Маркшейдерия и недропользование

Для определения функциональных возможностей различных видов крепи проведены сравнительные исследования для установления характера проявления горного давления при анкерной, комбинированной и рамной крепях горных выработок и выявления работоспособности анкерной крепи и рациональных схем ее применения.

В задачи исследований входило: установить характер сдвижения горных пород при различном структурном их строении для наиболее типичных кровель выработок; определить особенности проявления горного давления на крепь, когда выработки расположены в зоне и вне зоны влияния очистному забою; исследовать роль анкерной крепи на сопряжениях с очистными забоями.

Для решения поставленных задач были проведены сравнительные наблюдения за проявлением горного давления в выработках с различным сроком службы и назначением на пологих и наклонных пластах. Для наблюдений были взяты пластовые выработки шахты им. Кузембаева. Наблюдения проводились за сдвижением и расслоением горных пород путём использования парных и глубинных реперов.

Рис. 1.
Деформация контуров подготовительной выработки в зависимости от расстояния до очистного забоя: а) - 1 и 2 - сближение и интенсивность деформации пород кровли и почвы; б) - 3, 4 и 5 - опускание кровли, сближение боков и пучение почвы; в) - 6, 7 и 8 - скорость деформации кровли, боков и почвы

Прочность закрепления анкеров в скважинах определялась гидравлическими приборами ПА-3, ПА-4, и ПКА, а изменение натяжения в анкерах - гидравлическими динамометрами ДА-1, ДГА и самописцами типа СПУ. Давление на стойки рамной крепи определялось путём применения механических и тензометрических динамометров с записью показаний на ленточной диаграмме.

Проявления горного давления в выработках преимущественно зависит от состава пород кровли и их крепости, размеров выработки, слоистости и трещиноватости горных пород, параметров крепи, глубины разработки, вида крепи, наличия отжима в боковых стенках выработки, размера охранных целиков угля, влияния остаточного и временного опорного горного давления (зон ПГД, очистных работ, наличия подработки – надработки).

Замеры производились в конвейерном штреке 42 к₁₀-3 шахты им Т. Кузембаева УД АО «АрселорМиттал Темиртау», закрепленном различными видами крепи. Установлены опускания кровли Δh_k, сближения боков Δl_y на участке угольного пласта и Δl_y на участке подрывки и расслоения 1,5 – метрового слоя кровли Δh_p (рис.1).

Исследования проводились посредством реперно-динометрических замерных станций в течение 200 суток с момента установки крепи в нетронутом массиве с целью определения закономерностей сдвижения вмещающих пород в выработках трапецевидной и арочной формы, закреплённых рамной и комбинированной (анкерно-рамной) и анкерной крепью. Наиболее интенсивно кровля опускается в непосредственной близости от забоя.

Рис. 2.
Опускания кровли Δh_k (а), сближения боков на участках угольного пласта Δl_y и подрывки Δl_n(б) и расслоения Δh_p (в)

За первые сутки величина опускания кровли на участке с анкерной крепью составила 20% опускания в течение всего периода наблюдений 200 суток, с арочно-рамной 30% и с рамно-анкерной – 5%, а за первые 10 суток – соответственно 40, 45 и 25%. В начальный период в движение пришла значительная толща пород: за 10 суток репера на глубине 1,5 м опустилась на участке с арочной крепью на 10 мм, или 80% всего опускания этого репера в нетронутом массиве, с анкерной – 35 мм (50%) и с анкерно-рамной – 14 мм (20%) (рис.2).

Рис. 3.
Зависимость изменения скорости смещения пород кровли (1) и боков (2) выработки от сопротивления крепи

Рис. 4.
Схема определения деформаций при анкерном креплении: а) - схема установки анкера; б) - конструкция анкера; в) - схема измерений

Процесс деформирования пород в нетронутом массиве характеризуется наличием двух стадий. В первой стадии скорость нарастания смещений уменьшается, а для второй характерна постоянная скорость нарастания смещений.

Сближение кровли и почвы в выработках составило 750-800 мм, из них 65% смещений приходилось на поднятие пород почвы. Сравнительно быстрая стабилизация процесса смещений пород говорит о том, что происходила частичная нагрузка породного массива от напряжений.

В качестве конвейерных использовались выработки, пройденные узким забоем, которые поддерживались позади лав для повторного использования. Размер зоны опережающего опорного давления лавы составлял 120-130 м и в выработке наблюдалось интенсивное пучение почвы, деформация крепи.

В 20-30 м впереди забоя лавы производилась подрывка пород почвы на глубину 0,8-1 м, сближение кровли и почвы в выработке на линии очистного забоя составило 1260 мм. Позади лавы интенсивность смещений оставалась довольно высокой, и в 100-150 м производилось перекрепление и вторичная подрывка почвы выработки.

На рис.3 представлена зависимость изменения скорости смещения пород кровли (1) и боков (2) выработки от сопротивления крепи.

Для оценки нагрузоных характеристик анкерного крепления горных выработок в условиях шахты им. Кузембаева УД АО «Миттал Стил Темиртау» при подготовке лавы 11к₇-3, на протяжении 288 м исследован конвейерный штрек, закрепленный анкерной крепью (рис.4). Крепление выработки производилось путем установки анкеров диаметром 22 мм, длиной 1,8 м по 5 штук в ряд, с расстоянием между рядами 0,7 м. Крепление боков выработки производилось металлическими анкерами по 4 анкера на один метр.

Рис. 5.
Крепление конвейерного штрека 11к₇-3 шахты им. Кузембаева: а) - при проходке выработки; б) - при поддержании выработки вслед за подвиганием линии очистного забоя

С целью снижения затрат времени в зоне ведения очистных работ, производилось забуривание трех рядов металлического спецпрофиля СВП-22 под кровлю выработки для установки под них ремонтин.

Рис. 6.
Проявление горного давления при анкерном креплении подготовительных выработок: 1 - стержни круглого поперечного сечения 20 мм; 2 - стержни из арматурной стали 20 мм; 3 - стержни круглого поперечного сечения с различными нарезками; 4 - стержни шестигранные

Один из рядов забуривался непосредственно в районе сопряжения очистного забоя со штреком с установкой анкеров под углом 45-60° в сторону линии очистного забоя. Паспорт крепления выработки при проходке и поддержании вслед за подвиганием линии очистного забоя приведен на рис.5.

Максимальные вертикальные смещения пород кровли впереди линии очистного забоя в 10-20 м от лавы составляли 25-30 мм с последующим затуханием на расстоянии 30-35 м. Смещение пород кровли в поддерживаемой части достигали величины 520-550 мм. Величина вертикальных смещений на сопряжении конвейерного штрека с лавой составляло 25-45 мм.

Проявления горного давления при анкерном креплении подготовительных выработок при различных профилях металлических стержней представлены на рис.6.

Проведенные сравнительные испытания за проявлениями горного давления в выемочных выработках с различными видами крепления позволили установить их эксплуатационную работоспособность.