Крепление и поддержание горных выработок

Все подземные горные выработки должны иметь крепь, удовлетворяющую необходимым техническим (прочность, устойчивость, жесткость, податливость), производственным (компактность, пожаростойкость, минимальная трудоемкость при возведении) и экономическим (минимальная стоимость, максимальный срок службы) требованиям. Крепь подразделяют :

  1. по роду крепежного материала – на деревянную, бетонную, бетонитовую, металлическую, сборную железобетонную, анкерную, рамно-анкерную и смешанную;

  2. по роду выработок – для подготовительных и капитальных;

  3. по сроку службы – временную и постоянную;

  4. по видам конструкции – прямоугольную, трапециевидную, арочную, кольцевую, сводчатую и анкерную;

  5. по характеру работы – податливую и жесткую; 

  6. по положению выработок в пространстве – крепь горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок.

Дерево как крепежный материал имеет достаточно высокую прочность и упругость, легко обрабатывается. Элементы крепи из дерева просто и удобно соединяются друг с другом. Для крепления применяют чаще всего хвойные породы (сосна, ель, лиственница, кедр), реже – лиственные (дуб, бук, граб, ясень, береза). Влажность древесины не должна превышать 10-15%. С целью продления срока службы древесина пропитывается специальными защитными веществами. Сроки службы деревянной крепи от 1.5 месяцев до 40 лет.

Металлическая крепь благодаря высокой прочности, долговечности, огнестойкости, многообразию конструктивных видов и возможности повторного использования широко применяется для крепления горных выработок. По форме она бывает : трапециевидная, кольцевая, арочная.

Бетонная крепь имеет сводчатую форму и применяется в выработках околоствольного двора, камерах, квершлагах с большим сроком службы и значительным горным давлением. Бетонная крепь состоит из фундамента, стен и свода. Стены могут быть вертикальными и наклонными ( при большом боковом давлении).

Сборной железобетонной крепью крепят выработки со сроком службы более 3-5 лет при установившемся горном давлении и с устойчивыми породами ( особенно на исходящей вентиляционной струе, где деревянная крепь быстро загнивает). Она бывает панельная, устанавливаемая всплошную, и рамная, устанавливаемая вразбежку. Изготовление и возведение ее можно полностью механизировать.

Смешанная крепь состоит из двух или более типов . При больших пролетах выработок и значительном вертикальном давлении, но небольшом сроке службы используют металлические верхняки с деревянными стойками. В капитальных выработках при отсутствии бокового давления применяют металлические верхняки из двутавра в сочетании с вертикальными каменными стенами. Широкое распространение получила крепь из трубчатых железобетонных стоек с металлическими  верхняками из двутавровых балок №16-20 или балок специального профиля. Верхняки могут укладываться на стойки жестко или подвешиваться шарнирно.

Отставание постоянной крепи ( кроме каменной, бетонной или железобетонной) от забоев подготовительных выработок определяется паспортом крепления. При неустойчивой кровле  необходимо уменьшить шаг ее установки. Последние у забоя 3-4 рамы должны быть прочно расщиты досками, обаполами, соединены стяжками.

Возведение постоянной крепи, выемка угля и уборка породы после взрывных работ производится под защитой предохранительной крепи, конструкция которой должна обеспечить безопасность работ. На начало нового цикла работ постоянная крепь (кроме каменной , бетонной или железобетонной) возводится вплотную к забою, а все пустоты за крепью заложены или затомпонированы.

Анкерная крепь отличается от обычных видов тем, что устойчивость пород вокруг выработки обеспечивается не возведением поддерживающих конструкций внутри выработки, а за счет увеличения несущей способности пород путем скрепления отдельных слоев анкерами. Анкерная крепь в сочетании с рамной является одним  из наиболее эффективных видов крепи.

Анкерная крепь представляет собой систему закрепляемых в скважинах анкеров (рис.11), расположенных определенным образом по периметру подземной горной выработки в окружающих ее породах и предназначенных вместе с поддерживающими элементами для упрочнения массива пород и повышения устойчивости его обнажений благодаря скреплению различных по прочности слоев или структурных блоков.

Анкерная крепь – система штанг-анкеров, вставленных и закрепленных  в шпурах приконтурной зоны выработки, которая вместе с межрамным перекрытием применяется  как средство укрепления горных пород и сдерживания их от дальнейшего разрыхления, расслоения и обрушения с целью снижения нагрузки на подпорное крепление.

Глубина шпура под анкерные штанги должна быть в интервале рабочей длины штанги минус 5мм, что обеспечивается установлением на буровую штангу ограничителя.

Диаметр шпура должен превышать номинальный диаметр штанги от 6 мм до 8мм, ориентация шпура должна быть согласно Паспорту с отклонением +-10о.

Шпур должен быть прямолинейным с насечкой, без пыли и штыба на стенках.

Для крепления кровли подземной горной выработки рекомендовано применение анкерных штанг длиной 2.4м, в зонах горногеологических нарушений длиной 2.9м, боков – неметаллических анкеров длиной 1.5м.

Плотность размещения анкеров в породах I и II категорий устойчивости – не меньше 1 анкера/м2, в породах III и IV категорий устойчивости – не меньше 1,33 анкер/м2.

Расстояние между анкерами в ряду должно быть постоянным по всей длине выработки.

После установки и закрепления штанги длина хвостовика, выступающего в выработку, должна быть от 3 до 10см.

Время установки анкера в породах прочностью на одноосное сжатие:

  1.  менее 40 Мпа – до 6 минут;
  2.  от 40 до 60 Мпа – до 8 минут;
  3.  от 60 до 90 Мпа – до 10 минут.

Суточное подвигание выработки:

  1. при комбайновом способе проходки не менее 7м;
  2. при буровзрывном способе проходки не менее 3 м.

 

элементы анкерной крепи

Анкерную крепь для крепления горных выработок можно применять в следующем назначении.

  • В качестве самостоятельной (постоянной) (рис 12). Постоянная крепь предназначается для поддержания выработок в течение всего срока их службы. В этом случае выработки крепят независимо от мощности и угла залегания пласта, устойчивости кровли и ее обводненности. 

крепление забоя анкерной крепью

  • В сочетании с рамными крепями и с дополнительными стойками (главным образом посередине выработки) (рис.13) анкерную крепь рекомендуется применять, если ожидаемые смещения контура выработки превышают безопасную величину. Эту крепь можно применять в сочетании со сплошными крепями ( монолитная бетонная, набрызг-бетонная и тюбинговая). Анкерная крепь в сочетании с рамными крепями применяется в случаях, когда горно-геологические условия не позволяют применять ее самостоятельно, а также для повышения устойчивости, надежности и снижения стоимости поддержания горных выработок с целью их использования повторно.
  • В качестве временной анкерную крепь можно применять при проведении подготовительных выработок, крепление которых производится рамной или сплошной крепью с отставанием от забоя (рис14).  Назначением временной предохранительной крепи является поддержание призабойной части подготовительной выработки в безопасном состоянии до установки постоянной крепи. Установленная анкернаякрепь как временная в дальнейшем работает в качестве постоянной в сочетании с рамной и другими крепями. Временная анкерная крепь по характеру работы может подразделяться на поддерживающую и ограждающую. Поддерживающая временная анкерная крепь предназначена для предотвращения обрушения пород до возведения постоянной крепи. Ограждающая временная анкерная крепь ( анкера с предохранительным перекрытием) служит для защиты людей и механизмов от ударов обрушающихся кусков породы.

рамно-анкерное крепление

 

 

анкерная крепь в качестве временной крепи

  1. В качестве меры для предотвращения пучения пород почвы (рис15) в подготовительных выработках. Крепление пучащих почв выработок не предотвращает полностью этот процесс, но значительно его замедляет, что увеличивает сроки поддирки пород почвы в этих выработках и удешевляет стоимость их поддержания.

  2. приминение анкеров
  3.  Для вспомогательных целей – для укрепления шахтного оборудования ( маневровых (рис.16) и скреперных лебедок, приводных и натяжных станций конвейеров (рис.17)), для подвески к кровле выработок ленточных конвейеров, кабелей, требопроводов, монорельсовых и канатных дорог, для подхвата верхняков на сопряжениях с очистными забоями (вместо крепи сопряжения рис.18), а также безопасного выхода комплекса из разреза при снятии стойки крепи (рис.19), для ремонта выработок с нарушенной крепью и усиления последней. 

  

Специфические особенности анкерной крепи позволяют применять ее в широком диапазоне горнотехнических условий для крепления горных выработок различного назначения.

Для бурения и установки анкерной крепи применяются буровые колонки с пневматическим  и гидравлическим приводами  немецкого производства типа «Гофер», «Кинг-кобра», «Рамбор», «Bas», буровые молотки «Sig», «AtlasCopco» и другие (рис.20).

 rambor модульная бурильная система  

пневматическая анкерная буровая колонка King Cobra Bolter

 

На шахте возникла необходимость возвратиться к применению прямоточной схемы проветривания выемочных участков , чтобы обеспечить безопасность при увеличении добычи. Основная задача состояла в том , чтобы найти приемлемый в геомеханическом, технологическом и экономическом аспектах способ сохранения устойчивости конвейерных выработок позади очистных забоев , отрабатываемых обратным ходом.

При непосредственном сопряжении лавы  с конвейерным штреком в горно-геологических условиях рассматриваемого пласта очень важно с точки зрения геомеханики, обеспечить минимально возможное оседание пород кровли у штрека со стороны выработанного пространства лавы. Это значит , что возводимая охранная полоса по своей податливости должна приближаться к податливости краевой части массива угля , к которому примыкает штрек со стороны падения пласта. Кроме того , охранная полоса должна возводиться с технологически минимальным отставанием от груди забоя лавы и практически сразу же оказывать нарастающий отпор интенсивно оседающим породам кровли в районе сопряжения лавы со штреком. Когда с течением времени охранная полоса будет способна оказывать максимально возможное сопротивление оседающим породам кровли , она должна выполнять роль «режущей» крепи , способствующей разлому и обрушению зависающих породных консолей вдоль поддерживаемого штрека .

Для определения характеристик работы литой полосы был поставлен специальный шахтный эксперимент во  2 южном конвейерном штреке бремсберга блока №5, пройденном сечением 15.5м2 и закрепленным базовой типовой крепью КМП-А3. Сущность эксперимента заключалась в оценке влияния расстояния расположения охранной полосы на эффективность поддержания штрека. Опробовано четыре базовых варианта охраны штрека (Рис.22):

  1. полоса шириной 1.0 м на удалении 1.0м;
  2. полоса шириной 1.0м, расположенная на контуре штрека;
  3. полоса шириной 1.0м – на удалении 0.5м;
  4. две полосы шириной 0.6-0.8м, расположенные с промежутком 0.6м, при этом первая полоса размещена сразу за контуром штрека.

Обобщая результаты наблюдений, можно  следующим образом оценить геомеханику литой околоштрековой полосы.

Вариант 1, с точки зрения теории горного давления, кажется благоприятным. Однако наблюдения показывают   (рис.23), что через 3-5 суток под действием сил горного давления деформируются элементы охранной конструкции в связи с образованием трех линий разлома пород кровли пласта. Опускание кровли составляет 80-100мм. Имеет место пучение в средней части выработки величиной до 200мм. Недостатком является то, что опускание пород с поворотом со стороны лавы деформируют крепь КМП-А3-15.5, образуя зевы в соединениях крепи.Удаление полосы от штрека усложняет технологию ее возведения.

Для варианта 1 возможна и иная схема деформирования приштрековых полос (рис.24). В этом случае деформирование расположенных над литой полосой брусьев и охранной крепи приведет к формированию линий разлома пород под углом 70-80о к выработанному пространству.

 

Для варианта 2 характерным является пучение пород, которое достигает 350-400мм, причем большие его величины наблюдаются вблизи литой полосы (рис.25). Опускание кровли составляет 50-70мм. Площадное развитие пучения по штреку, достигающее 100-150мм, наблюдается при третьем варианте сооружения охранной полосы.

Для варианта 4 характерно более равномерное пучение выработки до 150-200мм. Отмечается также равномерная нагрузка на охранную конструкцию ( рис.26). Однако этот вариант отличается сложностью в технологическом плане и большим расходом цементно-минеральной смеси.

Таким образом наиболее оптимальным следует признать третий вариант возведения охранной полосы. При этом расстояние полосы от контура штрека увязывается с величиной прогнозируемой или фактической подрывки пород почвы.

Применение литой полосы обеспечивает уменьшение зон разрушения породного массива, повышает приконтурную, межслоевую и глубинную его устойчивость. Все это в совокупности обеспечивает сохранение поперечного сечения штрека, которое после прохода первой лавы составляет 60-80% от проектного.

Податливость возведенной охранной полосы должна быть близка к податливости краевой части массива угольного пласта, к которому непосредмственно примыкает штрек.

Надлежащий контакт полосы с породами кровли обеспечивает функциональное ее назначение как несущей опоры и «режущей крепи», инициирующей обрушение пород по кромке «опора-лава» с формированием защитного перекрытия над штреком.

Способ охраны выработок литыми полосами может применяться при повторном использовании выработок в следующих условиях: мощность угольного пласта – 0,8-2.2м; угол падения пласта – до 30о; глубина разработки – до 1200 м; обрушаемость пород кровли – любая.

Материалы для возведения полос должны удовлетворять следующим требованиям. Через сутки после укладки материала в полосу его прочность должна составлять не менее 10Мпа. Материал через 28 суток после его укладки в полосу должен приобретать конечную прочность на одноосное сжатие стандартных образцов не менее 20МПа. Материал не должен терять прочности ниже указанной под воздействием шахтных вод. При этом исходный материал должен быть пригодным для транспортирования по трубам в сухом виде или в виде раствора. В качестве твердеющих смесей для возведения полос рекомендуется следующая разработанная смесь «БИ-крепь»:

Портландцемент марки 400 – 40%, песок кварцевый – 55%, кремнезем – 3%, ускоритель схватывания в виде обезвоженных солей хлористого кальция – 2%.

Предел прочности на одноосное сжатие после укладки через два часа составляет-2.5-3 Мпа, через сутки – 9-12 Мпа, через 7 суток – 28 Мпа, через 28 суток – 39-45 Мпа.

Обоснованные параметры способа охраны подготовительных выработок литыми полосами из твердеющих материалов составили ( рис.27):

  1.  ширина полосы – 0.8 мощности пласта при легкообрушающейся основной кровле, 1.0 мощности пласта приосновной кровле средней обрушаемости и 1.2 мощности пласта при труднообрушающейся основной кровле;
  2. максимальное отставание полосы от крепи очистного забоя не должно превышать 6м;

В качестве нагнетательных агрегатов рекомендуется применять серийно выпускаемое оборудование – при пневматическом способе возведения полос – набрызгмашины – МБР, БМ-60, БМ-68 ПБМ-2Э, при гидромеханическом - насосные установки МОНО WT -820, ПН-600, ПН-800.

На рисунке 28-31 приведены различные технологические схемы возведения околоштрековых полос для поддержания конвейерных штреков с целью их использования в качестве вентиляционных при отработке последующих столбов с помощью гидромеханического способа. 

Внедрение описанной технологии охраны штреков на пологих пластах с использованием литых полос и анкерных систем позволяет не только реализовать известные геомеханические принципы охраны выработок, но и  практически обеспечить внедрение прямоточной схемы проветривания на высокогазоносных пластах для достижения стабильных нагрузок до 4-5 тыс.тонн в сутки.

 

 

Вернуться в каталог 

Вернуться на главную

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

 

Рейтинг@Mail.ru