Оптимизация параметров анкерной крепи подготовительных горных выработок угольных шахт

УДК 622.233
Аннотация
Статья посвящена научно-исследовательским работам в области оптимизации параметров анкерной крепи подготовительных выработок, на основании определения фактических структуры и прочностных свойств вмещающих пород. Результаты научно-исследовательских работ позволяют оптимизировать параметры анкерной крепи, снизить затраты на поддержание подготовительных выработок.

При выполнении расчёта параметров анкерной крепи подготовительных выработок угольных шахт [1] используются данные прочностных свойств вмещающих пород, на основании прогнозных данных геологических служб шахт.

Расстояние между линиями геологоразведочных скважин достигает 1000 м, между разведочными скважинами до 500 м. При этом прогнозные данные не всегда отражают действительность, так как фактические прочностные свойства вмещающих пород могут значительно отличаться даже на смежных выемочных участках, что существенным образом влияет на выбор параметров крепи при разработке паспортов крепления.

Определение фактических прочностных свойств горных пород, залегающих на глубине заделки анкеров, в том числе и канатных, было до настоящего времени трудноосуществимым и не получило должного развития при разработке угольных месторождений подземным способом.

Отметим, что существующая нормативно-расчётная база применения анкерной крепи и мониторинг, включающий визуальный осмотр состояния горных выработок и оценку несущей способности анкерной крепи штанговыдергивателями, не позволяют разработать паспорт крепления с учётом фактических прочностных свойств вмещающих пород [1, 2, 3].

В этой связи назрела задача определения фактических структуры и прочностных свойств вмещающих пород при проектировании анкерной крепи, проведении и креплении выработок угольных шахт.

Для решения данной задачи специалистами ООО «РАНК 2» был предложен комплекс услуг по оптимизации параметров анкерной крепи, состоящий из следующих этапов:
— оценка фактических структуры и прочностных свойств пород кровли подготовительных выработок;
— разработка дополнений к паспортам крепления выработок с учётом фактических горно-геологических и горнотехнических условий;
— оценка экономической эффективности и оптимизация затрат на безремонтное поддержание подготовительных выработок;
— выдача рекомендаций по выбору параметров анкерной крепи и рациональному поддержанию подготовительных выработок.

Результаты оптимизации рассмотрим на примере конвейерного штрека №432 (шахта «Первомайская»), который проводился по пласту XXIV с присечкой пород кровли и почвы.

При проведении выработки крепление производится анкерами первого уровня.

Для работы без механизированной крепи сопряжения запланировано усиление крепи канатными анкерами впереди очистного забоя. По данным геологической службы, основная кровля пласта мощностью 18-20 м представлена среднезернистым крепким песчаником, средняя прочность породы на одноосное сжатие — 83 МПа.

Паспорт крепи конвейерного штрека №432 на участке отбора кернов представлен на рис. 1.

Отбор образцов пород кровли производился в конвейерном штреке №432 на участках МТ5517 + 2 м; МТ5517 + 5 м; МТ5517 + 13 м путём выбуривания кернов из кровли на глубину до 6м от контура выработки (рис.1). Полученные образцы пород (рис. 2) испытывались в лаборатории на одноосное сжатие в соответствии с ГОСТами [4, 5].

По результатам испытаний образцов пород было установлено, что кровля конвейерного штрека №432 представлена песчаником среднезернистым с включениями и прослойками углистых веществ и алевролита, со средневзвешенной прочностью пород на одноосное сжатие 55-60 МПа.

В породах кровли установлено присутствие включений и прослойков угольных веществ и алевролита, которые могут способствовать появлению трещин и расслоений.

По результатам мониторинга, кровлю выработки следует отнести ко II классу устойчивости [1]. Как видно из рис. 3, фактические структура и прочностные свойства пород кровли выработок по пласту XXIV существенно отличаются от прогнозных: средневзвешенная прочность пород на одноосное сжатие оказалась на 40% меньше прогнозной.

На основании результатов оценки фактических прочностных свойств вмещающих пород кровли были разработаны дополнения к паспортам крепи. Согласно расчёта, глубина заложения анкерной крепи в кровле была увеличена до 2,4 м [1], шаг установки крепи – до 1 м. Сравнительные параметры анкерной крепи горных выработок ш. «Первомайская» показаны в табл.1.

В качестве подхвата было рекомендовано использовать верхняки типа «штрипс» с отверстиями Ø 40мм для установки анкеров. Анкеры устанавливать в сочетании с шайбой 180х180 мм. шаг крепи — 1,0 м. Перетяжку кровли выполнять решётчатой затяжкой размером 1200х1200 мм, так как сетка-рабица в данных горно-геологических была неэффективна (см. табл.1).

Проведение работы по оптимизации параметров анкерной крепи подготовительных выработок, с оценкой фактических прочностных свойств вмещающих пород позволило:

— минимизировать вероятность инженерных ошибок и обоснованно выбрать параметры анкерной крепи в изменяющихся горно-геологических условиях;

— увеличить шаг основной анкерной крепи, с 0,8 м до 1,0 м при условии обеспечения безремонтного состояния подготовительных выработок на проектируемый срок службы;

— корректно определить глубину установки и закрепления анкеров;

— более чем на 30% снизить затраты на материалы крепи первого уровня;

— снизить объём буровых работ;

— снизить затраты на крепление — на 25-30% от первоначальных, несмотря на уменьшение шага установки крепи в боках выработок;

— увеличить темпы проведения выработок по маломощным пластам (присечка породы 80%) с 60-80 м/мес. до 100-110 м/мес.;

— повысить безопасность и эффективность ведения горных работ.

Список литературы

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 42. — М., 2015. — 186 с.

2. Методика шахтных испытаний отдельных положений «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах Кузбасса — Первая редакция». — СПб, ВНИМИ, 2010. — 12 с.

3. Рогачков А.В. Применение современных технических средств мониторинга для оценки соответствия проектных параметров анкерной крепи изменяющимся условиям проведения
подземных выработок / А. В. Рогачков, А. С. Позолотин, В. Ф. Исамбетов, П. И. Муравский, П. В. Гречишкин // Уголь —2012. — с. 38–40.

4. Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами, —ГОСТ24941-81.

5. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении, — ГОСТ21153.3-85.