Солодянкин А.В., Мартовицкий А.В., Смирнов А.В. Обоснование эффективных решений по поддержанию протяженных выработок на шахтах ПАО "ДТЭК Павлоградуголь" на основе оценки геомеханических условий // Интернет-журнал "НАУКОВЕДЕНИЕ" Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/13TVN315. pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/13TVN315

Публичное Акционерное Общество "ДТЭК Павлоградуголь" является мощным современным объединением, которое ориентируется на интенсивный путь развития и повышения объемов добычи угля на базе новейших техники и технологий.

Принятый курс на интенсификацию горных работ на шахтах Западного Донбасса требует реализации комплекса мероприятий, обеспечивающих надежное и эффективное выполнение всех операций технологического цикла. К числу главных направлений повышения эффективности горных работ относится обеспечение устойчивости протяженных выработок, оптимизация затрат на их сооружение и поддержание, основанная на выборе систем крепления и охраны, отвечающих конкретным геомеханическим условиям шахт.

Таким образом, целью статьи является обоснование эффективных направлений повышения устойчивости протяженных выработок шахт ПАО "ДТЭК Павлоградуголь" на основе результатов комплексного анализа существующего их состояния, данных об объемах и видах ремонтных работ и оценки степени сложности условий разработки угольных пластов региона Западного Донбасса.

Первый этап намеченных комплексных исследований заключался в проведении визуального обследования выработок, характерных для каждой отдельной шахты объединения.

Как показало обследование, выработки удается поддерживать в удовлетворительном состоянии благодаря регулярному проведению ремонтных работ. Влияние горного давления в достаточной, но не в полной мере, компенсируется крепью. Повышенным горным давлением обусловлена различная степень деформаций пород и крепи выработок. В течение времени эксплуатации многие из обследованных магистральных выработок были перекреплены из-за потери сечения и неудовлетворительного состояния крепи (рис.1).

Преобладающим видом деформации пород в магистральных выработках практически всех шахт является: вертикальная и горизонтальная конвергенция; потеря симметрии рамной крепи; деформирование стоек крепи; деформации и разрушение затяжки; пучение пород почвы различной интенсивности, что является причиной уменьшения сечения выработки до неудовлетворительного состояния, нарушения рельсового пути. На шахтах "Степная", им. Героев космоса, "Западно-Донбасская" на значительных участках выработок неоднократно выполняется подрывка почвы комбайном. Величина вертикальной конвергенции в выработках этих шахт достигает 1…1,5 метра. Имеют место прогибы пород в выработку со смятием и надвигом слоев, а также вывалы пород кровли высотой до 1 м. Характерным является "выполаживание" верхняка, порывы нижних замков, образование характерных "ртов" без заметного проскальзывания элементов крепи.

Обследование подготовительных (лавных) выработок показало, что их поддержание связано с еще большими трудностями вследствие влияния очистных работ. За время эксплуатации участки подготовительных выработок неоднократно перекрепляются. Подрывка пород почвы является основным видом ремонтных работ в выработках шахт "Самарская", "Западно-Донбасская", им. Сташкова. На шахте им. Героев космоса подрывка почвы в штреках осуществляется дважды: непосредственно после проходки и при выполнении работ по отработке лавы.

Рис.1. Доля действующих вскрывающих и подготавливающих выработок, закрепленных металлом, не отвечающих требованиям правил безопасности

Следует отметить, что деформации крепи в ряде случаев обусловлены несоблюдением технологии проведения и крепления выработок. В первую очередь это относится к качеству установки анкеров. При установке рам крепи факторами, снижающими работоспособность крепи в условиях повышенного горного давления являются: отсутствие забутовки и расклинки рам крепи; отсутствие подпятников; межрамных стяжек, нарушение комплектности замковых соединений.

Основные виды ремонтных работ в протяженных выработках большинства шахт связаны с рихтовкой пути и подрывкой пород почвы. В целом по ПАО на долю работ по рихтовке приходится 66% от всего объема ремонтов, на подрывку - 30%. Большая часть работ по рихтовке приходится на магистральные выработки (82%), тогда как в участковых 77% от всех ремонтов приходится на работы по подрывке. Работы по перекреплению в целом по ПАО не превышают 4%.

Выбор конкретного способа повышения устойчивости выработки, величина дополнительных затрат на их сооружение и, соответственно, эффективность вложенных средств зависит от степени сложности геомеханических условий разработки на конкретной шахте, которые, как показали шахтные исследования, существенно отличаются в пределах рассматриваемого угледобывающего района.

Второй этап исследований заключался в обосновании критерия оценки степени сложности условий разработки на шахтах угольного объединения.

Одним из важных вопросов на этом этапе является установление границы ведения горных работ, когда возникают серьезные проблемы при проведении и поддержании выработок. В технической литературе часто используют термин "большая глубина", то есть такая глубина расположения выработок, ниже которой поведение породного массива существенно изменяется, а обеспечение эксплуатационного состояния выработок требует проведения специальных мероприятий. Это обстоятельство приводит к значительному увеличению затрат, связанных с поддержанием и ремонтом выработок.

Понятие "большая глубина разработки" или "глубокая шахта" не подразумевает какой-либо конкретной глубины. В [1] в качестве определяющего фактора для установления "больших глубин" рассматривается уровень напряженного состояния породного массива. В соответствии с предложенным расчетным критерием, граница "больших глубин" для Донецкого и Кизеловского бассейнов составляет 600…800 м, для Кузнецкого и Печорского - 400…500 м, для осушенных районов Мосбасса - 50…60 м. Более того, как указывается в этой же работе, заключение о том, является ли данная глубина "большой", "средней" или "малой", должно выполняться индивидуально для определенной выработки, вмещающих пород и конкретных условий эксплуатации выработки.

Ряд исследователей [2,3,4 и др.] рекомендуют для определения границы "больших глубин" использовать не конкретный показатель (например, глубина или затраты на поддержание), а какой-либо безразмерный параметр или качественную характеристику состояния породного массива. Так, в [5] "большая глубина" характеризуется возникновением зоны пластических деформаций, которая, в свою очередь, определяется сочетанием таких факторов, как глубина, прочность горных пород, смещения на контуре, реакция крепи.

Деформационный процесс, как критерий для отнесения выработок к категории "глубоких", рекомендуется принимать определяющим и в работе [6].

Наиболее приемлемым и достаточно аргументированным для оценки степени сложности условий разработки, является эмпирический комплексный показатель, предложенный Ю.З. Заславским:

К = гН/R_c, (1)

где г - объемный вес пород, Н - глубина разработки, Rc - прочность породного массива на одноосное сжатие.

Рассматриваемый критерий объединяет в себе такие основные показатели массива пород, как его прочность и уровень напряжений, действующих в нем. По своей физической сущности параметр гН/Rc наиболее точно отражает состояние породного массива в конкретных геомеханических условиях, вытекает из решения соответствующих упругопластических задач [7] и позволяет классифицировать породный массив по степени его устойчивости.

Поэтому более показательным является анализ и соотнесение качественных и количественных характеристик деформационных процессов в выработках с величиной гН/Rc. Далее будет использоваться величина обратная показателю Ю.З. Заславского - комплексный показатель условий разработки:

и = R_ck_c/гH, (2)

где прочность массива принимается с учетом коэффициента структурного ослабления k_c.

Обобщения и результаты ряда исследований [8-10] показывают хорошую функциональную связь параметра и с размерами зоны разрушенных и деформированных пород - зоны неупругих деформаций (ЗНД), частотой вывалов, величиной пучения пород почвы, а также с величиной затрат на строительство и поддержание выработок.

Как было установлено в [11], границей больших глубин разработки для выработок, расположенных вне зоны влияния очистных работ, является величина комплексного показателя условий разработки и = Rckc/гH = 1,0.

Общая стоимость протяженной выработки может быть представлена как совокупность капитальных затрат на сооружение выработки ? З_кап и затрат на ее поддержание и ремонт ? З_щ. При этом при сооружении и эксплуатации выработки следует стремиться к тому, чтобы эта совокупность затрат была минимальной, т.е.:

еЗ=З_кап +З_w® min, (3)

Очевидно, что обеспечить условия (3) можно, управляя входящими в выражение параметрами З_кап и З_щ. Кроме того, следует заметить, что З_щ = f (З_кап).

В качестве основного параметра, определяющего состояние выработки в произвольном сечении, может быть принято отношение несущей способности крепи к действующей нагрузке - коэффициент устойчивости К_у = Р_н / Р_д. В любой момент времени в выработке по длине можно выделить участки двух типов.

К первому типу относятся такие, в пределах которых К_у больше единицы. Здесь устойчивость выработки на данный момент можно считать обеспеченной.

Второй тип - это участки, на которых действующая нагрузка превышает предельно допустимую величину (К_у < 1). Устойчивость выработки здесь не обеспечивается, в пределах участка могут иметь место разрушения крепи. Распределение коэффициента К_у по длине выработки носит случайный характер [8].

Участки выработки, соответствующие значениям К_у < 1, требуют выполнения ремонтных работ. Отношение суммарной длины не требующих ремонта участков S к полной длине выработки S - параметр, характеризующий в интегральном смысле состояние выработки в целом называется показателем устойчивости. Величина щ изменяется в от 0 до 1.

w=S S, (4)

Выработка обладает полной устойчивостью при щ = 1 или полностью разрушена при щ = 0.

Длительная устойчивость протяженной выработки зависит от множества факторов, каждый из которых в конкретных условиях эксплуатации вносит определенный вклад. Тем не менее, в целом ряде случаев можно оценивать состояние выработки по какому-либо одному, комплексному параметру.

Таким комплексным, интегральным показателем, который характеризует воздействие внешних факторов на поведение системы "вмещающий массив-обнажение-крепь", может служить смещение контура выработки.

Как отмечается в [8], абсолютная величина смещений на контуре определяет параметры крепи, нагрузку и развитие зоны неупругих деформаций. Кроме того, интенсивность смещений контура указывает на характер проявления горного давления во времени в зависимости от различных факторов.

По мере развития деформационных процессов вокруг выработки, развивающиеся смещения приводят к деформациям крепи. В силу того, что коэффициент устойчивости вдоль выработки К_у носит случайный характер, в определенных сечениях выработки его величина будет снижаться, вызывать разрушение элементов крепи (К_у < 1) и выходу из строя некоторых участков выработки.

В работе [11] установлена связь между показателем устойчивости выработки и смещениями контура выработки щ (Т) = f (u), представленная на рис.2.

Рис.2. Зависимость изменения показателя устойчивости выработки щ от смещений контура выработки u

Очевидно, что смещения контура выработки будут определять эксплуатационное состояние крепи и выработки в целом. Значительные смещения породного контура приведут к снижению устойчивости выработки и увеличению затрат на их подержание. Поэтому повышение устойчивости выработок должно быть основано, главным образом, на применении способов и средств, направленных на снижение смещений породного контура и деформаций приконтурного массива пород.

В условиях, когда породы почвы склонны к пучению, наиболее чувствительным элементом сечения выработки является рельсовый путь, что приводит к необходимости проведения ремонтных работ - подрывки или рихтовки пути уже при величине пучения пород в пределах 20…30 см. При этом довольно часто крепь выработки находится в рабочем состоянии. Кроме того, уменьшение паспортного сечения выработки приводит к нарушению режима вентиляции, водоотлива и, в целом, ухудшает условия безопасного ведения работ.

Для более полного отражения состояния выработки, в работе [12] предложено оценивать устойчивость выработки не только по состоянию крепи (щ_к), но и по состоянию пород почвы - щ_п, определяемой аналогично (4).

Количественно комплексный показатель устойчивости выработки определяется по формуле:

(10)

В табл.1 сопоставлены различные показатели и критерии, характеризующие устойчивость породных обнажений и состояние выработки. Данные первых трех колонок взяты из нормативных документов [13,14].

Таблица 1 Категории пород по устойчивости и параметры состояния выработки

Для оценки геомеханических условий шахт по показателю и принята средняя прочность вмещающих пород (аргиллиты, алевролиты) Rc = 20 МПа, коэффициент структурного ослабления, в соответствии с рекомендациями Б.М. Усаченко kc = 0,3 [15], объемный вес горных пород г = 2600 кг/м³, средняя глубина разработки на шахтах приведена в табл.2.

Таблица 2

Средняя глубина разработки на шахтах ПАО "ДТЭК Павлоградуголь"

Интенсивный путь развития ПАО "ДТЭК Павлоградуголь" и повышение объемов добычи угля требует реализации комплекса мероприятий по обеспечению устойчивости комплекса капитальных и подготовительных выработок.

Для оценки степени сложности геомеханических условий может использоваться показатель условий разработки и = Rckc/гH. Выполненный анализ показывает, что по величине показателя условий разработки и ? 1,0 все шахты, за исключением "Самарской", "Терновской" и "Павлоградской", относятся к категории "больших глубин разработки". Наиболее сложными являются условиями поддержания выработок на шахтах им. Героев космоса, "Степная", "Юбилейная" и "Западно-Донбасская" (и ? 0,67).

Установлена зависимость между показателем условий разработки и и объемом выработок, не соответствующих эксплуатационным характеристикам, которая может являться основой для прогноза затрат на поддержание выработок.

Анализ результатов применения всех известных средств и способов повышения устойчивости выработок показывает, что наибольший эффект в повышении устойчивости выработок, дают мероприятия, направленные на создание взаимодействующей системы "крепь-массив", упрочнение и предупреждение расслоений приконтурных пород.

Наряду с применением комплекса технических мероприятий, для решения проблемы длительной устойчивости комплекса протяженных выработок шахт необходимо выполнение ряда стратегических организационных мероприятий.

Литература

1. Крупенников Г.Г., Давидович И.Л., Заславский Ю.З. Горное давление и крепление капитальных выработок при увеличении глубины подземной разработки // Исследование проявлений горного давления на глубоки горизонтах шахт. Сб. науч. трудов ВНИМИ. - Л.: 1971. - С.8-23.

2. Глушко В.Т., Кирничанский Г.Т. Инженерно-геологическое прогнозирование устойчивости выработок глубоких шахт. - М.: Недра, 1974. - 175 с.

3. Зональная дезинтеграция пород вокруг подземных выработок. Часть 1. Данные натурных наблюдений / Е.И. Шемякин, Г.Л. Фисенко, М.В. Курленя и др. // ФТПРПИ. - 1986. - №3. - С.3-15.

4. Булычев Н.С. К вопросу о давлении на крепь стволов в связи с проблемой больших глубин // Сб. науч. трудов ВНИМИ. - 1967. - №63. - С.216-225.

5. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. - М.: Наука. - 1969. - 114 с.

6. Басинский Ю.М. Зависимость величины нагрузок на крепь от глубины расположения выработок // Проектирование и строительство угольных предприятий. - 1968. - №10. - С.14-17.

7. Шашенко А.Н. Упругопластическая задача для структурно-неоднородного массива, ослабленного круглой выработкой // Прикладная механика. - 1989. - Т.25. - №6. - С.48-54.

8. Шашенко А.Н., Тулуб С.Б., Сдвижкова Е.А. Некоторые задачи статистической геомеханики. - К.: Універ. вид-во “Пульсари”, 2002. - 304 с.

9. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Метод прогноза пучения почвы в горных выработках // Уголь Украины. - 2004. - №1. - С.9-11.

10. Роенко А.Н. Устойчивость подготовительных выработок угольных шахт в условиях больших глубин разработки: Дис. … докт. техн. наук: 05.15.04. - Днепропетровск, 1995. - 426 с.

11. Шашенко А.Н., Солодянкин А.В., Мартовицкий А.В. Управление устойчивостью протяженных выработок глубоких шахт: Монография. - Днепропетровск: ЛизуновПрес, 2012. - 384 с.

12. Халимендик А.В. Обоснование способа повышения устойчивости капитальных выработок в условиях больших смещений породного контура. - Автореферат дисс…к. т. н. - Днепропетровск, НГУ, 2012. - 18 с.13. СНИП II-94-80. Подземные горные выработки. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1982. - 272 с.

13. Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Методические указания: КД 2.01.01.20198/УкрНИМИ. - Донецк, 1998. - 150 с.15.

14. Усаченко Б.М. Свойства пород и устойчивость горных выработок. - Киев: Наук. думка, 1979. - 136 с.

Размещено на Allbest.ru