Факторы, влияющие на эффективность применения анкерной крепи в горных выработках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Карагандинский государственный технический университет

Факторы, влияющие на эффективность применения анкерной крепи в горных выработках

В.Ф. ДЕМИН

М.М. БАЙМУЛЬДИН

Факторами, влияющими на эффективность применения анкерной крепи в подготовительных выработках, являются: прочность закрепления анкеров во вмещающих породах; размеры области опасных деформаций пород вокруг выработок; величина смещения пород кровли, боков за срок службы выработки и предельная величина безопасного смещения (опускания) закрепленных анкерами пород кровли в выработке за срок ее службы.

На процесс поддержания выработок оказывают влияние геомеханические, технологические факторы, а также промежуточного характера, возникающие в результате влияния горных работ на геомеханическое состояние массива пород. К геомеханическим факторам можно отнести природные параметры массива: прочность, объемный вес, трещиноватость, глубину залегания, угол падения и др.; к технологическим - форму и сечение выработки, податливость и несущую способность крепи. В группе факторов промежуточного характера наиболее важными следует считать опорное давление вокруг очистного забоя и искусственно вызванную при проведении выработок трещиноватость вмещающих пород и угольных пластов.

Прочность пород в Карагандинском бассейне с ростом глубины их залегания закономерно возрастает. Объемный вес пород (г) до глубины 1000-1200 м меняется от 2,3 до 2,7 г/см3 и в среднем для расчета веса покрывающей толщи может быть принят 2,5 г/см3. С ростом глубины увеличивается вертикальная составляющая горного давления гН, однако при этом изменяется и прочность вмещающих выработку пород. На одной и той же глубине прочность даже для однотипных пород может меняться в значительных пределах.

Целесообразным будет применение комплексного безразмерного критерия, учитывающего глубину, прочность пород и их плотность

Где г - плотность угля, кН/м3;

Н - глубина разработки, м;

усж - прочность горных пород, кН/м2.

Природная трещиноватость пород различных типов на разных глубинах не остается величиной постоянной. Слабые поды, как правило, ослаблены в большей степени.

В породах Карагандинского бассейна широко развиты трещины эндогенного и экзогенного кливажа. Густота трещин эндокливажа обусловливается составом пород и мощностью их прослоев. Степень интенсивности трещиноватости уменьшается от аргиллитов к алевролитам и песчаникам и по мере увеличения мощности слоев независимо от литологических разностей пород. Расстояние между экзогенными трещинами колеблется от нескольких сантиметров до 10 м и зависит от тектонического строения участка, литологического состава пород и степени их метаморфизма. В мягких породах они встречаются чаще, чем в прочных. Величину Кстр принимать для пород: слаботрещиноватых - 0,9-1,0; среднетрещиноватых - 0,7-0,89; сильнотрещиноватых - 0,5-0,69.

Фактор трещиноватости массива может быть учтен коэффициентом структурного ослабления Кстр:

Характер проявления опорного давления вокруг очистного забоя существенно зависит от глубины залегания пласта, его мощности, длины очистного забоя. Увеличение горного давления в зоне поддержания выемочного штрека учитывается коэффициентом концентрации, величина которого на глубинах до 700 м достигает Кконц = 2,0. По оси очистного забоя коэффициент концентрации горного давления на этой глубине достигает 3,5-4,0. С учетом опорного давления показатель трудности условий поддержания составит

При К < 0,3 условия поддержания считаются легкими, при К = 0,3-0,5 - средней трудности, при К = 0,5-1,0 - трудными, при К > 1,0 - очень трудными (таблица 1).

По совокупности воздействия отрицательных факторов в бассейне к сложным по условиям поддержания выработок можно отнести следующие пласты: к18, к14, к13, к4, к3, к2 в Промышленном районе; к10, к7, д7 - на Саранском и Шаханском участках; к13, д2, д1 - в Шерубай-Нуринском районе.

Для оценки сложности различных горно-геологических условий шахтопластов Карагандинского угольного бассейна произведено ранжирование по формальным критериальным признакам в соответствии с технологическими последствиями горных работ. Ниже приведен перечень формальных геотехнологических критериальных признаков, по которым произведена оценка и сформирован итоговый алгоритм.

КА. Управляемость кровли: мощность пород непосредственной кровли (Мк) / вынимаемая мощность пласта (mп): диапазоны: У ? 6 - легкоуправляемая; 3 ? У < 6 - средней управляемости; 0 ? У < 3 - трудно управляемая. Экспертный коэффициент по классам кровли: для 1 - кп = 1,0; 2 - кп = 0,7-0,8; 3 - кп = 0,5.

КБ. Крепость породы непосредственной кровли: Qсж, Н/м2: диапазоны: Qсж до 13,5 - сложена углистым аргиллитом, кп = 0,5; 13,5-400 - аргиллит, кп = 0,75; 400-500, аргиллит с алевролитом, кп = 0,85; 500-600, алевролит, кп = 1,0.

КВ. Предел прочности вмещающих пород на сжатие, Qсж, МПа: диапазоны: Qсж ? 12, кп = 0,5; Qсж ? 15, кп = 0,6; Qсж ? 20, кп = 0,7; Qсж ? 25, кп = 0,85; Qсж ? 30, кп = 0,9; Qсж ? 30, кп = 1,0.

КС. Мощность пород непосредственной кровли при пределе прочности на растяжение qр, Н/м2: qрнк/qрок

Непосредственная кровля

кп = 0,7 - углистый аргиллит,

кп = 0,75 - аргиллит,

кп = 0,8 - аргиллит,

кп = 0,9 - алевролит-аргиллит,

кп = 0,95 -алевролит,

кп = 1,0 - алевролит.

Основная кровля

Мк < 2м, 11/65, алевролит;

Мк ? 2, 45/65, алевролит;

Мк > 2, 45/65, алевролит;

Мк > 2, 50/65, алевролит;

Мк > 2, 55/60, алевролит;

Мк > 2, 55/60, песчаник.

КД. Дизъюнктивная нарушенность пласта (число нарушений на километр выемочного поля), кн, шт/км2:

диапазоны: кн до 3 - кп = 1,0; 3-5 - кп = 0,9; 6-10 - кп = 0,75; 11-15 - кп = 0,6; 16-20 - кп = 0,55; 21-25 - кп = 0,5; 26-30 - кп = 0,45; 31-40 - кп = 0,4; 41-50 - кп = 0,35; 51-60 - кп = 0,3

КЕ. Длина нарушений на километр выемочного поля, кl (км/км): диапазоны: кl до 0,5 - кп = 1,0; 2 - кп = 0,9; 4 - кп = 0,8; 6 - кп = 0,7; 8 - кп = 0,6; 10 - кп = 0,5; 12 - кп = 0,4; 14 - кп = 0,3.

КJ. Трещиноватость пород непосредственной кровли по углу их распространения ар: диапазоны: ар до 40° - кп = 1,0; 50° - 0,85; 60° - 0,75; 70° - 0,5; 80° - 0,4; 90° - 0,3.

КК. Расстояние между трещинами b: диапазоны: b > 5 м - кп = 1,0; 4 - 0,85; 2 - 0,7; 1,0 - 0,5; 0,5 - 0,3; < 0,2 - 0,2.

КL. Наличие ложной кровли Нлк: диапазоны: Нлк до 100 % - кп = 0,5; 90 % - 0,7; 80 % - 0,8; 70 % - 0,9; 50 % - 1,0.

КМ. Мощность ложной кровли Млк: диапазон Млк = 0,1-0,2 - кп = 0,8; 0,2-0,4 - 0,7; 0,4-0,6 - 0,5;

0,6-0,8 - 0,4.

КN. Обводненность выработок Ов: диапазоны: Ов до ? 5 м3/ч - кп = 1,0; 15 - 0,85; 25 - 0,75; 35 - 0,6;

50 - 0,5; 70 - 0,3; 100 - 0,1.

Общий оценочный показатель коб определяется суммой формальных критериальных признаков

Условия, которые в большей степени являются сложными, обладают суммой по формальным критериальным признакам, которая равна одиннадцати, возможность и целесообразность использования крепи в иных условиях оценивается по отношению к максимальному значению (см. рисунок 1). Разработанная компьюторная версия экспертной информационной системы программы по заданному алгоритму выводит также информацию о том признаке (R), который оказывает преобладающее негативное влияние и на который необходимо воздействовать для повышения эффективности горных работ.

В таблице 2 приведены факторы, обусловленные горно-геологическии особенностями разработки в странах с развитой угольной промышленностью, в сравнении с условиями залегания угольных пластов в Карагандинском бассейне. анкер порода деформация плотность

Таблица 1 - Показатели, характеризующие тектоническую нарушенность угленосных районов и участков Карагандинского бассейна

Рисунок 1 - Сложность условий разработки по пластам и шахтам

Шахта им. Костенко: (R): У - управляемость кровли; М - мощность пород непосредственной кровли;

Р - расстояние между трещинами; Д - дизъюнктивная нарушенность пласта

Таблица 2 - Факторы, обусловленные горно-геологическим особенностями разработки

Комплексная отработка нескольких пластов на большой глубине в Германии требует в большинстве случаев поддержания выемочных штреков после первого прохода лавы (отработка участка прямым ходом - схема «EV»). В некоторых случаях выработки должны обеспечивать отработку второй лавы (отработка первой лавы прямым и второй лавы обратным ходом - схема «ZR»). Это необходимо по следующим причинам: высокая температура вмещающих пород и газообильность пластов требуют подсвежения исходящей струи за лавой; стремление избежать оставления жёстких целиков, так как опорное давление при отработке нескольких пластов приводит к существенным повреждениям горных выработок и, кроме того, к неравномерному оседанию земной поверхности со значительными повреждениями.

В немецких (как и карагандинских) шахтах выемочные штреки имеют как арочное, так и прямоугольное сечение. Вследствие небольшой мощности пластов в большинстве случаев требуется подрывка кровли и (или) почвы. По условиям размещения оборудования в штреке его остаточная ширина около лавы должна быть не меньше 5,0-5,5 м, а при использовании арочной крепи необходимо, чтобы штрек в проходке имел ширину до 7,5 м.

Для сравнения: на шахтах англосаксонских стран используются штреки шириной 4,5-6,0 м прямоугольной формы, закреплённые анкерной крепью, которые проходятся исключительно комбайновым способом по пласту с оставлением жёстких или податливых целиков. Штреки погашаются после прохода лавы (отработка участков обратным ходом «ER»). Для шахт англосаксонских стран не характерно высокое опорное давление под воздействием краевых частей соседних пластов и опускание слоёв пород кровли вслед за лавой.

На рисунке 2 показаны факторы, связанные с использованием выемочных штреков.

Рисунок 2 - Системы анкерного крепления на шахтах в зависимости от степени напряженности породного массива и схемы использования штреков

В таблице 3 представлены технологические факторы применения анкерной крепи.

Таблица 3 - Технологические факторы применения анкерной крепи

Размещено на Allbest.ru