адгезии между стенками шпура и отвердевшим полимером, которая зависит от качества перемешивания компонентов состава и полноты заполнения шпура;

— доказано, что разработанная конструкция анкеров с торцевой частью в виде режущей фрезы позволяет осуществлять качественное разрушение полимерных ампул, перемешивание компонентов состава и заполнение шпура;

— установлено, что крепление горных выработок сталеполимерными анкерами с торцевой частью в виде режущей фрезы позволяет уменьшить смещение пород контура на 60 — 65% по сравнению с другими типами анкеров и повысить устойчивость выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— использованием экспериментально-аналитических методов исследований, апробированных методов моделирования, лабораторных и натурных измерений, исследований непосредственно на производстве;

— анализом большого объема информации (статистики, экспериментальных данных) с использованием методов математической статистики и применением для их разработки ЭВМ;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными натурных измерений на полях шахт «Осинниковская», «Антоновская», «Абашевская»;

— положительными результатами внедрения технических и технологических решений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертационной работе, на полях шахт ОАО ОУК «Южкузбассуголь». 7.

Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке комплексного подхода и решению задач выбора эффективных способов анкерного крепления и поддержания подготовительных выработок на основе изучения геомеханических зависимостей состояния горного массива и взаимодействия крепей и массива, что позволяет обосновать для различных горнотехнических условий рациональные параметры крепи, увеличить темпы проведения и устойчивость подготовительных выработок.

Практическое значение диссертации заключается в следующем:

— разработан метод прогноза деформаций породного массива подготовительных выработок и их сопряжений в зависимости от величины эквивалентного пролета выработок и эквивалентной мощности деформированных пород слоев;

— разработана, изготовлена, прошла государственную сертификацию и испытана в шахтных условиях бурильная установка УБ-1350 для анкерного крепления, которая по своим техническим характеристикам превосходит аналогичные устройства отечественного и зарубежного производства, что обеспечивает увеличение скорости и диапазона бурения шпуров и установки анкеров, безопасность производства работ;

— разработан, изготовлен и принят в эксплуатацию диагностический стенд СД-ПРК-3800, позволяющий проводить комплексные испытания отечественных и зарубежных бурильных установок на их соответствие паспортным параметрам;

— разработаны и запатентованы два типа анкеров нового технического уровня, имеющие высокую несущую способность, применение которых позволило значительно повысить их устойчивость и внедрить прогрессивные технологические схемы подготовки запасов выемочных участков;

— разработан инструктивный документ по техническому обеспечению эффективного и безопасного ведения работ по анкерному креплению выработок ОАО ОУК «Южкузбассуголь». 8.

Реализация работы. Технология крепления выработок с использованием разработанных бурильной установки УБ-1350, анкеров типа АСП-20 и АСП-20.500 и обоснованными в диссертации параметрами (длина анкера, несущая способность, плотность установки, длина участка закрепления в шпуре и др.) внедрена на 9 шахтах ОАО ОУК «Южкуз-бассуголь», что позволило увеличить темпы проведения пластовых выработок, перейти на постоянные схемы подготовки запасов, повысить безопасность ведения работ. Экономическая эффективность применения бурильной установки УБ-1350 и анкеров типа АСП составляет в среднем 3940 руб/м, а за счет внедрения постоянных схем подготовки запасов превысила 30 млн руб/год.

Результаты работы в виде учебного материала использовались в учебном процессе в Московском государственном горном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на Международных научно-практических конференциях «Неделя горняка» (Москва, 2003;2004 гг.), Международной научно-технической конференции «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ» (Екатеринбург, 2005 г.), технических советах ОАО ОУК «Южкузбасс-уголь» (г. Новокузнецк, 2001;2005 гг.), ООО «Горно-техническая компания (г. Новокузнецк, 1999;2004 гг.), научно-техническом совете ЗАО шахта «Антоновская» (г. Осинники, 2004 г.), семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (2005 г.).

Выводы.

Широко применяемые в настоящее время сталеполимерные анкеры типов АСП, А20 В, А20 и другие вследствие недостатков конструкции стержня не обеспечивают качественного перемешивания компонентов полимерного состава, что отрицательно влияет на его отвердение, снижает связь состава со стенками шпура и надежность анкерного крепления в целом. Разработанные при участии автора конструкции сталеполимерных анкеров типов АСП-20 и АСП-20.500 за счет оснащения торцевой части стержня режущей головкой с двумя боковыми режущими кромками позволяют обеспечить одновременное разрушение ампулы с полимерным составом, качественное перемешивание полимерного состава в необходимых пропорциях и более полное заполнение шпура полимером. Сравнительные стендовые испытания существующих анкеров АСП, А20 и новых АСП-30 (АСП-20.500) показали, что использование последних позволяет повысить качество перемешивания закрепляющего состава на 30−40%.

Эксплуатационные испытания анкеров АСП-20 и АСП-20.500, проведенные на шахте «Есаульская», доказали их высокие технологические и эксплуатационные характеристики. По результатам.

182 эксплуатационных испытаний приемочной комиссией ОАО ОУК «Южкузбассуголь» была дана рекомендация к постановке этих типов анкеров в промышленное производство и широкое внедрение на шахтах компании. '.

Промышленные испытания работоспособности нового типа анкеров, проведенные на шахтах «Томской», «Юбилейной» и «Алардинской» в различных горно-геологических условиях, показали их высокую несущую способность (115−130 кН), технологичность установки, безопасность производства работ. Полученные положительные результаты различного рода испытаний нового типа анкеров определили тенденцию на полное замещение анкеров А20, АСП анкерами АСП-20 и АСП-20.500. Повсеместное внедрение новых типов анкеров на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» обеспечило более высокую устойчивость выемочных подготовительных выработок, их эксплуатационную надежность и безопасность работ, позволило широко применять прогрессивную технологию подготовки запасов выемочных участков по постоянным схемам, повысить скорость отработки запасов и нагрузки на очистные забои.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению устойчивости подготовительных выработок выемочных участков шахт путем разработки и внедрения высокопроизводительных, малогабаритных буровых установок и новых конструкций анкерного крепления, имеющих существенное значение для угольной отрасли РФ.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что проблему интенсификации очистной выемки угольных пластов на шахтах Кузнецкого бассейна (рост нагрузок на очистной забой до 10 000−12 000 т/сут. и увеличение скорости подвигания до 6−8 м/сут.) необходимо рассматривать в увязке с обеспечением высокой скорости проходки участковых подготовительных выработок, их высокой надежности и безопасности при эксплуатации.

Анализ отечественного и мирового опыта крепления горных выработок показывает, что использование анкерного крепления позволяет значительно увеличить темпы и снизить затраты на проведение подготовительных выработок, уменьшить шахтные расходы в целом.

Исследование динамики применения различного типа анкеров на шахтах Кузбасса установлена тенденция к замещению сталеполимерными анкерами другие типы крепей (соответственно 6,5 и 35% в 2003 г.).

2. Основными проблемами анкерного крепления, не решенными до настоящего времени, являются: отсутствие высокопроизводительной малогабаритной буровой техники отечественного производства, позволяющей бурить шпуры в породах крепостью более 4 единиц по шкале проф. М. М. Протодьяконова, нерациональная конструкция стержней анкеров, не обеспечивающая качественного перемешивания.

184 компонентов полимерного состава в шпуре и отсутствие нормативных документов и методик расчета сталеполимерных анкеров и анкеров глубокого заложения.

3. Разработана комплексная методика, позволяющая на базе определения эквивалентной мощности дезинтегрированных пород контура и эквивалентного пролета протяженных выработок, в том числе выработок большой (6−8 м) ширины и увеличенного (18−25 м) поперечного сечения, достоверно рассчитывать параметры зоны закрепления пород и анкерного крепления в зависимости от свойств пород, формы и размеров поперечного сечения выработок.

4. Установленные закономерности напряженно-деформированного состояния пород, разрушения горного массива вокруг выработок и нагружения крепей позволили методически обосновать параметры паспортов крепления основных конфигураций и сопряжений горных выработок с использованием анкеров различных типов — глубокого заложения и сталеполимерных.

5. Разработана техническая документация на изготовление совместно с фирмой EMCDS (Англия) на базе серийного изделия TURBO-BOLTER переносной компактной бурильной установки УБ-1350, которая по своим техническим характеристикам превосходит базовую модель, а по стоимости дешевле на 30−40%. Бурильная установка УБ-1350, изготовленная в ООО «Горно-техническая компания», прошла межведомственную сертификацию в научном центре по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ и получила разрешение на серийное производство.

6. Разработаны комплексные программы методики стендовых и эксплуатационных испытаний бурильной установки УБ-1350. Для осуществления стендовых испытаний перед запуском бурильной установки УБ-1350 в серийное производство был сконструирован и изготовлен специальный стенд СД-ПРК-3800, позволяющий исследовать.

185 основные параметры установки. Сравнительные стендовые испытания бурильных установок TURBO-BOLTER и УБ-1350 показали, что технические изменения, внесенные в конструкцию, позволили повысить величину максимального крутящего момента на 4,8% при незначительном увеличении других показателей.

7. В процессе эксплуатационных испытаний бурильной установки УБ-1350, проведенных в особо сложных горно-геологических условиях шахты «Антоновская» было пробурено 4296 м шпуров и установлено свыше 2000 анкеров различных типов. Исследование шумовых, вибрационных характеристик установки, эргономичности работы оператора показали, что они соответствуют требованиям соответствующих ГОСТов и на 10−15% лучше отечественных и зарубежных аналогов. Исследование запыленности рабочей зоны оператора в процессе бурения показало превышение норм ПДК, однако по сравнению с другими бурильными установками зафиксировано снижение запыленности в 1,3−1,5 раза.

По результатам стендовых и эксплуатационных испытаний установки УБ-1350 Кузнецким округом Госгортехнадзора РФ было дано разрешение на ее использование на шахтах, опасных по газу и пыли.

8. Разработаны конструкции сталеполимерных анкеров типа АСП-20 и АСП-20.500, отличающихся от существующих тем, что торцевая часть стержня выполнена в виде режущей головки с двумя боковыми режущими кромками. Такая конструкция обеспечивает одновременное разрушение ампулы с полимерным составом, его качественное перемешивание и более полное заполнение шпура. Сравнительные стендовые испытания существующих конструкций сталеполимерных и новых типов анкеров показали, что при использовании последних качество перемешивания и заполнения шпуров повышается на 30−40%.

Промышленные испытания работоспособности анкеров АСП-20 и.

АСП-20.500, проведенные на шахтах «Томская», «Юбилейная»,.

Алардинская" в различных горно-технических условиях, показали их высокую несущую способность (115−130 кН), технологичность установки и безопасность производства работ. По результатам испытаний приемочной комиссией ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в 2002 г. была дана рекомендация к постановке этих типов анкеров в промышленное производство и широкое внедрение на шахтах компании.

9. Анализ динамики применения различного типа анкеров на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» показывает, что за период с 2002 по 2005 гг. показатель использования сталеполимерных анкеров типа АСП-20 увеличился на 44%, механических анкеров типа ШК-1М — на 24%, а прочих анкеров сократился на 82%.

10. В результате натурных исследований устойчивости подготовительных выработок, проведенных на шахтах «Осинниковская» и «Абашевская» установлено, что смещения пород кровли выемочных штреков вне зоны влияния очистных работ при их креплении анкерами типа АСП-20 в 2,5 раза ниже, чем при использовании рамных крепей. При сравнительных исследованиях деформаций пород контура выработок в зонах влияния очистных работ, закрепленных сталеполимерными анкерами АСП-20 и АСП, зафиксировано снижение смещений кровли штреков за период эксплуатации в среднем на 60−65% (АСП-20 — 60−70 мм, АСП — 100−110 мм). Анализ влияния устойчивости выемочных штреков по технико-экономические показатели очистных забоев показал, что повышение площади сечения и устойчивости штреков при использовании анкерной крепи АСП-20 позволило увеличить надежность работы участка и, как следствие, темпов отработки запасов в 1,8 раза и нагрузки на очистной забой в 1,5 раза (с 2250 до 3340 т/сут.).

11. Разработана комплексная технология крепления подготовительных выработок и повышения их устойчивости, включающая методику расчета деформаций и смещений пород контура выработок, в том числе большой площади поперечного сечения (до 25 м2);

187 определение оптимальных параметров сталеполимерной анкерной крепи в соответствии с эквивалентным пролетом выработокприменение, созданной и изготовленной в ООО «Горнотехническая компания» компактной бурильной установки УБ-1350, позволяющей за счет увеличения скорости бурения шпуров и установки анкеров в ограниченном пространстве подготовительного забоя предотвратить расслоение свежеобнаженной поверхности породиспользование анкеров новой конструкции типа АСП-20, обеспечивающих качественное перемешивание компонентов полимерного состава и повышение за счет этого скорости полимеризации, более полное заполнение шпуров, создание высокой степени адгезии состава и стенок шпура с увеличением несущей способности анкеров до 130 кН.

12. Применение комплексной технологии крепления подготовительных выработок и повышение их устойчивости позволило увеличить на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» долю подготовки запасов выемочных участков на постоянных схемах до 40−45% от общего объема подготовки, что обеспечило за счет снижения прямых расходов по приобретению и исключению из процесса проходки выработок работ по монтажу и демонтажу транспортного проходческого оборудования экономический эффект в размере 3,0−3,2 млн руб. на каждый выемочный участок.