Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Демин В.Ф. 1 Яворский В.В. 2 Демина Т.В. 1 Стефлюк Ю.Ю. 1
1 РГП на ПХВ «Карагандинский государственный технический университет»
2 Карагандинский государственный индустриальный университет
Проявление горного давления в выработках в виде пучения пород почвы обусловлено влиянием большого числа естественно-геологических и производственно-технологических факторов. Наибольший эффект в борьбе с пучением достигается путем разгрузки вмещающего выработку массива от высоких напряжений. Разработана технология анкерного крепления, направленная на снижение пучения под почвы в различных горнотехнических условиях разработки, при применении различных видов крепи с учетом осложняющих факторов ведения горных работ с учетом геомеханических условий проведения и поддержания выработки. Применение технологии по поддержанию позволит повысить устойчивость породных обнажений в выработке с учетом форм проявления действия горно-геологических и горнотехнических факторов ведения горных работ. Определены параметры установки в почву выработки припочвенных анкеров, предусматривающей установку анкерной крепи в почву вдоль бортов горной выработки. Забуриваются наклонные шпуры под анкеры под углом 20–40 ° к вертикали. Длина шпуров предусматривается из расчета технической возможности их бурения и принимается равной 1,6; 2,4 и 2,9 м. Предусматривается перекрестная установка анкеров (под прямым углом) в слои пород почвы. Шаг установки перекрестно ориентированных напочвенных анкеров рекомендуется равным двойной величине количества арок металлоарочной крепи на 1 пог. метре выработки.
напряженно-деформированное состояние
вмещающий массив горных пород
выбор прогрессивных средств и способов крепления горных выработок
1. Артемьев В.Б., Коршунов Г.И., Логинов А.К. и др. Горная геомеханика. – СПб.: Наука. – 2011. – 102 с.
2. Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А. и др. Экспериментальные исследования устойчивости повторно используемых выемочных выработок на пологих пластах Донбасса. – Днепропетровск. ТОВ «ЛiзуновПрес». – 2012. – 426 с.
3. Борщ-Компониец В.И. Практическая механика горных пород. Пособие для горных инженеров. – М.: Издательство «Горная книга», 2013. – 322 с.
4. Демин В.Ф., Журов В.В., Демина Т.В. Геомеханика при креплении горных выработок/ LAP LAMBERT Academic Publishing is a trademark of AV Akademikerverlag GmbH& Co. KG. – Germany. 3013. – 185с.
5. Зацепин А.С., Плескунов И.В. Способ охраны участковых подготовительных выработок (патент РФ № 2338066). 27.12.2011.
6. Лушников В.Н., Еременко В.А., Сэнди М.П. и др. Крепление горных выработок в условиях деформируемых и удароопасных массивов горных пород. – Горный журнал. – 2014. – № 4. – С. 37–43.
7. Осипов А.Н., Булкин А.В., Гусельников Л.М. и др. Способ борьбы с пучением почвы горных выработок (патент РФ № 2438018). Публикация патента 27.12.2011.
8. Eremenko V.A., Louchnikov V.N., Sandy M.P., Mikin D.A., Milsin E.A. Gornyi Zhurnal – Mining Jornal. – 2013. – № 7. – Р. 59–67.
9. Kuzmin S.V., Salvasser I.A., Meshkov S.A. Mechanism of rock heaving developing and it ways to fighting JSC «SUEKKuzbass». Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Издательство: Горная книга – М. S3, 2014. – С. 120–126.
10. Nierobisz A. Development of roof bolting use in Polish coal mines. Journal of mining science. Volume: 47 Issue: 6 Pages: 751760. Published: NOV 2011. View Journal Information.
11. Pivnyak G., Bondarenko V., Kovalevska I. Mining of Mineral Deposits. A Balkema Book. CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group an informa business. London. – 371 р.
12. Rozenbaum M.A., Demekhin D.N. Deformational criteria for the stability of roof rocks and rock bolts. Journal of mining science. Volume: 50 Issue: 2 Pages: 260264. DOI: 10.1134/S1062739114020082. Published: MAR – 2014.

При разработке угольных месторождений довольно часто встречаются деформации пород почвы в виде выдавливания их внутрь выработок. Пучение обычно наиболее интенсивно проявляется в подготовительных выработках. Вследствие особенностей генезиса угольных месторождений непосредственная почва пластов, как правило, сложена более слабо по сравнению с остальными породами-разностями. Кроме того, в них развиты зоны сдвига, вызванные разной степенью уплотнения пород и последующими тектоническими процессами. Пучение пород почвы усложняет ведение горных работ, опыт показывает, что уже при достижении в выработках величин пучения более 300–350 мм необходимо применение технологических мер борьбы с ним. Интенсивность и абсолютная величина перемещений при пучении связаны с горно-геологическими и производственно-техническими факторами.

Анализ позволяет выделить два основных типа пучения пород при прохождении горных выработок: пучение глинистых пород вследствие их набухания, связанного со специфическими особенностями минералогического и коллоидно-химического состава глинистых грунтов и как проявление горного давления в связи с проведением горных выработок.

В пластовых подготовительных выработках при залегании в почве угольных пластов слоистых аргиллитов и алевролитов процесс разрушения пород почвы и пучения включает стадии: расслоения по поверхности напластования без разлома расслоившихся пород; разлома расслоившихся пород под выработкой на блоки в форме многошарнирных арок; разрушения пород почвы под боками выработки с выдавливанием их в выработку [1, 5, 7]. Вздутие пород почвы является следствием выдавливания мягких пород из-под пят околоштрековых целиков или нетронутого горного массива.

Цель исследования – разработка эффективных способов борьбы с пучением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт.

Материалы и методы исследования

Анализ производственной деятельности шахт Карагандинского угольного бассейна, ведущих разработку на больших глубинах (преимущественно, более 500–600 м) в условиях слабых вмещающих пород, показывает, что значительная часть протяжённых выработок постоянно находится в состоянии ремонта или работ, связанных с поддержанием их в удовлетворительном эксплуатационном состоянии. На выполнении таких маломеханизированных работ занято около 10–12 % подземных рабочих структурно связанных, прежде всего, с ликвидацией последствий процесса пучения пород почвы в выработках (60 %) и перекреплением (40 %). Так, в 2014 г. удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Карагандинского угольного бассейна достиг 5,5 м на 1000 т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок 200 чел-см на 1 км протяженности поддерживаемых выработок в год или около 20 чел-см на 1000 т добычи. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3–5 тыс. руб/м) и снижают скорость отработки запасов на 30–40 %. На шахтах бассейна при ежегодном росте протяженности выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии на 2–3 %, перекрепляется от 30 до 50 % выработок, нуждающихся в ремонте.

На основе существующих гипотез и опираясь на производственный опыт, разрабатываются способы и средства, обеспечивающие предотвращение или снижение интенсивности этого процесса.

Проявление горного давления в выработках в виде пучения пород почвы обусловлено влиянием большого числа естественно-геологических и производственно-технологических факторов. Однако устойчивость породных обнажений выработки и прилегающих к ней горных пород зависит, главным образом, от физико-механических свойств пород и действующих в них напряжений, обусловленных массой вышележащих пород, тектоническими нарушениями и схемами и порядком ведения горных работ. Поэтому все мероприятия по снижению пучения пород почвы направлены на изменение показателей этих двух групп факторов или на использование наиболее благоприятного сочетания.

Все меры борьбы с пучением пород горных выработок могут быть подразделены на пять групп: использование благоприятных горно-геологических и технических условий (проведение выработки вприсечку к выработанному пространству, позади очистного забоя, в обрушенных и уплотненных породах); укрепление пород (применение анкерной крепи, полимерное упрочнение почвы и использование смол); разгрузка породного массива (взрывощелевая разгрузка породного массива, управление устойчивостью горной выработки взрывной бутовой полосой, устройство разгрузочных щелей, разгрузка массивов горных пород с помощью выбуривания пласта, торпедирование пород кровли в выемочных выработках); комбинированные способы (активная разгрузка с последующим упрочнением с образованием обратного свода, взрывоукрепление. с одновременной разгрузкой массива горных пород и его укреплением, разгрузка пород почвы буровзрывным способом с последующим применением усиливающих крепей-лежней и гидростоек); специальные методы борьбы (применение замкнутых и усиливающих крепей, а также комбинированные крепи).

Наибольший эффект в борьбе с пучением достигается путем разгрузки вмещающего выработку массива от высоких напряжений. В качестве способов разгрузки возможно применение проведения разгрузочных выработок, создание различного рода щелей и скважин, взрывание пород с образованием в почве зон дробления и т.п. Данные решения характеризуются весьма сложной технологией работ, большой трудоемкостью и стоимостью.

Это приводит к тому, что в практике эксплуатации угольных шахт основным способом по-прежнему остается подрывка вспучившихся пород, т.е. ликвидируются последствия этого явления, а не его причины. При этом достигается только кратковременный и незначительный эффект, а в долгосрочной перспективе на борьбу с пучением расходуются большие материальные и трудовые затраты.

В последнее время начинает успешно применяться способ борьбы с пучением путем крепления кровли (почвы) сталеполимерной и другими видами анкерной крепи высокой несущей способности [3, 10, 11, 12].

Ниже рассматриваются технологические разработки с применением анкерного крепления, направленные на снижение и предотвращение пучения пород почвы в горных выработках.

Анкерная крепь применяется для сохранения достаточного уровня монолитности приконтурных пород путем ограничения их смещений в выработку, что позволяет максимально поднять эффективность, надежность, максимальный безремонтный срок службы и безопасность выработок.

Процессами пучения пород почвы можно управлять в т.ч. за счет формы поперечного сечения выработки с расположением к породам кровли в виде обратного трепецевидного контура – грузонесущего свода (рис. 1), который позволяет повысить устойчивость почвы выработок [2, 8, 9, 11].

deminn1.tif

Рис. 1. Управление процессами пучения почвы за счет обратного трапециевидного контура выработки. Γ – плотность горных пород т/м3; Н – глубина разработки; к – коэффициент роста величины опорного давления

Результаты исследования и их обсуждение

Прогрессивным способом является активное упрочняющее воздействие на породы почвы выработки посредством анкерного крепления. Для его реализации необходимо определение необходимой толщины упрочняемого слоя горных пород в почве, за счет упрочняющего слоя установленных в нее анкеров с формированием опорных блоков для опоры для несущего свода выработки на опорные блоки [5, 7] (рис. 2), исходя из глубины распространения зоны пучения в почве выработки, которую определяют по известному методу проф. Цимбаревича П.М. [12]:

demin1a.tif demin1b.tif

а б

Рис. 2. Создание опорных блоков в почве выработки для поддержания ее свода. а – способ крепления и упрочнения пород почвы; б – опорные блоки в почве. 1 – выработка; 2 – сталеполимерные кровельные анкера; 3 – сталеполимерные боковые анкера; 4, 5 – пучащиеся слои почвы выработки; 6 – сталеполимерные анкера в почву выработки; 7 – контур несущего свода выработки; 8 – основание несущего свода; 9 – опорные блоки; 10 – линии скольжения пород пучащего слоя; 11 – нижнее основание опорного блока; 12 – слой устойчивых пород; 13 – зона укрепления пород вокруг выработки

dem01.wmf; (1)

Φ – угол внутреннего трения пород почвы, град.

H1 – высота пригрузки почвы, приведенная к объемному весу пород почвы, м;

dem02.wmf; (2)

где h – высота стен выработки, м;

γ б – объемный вес пород боковых пород, т/м 3;

γ п – объемный вес пород почвы, т/м3 ;

Проведен анализ степени зависимости Х0 глубины распространения зоны пучения в почве выработки к объемному весу боковых пород, пород почвы и высоты стенок выработки: h = 3,0; 3,5 и 4,0 м; γб = 2,0; 2,5; 3,0 т/м3, Н1 изменяется от 4,0; 5,0 до 6,0 м.

Исходя из расчетных значений расчетов построена номограмма (рис. 3).

demin2.tif

Рис. 3. Номограмма для определения глубины распространения зоны пучения в почве выработки в зависимости от влияющих факторов

Как видно из расчетов, с ростом значения объемного веса пород кровли меньше глубина распространения зоны пучения в почве выработки или чем больше значение объемного веса боковых пород и высоты стен выработки, тем больше глубина распространения зоны пучения [4].

Разработана также технология анкерного крепления, направленная на снижение пучения пород почвы в различных горнотехнических условиях разработки, при применении различных видов крепи с учетом осложняющих факторов ведения горных работ с учетом геомеханических условий проведения и поддержания выработки. Технология работ по установке крепи – припочвенных анкеров предусматривает установку анкерной крепи в почву вдоль бортов горной выработки. Забуриваются наклонные шпуры под анкеры под углом 20–40 ° к вертикали. Длина шпуров предусматривается их расчета технической возможности их бурения и принимается равной 1,6; 2,4 и 2,9 м. Предусматривается перекрестная установка анкеров (под прямым углом) в слои пород почвы (рис. 4).

demin3.tif

Рис. 4. Поперечный (а), продольный (б) разрез выработки с припочвенными анкерами и вид в плане – схема установки припочвенных анкеров относительно арок металлоарочной крепи (в)

Длину анкеров, устанавливаемых в почву выработки, рекомендуется определять по эмпирической формуле, полученной для условий шахт Карагандинского бассейна:

L = 6,75*Bв*Нп/Пп, м, (3)

где 6,75 – эмпирический коэффициент;

Bв – ширина горной выработки вчерне, м;

Нп – величина пучения пород почвы, м;

Пп – прочность пород почвы на сжатие, МПа.

Шаг установки перекрестно ориентированных напочвенных анкеров рекомендуется равным двойной величине количества арок металлоарочной крепи на 1 пог. метре выработки.

Выводы

Применение технологии анкерного крепления, направленной на снижение пучения пород почвы выработок способствует повышению устойчивости породных обнажений с учетом горно-геологических, геометрических и горнотехнических условий ведения горных работ.

Определены параметры установки в почву выработки припочвенных анкеров, предусматривающей установку анкерной крепи в почву вдоль бортов горной выработки. Забуриваются наклонные шпуры под анкеры под углом 20–40 ° к вертикали. Длина шпуров предусматривается их расчета технической возможности их бурения и принимается равной 1,6; 2,4 и 2,9 м. Предусматривается перекрестная установка анкеров (под прямым углом) в слои пород почвы. Шаг установки перекрестно ориентированных напочвенных анкеров рекомендуется равным двойной величине количества арок металлоарочной крепи на 1 пог. метре выработки.


Библиографическая ссылка

Демин В.Ф., Яворский В.В., Демина Т.В., Стефлюк Ю.Ю. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 12. – С. 95-99;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35755 (дата обращения: 21.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074