Горное дело
Д.т.н. Клишин Н.К., к.т.н. Склепович
К.З.,
аспирант Касьян С.И., аспирант
Кизияров О.Л.
Донбасский государственный
технический университет, Украина
Обоснование
параметров химического анкерования неустойчивой кровли
в лавах.
Для обеспечения безопасности и
эффективности очистных работ по добыче угля на участках ложной, неустойчивой
кровли, в местах геологических нарушений, на сопряжениях лав с выработками,
т.е. в сложных горно-геологических условиях, упрочняют кровлю угольного пласта
нагнетанием составов, химическим анкерованием, набрызгом
составов на поверхности вывалов [1, 2].
Упрочнение составами применяют в 1 –
2 лавах Донбасса в год. Причины незначительного объема упрочнения: высокая цена
(25000 грн/т) полиуретановых составов; большие затраты на выполнение работ.
Проблема заключается в том, что на практике используются рекомендованные
нормативными документами параметры технологий упрочнения, назначенные на
организационной основе, без учета свойств упрочняемых массивов, места работ,
взаимодействия во времени и в пространстве пород и составов. Это приводит к
завышенному расходу составов, непроизводительным затратам на бурение шпуров и
нагнетание составов.
Химическое анкерование широко применяется для
упрочнения кровли в лавах, особенно на сопряжениях лав с выработками.
Целью настоящей работы является разработка способа химического
анкерования и обоснование параметров технологии упрочнения кровли в лавах и на
их сопряжениях с выработками, для расширения области применения, повышения
эффективности и надежности упрочнения в широком диапазоне условий.
Разработанная схема химического
анкерования неустойчивой кровли [3] приведена на рисунке 1, где анкер (1), располагается
под углом 5 – 10 град к напластованию в трещиноватом массиве (2) на расстоянии
0,1-0,2 м от пласта, а приклеенная к устойчивому слою кровли металлическая
плита (4) с размерами 0,1 х 0,1 х
0,003 м и конец анкера (1) соединены стяжкой (3).
Рисунок 1 – Схема установки анкеров в
лаве
Для
удержания плиты от падения до отверждения клея между ее поверхностью и породами
в центре плиты может быть выступ, который входит в шпур диаметром 10 – 12 мм,
длиной 0,1 – 0,3 м и расклинивается в нем. При мелкослоистых
породах на поверхности вывала над угольным забоем дополнительно набрызгом наносится быстроотверждающийся
скрепляющий состав для предотвращения разрушения поверхности вывала после
выемки угля.
Для
определения адгезионных свойств полиуретанового
состава быстрого отверждения проведены две серии испытаний на растяжение
склеенных образцов. Предел прочности на растяжение отверждённого
полиуретанового состава через 4,5 минуты после склеивания – 4,8 МПа, через 6
мин – 7,5 МПа. В первой серии испытаний четыре образца склеивали без
металлических пластин и испытывали через 10, 20, 30, 60 минут. Во всех случаях
происходило когезионное разрушение по породе. Во
второй серии испытаний образцы пород, склеенные из двух частей и металлической
пластины между ними, испытывали на растяжение через сутки. При прочности пород
от 2,2 МПа до 4,1 МПа наблюдалось когезионное
разрушение по породе. Таким образом, прочность отверждённого
полиуретанового состава на отрыв превышает прочность аргиллитов, алевролитов, к
которым приклеивается плита при химическом анкеровании
пород.
С
помощью математического моделирования МКЭ в программном комплексе «Лира»
составлены объемные модели для сравнения 2-х вариантов расположения анкеров: типовая схема
химического анкерования [4] и новая схема анкерования, представленная на
рисунке 1. По первому варианту нижний анкер связывает отдельные блоки
нарушенного массива кровли; верхний – прикрепляет неустойчивую кровлю к
вышележащему слою прочных пород. Анкера между собой соединяются металлической
планкой. Длина нижнего анкера – 1,73 м, верхнего – 1,68 м. Углы наклона анкеров
к горизонтальной плоскости – 4 и 42° соответственно.
Недостатками первого варианта являются: работа верхнего анкера на
изгиб, что приведет к значительным смещениям поддерживаемого слоя кровли и усилиям
в планке; трудность бурения шпуров по крепким породам ручными сверлами. Во втором
варианте химического анкерования устраняются недостатки путем приклеивания металлической плиты к
устойчивым породам; расширяется область
применения технологии упрочнения при вывалах высотой 0,3 - 0,6 м и высотой
более 2 м.
В
результате проделанной работы определены максимальные усилия в анкере = 0,041
МН и планке, прикрепленной к устойчивой кровле = 0,055 МН. При расчетной
прочности материала анкера = 210 МПа, с учетом коэффициента запаса прочности 2,
диаметр анкера составляет 23 мм, поперечное сечение стяжки должно быть не менее
522 мм2, а площадь металлической плиты, с
учетом адгезии 4 МПа, должна быть не менее 138 см2.
Технология нового способа химического анкерования опробована на шахте Княгининская ГП Донбассантрацит для
упрочнения пород на сопряжении 2-го восточного уклона с 1 бис восточной лавой, отрабатываемой
по восстанию (рисунок 2). Мощность пласта 0,85 м, угол падения 2 град, глубина
разработки 584 м, кровля представлена алевролитом с пределом прочности пород на
сжатие 57 МПа. Лава оборудована механизированной крепью КД-80, комбайном
1К-101, конвейером СП-250.
Рисунок 2 – Схема сопряжения 1 бис
восточной лавы с уклоном
На сопряжении лавы с конвейерным уклоном наблюдался участок с геологическим
нарушением, где кровля, разбитая трещинами вдоль выработки, обрушалась на высоту
от 0,7 до 1,0 м (рисунок 3).
Рисунок 3 – Состояние кровли на сопряжении лавы с
уклоном
Применяемая на шахте схема расположения анкеров для упрочнения бровки –
шахматное расположение анкеров, устанавливаемых из подготовительной выработки и
соединенных цепями, недостаточно надежна, наблюдались отказы, т.е. обрушение
кровли вместе с анкерами.
Для предотвращения дальнейшего
вывалообразования на сопряжении лавы с подготовительной выработкой в
месте вывала пород кровли производилось химическое
анкерование по запатентованной технологии (рисунок 4) и из подготовительной
выработки (рисунок 5).
Рисунок 4 – Схема упрочнения кровли из призабойного пространства лавы
Анкеры, длиной 1,8 м, закрепляли в шпурах, пробуренными под углом 10 град
к плоскости напластования из лавы, с помощью ампул с полиуретановым составом (ампула
нормальная 3,0 SF 25/500). Компоненты таких же ампул перемешивались вручную и
наносились на плиту размерами 0,2 х 0,2 х 0,004 м. После отверждения состава через 30 минут нижний
конец анкера и плита соединялись отрезками цепи.
Для упрочнения кровли из уклона, установленные по шахтной схеме анкеры
соединяли цепями с плитами приклеенными на устойчивую
боковую стенку выработки (плиты 1 – 4, 6; рисунок 5), а плита 5 была приклеена
к плоскости напластования. Размеры плит 0,1 х 0,1 х 0,004 м и 0,2 х 0,2 х 0,004 м. После отверждения составов концы анкеров и
металлические плиты соединяли отрезками цепи или прядями каната (рисунок 5).
Рисунок 5 – Схема упрочнения бровки
После выемки угля в лаве на упрочненном участке кровля не обрушалась.
Принятые параметры анкерования: длина анкера
Литература:
1. Белов В.П., Плотников Г.И., Белов А.С. Опыт упрочнения углевмещающего
массива полиуретановыми составами на шахтах Кузбасса // Уголь. – 2003. – №6. –
С. 26-28.
2. Мартин Болеста, Гюнтер Менце.
Инъекционное упрочнение на шахте «Ост» с применением высокопрочных минеральных
вяжущих // Глюкауф. – 2003. – май №1(2). – С. 59-63.
3. Патент України 22615, МПК(2006) Е 21 D
20/00. Спосіб зміцнення безпосередньої покрівлі
від обвалювання. М.К.
Клішин, С.І. Касьян, О.Л. Кізіяров, К.З. Склєпович. №
u200612763; Заявл. 04.12.2006; Опубл.
25.04.2007.
4. Управление кровлей и крепление в очистных забоях на угольных пластах с углом падения до 35º / Руководство КД 12.01.01.503. – Офиц. изд-е. – К.: Минтопэнерго Украины, 2002. – 141 с.