Горное дело

К.т.н. Касьян С.И., магистр Пронь П.А.

Донбасский государственный технический университет, Украина

Геомеханическое обоснование параметров упрочнения кровли анкерованием на сопряжениях лав с подготовительными выработками

Упрочнение неустойчивых пород кровли в лавах анкерами, закрепляемыми вспенивающимся быстротвердеющим полиуретановым составом по всей длине шпура, находит все большее распространение на шахтах Донбасса. Этот способ разработан в ДонУГИ, по данным промышленных испытаний он перспективен. Особенно эффективным оказалось химическое анкерование при укреплении кровли на сопряжениях лав с прилегающими выработками. Анкер или пара их устанавливались в каждый промежуток между рамами крепи подготовительной выработки. Наиболее широко применяется химическое анкерование на сопряжениях лав с подготовительными выработками в ш/у «Заря» (Торезантрацит) и им. Космонавтов (Донбассантрацит) [1].

Анкерование кровли на протяженных участках и на сопряжениях лав с выработками – эффективный и простой способ предотвращения вывалов породы в призабойном пространстве лав и обеспечения безопасности работы в сложных горно-геологических условиях. Затраты на него в 4 раза меньше, чем на упрочнение пород нагнетанием составов.

Для анкерования кровли на протяженных участках лав и на сопряжениях лав с выработками предложен новый способ, позволяющий упростить технологию за счет приклеивания стяжки, которая работает на растяжение, а не на изгиб; уменьшить трудоемкость выполнения работ и расход металла; расширить область применения упрочнения кровли при вывалах высотой 0,3 - 0,6 м и более 2 м [2]. Анкерные крепи способствуют сохранению монолитности породного массива вокруг выработки, более активно препятствуют развитию и росту самого горного давления [3].

Наиболее эффективными технологическими приемами, обеспечивающими безопасный переход геологических нарушений, является опережающее крепление нарушенных пород анкерами, заполнение пустот вспенивающими полимерными материалами [4]. Прогрессивным способом закрепления анкеров является закрепление инъекцией быстротвердеющими составами, без применения ампул. Наилучшим скрепляющим составом для упрочнения пород зарекомендовали себя пенополиуретановый (типов ППУ-328 и ППУ-329). Подача компонентов состава в трещиноватый горный массив осуществляется под высоким давлением (до 20 МПа) при помощи разработанных ИГД им. А.А. Скочинского и выпускаемых серийно нагнетательных установок НАГУС-212 с пневмоприводом [5].

В процессе подвигания лав породы кровли испытывают влияние перемещающегося опорного давления, которое приводят к их расслоению и обрушению на некоторых участках очистной и подготовительной выработок, особенно в зоне их сопряжений [6].

Целью работы является обоснование параметров анкерной крепи в подготовительных выработках, путем учета свойств массива пород для повышения безопасности и эффективности работы лав.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи: изучить схемы упрочнения выработок и их сопряжения с лавами; исследовать напряженно-деформированное состояние массива в окрестности сопряжений лав с выработками методом конечных элементов; исследовать влияние схем и параметров анкерования на сопряжениях лавы с выработкой, определить оптимальную схему упрочнения, обосновать её параметры.

При выполнении работы применен комплексный метод исследования, который включает анализ и обобщение литературных и патентных источников, моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород методом конечных элементов.

Для оценки напряжённо-деформированного состояния массива горных пород были рассчитаны эквивалентные напряжения (простые напряжения, действие которых равноценно действию напряжений в элементе, находящемся в сложном напряженном состоянии) по теории прочности Мора.

На линии очистного забоя лавы, работающей вне зоны влияния геологического нарушения, по контуру лавы и подготовительной выработки рассредоточены растягивающие напряжения, достигающие в кровле и почве пласта 5,0 МПа, со стороны нетронутого массива преобладают сжимающие напряжения, достигающие 6,6 МПа. При нахождении лавы в зоне влияния геологического нарушения увеличиваются растягивающие напряжения, расположенные по периметру выработки, достигающие 5,3 МПа в кровле и 7,0 МПа в почве пласта. Со стороны массива пород сжимающие напряжения достигают 5,3 МПа. На 22% увеличились растягивающие напряжения в почве, что обусловлено приближением лавы к нарушению, которое возникает в почве пласта и, по мере подвигания очистного забоя, в кровле пласта.

В работе использованы схемы упрочнения пород на сопряжении подготовительной выработки с лавой: 1) один анкер (рисунок 1,а); 2) один анкер, стяжка с металлической плитой, приклеенной к кровле с помощью быстроотверждающегося синтетического клея (рисунок 1,б); 3) два анкера, соединённые стяжкой (рисунок 1,в); 4) для обеспечения устойчивости сопряжения лавы с выработкой предложена схема анкерования тремя анкерами, один из которых попадает в геологическое нарушение, а два других – закреплены в устойчивых породах кровли (рисунок 1, г).

Для определения оптимальной схемы упрочнения с помощью анкеров решены задачи о распределении напряжений и деформаций в упругом массиве. В качестве упрочняющего элемента принят сталеполимерный анкер длиной 2,0 м, устанавливаемый над пластом под углом 5° относительно напластования пород. Рассмотрены вертикальные (вдоль оси Z) и горизонтальные напряжения вдоль и поперёк выработки (вдоль осей X и Y соответственно) на расстоянии 1 м впереди очистного забоя.

Рисунок 1 – Схемы упрочнения пород на сопряжении лавы с подготовительной выработкой

Установлено, что по оси анкера, образуется зона сжатия, увеличиваются сжимающие напряжения вдоль оси Y на 54 %, вдоль оси Z на 28 %, а вдоль оси Х уменьшаются на 10 %. Напряжённо-деформированное состояние массива горных пород при различных схемах упрочнения не изменяется. Основной задачей анкеров в данном случае является сшивка отдельных блоков породы в единый массив. Первая схема применялась для упрочнения сопряжения лавы с просеком на шахте №81 «Киевская» и не дала положительных результатов. Обрушались нижние слои кровли вместе с анкером, т.к. конец последнего не был закреплён в устойчивых породах кровли. Нами предлагается схема 2, когда анкер прикрепляется к устойчивым породам кровли с помощью синтетического клея. В тех случаях, когда устойчивые породы не попадают в сечение обнажённой поверхности выработки, рекомендуется 3 схема – установка двух анкеров соединённых стяжкой, где верхний анкер устанавливается вертикально в кровлю выработки с целью уменьшения его длины. В местах геологических нарушений рекомендуется применение 4 схемы, где один анкер попадает в геологическое нарушение, а два других – закреплены в устойчивых породах кровли.

Для определения эффективности 1 – 3 схем рассмотрены усилия, возникающие в анкерах и стяжках (рисунок 2).

В окрестности лавы на всех участках анкера и в стяжке увеличиваются усилия. Максимальное растягивающее усилие испытывает анкер, находящий на расстоянии 1 м позади очистного забоя на 2-м участке (0,05 МН), а сжимающее – 0,34 МН возникает в анкере на расстоянии 5 м позади лавы, где устанавливается охранный элемент (БЖБТ). Максимальное усилие возникает в анкере, находящимся на линии очистного забоя и составляет 0,15 МН. На расстоянии 1,5 м впереди и позади лавы в стяжках преобладают сжимающие усилия, которые не превышают 0,03 МН. При образовании трещин в массиве горных пород усилия в стяжках увеличиваются на 8 %, а максимальное растягивающее усилие достигает 0,162 МН.

Рисунок 2 – Распределение усилий, возникающих в анкерах и стяжках

Распределение усилий в анкерах и стяжках в зоне геологического нарушения (4 схема) представлено на рисунке 3. Второй участок анкера, расположенного на расстоянии 4 м впереди лавы, пересёк геологическое нарушение. Поэтому в нём резко возросли сжимающие напряжения, достигающие значения 0,27 МН. Обычный сталеполимерный анкер выдерживает 0,15 МН, следовательно, в зоне геологического нарушения анкер не выдержит такую нагрузку и будет разрушен, поэтому необходимо применение схемы (рисунок 1,г), т.е. три анкера, максимальные усилия при которых равны 0,094 МН, которые меньше на 65% по сравнению со схемой упрочнения с одним анкером (рисунок 1,б), и возникают они в тех частях анкеров, которые попадают в нарушение (1-я часть 1-го анкера и 2 часть 2-го анкера).

Рисунок 3 – Распределение усилий, возникающих в анкерах и стяжка в зоне геологического нарушения

Для упрочнения кровли на сопряжении лавы с выработкой вне зоны влияния геологического нарушения рекомендуется 2 схема (один анкер, стяжка с металлической плитой, приклеенной к кровле с помощью быстроотверждающегося синтетического клея), а в зоне геологического нарушения – установка трёх анкеров (4 схема).

Литература:

1. Кара В.В. Химическое анкерование в очистных забоях // В.В. Кара, В.К. Сальников, И.Я. Пихович – Уголь Украины. – 1977. – № 7. – С. 20-21.

2. Клишин Н.К. Анкерование неустойчивой кровель в лавах // Н.К.Клишин, К.З Склепович., С.И. Касьян, О.Л. Кизияров. – Уголь Украины. – 2008. – № 10. – С. 17-19.

3. Генин М.С. О механическом упрочнении породной толщи // М.С.Генин, А. А. Конных. – Уголь. – 1982. – № 1. – С. 27-28.

4. Киржнер Ф.М., Скуба В.Н. Совершенствование технологии разработки нарушенных пластов // Ф.М. Киржнер, В.Н. Скуба. – Уголь. – 1982. – № 4. – С. 19-21.

5. Васильев В.В. Крепление горных выработок полимерно-композиционными материалами. – Уголь. – 1998. – №4. – С. 33-35.

6. Зборщик М.П. Геомеханические процессы в зоне разрушенных пород в окрестности поддерживаемых выработок. / М.П. Зборщик, Н.Н. Касьян, А.П. Клюев, Р. И. Азматов – Уголь Украины. – 1996. ‑ №4. ‑ С. 7-9.