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 |
|
||
|
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:
- 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).
- «Правила безопасности в угольных шахтах», утверждённые приказом Ростехнадзора от 19.11.2013 г. № 550.
- Черняк И. Л., Ярунин С. А. Управление состоянием массива горных пород. — М.: Недра, 1995.
- Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. — М.: Недра, 1980.
