close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000103538

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
УТИРАЛОВ Олег Александрович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ
ПОЭТАПНОГО ПРОВЕДЕНИЯ И АНКЕРНОГО К Р Е П Л Е Н И Я
ПЛАСТОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ В Ы Р А Б О Т О К
Специальность
25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и
строительная)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новокузнецк 2005
I
Работа вьЕПОлнена! в Институте горного дела
Сибирского отделения Российской академии наук
Научный руководитель
- доктор технических наук, профессор
Клишин Владимир Иванович
Официальные оппоненты;
доктор технических наук
Тациенко Виктор Прокопьевич
кандидат технических наук, доцент
Чубриков Андрей Викторович
Ведущая организация - Институт угля и углехимии Сибирского отделения
Российской академии наук (г. Кемерово)
Защита состоится 22 декабря 2005 г в 14.00 часов в ауд.ЗП на заседа­
нии диссертационного совета: Д 212.252.03 при Государственном образова­
тельном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский
государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, Кеме­
ровская обл., г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Телефон 8-(3843) 46-37-88,
Факс 8-(3843) 46-57-92, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного обра­
зовательного учреждения высшего профессионального образования «Си­
бирский государственный индустриальный университет»
Автореферат разослан 21 ноября 2005г
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук
Домрачев А.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Широкое внедрение на шахтах России высо­
копроизводительных технологических схем выемочных участков с исполь­
зованием современного, в том числе импортного оборудования, требует
проведения подготовительных выработок большого поперечного сечения
(до 24м'^), с присечкой породы до 5 0 % , увеличения количества подготови­
тельных
выработок,
обеспечивающих
работу
комплексномеханизированного забоя ( К М З ) . При реализации на шахтах этих требова­
ний снизились темпы проведения выработок и воспроизводства готовых к
выемке запасов угля.
Основной причиной снижения темпов проведения выработок большо­
го поперечного сечения является увеличение продолжительности крепления
пород кровли и боков подготовительных выработок. Одним из направлений
снижения затрат времени на установку крепи является разделение во вре­
мени и пространстве в подготовительном забое процессов возведения вре­
менной и постоянной крепи. Положительный опыт поэтапного проведения
и крепления выработок накоплен при строительстве капитальных вырабо­
ток и тоннелей.
Возможность применения технологии поэтапного проведения и креп­
ления в пластовых подготовительных выработках угольных шахт сдержи­
вается отсутствием положительных результатов научных исследований и
методики обоснования параметров временной анкерной крепи, обеспечи­
вающей устойчивое и безопасное состояние пород кровли в зоне работы
проходческого комбайна.
В этой связи актуальной является задача разработки технологии по­
этапного проведения и крепления подготовительных выработок посредст­
вом использования в качестве временной анкерной крепи разных типов для
повышения темпов проведения выработок при обеспечении безопасных ус­
ловий труда.
Ц е л ь ю работы является обоснование параметров технологии поэтап­
ного проведения и крепления пластовых подготовительных выработок
сталеполимерными и сталеминеральными анкерами для повышения темпов
воспроизводства готовых к выемке запасов угля.
Идея работы состоит в разделении во времени и пространстве под­
готовительного забоя процессов выемки горной массы, возведения времен­
ной и постоянной крепи для обеспечения устойчивости пород кровли в призабойной зоне посредством поэтапной установки сталеминеральных анке­
ров.
Задачи исследований:
- обосновать технологические требования к сталеминеральным анке­
рам для крепления подготовительных выработок при поэтапном их прове­
дении;
«>С НАЦИОНАЛЬНА*
внмивтекА
,
- разработать оптимальные составы минерального закрепителя анке­
ров для обоснования заданной несущей способности сталеминершгьных ан­
керов и технологии их установки;
- установить закономерности взаимодействия временной и постоян­
ной анкерных крепей с породным массивом;
- изучить в шахтных условиях работоспособность сталеполимерных и
сталеминеральных анкеров при поэтапном проведении и креплении подго­
товительных выработок;
- разработать и внедрить технологические схемы поэтапного прове­
дения и анкерного крепления пластовых подготовительных выработок.
Методы исследований: лабораторные испытания сталеминеральных
анкеров с исследованием разных составов минеральных закрепителей; мо­
делирование на Э В М с использованием метода конечных элементов для
расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива гор­
ных пород при поэтапном проведении выработок; дисперсионный анализ
для обработки полученных экспериментальных результатов исследований
различных составов минеральных смесей; шахтный эксперимент; обобще­
ние результатов исследований для разработки технологических схем по­
этапного проведения и анкерного крепления выработок.
Н а у ч н ы е положения, выносимые на защиту:
- устойчивость пород кровли подготовительного забоя обеспечивается
поэтапным проведением и креплением горных выработок комбинированной
анкерной крепью за счет первоначального закрепления анкерного стержня
в шпуре с усилием не менее ЗОкН при плотности установки анкеров 1-2 анкер/м^ и длине более 2,2м с последующим использованием его для обуст­
ройства постоянной крепи и перетяжки кровли в зоне или вне зоны ведения
работ по проведению выработки;
- закрепление металлического анкерного стержня в шпуре с усилием,
не превышающим предел прочности его при растяжении, достигается при­
менением минерального закрепителя, изготовленного на основе портланд­
цемента от 55 до 6 5 % , глиноземистого шлака от 25 до 3 0 % и гипса от 14 до
18% с тонкостью помола от 5400 до 5600 см^г;
- опережающей установкой временной анкерной крепи с плотностью в
1,2-1,3 раза менее плотности постоянной крепи обеспечивается появление
дополнительных сжимающих напряжений, распространяющихся от оси ан­
кера в радиусе 0,4-0,5 его длины с максимальным значением над шайбой и
резким снижением при удалении от его оси, причем смещения кровли на
этом участке уменьшаются с увеличением длины анкера и предела прочно­
сти пород непосредственной кровли при сжатии;
- плотность установки опережающей анкерной крепи в призабойном
участке подготовительной выработки увеличивается прямо пропорциональ­
но ширине и длине этого участка и по степенной зависимости от времени
поддержания пород кровли.
Н а у ч н а я новизна работы заключается в:
- обосновании технологических требований (усилие закрепления ан­
кера при установке не менее ЗОкН, плотность установки анкеров 1-2 анкер/м^ длина анкера более 2,2м) к сталеминеральным анкерам для крепле­
ния подготовительных выработок при поэтапном их проведении и разделе­
нии процессов установки временной и постоянной крепи во времени и про­
странстве забоя;
- установлении оптимальных составов минеральных закрепителей ан­
керов для обеспечивающих закрепление металлического анкерного стержня
не ниже предела прочности его при растяжении (портландцемента от 55 до
6 5 % , глиноземистого шлака от 25 до 3 0 % и гипса от 14 до 18%);
- обосновании возможности применения временной крепи с плотно­
стью в 1,2-1,3 раза меньше плотности постоянной крепи в передовой части
выработки по сравнению с плотностью постоянной крепи посредством
формирования зон сжимающих напряжений в породах кровли при распоре с
усилием более ЗОкН;
- установлении линейных зависимостей смещений пород кровли от
ширины и длины передовой выработки и степенной от времени ее эксплуа­
тации.
Новизна полученных результатов исследований подтверждена в 3 па­
тентах и 2 авторских свидетельствах.
Л и ч н ы й вклад автора заключается в:
- обосновании технологических требований к сталеминеральным ан­
керам для крепления подготовительных выработок при поэтапном их про­
ведении и разделении процессов установки временной и постоянной крепи
во времени и пространстве забоя;
- проведении лабораторных исследований и установлении оптималь­
ных составов минеральных закрепителей анкеров для обеспечения закреп­
ления металлического анкерного стержня не ниже предела прочности его
при растяжении;
- проведении шахтного эксперимента по опытно-промышлерной экс­
плуатации разработанных технологических схем поэтапного проведения и
крепления выработок и обосновании меньшей плотности временной крепи
в передовой части выработки по сравнению с плотностью постоянной кре­
пи;
- установлении линейных зависимостей смещений пород кровли от
ширины и длины передовой выработки и степенной зависимости от време­
ни се эксплуатации;
- установлении области применения технологических схем поэтапно­
го креш1ения горных выработок с последовательной установкой временной
и постоянной анкерной крепи, в том числе с использованием разряженной
схемы установки временной крепи в пределах передового призабойного
участка.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждается:
- соответствием состава многокомпонентной смеси минерального за­
крепителя технологическим требованиям к сталеминеральным анкерам и
условиям их эксплуатации;
- применением методов лабораторных испытаний и дисперсионного
анализа для обоснования оптимального состава смеси минерального закре­
пителя;
- соответствием в пределах 15-20% вычисленных по разработанному
алгоритму и измеренных в шахтных условиях смещений пород кровли;
- положительными результатами опытного опытно-промышленной
эксплуатации разработанных схем поэтапного проведения и анкерного кре­
пления подготовительных выработок в условиях шахты «Разрез «Сибир­
гинский».
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей
взаимодействия временной и постоянной анкерной крепи с породным мас­
сивом в подготовительных выработках уступной в плане формы.
Практическая значимость работы состоит в: возможности приме­
нения разработанной методики расчета смещений пород кровли передовой
выработки уступной в плане формы, оптимальных составов минерального
закрепителя для технологии поэтапного проведения и анкерного крепления
подготовительных выработок; использования разработанных технологиче­
ских схем в проектной документации угольных шахт.
Реализации работы. Проведены промышленные испытания и полу­
чены положительные результаты опытного внедрения разработанных схем
поэтапного проведения и анкерного крепления подготовительных вырабо­
ток в условиях шахты «Разрез «Сибиргинский», получены разрешительные
документы Ростехнадзора на эксплуатацию технологии поэтапного прове­
дения и анкерного крепления пластовых подготовительных выработок сталеминеральными анкерами.
Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы
докладывались и обсуждались: на V I I конференции «Нетрадиционные и ин­
тенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых»
(г. Новокузнецк, 2002г); «Наукоемкие технологии разработки и использова­
ния минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2004г); на 62-й научнотехнической кон({)еренции, посвященной 75-летию Н Г А С У ( С И Б С Т Р И Н ,
Новосибирск, 2005г.); на И международной конференции «Динамика и
прочность горных машин» (Новосибирск, 2003г).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печат­
ных работ (2 без соавторов), в том числе 3 патента и 2 авторских свидетель­
ства.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из вве­
дения, пяти разделов и заключения, изложенных на 153 страницах машино­
писного текста, содержит список литературы из 133 наименований, 19 таб­
лиц, 63 рисунка и приложения.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
В первом разделе проведен анализ производственного опыта и ре­
зультатов научных исследований в области разработки технологий поэтап­
ного проведения и анкерного крепления пластовых подготовительных вы­
работок.
Знач»ггельный вклад в исследования по обоснованию геомеханиче­
ских параметров подготовт-ельных горных выработок внесли В.Е. Ануфри­
ев, К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, Ю.В. Громов, В.Ю. Изаксон, П.В. Егоров, Ю.А. Заславский, В.Н. Каретников, В.А. Лидер, Б.П. Писляков, А.Г. Протосеия, И.Л. Черняк, П.М. Цымбаревич, А.П. Широков, Г.Г.
Штумпф и др.
На основе проведённого анализа установлено, что технология поэтап­
ного проведения и крепления пластовых подготовительных выработок яв­
ляется одним из перспективных направлений повышения темпов подвигания подготовительных забоев. Однако для ее реализации необходимо:
адаптировать к условиям угольных шахт варианты технологии поэтапного
проведения и крепления пластовых подготовительных выработок; изучить
технологические и физико-механические свойства минерального закрепле­
ния анкеров; изучить закономерности взаимодействия временной и посто­
янной анкерной крепи с породным массивом; провести оценку эффектив­
ности технологии в реальных условиях; разработать технологические схемы
поэтапного проведения и анкерного крепления пластовых подготовитель­
ных выработок, получить разрешительные документы Ростехнадзора на
промышленную эксплуатацию технологических схем.
Во втором разделе приведены исследования по обоснованию техно­
логических требований к стапеполимерным и сталеминеральным анкерам
для крепления подготовительных выработок при поэтапном их проведении.
Произведена сравнительная оценка сталеполимерных и сталеминеральных
анкерных крепей, основные показатели которой приведены в таблице 1.
Сущность разработанной технологии поэтапного крепления горных
выработок анкерной крепью заключается в первоначальной установке вре­
менной анкерной крепи с последующим использованием ее анкеров для
обустройства постоянной крепи и перетяжки кровли в зоне или вне зоны
ведения работ по проведению выработки. Особенность первоначальной ус­
тановки временной анкерной крепи состоит в том, что исключается приме­
нение рамной временной крепи. Временная анкерная крепь состоит из: ан­
керного стержня типа с параметрами, принятыми для анкеров постоянной
крепи; специальной шайбы размерами 70+70*3 мм и гайки. Закрепление
анкерного стержня в шпуре производится патронированным закрепляющим
составом аналогично закреплению анкеров постоянной крепи.
Таблица 1 - Сравнительные показатели сталеполимерных и сталеминеральных анкерных крепей
Сталеминеральная крепь
Наименова­
Сталеполимерная крепь
ние показа­
телей
Долговеч­
По истечении 3-5 лет не может Высокая прочность и
ность
эксплуатироваться без система­ долговечность (50 и бо­
тического контроля, диагности­ лее лет) минерального
ки и корректировки на их осно­ состава на цементной
ве паспортов крепления горных основе не требует посто­
выработок
янного мониторинга ра­
боты крепи
ПожаробеГорюча
Не горюча
зопасность
Термостой­
До 300-350°С
До 1000°С без снижения
кость
прочности
закрепляю­
щей втулки
Характери­ Большое многообразие поли­ Цементная смесь, со­
стика вя­
мерных
составов,
имеющих стоящая из измельченно­
жущих со­ различную основу: эпоксидную, го глиноземистого шлака
ставов
карбомидную, фенолоформаль- и последующего совме­
помола
порт­
дегидную,
шлакосиликатную, стного
фосфогипсовую,
полиэфир- ландцемента, гипса и ак­
полиуретановую, что требует тиватора твердения в ви­
кальцинированной
проведения специальных иссле­ де
дований по определению их соды и других добавок,
прочностных
характеристик, низкая стоимость
высокая стоимость
и
Токсич­
Большое многообразие поли­ Нетоксична
мерных вяжущих требует про­ соответствует
ность
ведения специальных химико- государствен н ы м
медицинских исследований по санитарноисследованию их токсичности, эпидемиологическим
но до настоящего времени при­ нормам и правилам.
соответст­
меняемые полимерные вяжущие Получены
имеют только временные раз­ вующие разрешительные
решения на их применение в документы Ростехнадзошахтах по показателю «токсич­ раРФ
ность»
Процесс крепления призабойной части выработки постоянной кре­
пью, после ее проведения на проектную ширину, осуществляется под защиг
той временной крепи и состоит в том, что анкерные сгержни временной
крепи в дальнейшем используются как элемент постоянной анкерной крепи.
в тоже время производится уплотнение сетки анкеров и перетяжка кровли
решёткой с фиксацией сферическими подхватами специально разработан­
ной конструкции, которые являются демпфирующими податливыми эле­
ментами анкерной крепи. На крайний ряд анкеров от забоя элементы посто­
янной крепи не устанавливаются. При этом для постоянной крепи усилие
закрепления анкерного стержня в шпуре перед навеской элементов посто­
янной анкерной крепи должно быть не менее 30 кН.
По результатам исследований обосновано следующее научное поло­
жение; устойчивость
пород кровли подготовительного забоя обеспечи­
вается поэтапным проведением и креплением горных выработок ком­
бинированной анкерной крепью за счет
первоначального закрепления
анкерного стерзкня в шпуре с усилием не менее ЗОкН при
плотности
установки анкеров 1-2 анкер/м' и длине более 2,2м с последующим ис­
пользованием его для обустройства
постоянной крепи и
перетяжки
кровли в зоне или вне зоны ведения работ по проведению выработки.
В третьем разделе приведены исследования по разработке оптималь­
ных составов минерального закрепителя анкеров для обоснования несущей
способности сталеминеральных анкеров и технологии их установки.
При проведении исследований по изучению технологических и физи­
ко-механических свойств минерального закрепителя анкеров изучалось
влияние следующих факторов: химических добавок на предел прочности
смеси при сжатии, минерального состава смеси на прочность и расширение
состава. Проведённый статистический анализ результатов исследований
показал, что значимое влияние на основные технологические параметры
минерального закрепителя анкеров оказывают четыре компонента: глино­
земистый шлак, гипс, портландцемент и кальцинированная сода. Исследо­
вались смеси с содержанием 20-40 % глинозёмного шлака, 0,5-7,0 % каль­
цинированной соды ЫагСОз, гипса от 12-18 % , портландцемента 52-65 % .
В результате дисперсионного и корреляционного анализа установле­
но, что наиболее стабильные основные характеристики (предел прочность
при сжатии, период твердения, коэффициент расширения) имеют смеси со­
держащие: портландцемент от 55 до 65 % ; глиноземистый шлак от 25 до 30
% ; гипс от 14 до 18 % ; 1,0-1,2 % кальцинированной соды.
Стендовые лабораторные испытания анкерной крепи производились с
.минеральным патронированным закрепителем анкеров ( З А М П ) , имеющим
следующий состав; П Ц - чернореченский портландцемент М500 - 5 0 % ;
Г Г Р Ц - пашийский гипсоглиноземистый М400 - 5 0 % ; ЫагСОз — сода
кальцинированная - 1,0% от общей массы цементов. Тонкость помола
должна быть 5400 см^1г - 5600 см^1г. К смесям предъявлялось технологи­
ческое требование: усилие закрепления анкерного стержня в шпуре перед
навеской элементов постоянной анкерной крепи должно составлять не ме­
нее ЗОкН.
Смеси отличались друг от друга следующими параметрами: темпера­
тура в помещении, tcp= 17-23 °С, температура воды для затворения ампул,
t,=15-20 " с , время затворения, 1з=13-18 с, интервал нагружения, t„ar=15-
10
ЗОмин, длина закрепляющей втулки, L=530-630 мм, количество ампул 2 шт
Получены нафузочные характеристики анкерной крепи. В качестве
примера на рисунке 1 приведены типичные результаты.
150
0,0
0,6
1,2
1,8
2,4
Смещение, мм
3,0
3,6
Рисунок ] - Нагрузочная характеристика анкерной крепи
Установлено, что несущая способность крепи через 30 минут после
твердения превышает 145 к Н , при этом разрушение стержня анкера начина­
ется раньше разрушения втулки.
Разработана математическая модель деформирования системы «анкер
- закрепляющая втулка - шпур». Приведенные аналитические исследования
показали, что несущая способность втулки анкерной крепи обеспечивается
в искусственном шпуре посредством сцепления цементной смеси с поверх­
ностью шпура и заклинивания, возникающего из-за вольгообразной внут­
ренней поверхности.
Эксперименты показали, что минеральные закрепители З А М П обра­
зуют втулки, имеющие несущую способность до 150кН.
По результатам обосновано следующее научное положение: закреп­
ление металлического анкерного стержня в шпуре с усилием, не превы­
шающим предел прочности его при растяжении,
достигается
приме­
нением минерального закрепителя, изготовленного на основе портланд­
цемента от 55 до 65%, глиноземистого шлака от 25 до 30% и гипса от
14 до 18% с тонкостью помола от 5400 до 5600 см'/г
В четвертом разделе приведены исследования по установлению за­
кономерностей взаимодействия временной анкерной крепи с постоянной
крепью и породным массивом.
На первом этапе был разработан аг[горитма расчета параметров про­
странственного напряженно-деформированного состояния (НДС) углепородного массива в окресгности незакрепленной и закрепленной горной в ы ­
работки. Всего было проведено 318 экспериментов на Э В М с варьировани­
ем данных, вклн)чающих 7 горно-геологических и 16 горнотехнических
факторов (в том числе 12 параметров анкерной крепи).
В процессе моделирования изучалось распределение вертикальных и
горизонтальных напряжений и смещений по длине анкера и ширине выра­
ботки. Установлено, что влияние анкера распространяется в породных сло­
ях в пределах круга диаметром 2,0м (рисунок 2).
40
Д л и н а анкера 2,4 м,
Д л и н а закрепленной части 0,5 м
3 5-
-2 0
-15
-10
-0 5
00
05
Расстояние от оси анкера, м
10
15
20
-2,0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
05
1.0
1.5
Расстояние от оси анкера, м
Рисунок 2 - Вертикальные напряжения под влиянием анкера (МПа) в поперечном сечении кровли выработки (а) и в
плоскости, перпендикулярной анкеру (б)
12
В качестве примера на рисунке 3 показан характер распределения
вертикальных и горизонтальных напряжений и смещений по оси анкера.
Установлено, что при длине анкера 2,4м, распоре 120кН, длине закрепления
0,5м между шайбой и закрепленной верхней частью анкера увеличиваются
сжимающие вертикальные (рисунок 3,а) и горизонтальные напряжения.
Вертикальные (рисунок 3,6) и горизонтальные смещения пород кровли мак­
симальные под шайбой, затем резко снижаются в пределах закрепленной
части и плавно в пределах не закрепленной части.
Выявлено существенное влияние следующих факторов: глубины раз­
работки, предела прочности пород кровли при сжатии и растяжении, распо­
ра анкера, длины закрепленной части анкера.
При увеличении глубины разработки смещения пород кровли увели­
чиваются почти линейно до глубины 600 м, а затем стабилизируются, ин­
тенсивность вертикальных смещений составляет 1-2 мм на 100м глубины
разработки.
а
-0,15 1
05
1
-0,2
д
се
-0,25
,^
25
'
/
-
-0,3
са
-0,35
Расстояние от кровли выработки, м
о
а.
0,4
0,35
И
0,3
0,25
0,2
Ш
0,15
0,5
1
1,5
2
2,5
Расстояние от кровли выработки.м
Р и с у н о к 3 - Графики распределения вертикальных напряжений и с м е щ е ­
н и й по длине анкера
гз
Увеличение предела прочности пород кровли при сжатии приводит к
уменьшению по показательной зависимости вертикальных смещений по­
род кровли (рисунок 4).
'
2,8
2,4
1,6
I.
1.2
0,8
<и
30
10
m
50
70
90
110
Предел прочности непоя^дственной кровли
при сжатии, МПа
Р и с у н о к 4 ■ В л и я н и е предела прочности пород при сжатии на вертикаль­
н ы е смещения пород кровли
У с т а н о в л е н н ы е закономерности распределения напряжений и с м е щ е ­
ний пород кровли в ш и р о к о м диапазоне горно-геологических параметров
при разной длине и н е с у щ е й н а ф у з к е анкеров использованы для создания
инженерной методики расчета смещений пород кровли подготовительной
выработки произвольной в горизонтальной плоскости форме.
Адекватность рассчитанных смещений пород кровли реальным оцене­
на по результатам ш а х т н ы х экспериментов, проведенных в подготовитель­
ных выработках ш а х т ы «Распадская» и ш а х т ы О А О «Разрез «Сибиргинс к и й » в К у з б а с с е . У с т а н о в л е н о , ч т о расхождение между в ы ч и с л е н н ы м и и
измеренными с м е щ е н и я м и пород кровли не превышает 15 % .
П о результатам исследований обоснованы следующие научные п о л о ­
жения:
стью
оперезкающей
установкой
в 1,2-1,3 раза менее
появление
дополнительных
няющихся
от
значением
над шайбой
причем
длины
оси анкера
смещения
анкера
кровли
и предела
временной
плотности
анкерной
постоянной
крепи с
крепи
сзкимающих'напрязкений,
в радиусе
и резким
на этом
прочности
0,4-0,5 его длины
снимсением
участке
плотно­
обеспечивается
распростра­
с
максимальным
при удалении
уменьшаются
от его оси,
с
пород непосредственной
увеличением
кровли при
сжатии;
плотность
ном участке
установки
оперезкающей анкерной крепи в призабой-
подготовительной
выработки
порционально ширине и длине этого участка
увеличивается
и по степенной
прямо про­
зависимо­
сти от времени поддержания пород кровли.
В пятом разделе приведены и обобщены результаты сравнительных
исследований в шахтных условиях работоспособности сталеминеральных и
стапеполимерных
анкеров при поэтапном проведении и креплении подго-
14
товительных выработок. Разработана проектная документация и внедрены
технологические схемы поэтапного проведения и анкерного крепления под­
готовительных выработок
Сравнение работоспособности сталеполимерных и сталсминеральных
анкеров при поэтапном проведении и креплении подготовительных вырабо­
ток производилось в условиях шахты ОАО «Разрез «Сибиргинский» в Куз­
бассе. В качестве места проведения испытаний выбран конвейерный штрек
3-1-7 в верхнем слое мощного пласта III, кровля которого представлена
песчаниками и является устойчивой. На основе рассчитанных по разрабо­
танной методике смещений пород кровли обоснованы следующие парамет­
ры паспорта крепления конвейерного штрека: длина опережающей выра­
ботки 10-20 м, ширина 3-4 м, плотность установки анкеров 1 анкер/м^ (ри­
сунки 5 и 6).
Разработаны варианты технологических схем поэтапного крепления
горных выработок для условий устойчивых кровель:
- с последовательным возведением временной анкерной крепи, как
первого этапа крепления, по всей ширине вырабопгки в трех выемочных
циклах длиной по 4,8 м в каждом с последующим возведением постоянной
анкерной крепи;
- с разряженной схемой установки временной анкерной крепи в каж­
дом выемочном цикле длиной по 4,8 м и последующим возведением посто­
янной анкерной крепи на расстоянии от забоя не более 14,4 м (таблица 2),
Таблица 2 - Параметры технологических схем
Не более 4,8 м
Согласно сертификату или испытани­
ям
- несущая способность анкера, кН
По расчету, но не менее 0,5
- плотность установки, анкеров/м^
- шаг установки (а), м
Согласно расчету
- количество анкеров в ряду по се­ Согласно «Инструкции по расчету и
применению
анкерной
крепи
на
чению выработки, шт.
угольных шахтах России». - СПб.,
200О.
Не более 14,4
- отставание от забоя (!„), м
Временная крепь:
Не менее 30
- несущая способность анкера, кН
По первому варианту: аналогично по­
- плотность установки, анкеров/м^
стоянной крепи;
по второму варианту: разряженная
- шаг установки (а), м
Аналогично постоянной крепи
- количество анкеров в ряду по се­
По первому варианту: аналогично по­
стоянной крепи;
чению выработки, шт.
по второму вариату: 3
- отставание от забоя (!„), м
Не более шага установки
Длина проходческого цикла (!„), м
Основная (постоянная) крепь:
15
Рисунок 5 - Технологическая схема поэтапного проведения и крепления
выработки
6-1
Расстояние от забоя, м
Рисунок 6 -Изолинии расчетных смещений пород кровли при поэтапном
проведении и креплении выработки
По результатам шахтных испытаний разработанных вариантов
технологических схем поэтапного крепления доказана работоспособность
как комбинированной анкерной стапеминерапьной крепи типа АСМ-3, так и
сталеполимерной крепи на базе серийных анкеров А20В с закреплением их
в шпурах полимерным составом в ампулах типа ЛП400У, обеспечивающих
безопасные условия выемки угля и крепления кровли призабойного про­
странства до возведения постоянной крепи.
Установлены величины конвергенции "кровля-почва" конвейерного
штрека 3-1-7 через 19-109 минут после выемки угля при обнажении устой­
чивой кровли на длину проходческого цикла (2,4-4,8 м) с площадью до 30
16
м^ и общей площадью незакрепленной кровли до 57 м^, которая составляла
1,1-4,0 мм, то есть расчетные и измеренные величины смещений удовлетво­
рительно совмещаются (см. рисунок 6)
В условиях устойчивых пород кровли при длине выемочного цикла
4,8 м и возведении временной крепи на протяжении 4,8-14,4 м от забоя со
сплощной и разряженной схемой её установки не зафиксированы расслое­
ния и обрушения приконтурных пород кровли.
По результатам шахтных исследований обоснована область рацио­
нального применения в условиях шахт Кузбасса технологических схем по­
этапного крепления горных выработок, с последовательной установкой
временной и постоянной анкерной крепи, в том числе с использованием
разряженной схемы установки временной крепи в пределах призабойной
части: вне зон геологических нарушений, прочности пород кровли при сжа­
тии Осж>50МПа, притоке воды q<5M^/4, ширине передовой выработки не
более 4,0м.
Получено разрешение Хз РРС 00-18138 Федеральной службы по эко­
логическому, технологическому и атомному надзору на применение анкер­
ной крепи типа Л С М с патронированным минеральным закрепителем ан­
керов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация являегся научно-квалификационной работой, в которой
решена задача разработки технологии поэтапного проведения и крепления
подготовительных выработок посредством использования в качестве вре­
менной анкерной крепи разных ти1юв для повышения темпов проведения
выработок при обеспечении безопасных условий труда, имеющая сущест­
венное значение для угольной промышленности.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к
следующему;
1. Установлено, что поэтапное проведение и крепление пород кровли
пластовых подгоговительных выработок угольных шахт обеспечивает по­
вышение темпов подвигания подготовительных забоев в 1,2-1,5 раза за счет
разделения во времени и пространстве процессов выемки горной массы и
крепления, в том числе с поэтапным увеличением плотности установки ан­
керов вне зоны работы проходческого комбайна;
2 Обоснованы технологические требования к сталеминеральным ан­
керным крепям и установлено, что анкера с минеральным закрепителем об­
ладают следующими преимуществами: срок службы 50 и более лет, не
опасны по пожарной безопасности, термостойкие до температуры 1000°С,
не выделяют токси1щые вещества при нагревании. Рекомендуется следую­
щий состав минерального закрепителя: портландцемент от 55 до 6 5 % , гли­
ноземистый шлак от 25 до 30%, гипс от 14 до 18% с тонкостью помола от
5400 до 5600 CMVr. Технологические требования к сталеминеральным анке­
рам: усилие закрепления анкерного стержня в шпуре перед навеской эле­
ментов постоянной анкерной крепи должно составлять не менее ЗОкН,
плотность установки анкеров 1-2 анк/м^ при длине анкера более 2,2м;
3. Установлено, что при распоре анкера между замком и шайбой воз­
никают дополнительные сжимающие напряжения и деформации. Это при-
17
водит к уплотнению пород, закрытию трещин и повышению устойчивости
пород подготовительной выработки посредством увеличения жесткости по­
родных слоев при установке анкеров и наложения зон сжатия соседних ан­
керов с целью исключения участков в кровле с растягивающими напряже­
ниями. Область влияния установленного анкера в плоскости, перпендику­
лярной анкеру, распространяется в пределах 0,4-0,5 длины анкера, причем
влияние анкера максимальное над шайбой и резко снижается в направлении
от оси анкера.
4. Разработана методика расчета оседаний пород кровли с учетом
уступной в плане формы выработки, размеров опережающей и
последующей выработок, длины участка незакрепленной выработки,
свойств пород кровли, а также времени эксплуатации выработки.
Адекватность рассчитанных смещений пород кровли реальным оценена по
результатам шахтных экспериментов, проведенных в подготовительных
выработках шахты «Распадская» в Кузбассе. Установлено, что расхождение
между вычисленными и измеренными смещениями пород кровли не
превышает 15%.
5. Установлено, что устойчивость пород кровли в пределах передово­
го призабойного участка выработки обеспечивается посредством установки
временной анкерной крепи с плотностью менее плотности постоянной ан­
керной крепи в 1,2-1,3 раза, а плотность установки анкерной крепи в призабойной части подготовительной выработки увеличивается прямо пропор­
ционально от ширины и длины этого участка и по степенной функции от
времени поддержания пород кровли.
6. На основе рассчитанных по разработанной методике смещений по­
род кровли обоснованы следующие параметры паспорта крепления конвей­
ерного штрека 3-1-7 шахты О А О «Разрез «Сибиргинский»: длина опере­
жающей выработки 10-20м, ширина 3-4м, плотность установки анкеров 1
анкер/м^. Расчетные параметры приняты в качестве базовых при проведе­
нии шахтных экспериментов.
7. По результатам шахтного эксперимента доказана работоспособ­
ность как комбинированной анкерной сталеминеральной крепи типа АСМ3, так и сталеполимерной крепи на базе серийных анкеров А20В с закреп­
лением их в шпурах полимерным составом в ампулах типа АП400У, обес­
печивающих безопасные условия выемки угля и крепления кровли приза­
бойного пространства до возведения постоянной крепи.
8. Для применения па шахтах Кузбасса рекомендуются следующие
варианты технологических схем поэтапного крепления горных выработок с
устойчивыми кровлями:
- с последовательным возведением временной анкерной крепи, как
первого этапа крепления, по всей ширине выработки в трех выемочных
циклах длиной до 5,0м в каждом с последующим возведением постоянной
анкерной крепи;
- с разряженной схемой установки временной анкерной крепи в каж­
дом выемочном цикле длиной до 5,0м и последующим возведением посто­
янной анкерной крепи на расстоянии от забоя не более длины проходческо­
го комбайна.
18
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Утиралов О.А. Поэтапная технология крепления горных выработок
сталеминеральными анкерами / О.А. Утиралов // Нау1соемкие технологии
разработки и использования минеральных ресурсов: Материалы Междунар.
научно-практич. конф 8-11 июня, 2004; 4.2. - Новокузнецк, 2004. - 8с.
2. Несущая способность анкерной крепи на основе минерального за­
крепителя / В.В. Адищев, В.М. Митасов, Н.С. Михайлова, О.А. Утиралов //
Тезисы докладов 62-й научно-технической конференции, посвященной 75легию Н Г А С У (СИБСТРИН). - Новосибирск: Н Г А С У , 2005.- 1с.
3. Системы анкерного крепления с минеральной основой / В.И. Ма­
гдыч, В.А. Юрченко, В.К. Новосадов, О.А. Утиралов // Т Э К и ресурсы К у з ­
басса. - Х«4.-2001.-4с.
4. Утиралов О.А. Анкерная крепь на основе минеральных компози­
ционных материалов / О.А. Утиралов, В.И. Клипшн // Сб. трудов I I межд.
конф. «Динамика и прочность горных машин». Т. 1, Новосибирск, 2003. 6с.
5. Утиралов О.А. Комплексное использование сырьевых ресурсов,
получаемых в результате добычи и переработки угля / О.А. Утиралов // Сб.
трудов II межд. конф. '■<Динамика и прочность горных машин». Т. 1, Ново­
сибирск, 2003г. - 4с.
6. Анкерная сталеполимерная крепь типа А С М / В.А. Юрченко, О.А.
Утиралов, В.И. Магдыч, В.В. Некрасов. - Уголь. - 2003. - № 1 . - С. 14-16.
7. Утиралов О.А. Современные аспекты технологии крепления гор­
ных выработок / О.А. Утиралов, Н.В. Магдыч, В.В. Радашкевич // Нетради­
ционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ис­
копаемых: Тр. V I I Междунар. конф. 20-21 ноября 2002.- Новокузнецк: СибГ И У , 2002. - 7с.
8. Юрченко В.А. Разработка анкерной крепи на основе минеральных
закрепителей. Препринт №46 / В.А. Юрченко, О.А. Утиралов, В.И Магдыч.
- Новосибирск: И Г Д СО Р А Н , 2004. - 51с.
9. А.с. 22970, Б И №13. Анкер / В.И. Магдыч, В К. Новосадов, В.А.
Юрченко, О.А. Утиралов. - 2002.
10. А.с. 22971, Б И №13. Анкер / В.И. Магдыч, В.К. Новосадов, В.А.
Юрченко, О.А. Утиралов. - 2002.
И . Пат. 2205959, БИ №16. Закрепитель анкеров минеральный патро­
нированный и способ его получения / В.И. Магдыч, В.К. Новосадов, В.А.
Юрченко, О.А. Утиралов. - 2003.
12. Пат. 2205960, Б И №16. Анкерная крепь / В.И. Магдыч, В.К. Но­
восадов, В.А. Юрченко, О А. Утиралов. - 2003.
13. Пат. 2204536, Б И №14. Способ получения расширяющейся це­
ментной смеси / В.И. Магдыч, В.К. Новосадов, В.А. Юрченко, О.А. Утира­
лов. - 2003.
14. Положит, решение № 027056 от 12.10.2003 на выдачу патента по
заявке № 2001125180/03. Расширяющаяся цементная смесь / В И. Магдыч,
В.К. Новосадов, В.А. Юрченко, О.А. Утиралов. -2003г.
15. Положит, решение № 44350 от 09.07.2004 на выдачу патента по
заявке №2004117414/22. Анкерная крепь
/ В.А. Юрченко, В.И. Ма­
гдыч, А.В. Мишнев, А.Г. Пирожков, В.В. Радашкевич, О.А Утиралов. 2004.
УТИРАЛОВ Олег, глександрович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ
ПОЭТАПНОГО ПРОВЕДЕНИЯ И АНКЕРНОГО К Р Е П Л Е Н И Я
ПЛАСТОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
Автореферат
Изд. лиц. № 01439 от 05.04.2000 г. Подписано в печать 18.11.2005 г.
Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,1 Уч.-изд. л. 1,24
Тираж 120 экз Заказ JISi
ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»
654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова 42.
Издательский центр ГОУ ВПО «СибГИУ»
»23215
Р Н Б Русский фонд
2006-4
25003
4
*'«
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
893 Кб
Теги
bd000103538
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа