Библиографическое описание:

Жуков Е. М., Кропотов Ю. И., Лугинин И. А., Полошков С. И. Классификация трещин и расслоений пород кровли по степени опасности с точки зрения возможности обрушения кровли в горных выработках // Молодой ученый. — 2016. — №2. — С. 142-146.

 

Рассмотрено влияние физико-механических свойств горных пород на несущую способность анкерной крепи, обоснована необходимость своевременной классификации трещин и расслоений по степени опасности с целью продления срока безопасной эксплуатации горных выработок.

 

Важнейшее место в развитие горно-промышленного комплекса Кузбасса занимают процессы крепления и поддержания капитальных и подготовительных горных выработок. Исходя из того, что более половины ежегодной добычи угля осуществляется подземным способом, одной из основных задач повышения технико-экономических показателей в угледобывающей промышленности стало более эффективное использование существующих крепей и научное обоснование их оптимальных конструктивных параметров.

В настоящие время не только на шахтах Кузбасса, отрабатывающих пласты пологого и наклонного залегания, но и в целом по угольной промышленности России и во многих государствах с развитой угольной промышленностью доминирующим креплением горных выработок является анкерное. К главным его преимуществам относятся:

возможность повышения безопасности ведения горных работ, так как оно лучше любой другой крепи противостоит взрывным работам;

возможность полной механизации возведения;

меньшие расходы материалов и затраты на доставку;

позволяет по сравнению с рамной крепью уменьшить сечение выработки «вчерне» и ее аэродинамическое сопротивление.

Анкерная крепь является прогрессивной и экономически выгодной, но её применение невозможно без всестороннего изучения и учета горно-геологических условий при подземной разработке, среди которых одно из наиболее важных мест занимает трещиноватость горных пород.

Трещина — это разрыв сплошности горных пород, перемещение по которому либо отсутствует, либо имеет незначительную величину. Форма трещин отличается от формы других полостей в породах (пор, каверн и др.) резким преобладанием протяженности во всех направлениях стенок трещин над расстоянием между стенками. Трещины образуются при действии на породу сил, превышающих предел прочности породы. Эти силы возникают в результате протекания различных эндогенных, экзогенных геологических и антропогенных процессов, могут быть как внешними для породы (тектоническими, гравитационными и др. силами), так и внутренними, возникающими при изменении температуры, влажности, плотности породы. Совокупность трещин, разбивающих тот или иной блок породы или участок земной коры, называется трещиноватостью. Трещины любого происхождения оказывают существенное влияние на важнейшие физико-механические свойства пород, на устойчивость горных выработок, поэтому трещиноватость является одним из главных показателей, определяющих организацию горнотехнического производства. Паспорт крепления выработок в обязательном порядке предусматривает детальное изучение трещиноватости, разрабатывается с учетом обеспечения сохранности горной выработки в продолжение всего срока ее службы и для создания безопасных условий работ по креплению горных выработок 1.

При разработке угольных месторождений трещиноватость может иметь положительное значение, облегчая выемку угля, но в большинстве случаев она способствует развитию вредных для угледобывающего производства горно-геологических процессов и явлений (сдвижению пород, горным ударам, обвалам и т. п.). При проведении в толще пород горных выработок вокруг них происходит перераспределение напряжений, в процессе которого породы стремятся перейти в новое состояние равновесия и претерпевают деформации. Напряжения или силы, возникающие внутри массива горных пород вследствие проведения выработки и вызывающие деформации окружающих выработку горных пород, называются горным давлением. Под действием горного давления породы в кровле пройденной горизонтальной или наклонной выработки деформируются. Длительное действие постоянных нагрузок приводит к постепенному росту деформации. По мере расширения трещин происходит нарушение связи между частицами пород, выпадение отдельных ее кусков и обрушение кровли.

Рис. 1. Схема крепления анкер

 

Крепью называют искусственное сооружение, предназначенное для сохранения необходимых размеров выработок и предотвращения обрушений. Анкерная крепь используется для крепления бортов и кровли шахт, упрочнения массива горных пород и повышения устойчивости его обнажений путём скрепления различных по прочности породных слоев. Основной элемент анкерной крепи — металлический, железобетонный, полимерный или деревянный стержень, закреплённый в шпуре. Различные схемы анкерования позволяют при минимальном количестве анкеров максимально использовать несущую способность породного массива. Прочность и жесткость кровли, усиленной анкерами, значительно возрастают.

Наличие в кровле выработки трещин (структурных линеаментов) и расслоений, их глубина и пространственное расположение в значительной степени влияют на несущую способность всей возведенной анкерной крепи.Мониторинг состояния кровли горных выработок, закрепленных анкерной крепью, ограничен отсутствием широкого выбора инструментов и приборов для проведения таких работ. Одним из методов контроля, позволяющих своевременно выявить трещины и расслоения пород кровли является применение видеоэндоскопа. Технология проведения работ с применением видеоэндоскопа позволяет выявлять зоны трещиноватости и расслоений в кровле и боках горных выработок на расстоянии до нескольких десятков метров от контура выработки.

Рис. 2. Основные параметры анкерной крепи

Рис. 3. Разновидности трещин, выявленные с применением видеоэндоскопа

 

С практической точки зрения применения анкерной крепи на шахтах, с глубиной ведения горных работ более 300 метров, трещины и расслоения могут быть классифицированы по степени опасности (табл. 1).

 

Таблица 1

Степень опасности трещин

Характеристика опасности

Мероприятия по устранению опасности

  1.                                        Расположение трещин: в зоне действия анкеров 1-го уровня на глубине (Lт), равной Lт ≤ Lа-Lз.а

Неопасные

Отсутствует деформация подхватов, решетчатой затяжки и опорных элементов

Не требуются

Незначительная деформация опорных элементов (прогиб решетчатой затяжки до 5 см), опорные шайбы нагружены, но не вдавлены, подхваты не деформированы, наблюдаются незначительные смещения пород кровли (0–25 мм по показаниям индикаторов глубиннореперных станций ГРС)

Не опасные, но возможен переход в опасное состояние

Деформация опорных элементов (шайбы вдавлены, прогиб подхватов), прогиб решетчатой затяжки до 15 см, наблюдаются не значительные смещения пород кровли (0–25 мм по показаниям индикаторов ГРС)

Необходим визуальный мониторинг данного участка выработки не реже одного раза в неделю

Опасные

Значительная деформация опорных элементов (шайбы вдавлены, прогиб подхватов), прогиб решетчатой затяжки до 15 см, наблюдаются значительные смещения пород кровли (25–50 мм по показаниям индикаторов ГРС)

Необходим визуальный мониторинг данного участка выработки не реже одного раза в сутки силами ИТР участка (шахты); перерасчет параметров паспорта на проведение и крепление выработки для данного участка

Значительная деформация опорных элементов анкерной крепи (прогиб подхватов и прорыв гаек анкеров через них, полное смятие опорных шайб, прогиб решетчатой затяжки более 15 см, разрывы решетчатой затяжки) на участке горной выработки протяженностью более 5 м

Крепление выработки находится в аварийном состоянии и существует угроза обрушения кровли;

необходимо ограничить передвижение людей, провести перерасчет параметров паспорта на проведение и крепление выработки для данного участка в установленные ПБ сроки, провести ремонтные работы с выпуском разрушенного нижнего слоя кровли и усилением анкерной крепи

2. Расположение трещин: в зоне замков анкеров 1-го уровня на глубине (Lт), равной Lа-Lз.а. ≤ Lт ≤ Lа

Опасные

Независимо от показаний индикаторов ГРС и наличия деформаций элементов анкерной крепи (анкеров 1-го уровня), так как существует угроза обрушения кровли при отсутствии проявления нагрузки на элементы анкерной крепи

Необходимо ограничить (запретить) передвижение людей;

установить дополнительные 3-х уровневые ГРС (с глубиной заложения базового репера не менее ширины выработки);

ежесменный визуальный мониторинг; провести расчет усиливающей крепи для данного участка в установленные ПБ сроки, провести усиление анкерной крепи.

3. Расположение трещин: выше зоны действия анкеров 1-го уровня на глубине (Lт), равной Lа ≤ Lт ≤ Нсв

Опасные

Независимо от показаний индикаторов ГРС и наличия деформаций элементов анкерной крепи, так как возможно обрушение заанкерованного слоя пород при отсутствии нагрузки на элементы анкеров 1-го уровня.

Необходимо установить дополнительные 3-х уровневые ГРС с интервалом 35–40 м;

ежесменный визуальный мониторинг;

провести расчет усиливающей крепи для данного участка в установленные ПБ сроки, провести усиление анкерной крепи анкерами второго уровня на глубину, превышающую глубину распространения зафиксированных трещин;

если величина расслоений пород кровли превышает 25 мм, то усиление проблемного участка выработки анкерами второго уровня, должно быть осуществлено незамедлительно

4. Расположение трещин: выше зоны действия анкеров 1-го уровня на большой глубине (Lт), равной

Нсв ≤ Lт ≤ 7,0

Могут быть не опасны

Отдельные, нераскрытые трещины на большой глубине могут быть не опасны — но наличие этих трещин необходимо учитывать, при наличии трещин в нижележащих слоях кроли

При наличии одной трещины установить дополнительную ГРС (с глубиной заложения базового репера выше глубины расположения трещины min на 0,5 м, но не менее ширины выработки);

при наличии нескольких трещин необходимо так же установить дополнительную ГРС и провести перерасчет параметров анкерной крепи для данного участка выработки, с изменением коэффициента структурного ослабления пород кровли Кс=0,9 на Кс=0,6 и изменением типа кровли с I или II на III тип;

по результатам расчета принимать решение о целесообразности усиления анкерной крепи 1-го уровня и внесения изменений в действующий паспорт проведения и крепления выработки

5. Все выявленные трещины в кровле выработки, не зависимо от глубины их расположения.

Опасные

Выявленные трещины в кровле выработки независимо от глубины их расположения при наличии кливажа, отжима угля и породы в боках выработки

Если в результате кливажа произошло высыпание пород верхней части боков выработки, увеличение ширины выработки более чем на 0,5 м, необходимо в суточный срок произвести перерасчет паспорта на проведение и крепление с учетом фактической ширины выработки 2;

если при наличии кливажа и высыпания пород боков выработки происходит деформация опорных элементов крепления кровли необходимо незамедлительно провести усиление крепления кровли на данном участке выработки и установить дополнительную 3-х уровневую глубинно-реперную станцию ГРС

 

Как видно из приведённой таблицы, не все выявленные расслоения и трещины в кровле выработки могут представлять опасность с точки зрения возможности её обрушения. Помимо наличия самих трещин, необходимо учитывать и другие факторы, такие как наличие деформаций элементов анкерной крепи, кливажа и отжима угля и породы в боках выработки, изменение (увеличение) ширины выработки, наличие и величину смещений пород кровли.

Таким образом, проанализировав опыт применения анкерной крепи на шахтах с глубиной ведения горных работ более 300 метров, можно сделать вывод, что своевременная классификация выявленных трещин и расслоений пород кровли по степени опасности позволит:

          достоверно оценить риск обрушения пород кровли в поддерживаемых горных выработках;

          своевременно разработать комплекс мероприятий по предотвращению перехода крепи выработок в аварийное состояние;

          продлить срок безремонтной эксплуатации поддерживаемых горных выработок;

          повысить безопасность ведения горных работ.

 

Литература:

 

  1.                Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчёту и применению анкерной крепи на угольных шахтах». Приказ Ростехнадзора от 17.12.2013 № 610 (зарегистрировано в Минюсте России 19.02.2014 № 31354).
  2.                «Правила безопасности в угольных шахтах», утверждённые приказом Ростехнадзора от 19.11.2013 г. № 550.
  3.                Черняк И. Л., Ярунин С. А. Управление состоянием массива горных пород. — М.: Недра, 1995.
  4.                Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. — М.: Недра, 1980.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle