Кріплення та підтримку гірничих виробок
Всі підземні гірничі виробки повинні мати кріплення, що задовольняє необхідним технічним (міцність, стійкість, твердість, піддатливість), виробничим (компактність, пожежостійкість, мінімальна трудомісткість при зведенні) і економічним (мінімальна вартість, максимальний термін служби) вимогам. Кріплення поділяють.
за родом кріпильного матеріалу - на дерев'яну, бетонну, бетонитовая, металеву, збірну залізобетонну, анкерне, рамно-анкерне і змішану;
за родом виробок - для підготовчих і капітальних;
за терміном служби - тимчасову і постійну;
за видами конструкції - прямокутну, трапецієподібну, арочну, кільцеву, склепінчасту і анкерне;
за характером роботи - податливу і жорстку;
по положенню виробок в просторі - кріплення горизонтальних, похилих і вертикальних виробок.
Дерево як кріпильний матеріал має досить високу міцність і пружність, легко обробляється. Елементи кріплення з дерева просто і зручно з'єднуються один з одним. Для кріплення застосовують найчастіше хвойні породи (сосна, ялина, модрина, кедр), рідше - листяні (дуб, бук, граб, ясен, береза). Вологість деревини не повинна перевищувати 10-15%. З метою продовження терміну служби деревина просочується спеціальними захисними речовинами. Терміни служби дерев'яного кріплення від 1.5 місяців до 40 років.
Металева кріплення завдяки високій міцності, довговічності, вогнестійкості, різноманіттю конструктивних видів і можливості повторного використання широко застосовується для кріплення гірничих виробок. За формою вона буває. трапециевидная, кільцева, арочна.
Бетонне кріплення має склепінчасту форму і застосовується в виробках околоствольного двору, камерах, квершлагах з великим терміном служби і значним гірським тиском. Бетонне кріплення складається з фундаменту, стін і склепіння. Стіни можуть бути вертикальними і похилими (при великому бічному тиску).
Збірної залізобетонної кріпленням кріплять вироблення яка відслужила вже більше 3-5 років при сталому гірському тиску і з стійкими породами (особливо на вихідному вентиляційному струмені, де дерев'яна кріплення швидко загниває). Вона буває панельна, що встановлюється суцільно, і рамна, що встановлюється вразбежку. Виготовлення та зведення її можна повністю механізувати.
Змішана кріплення складається з двох або більше типів. При великих прольотах виробок і значному вертикальному тиску, але невеликому терміні служби використовують металеві верхняки з дерев'яними стійками. У капітальних виробках при відсутності бокового тиску застосовують металеві верхняки з двутавра в поєднанні з вертикальними кам'яними стінами. Широке поширення отримала кріплення з трубчастих залізобетонних стійок з металевими верхняками з двотаврових балок №16-20 або балок спеціального профілю. Верхняки можуть укладатися на стійки жорстко або підвішуватися шарнірно.
Відставання постійного кріплення (крім кам'яної, бетонної або залізобетонної) від вибоїв підготовчих виробок визначається паспортом кріплення. При нестійкій покрівлі необхідно зменшити крок її установки. Останні у забою 3-4 рами повинні бути міцно расщіти дошками, обаполами, з'єднані стяжками.
Зведення постійного кріплення, виїмка вугілля і прибирання породи після підривних робіт проводиться під захистом запобіжної кріплення, конструкція якої повинна забезпечити безпеку робіт. На початок нового циклу робіт постійна кріплення (крім кам'яної. Бетонної або залізобетонної) зводиться впритул до забою, а всі порожнечі за кріпленням закладені або затомпоніровани.
Анкерне кріплення відрізняється від звичайних видів тим, що стійкість порід навколо виробки забезпечується не зведенням підтримуючих конструкцій всередині вироблення, а за рахунок збільшення несучої здатності порід шляхом скріплення окремих шарів анкерами. Анкерне кріплення в поєднанні з рамної є одним з найбільш ефективних видів кріплення.
Анкерне кріплення являє собою систему закріплених у свердловинах анкерів (рис.11), розташованих певним чином по периметру підземної гірничої виробки в оточуючих її породах і призначених разом з підтримуючими елементами для зміцнення масиву порід і підвищення стійкості його оголень завдяки скріпленню різних по міцності шарів або структурних блоків.
Анкерне кріплення - система штанг-анкерів, вставлених і закріплених в шпурах приконтурної зони вироблення, яка разом з Межрамние перекриттям застосовується як засіб зміцнення гірських порід і стримування їх від подальшого розпушення, розшарування і обвалення з метою зниження навантаження на підпірну кріплення.
Глибина шпуру під анкерні штанги повинна бути в інтервалі робочої довжини штанги мінус 5мм, що забезпечується встановленням на бурову штангу обмежувача.
Діаметр шпуру повинен перевищувати номінальний діаметр штанги від 6 мм до 8 мм, орієнтація шпуру повинна бути згідно Паспорту з відхиленням + -10о.
Шпур повинен бути прямолінійним з рискою, без пилу і штибу на стінках.
Для кріплення покрівлі підземної гірничої виробки рекомендовано застосування анкерних штанг довжиною 2.4м, в зонах гірничо-геологічних порушень довжиною 2.9м, боків - неметалевих анкерів довжиною 1.5м.
Відстань між анкерами в ряду повинна бути постійним по всій довжині виробки.
Після установки і закріплення штанги довжина хвостової частини, що виступає в вироблення, повинна бути від 3 до 10 см.
Час установки анкера в породах міцністю на одновісний:
- менше 40 МПа - до 6 хвилин;
- від 40 до 60 МПа - до 8 хвилин;
- від 60 до 90 МПа - до 10 хвилин.
Добове посування вироблення:
- при комбайновому способі проходки не менше 7м;
- при буропідривному способі проходки не менше 3 м.
Анкерне кріплення для кріплення гірничих виробок можна застосовувати в наступному призначенні.
- В якості самостійної (постійної) (рис 12). Постійна кріплення призначається для підтримки виробок протягом всього терміну їх служби. В цьому випадку вироблення кріплять незалежно від потужності і кута залягання пласта, стійкості покрівлі та її обводнення.
- У поєднанні з рамними кріпленнями і з додатковими стійками (головним чином посередині вироблення) (рис.13) анкерне кріплення рекомендується застосовувати, якщо очікувані зміщення контуру виробки перевищують безпечну величину. Цю кріплення можна застосовувати в поєднанні з суцільними кріпленнями (монолітна бетонна, набризк-бетонна і тюбінгового). Анкерне кріплення в поєднанні з рамними кріпленнями застосовується у випадках, коли гірничо-геологічні умови не дозволяють застосовувати її самостійно, а також для підвищення стійкості, надійності і зниження вартості підтримки гірничих виробок з метою їх використання повторно.
- В якості тимчасового анкерне кріплення можна застосовувати при проведенні підготовчих виробок, кріплення яких проводиться рамної або суцільний кріпленням з відставанням від вибою (ріс14). Призначенням тимчасової запобіжної кріплення є підтримка привибійної частини підготовчої виробки в безпечному стані до установки постійного кріплення. Встановлена анкернаякрепь як тимчасова надалі працює в якості постійної в поєднанні з рамної і іншими кріпленнями. Тимчасова анкерне кріплення за характером роботи може поділятися на підтримуючу і огороджувальну. Підтримуюча тимчасова анкерне кріплення призначена для запобігання обвалення порід до зведення постійного кріплення. Обгороджує тимчасова анкерне кріплення (анкери із запобіжним перекриттям) служить для захисту людей і механізмів від ударів обвалюються шматків породи.
В якості заходів для запобігання пученія порід грунту (ріс15) в підготовчих виробках. Кріплення обдимають грунтів виробок не запобігає повністю цей процес, але значно його уповільнює, що збільшує терміни поддіркі порід грунту в цих виробках і здешевлює вартість їх підтримки.
Для допоміжних цілей - для зміцнення шахтного устаткування (маневрових (рис.16) і скреперних лебідок, приводних і натяжних станцій конвеєрів (рис.17)), для підвіски до покрівлі виробок стрічкових конвеєрів, кабелів, требопроводов, монорейкових і канатних доріг, для підхоплення верхняків на сполученнях з очисними забоями (замість кріплення сполучення рис.18), а також безпечного виходу комплексу з розрізу при знятті стійки кріплення (рис.19), для ремонту виробок з порушеною кріпленням і посилення останньої.
Специфічні особливості анкерного кріплення дозволяють застосовувати її в широкому діапазоні гірничотехнічних умов для кріплення гірничих виробок різного призначення.
Для буріння і установки анкерного кріплення застосовуються бурові колонки з пневматичним і гідравлічним приводами німецького виробництва типу «Гофер», «Кінг-кобра», «Рамбор», «Bas», бурові молотки «Sig», «AtlasCopco» та інші (рис.20 ).
На шахті виникла необхідність повернутися до застосування прямоточної схеми провітрювання виїмкових дільниць. щоб забезпечити безпеку при збільшенні видобутку. Основне завдання полягало в тому. щоб знайти прийнятний в геомеханічних, технологічному і економічному аспектах спосіб збереження стійкості конвеєрних виробок позаду очисних вибоїв. відпрацьовуються зворотним ходом.
При безпосередньому сполученні лави з конвеєрним штреком в гірничо-геологічних умовах розглянутого пласта дуже важливо з точки зору геомеханіки, забезпечити мінімально можливе осідання порід покрівлі у штреку з боку виробленого простору лави. Це означає. що зводиться охоронна смуга по своїй податливості повинна наближатися до податливості крайової частини масиву вугілля. до якого примикає штрек з боку падіння пласта. Крім того. охоронна смуга повинна зводитися з технологічно мінімальним відставанням від грудей вибою лави і практично відразу ж надавати наростаючий відсіч інтенсивно осідають породам покрівлі в районі сполучення лави зі штреком. Коли з плином часу охоронна смуга буде здатна надавати максимально можливий опір осідають породам покрівлі. вона повинна виконувати роль «ріжучої» кріплення. сприяє розлому і обвалення зависающих породних консолей уздовж підтримуваного штреку.
Для визначення характеристик роботи литий смуги був поставлений спеціальний шахтний експеримент у 2 південному конвеєрному штреку бремсберга блоку №5, пройдений перетином 15.5м2 і закріпленим базової типовий кріпленням КМП-А3. Суть експерименту полягала в оцінці впливу відстані розташування охоронної смуги на ефективність підтримки штреку. Випробувано чотири базових варіанти охорони штреку (Рис.22):
- смуга шириною 1.0 м на видаленні 1.0м;
- смуга шириною 1.0м, розташована на контурі штреку;
- смуга шириною 1.0м - на видаленні 0.5м;
- дві смуги шириною 0.6-0.8м, розташовані з проміжком 0.6м, при цьому перша смуга розміщена відразу за контуром штреку.
Узагальнюючи результати спостережень, можна наступним чином оцінити геомеханіки литий околоштрековой смуги.
Варіант 1, з точки зору теорії гірського тиску, здається сприятливим. Однак спостереження показують (рис.23), що через 3-5 діб під дією сил гірського тиску деформуються елементи охоронної конструкції в зв'язку з утворенням трьох ліній розлому порід покрівлі пласта. Опускання покрівлі становить 80-100мм. Має місце пученіє в середній частині вироблення величиною до 200мм. Недоліком є те, що опускання порід з поворотом з боку лави деформують кріплення КМП-А3-15.5, утворюючи зеви в з'єднаннях крепі.Удаленіе смуги від штреку ускладнює технологію її зведення.
Для варіанту 1 можлива й інша схема деформування пріштрекових смуг (рис.24). В цьому випадку деформування розташованих над литий смугою брусів і охоронної кріплення призведе до формування ліній розлому порід під кутом 70-80оС до виробленого простору.
Для варіанту 2 характерним є пученіє порід, яке досягає 350-400мм, причому великі його величини спостерігаються поблизу литий смуги (рис.25). Опускання покрівлі становить 50-70мм. Майданні розвиток пучения по штреку, що досягає 100-150мм, спостерігається при третьому варіанті споруди охоронної смуги.
Для варіанту 4 характерно більш рівномірний пученіє вироблення до 150-200мм. Відзначається також рівномірне навантаження на охоронну конструкцію (рис.26). Однак цей варіант відрізняється складністю в технологічному плані і великою витратою цементно-мінеральної суміші.
Таким чином найбільш оптимальним слід визнати третій варіант зведення охоронної смуги. При цьому відстань смуги від контуру штреку ув'язується з величиною прогнозованої або фактичної підривання порід грунту.
Застосування литої смуги забезпечує зменшення зон руйнування породного масиву, підвищує приконтурної, межслоевой і глибинну його стійкість. Все це в сукупності забезпечує збереження поперечного перерізу штреку, яке після проходу першої лави становить 60-80% від проектного.
Податливість зведеної охоронної смуги повинна бути близька до податливості крайової частини масиву вугільного пласта, до якого непосредмственно примикає штрек.
Належний контакт смуги з породами покрівлі забезпечує функціональне її призначення як несучої опори і «ріжучої кріплення», яка ініціює обвалення порід по кромці «опора-лава» з формуванням захисного перекриття над штреком.
Спосіб охорони виробок литими смугами може застосовуватися при повторному використанні виробок в наступних умовах: потужність вугільного пласта - 0,8-2.2м; кут падіння пласта - до 30о; глибина розробки - до 1200 м; обрушаемості порід покрівлі - будь-яка.
Матеріали для зведення смуг повинні відповідати таким вимогам. Через добу після укладання матеріалу в смугу його міцність повинна складати не менше 10Мпа. Матеріал через 28 діб після його укладання в смугу повинен купувати кінцеву міцність на одноосьовий стиск стандартних зразків не менше 20МПа. Матеріал не повинен втрачати міцності нижче зазначеної під впливом шахтних вод. При цьому вихідний матеріал повинен бути придатним для транспортування по трубах в сухому вигляді або у вигляді розчину. Як твердіючих сумішей для зведення смуг рекомендується наступна розроблена суміш «БІ-кріплення»:
Портландцемент марки 400 - 40%, пісок кварцовий - 55%, кремнезем - 3%, прискорювач схоплювання у вигляді зневоднених солей хлористого кальцію - 2%.
Межа міцності на одновісний після укладання через дві години становить-2.5-3 Мпа, через добу - 9-12 Мпа, через 7 діб - 28 МПа, через 28 діб - 39-45 МПа.
Обгрунтовані параметри способу охорони підготовчих виробок литими смугами з твердіючих матеріалів склали (рис.27):
- ширина смуги - 0.8 потужності пласта при легкообрушающейся основний покрівлі, 1.0 потужності пласта пріосновной покрівлі середньої обрушаемості і 1.2 потужності пласта при труднообрушающейся основний покрівлі;
- максимальне відставання смуги від кріплення очисного вибою не повинна перевищувати 6м;
Як нагнітальних агрегатів рекомендується застосовувати серійно випускається устаткування - при пневматичному способі зведення смуг - набризгмашіни - МБР, БМ-60, БМ-68 ПБМ-2Е, при гідромеханічних - насосні установки МОНО WT -820, ПН-600, ПН-800.
На малюнку 28-31 наведені різні технологічні схеми зведення околоштрекових смуг для підтримки конвеєрних штреків з метою їх використання в якості вентиляційних при відпрацюванні наступних стовпів за допомогою гідромеханічного способу.
Впровадження описаної технології охорони штреків на пологих пластах з використанням литих смуг і анкерних систем дозволяє не тільки реалізувати відомі геомеханічні принципи охорони виробок, а й практично забезпечити впровадження прямоточною схеми провітрювання на високогазоносних пластах для досягнення стабільних навантажень до 4-5 тис.тонн на добу.
