Повышение безопасности труда при использовании комбинированной крепи в горных выработках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение безопасности труда при использовании комбинированной крепи в горных выработках

Н.А. ДРИЖД

Г.Д. ЗАДАВИН

А.В. БУЛКИН

Комбинированной крепью называют комбинацию анкерной и поддерживающей рамной крепи. Данный тип используется в выработках любого поперечного сечения. Принципиально различают два вида. Первый, когда после обнажения породного массива в забое вначале устанавливают анкерную крепь, затем в 10-30 м от забоя устанавливают поддерживающую крепь с податливыми рамами. С этого момента времени крепь становится комбинированной. Второй вид характеризуется следующим: после обнажения породного массива в забое вначале устанавливают рамную крепь. В этот момент выработка является обычной выработкой, закрепленной податливыми рамами. На расстоянии в 10-50 м от забоя производится анкерование выработки. После этого крепь становится комбинированной.

При одной и той же плотности анкерной крепи оба вида выглядят примерно одинаково, однако по характеру деформации выработки они существенно различаются: выработки с анкерной крепью деформируются иначе по сравнению с выработками с податливой арочной крепью.

В условиях шахты «Шахтинская» по пластам д₆, д₇, д₉, д₁₀, д₁₁ на отметках выше гор. +177,5 м использовались различные формы выработок: прямоугольная, трапециевидная и арочная. Формы сечения выработок существенно влияют на устойчивость пород. Работоспособность горных выработок для Карагандинского угольного бассейна определяется по критерию устойчивости, который характеризуется закономерностью коэффициента n согласно [1]:

(1)

где n -- критерий устойчивости;

-- средневзвешенный предел прочности горных пород в массиве на сжатие, МПа;

г -- средний удельный вес горных пород в единице объема, МН/м³;

Н -- глубина заложения выработки, м;

k₁ -- коэффициент концентрации напряжений, зависящий от формы выработки;

-- дополнительный коэффициент концентрации, учитывающий влияние соседних выработок; -- дополнительный коэффициент концентрации, учитывающей степень влияния очистных работ.

Для форм выработки арочного сечения на основе натурных наблюдений коэффициент концентрации напряжений рекомендуется принимать равным k₁=1,8, а остальные коэффициенты -- согласно данной методике.

Определим устойчивость горной выработки по пласту д₆ при следующих исходных данных: МПа; г = 0,026 МН/м³; Н = 600 м; k₁ = 1,8. Критерий устойчивости n будет равен:

Следовательно, категория устойчивости пород для пласта д₆ при n > 1 будет с ожидаемым смещением кровли выработки не более 50 мм при арочной форме сечения.

При отработке запасов на горизонте +177,5 м использовались все типоразмеры металлической арочной крепи КМП-3а (анкерная крепь не использовалась). Сечения выработок по пластам д₇, д₉, д₁₀, д₁₁ изменялись от 8,5 до 14,5 м². Плотность установки рам /п.м. составляла от 1,0 до 1,33 р/м. Затяжка боков и кровли выработки производилась распилом, железобетонной затяжкой или сеткой на каркасной основе. Для изготовления металлической арочной крепи использовался профиль СВП-22.

В процессе проведения горных выработок на горизонте +177,5 м конвергенция не превышала 400 мм и находилась в пределах податливости металлической арочной крепи.

В процессе эксплуатации выработок, попадающих под влияние очистных работ, затраты на их содержание сохранились на прежнем уровне. Сечения выработок уменьшались по сравнению с первоначальными на 10-15 %, что вполне удовлетворяло условиям проветривания и эксплуатации горных выработок.

При переходе горных работ с горизонта +177,5 м на -125 м (глубина 500-560 м) увеличилось горное давление. Плотность установки рам металлической арочной крепи увеличилась до 3,0 р/м, а в некоторых случаях (выход на пласт, уход с пласта на породу) -- до 4,0 р/м. Сечение горных выработок уменьшалось до 50 % по сравнению с первоначальным, а конвергенция составила 1000-1500 мм. Дополнительные меры по усилению крепи (использование спецпрофиля СВП-27 вместо СВП-22, увеличение плотности установки рам до 3,0-4,0 р/м вместо 1,0-1,33 р/м) не дали положительного результата по сохранению необходимого сечения выработок в процессе проведения очистных работ.

Комбинированная крепь была использована в вентиляционном квершлаге 322-дб-ц общей длиной 390 м. На участке выработки длиной 105 м, примыкающей к лаве, плотность установки металлической арочной крепи из спецпрофиля СВП-27 составляла 2,0 р/м. Между рамами с шагом 0,5 м в кровле выработки были установлены сталеполимерные анкеры СА 0000 длиной 2,4 м. Следующий участок вентиляционного штрека длиной 85 м был закреплен арочной крепью СВП-27 при плотности установки 1,0 р/м и анкерами длиной 2,4 м с шагом 0,5 м. Количество анкеров, установленных в кровле выработки, в первом и втором случаях составляло 5 штук при расстоянии между анкерами в ряду 0,9 м. Остальная часть вентиляционного штрека была закреплена только анкерной крепью при той же плотности установки анкеров.

Каждый экспериментальный участок штрека был выполнен сечением в свету 14,2 м² и оборудован двумя замерными станциями. В результате наблюдений и измерений сечений выработки установлено, что существенных различий в работе участков штрека с анкерной и комбинированной крепью до подхода лавы не отмечено (рис. 1).

Рис. 1 Динамика конвергенции выработки вентиляционного штрека в зависимости от типа крепления: 1 -- анкерная крепь; 2 -- комбинированная крепь; 3 -- рамная крепь. Сближение (конвергенция)

Как видно из рис. 1, конвергенция штрека с анкерной и комбинированной крепью не превышала 100 мм. При одной и той же плотности анкерной крепи комбинированная и арочная крепи выглядят в конечном счете одинаково. Существенное различие в характере деформаций по сравнению с комбинированной крепью наблюдалось в работе податливой арочной крепи (первые 20 м вентиляционного штрека были закреплены рамной крепью из СВП-27 с плотностью установки 3,0 р/м). Конвергенция в этом случае составила 220 мм (кривая 3 на рис. l).

Деформация пород выработки с комбинированной крепью (кривая 2) в два раза меньше, чем у выработки с податливой арочной крепью (кривая 3). Конвергенция пород выработки с чисто анкерной крепью на 30-50 % меньше по сравнению с комбинированной крепью, хотя плотность установки анкеров одинакова. Это явление можно объяснить тем, что анкерная крепь устанавливалась в варианте с комбинированной крепью несколько позже по сравнению с чисто анкерной крепью, и горное давление проявилось. Если же анкеры устанавливать заблаговременно, то комбинированная крепь по своей работе приближается к анкерной и эффект деформации отсутствует. Технология крепления анкеров оказывает существенное значение на характер работоспособности выработки, т.к. необходимо не только правильно устанавливать отдельные элементы крепи, но с учетом свойств породного массива устанавливать их своевременно. Детальная картина применения комплексного крепления рассмотрена на примере двух выработок.

Анкерная и комбинированная крепи использовались в промштреке 322-д₆-ц и «людском» уклоне. Крепление промштрека производилось сталеполимерными анкерами длиной 2,4 м и диаметром 22 мм. Количество анкеров в ряду -- 9, расстояние между рядами -- 1,0 м. «Людской» уклон проводился в центральной части уклонного поля. Сечение выработки в свету S_св=14,4 м². Угол наклона составлял 8°. Людской уклон разрабатывался на 7-10 м ниже пласта д₆ в породах почвы пласта, представленных алевролитами крепостью f = 3,3 - 4,5 по проф. М.М. Протодьяконову. Приблизительно 200 метров выработки находились в зоне разгрузки под отработанным пространством лавы 321-д₆-ц. Крепление выработки «людского» уклона производилось комбинированное: металлическая арочная крепь в сочетании с анкерной. Плотность установки металлической арочной крепи -- одна рама на 1 п.м. и девять анкеров в кровле выработки, установленных в два ряда в шахматном порядке. Длина анкеров составляла 2,4 м.

Промштрек 322-д₆-ц находится вне влияния опорного давления. Наблюдательные реперные станции были установлены на пикетах: 1 ПК-1-3 м, 5 ПК-5,0 м, 16 ПК-16-3 м. Репера, установленные на специальных станциях на глубине 2,5 и 4,5 м, имели одинаковые смещения. Расслоений и вывалов породы на экспериментальном участке не наблюдалось. Выработка сохраняла устойчивость на протяжении всего времени наблюдения (1 год).

В «людском» уклоне (горизонт -- 125 м) реперная станция была установлена в зоне опорного давления (ПК-5+3 м). Под влиянием опорного давления произошло смещение кровли на 75 мм в первый месяц после проведения выработки, в дальнейшем смещений пород кровли не наблюдалось.

Результаты наблюдений за смещением контура выработки на промштреке и «людском» уклоне (рис. 2а) показали, что деформация на промштреке началась на расстоянии 25 м до подхода лавы и составила на конец наблюдений 78 мм, а на «людском» уклоне -- на расстоянии 65 м до лавы при конвергенции 261 мм.

Сближение боков выработки (рис. 2а) составило на «людском» уклоне 235 мм, а на промштреке -- 75-80 мм. За время наблюдений вывалов в выработку на промштреке не наблюдалось. Вывалы породы в выработке на «людском» уклоне происходили со стороны незаанкерованного массива.

Наблюдения за движением почвы показали, что пучение почвы на «людском» уклоне началось за 55 м до подхода лавы и составило: на границе с целиком -- 400 мм, на границе с массивом -- 150 мм.

Пучение почвы на промштреке началось, когда лава находилась в створе с замерной станцией, причем поднятие почвы на 250 мм зафиксировано только со стороны целика.

Использование анкерной и комбинированной крепей на шахте «Шахтинская» показало, что основную роль в сохранении формы выработки играет анкерная крепь. Применение анкерной крепи снижает конвергенцию пород горных, выработок и уменьшает пучение пород почвы на 50-100 %. В случае использования комбинированной крепи в горных выработках конвергенция уменьшается до 40 %, а шаг установки металлической крепи увеличивается в 1,5-2,0 раза.

1 -- смещение боков л.уклона; 2 -- общее смещение л.уклона; 3 -- смещение боков промштрека; 4 -- общее смещение промштрека 1 -- смещение боков и скорость на л.уклоне; 2 -- смещение боков и скорость на промштреке

Рис. 2 Графики изменения конвергенции в зависимости от расстояния до лавы: а) -- от смещений контура выработок; б) -- от смещений боков и скорости смещений

На основе обработки экспериментальных данных, полученных в результате многолетних наблюдений за смещениями пород кровли в выработках, не подверженных влиянию очистных работ, при использовании комбинированной крепи было получено следующее аппроксимирующее выражение:

(2)

выработка пласт горный крепление

где k₁ -- коэффициент, зависящий от глубины залегания выработки (k₁=0,5 -- при Н=300 м; k₁=0,6 -- при Н=400 м; k₁=0,75 -- при Н=500 м; k₁=1,0 -- при Н=600 м ).

При этом площадь поперечного сечения выработок изменялась от 10 до 15,0 м², мощность слоя пород, залегающих непосредственно в кровле, изменялась от 1,0 до 2,0 м, прочность пород кровли составляла 40-55 МПа.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что использование комбинированной крепи в горных выработках уменьшает смещения массива и, следовательно, повышает безопасность труда при проходке данного типа выработок.

Список литературы

1. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г.: Справочник. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. М.: Недра, 1989.

Размещено на Allbest.ru