Обеспечение устойчивости подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ является одной из основных проблем повышения технико-экономической эффективности подземной угледобычи.
Научные исследования и практика работы шахт показывают, что современным требованиям экономически эффективной и безопасной угледобычи на шахтах Российского Донбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 0,85-2,0 м, наиболее полно отвечает технология сохранения выработок для повторного использования при применении эффективных анкерно-рамных крепей, крепей усиления при охране выработок угольными целиками малых размеров [4].
Для выявления эффективности работы средств крепления подготовительных выработок при рациональном выборе параметров их охраны были проведены исследования напряженно деформированного состояния (НДС) массива пород в окрестности подготовительной выработки методом конечных элементов (МКЭ) [1].
Для выявления механизма взаимодействия средств крепления и охраны подготовительных выработок целиками угля были проведены исследования НДС массива пород в окрестности подготовительной выработки методом конечных элементов.
При исследовании напряженно деформированного состояния горных пород была принята теория прочности Кулона – Мора, также известная, как теория внутреннего трения. Данная теория применяется для горных пород, у которых предел прочности на сжатие больше в 7 – 12 раз предела прочности на растяжение. Исследования выполнялись в условиях плоской упругой модели [5], что вполне приемлемо, так как сечение подготовительной выработки не меняется на расстоянии 5-6 пролетов выработки. Для исследования НДС вокруг подготовительной выработки из массива выделен участок с размером 40×40×1 м. Вычисления выполнялись для реальных горно-геологических условий отработки пласта i`2, разрабатываемого семью шахтами Российского Донбасса. Форма выработки – прямоугольная.
Интенсивность нагрузки на почву пласта за пределами охранной конструкции задавалась по формуле qmax= 0,2ρ·g·H·t,
где: ρ – средневзвешенная плотность вышележащей толщи пород принята 2661кг/м3;
g – ускорение свободного падения;
Н – глубина расположения выделенного участка, Н = 461 м;
t – толщина моделируемого участка, t = 1м.
Методикой предусматривалось исследование влияния ширины целика угля и типа крепи подготовительной выработки на интенсивность напряжений и размер зоны неупругих деформаций (ЗНД) в кровле выработки.
Исследования проводили для целиков угля шириной (м) – 4; 6; 10; 12; 15; 17,5. В расчетах использовалась анкерная крепь распределенного закрепления, рамная и анкерно-рамная крепи со всеми присущими им физико-механическими характеристиками.
На первом этапе исследований изучалось влияние типа крепи и размеров целика угля на интенсивность эквивалентных напряжений (Ne) в кровле подготовительной выработки [2], [3]. Интенсивность напряжений оценивалась как отношение величины эквивалентных напряжений (ИЭН) к площади кровли ограниченной шириной выработки, равной 5×3 м.
В табл. 1 приведены результаты расчетов ИЭН в кровле выработки в зависимости от типа крепи подготовительной выработки при ее охране целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м.
Таблица 1
Интенсивность напряжения в кровле выработки в зависимости от типа крепи подготовительной выработки при ее охране целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м
|
Вид крепи |
без крепи |
|||||
|
Ширина целика, l (м) |
4 |
6 |
10 |
12 |
15 |
17.5 |
|
Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па) |
4.336 |
3.278 |
2.041 |
1.655 |
1.57 |
1.487 |
|
Вид крепи |
рама |
|||||
|
Ширина целика, l (м) |
4 |
6 |
10 |
12 |
15 |
17.5 |
|
Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па) |
4.245 |
3.217 |
1.996 |
1.648 |
1.552 |
1.452 |
|
Вид крепи |
анкера распределенного закрепления |
|||||
|
Ширина целика, l (м) |
4 |
6 |
10 |
12 |
15 |
17.5 |
|
Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па) |
4.294 |
3.184 |
2.037 |
1.655 |
1.489 |
1.422 |
|
Вид крепи |
анкерно-рамная крепь |
|||||
|
Ширина целика, l (м) |
4 |
6 |
10 |
12 |
15 |
17.5 |
|
Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па) |
3.872 |
3.05 |
1.817 |
1.554 |
1.451 |
1.401 |
По данным табл. 1 построен график (рис. 1) зависимости интенсивности напряжений в кровле подготовительной выработки от типа крепи и способа ее охраны целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м.
Рис. 1. Зависимость интенсивности напряжений в кровле подготовительной выработки от типа крепи и способа ее охраны целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м
Анализ зависимости приведенной на рис. 1 показывает, что с увеличением ширины целика ИЭН уменьшается до ширины целика равной 12 м. Дальнейшее увеличение ширины целика не дает существенного снижения напряжений и может быть признано оптимальным в данных условиях.
Исследования показали, что уровень влияния ширины целика на ИЭН значительно выше, чем влияние типа крепления горной выработки, причем наибольшее влияние из исследуемых видов крепи оказывает анкерно-рамная крепь. Уровень ее влияния составляет примерно 10% от уровня влияния целиков угля.
Аналогичные исследования производились на глубине заложения (м) – 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000. В качестве крепи усиления использовалась анкерно-рамная крепь.
По результатам исследований построен график (рис. 2) зависимости влияния ширины целика угля на ИЭН в кровле подготовительной выработки на различной глубине заложения, в условиях работы анкерно-рамной крепи.
Рис. 2. Зависимость влияния ширины целика угля на интенсивность эквивалентных напряжений в кровле подготовительной выработки на различной глубине заложения, в условиях работы анкерно-рамной крепи
Анализ зависимости приведенной на рис. 2 показывает, что с увеличением ширины целика ИЭН уменьшается до ширины целика равной 12 м, причем почти не зависит от глубины заложения.
На втором этапе исследований изучалось влияние типа крепи и размеров целика угля на величину зоны неупругих деформаций кровли подготовительной выработки. Для этого рассматривалось влияние размера целика угля на величину зоны неупругих деформаций в кровле подготовительной выработки. За величину ЗНД принималась площадь ограниченная шириной выработки равной 5м и высотой 3м, в пределах которой коэффициент запаса прочности породы меньше единицы (согласно теории прочности Кулона-Мора).
На рис. 3 представлен график зависимости влияния ширины целика на величину ЗНД в кровле подготовительной выработки, закрепленной различными видами крепи.
Рис. 3. Зависимость влияния ширины целика и на величину ЗНД в кровле подготовительной выработки, закрепленной различными видами крепи
Как видно из рис. 3 наибольшее влияние на величину ЗНД оказывает анкерно-рамная крепь. Установлено так же, что интенсивность влияния ширины целика на ЗНД оказывает до 10 м, дальше с увеличением ширины целика более 10 м данное влияние уменьшается.
Если принять незакрепленную выработку за эталон, то отношение площади ЗНД в кровли незакрепленной выработки к площади ЗНД в кровле выработки усиленной анализируемой крепью может быть принято коэффициентом ее эффективности работы в массиве (Кэф). В табл. 1 представлены результаты исследований влияния ширины целика на эффективность работы крепи подготовительной выработки на глубине залегания 500 м.
Таблица 2
Результаты исследований влияния ширины целика на эффективность работы крепи подготовительной выработки на глубине залегания 500 м
|
Площади зон неупругих деформаций (м2)/ Кэф |
||||
|
Ширина целика, l (м) |
Незакрепленная выработка |
Анкерная крепь |
Анкерно-рамная крепь |
Рамная крепь |
|
4 |
12.2/ 1 |
6.62/ 1.84 |
5.9/ 2.06 |
8.67/ 1.4 |
|
6 |
11.2/ 1 |
5.9/ 1.89 |
5.34/ 2.09 |
7.95/ 1.4 |
|
10 |
8.95/ 1 |
4.12/ 2.17 |
3.9/ 2.29 |
7.2/ 1.24 |
|
12 |
7.8/ 1 |
3.1/ 2.52 |
1.87/ 4.17 |
6.55/ 1.19 |
|
15 |
7.25/ 1 |
2.26/ 3.2 |
0.3/ 24.16 |
6.4/ 1.13 |
|
17.5 |
7.2/ 1 |
2.2/ 3.27 |
0.25/ 28.8 |
6.35/ 1.14 |
Анализ табл. 2 показывает, что наиболее эффективно работает анкерно-рамная крепь, так как коэффициент эффективности ее работы наиболее высокий.
Анализируя результаты в целом, следует отметить:
1. С увеличением ширины целика интенсивность эквивалентных напряжений (ИЭН) уменьшается и при ширине равной 12 м, дальнейшее его увеличение не значительно влияет на ИЭН.
2. Анализ влияния ширины целика на величину зоны неупругих деформаций (ЗНД) в кровле выработки показал, что его влияние сказывается до ширины равной 10 м, дальнейшее увеличение целика не эффективно.
3. Исследование влияния типа крепи на величину ЗНД в кровле выработки показали, что наиболее эффективной является анкерно-рамная крепь. При этом эффективность работы крепи определялась ее коэффициентом эффективности равным отношению площади ЗНД в кровли незакрепленной выработки к площади ЗНД в кровле выработки закрепленной анализируемой крепью.
Проведенные исследования позволяют выбрать наиболее эффективную крепь подготовительной выработки при ее охране целиками угля.
Рецензенты:
Игнатов В.Н., д.т.н., профессор, директор Научно-исследовательского и проектного института ООО "Недра", г. Новочеркасск;
Титов Н.В., д.т.н., профессор кафедры ТКГСМП Шахтинского института (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М. И. Платова», г. Шахты.
Библиографическая ссылка
Прозорова Ю.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КРЕПИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=17807 (дата обращения: 19.04.2024).