Определение области первоначального расслоения приконтурных пород для прогноза устойчивости пород кровли и боков подготовительных выработок

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.831

Определение области первоначального расслоения приконтурных пород для прогноза устойчивости пород кровли и боков подготовительных выработок

Демин В.Ф., Портнов В.С.,

Демин В.В., Смагулова А.С.

В Карагандинском бассейне большое применение получила комбинированная крепь - из металлоарочной и анкерной. Сравнительные исследования проявлений горного давления в выемочных выработках с различными видами крепления позволили установить характер их эксплуатационной работоспособности. При этом деформации выработок, комбинированной анкерно-рамной крепью, меньше в 3-4 раза, чем при металлорамной крепи.

С использованием ограниченно податливой крепи увеличивается расстояние между рамами и снижается расход металла, приближая поведение приконтурного массива к упруго-пластической модели твёрдого тела.

Конструкция крепи должна предотвращать рост зон разрушения (не упругих деформаций) в приконтурной части боковых пород при их обнажении. При этом по изолиниям долговечности определяются зоны разрушения в краевой части выработки в разные промежутки времени с момента обнажения.

Для ограниченно податливой крепи характерна упруго-пластическая модель с разупрочнением. Здесь установка такой анкерной крепи в слабых породах приведет к образованию ближайшей по времени зоны разрушения. Образующийся свод-мост перераспределяет воздействие горного давления от сдвижения вышележащих пород на пяты свода - прилегающие боковые породы, что останавливает процесс формирования вертикальной нагрузки зон разрушения над крепью выработки.

Произведено исследование способа, обосновывающего применение ограничено податливой анкерной крепи, которая влияет на развитие зон разрушения в приконтурных породах посредством связывания и упрочнения их в пределах первоначальных зон расслоения, образующихся вне зоны влияния очистных работ, для создания предохранительного моста, распределяющего давление на пяты свода и играющего в последующем в зоне опорного давления роль перераспределителя пригрузки от пришедших в сдвижение вышележащих пород.

Определение области первоначального расслоения пород позволяет прогнозировать устойчивость и обрушаемость пород кровли и боков выработок с целью выбора рациональных параметров их проведения [1]. Для определения расслоения пород проведен дистанционный контроль оценки НДС горных массивов, разрушения кровли и смещений боков выработок посредством приборов контроля деформации КДМ-1 и КДМ-2 (конструкции ВНИМИ, Россия). С помощью первого прибора осуществлялся визуальный контроль за расслоениями в массиве, а прибором КДМ-2 количественно оценивалось смещение массива и расслоение в породах кровли (рисунок 1).

а)

б)

Рисунок 1 - Общий вид (а) и схема производства замеров (б) приборами контроля деформаций массива КДМ-1 и -2: 1, 2 - базовый репер и его шток; 3 - упорная шайба; 4 - датчик; 5 - соединительный кабель; 6 - прибор КДМ-2

Смещения замерялись в приконтурных породах на конвейерном штреке 71к₁₀ - в шахты «Саранская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» на глубине 450 м.

Для контроля были пробурены 3 шпура (центральный и два под углом 45^о к нему) в кровлю выработки (рисунок 2).

Непосредственная кровля пласта представлена среднеустойчивыми аргиллитами мощностью от 1 до 5 м прочностью 15-20 МПа с расстоянием между трещинами 0,5 м и основной труднообрушаемой кровлей мощностью 24-30 МПа, сложенной песчаником прочностью 65-70 МПа.

Рисунок 2 - Эксперимент по увеличению податливости анкера

Вне зоны влияния очистных работ первый контур расслоений произошел через 20 мин на расстоянии от выработки 1,6 м, через 25 суток на расстоянии 1,8 м и через 3 месяца - 2,2 м. Оценка степени влияния управляемости пород кровли на деформируемость горного массива показала, что при легко- и среднеуправляемых породах в кровле, почве и пространстве боковых стенок плоскости трещин образуются на расстоянии 2,5 - 2,9 м от контура выработки, а при трудноуправляемых породах - в кровле непосредственно над выработкой.

В зависимости от управляемости вмещающих горных пород степень развития интенсивности трещинообразования рассмотрена при трапецевидной форме сечения выработки. Наиболее удалено распространяется трещинообразование, причем со всех сторон выработки, на расстоянии от контура 2,4 - 2,5 м и ещё менее удалено (0,4 - 0,5 м) у боковых стоек в почве вблизи выработки - при легко- и среднеуправляемой кровле. При трудноуправляемой кровле трещины в кровле приближены к выработке и находятся на расстоянии от сечения выработки, не превышающем 0,5 м (рисунок 3).

Наиболее опасными являются растягивающие напряжения, расположенные перпендикулярно напластованию и превосходящие пределы прочности на контактах и вызывающие отслоение пород с отрывом слоев друг от друга, а затем их обрушение. Процесс расслоения пород происходит под действием касательных напряжений, направленных вдоль напластования, которые вызывают проскальзывание слоев. Величина сцепления на площадках контактного прослойка, сложенном углистым прослоем при аргиллите составила 0,1, а при песчанике - 0,4 МПа.

Из рисунка 4 видно, что образовалось три расслоившихся контакта слабых пород.

Рисунок 3 - Влияние управляемости пород кровли на деформируемость горного массива

Рисунок 4 - Зоны расслоения приконтурного массива пород конвейерного штрека 71к₁₀-в шахты «Саранская»

Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость модуля трещиноватости от мощности слоя и предела его прочности на растяжение (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимость модуля трещиноватости (I) от мощности слоя (h - 1) и предела прочности на растяжение (Q_с - 2)

Для заданных выше условий разработки выполнено аналитическое моделирование методом конечных элементов. На рисунке 6 представлены деформационные картины областей с равными продольными напряжениями в вентиляционной выработке с комбинированной крепью (металлорамной и анкерной, сверху по восстанию пласта находится выработанное пространство), где к_у - коэффициент усиления.

В выработке, закрепленной комбинированной ограниченно податливой анкерной (в шахматном порядке) и металлорамной крепью (рисунок 6,а) без крепи усиления продольные составляют 300 - 830 МПа, а в зоне влияния очистных работ с крепью усиления (с коэффициентом усиления к_у= 1,5; 1,85; 2,0) несмотря на прирост горного давления они составили 400-600 МПа (рисунок 6,б), чем достигается устойчивость контуров выработки. В этом случае нагрузка на выработку с использованием ограниченно податливой крепи будет меньше в 1,15 раза.

В зоне влияния очистных работ растет вертикальная составляющая давления из-за пригрузки консолей вышележащих пород и их расслоением, увеличиваются условные зоны неупругих деформаций со смещением пород в кровле выработки на 1,2-1,3 м. Своевременная установка усиливающей крепи позволит уменьшить смещения приконтурных пород и сохранить выработку в эксплуатационном состоянии.

В рассматриваемой выработке для сравнения были исследованы режимы работы комбинированной крепи с металлорамной крепью с жесткими и ограниченно податливыми анкерами в зоне влияния очистных работ (таблица).

а) б)

Рисунок 6 - Деформационные картины областей с равными продольными напряжениями в вентиляционной выработке с комбинированной крепью (металлорамной и анкерной): а) - стандартными к_у=1,5; б) - ограниченно податливыми к_у=2,0

Устойчивость контуров конвейерного штрека 71к₁₀-в шахты «Саранская» в зависимости от технологических параметров крепления

Ан - несущая способность анкерной крепи, т; Тс - количество рядов крепи усиления из ремонтин; Lа - длина анкеров, м; D _у- плотность установки анкеров, анкер/м²; Р_с - суммарное сопротивление рамной, анкерной и крепи усиления; С_к - смещения кровли, мм; Р_м - расслоения горного массива в зоне установки анкерной крепи, м

Статистическая обработка результатов эксперимента при возведении податливых анкеров при устойчивых породах кровли в зоне влияния очистных работ с крепью усиления (стоек под профили) позволила выявить эмпирическую зависимость устойчивости выработки от влияющих факторов (при коэффициенте корреляции R²=0,99):

У_к=4,84-0,08А_н-0,08Т_с-0,77L_а+0,72D_у-0,01Р_с-0,04С_к-0,51Р_м (1)

По критерию Стьюдента существенна зависимость У_к от А_н, D_у, С_к, несущественна - от Т_с и L_а и минимальна - от Р_с и Р_м.

Непосредственно под лавой в зоне опорного давления устанавливалась крепь усиления из 1-2-х рядов клиновых или гидростоек под две нитки профилей. В этих условиях увеличение расчетного сопротивления анкерной крепи (за счет узла податливости) с 60 до 140 кПа (кН/м²) позволяет уменьшить расслоения пород кровли с 0,45 до 0,3 м (в 1,5 раза).

При малом количестве расслоившихся контактов (до трех штук) слабых пород для обеспечения удовлетворительного состояния пород кровли расчетное сопротивление анкерной крепи должно составлять 140-200 кПа при длине анкеров до 2,4 м. Проведенные испытания на шахте «Саранская» позволили установить, что при устойчивой кровле (прочность пород на одноосное сжатие R_c более 60-80 МПа) плотность установки составляет 1 анкер/м² (таблица).

Дальнейшее увеличение длины, прочности на разрыв стержней анкерной крепи, плотности ее установки в таких условиях технически и экономически нецелесообразно, так как не приводит к заметному уменьшению смещений пород кровли и ее состояния, только снижает темпы проведения горных выработок.

Результаты выполненных аналитических и экспериментальных исследований показали их относительную сходимость по деформационным характеристикам. Таким образом, для более полного использования несущей способности комбинированной крепи и повышения устойчивости выработки в зоне опорного давления целесообразно применение ограниченно податливой с переводом в жесткий режим эксплуатации анкерной крепи. Анкера связывают отдельные малосвязанные слои пород в единую грузонесущую конструкцию составной плиты, тем самым увеличивают сцепление и трение между слоями. За счет натяжения анкеров между слоями пород возникают дополнительные силы трения. При этом устойчивость составной плиты, стянутой поперек слоев анкерами, приближается к устойчивости монолитной толщи пород.

Кровля, анкерированная комбинированной податливой анкерно-рамной крепью, работает в трех циклах эксплуатации: жестком режиме, режиме податливости с расслоением и сдвижением породных напластований и режиме длительной устойчивости с постоянной несущей способностью, обусловленной подпором анкерной и рамной крепей и самозаклинивания породных блоков. При жесткой крепи возрастание нагрузки влечет пропорциональный рост касательных напряжений, а при податливой - их относительную стабильность.

расслоение приконтурный выработка анкерный

Список литературы

1. Демина Т.В. Исследования изменения нагрузки на очистной забой от влияющих факторов // Тр. ун-та, Караганда. КарГТУ, 2006. № 1. С. 11-14.

Размещено на Allbest.ru