Устойчивость откосов горных выработок

Ответы на экзаменационные вопроси (Назначение земляного полотна (ЗП) и требования, предъявляемые к нему. Особенности конструкций земляного полотна в сложных условиях. Устойчивость откосов и склонов. Рельсы (назначения и требования к ним)) , страница 4

Откосы искусственные ,а склоны естественные наклонные пов-ти и все типы ЗП имеют такие пов-ти кроме нулевых мест. Пов-ти на кот. происходит смещение грунтов криволинейны. В однородных грунтах эти пов-ти в различной степени напоминают чашеобразное или цилиндрическое, а в сыпучих грунтах они приближены к плоскости. Иногда смещение происходит по контакту разнородных слоев грунтов и в этом случае они имеют любую форму. Устойчивость откоса или склона количественно можно оценить коэф-м устойчивости (К) представляет собой отношение факторов сопротивляющихся смещению к факторам его вызывающих. Оценку устойчивости рассматривают в плоской задачи имея ввиду ,что склоны и откосы явл. протяженными в длину грунтовыми массивами. Всё многообразие природных явлений связанных с нарушением устойчивости можно привести к 3-м моделям:

1 Пов-ть смещения имеет произвольную форму т.е. предопределена литологическим строением

2 Пов-ть смещения круглоцилиндрическая в плоской задачи круговая кривая

3 Пов-ть смещения плоская

n-кол-во отсеков. Наибольшее распространение получил 2-й метод.

При любой форме возможного смещения на любой отсек действуют ряд сил.Учитывая что в пределах отсека пов-ть смещения принимается плоской. Внешней силой явл. равнодействующей всех сил действующий на i-й отсек. Это м.б. сумма свеса грунта в пределах отсека и давления от веса ЗП или сейсмической силы.

Влияние воды на устойчивость откосов и склонов (атмосферной, инфильтрующейся в земляное полотно или склон, грунтовой, поймен­ной) многообразно.

Рассмотрим влияние воды на устойчивость откосов на примере вли­яния пойменной (паводковой) воды на устойчивость пойменных насы­пей. Паводковая вода оказывает комплекс воздействий на грунты зем­ляного полотна. По мере подъема и стояния паводковых вод в пой­ме вода инфильтруется в грунт насыпи. Изменение уровня воды в пой­ме за время паводка характеризуется гидрографом паводка. В зависи­мости от рода грунта, его плотности, водопроницаемости грунта насы­пи и основания, геометрических размеров насыпи и гидрографа павод­ка могут быть различные случаи насыщения пойменной водой попереч­ного сечения насыпи. Расчетным для учета наиболее неблагоприятного сочетания условий принят случай, когда водопроницаемый грунт на­сыпи после длительного подъема и стояния воды в пойме оказывается насыщенным водой до отметки наивысшего уровня воды (НУВ). Предполагается, что при начале спада паводка вода из поймы ухо­дит мгновенно и здесь же начинается эксфильтрация пойменной воды из грунта насыпи под воздействием сил гравитации, при этом верхний уровень очерчивается кривой депрессии. Над ним располагается зона сплошного капиллярного насыщения. Такая расчетная модель предло­жена К. С. Ордуянцем.

Влияние воды при использовании этой модели учитывается в из­менении следующих параметров.

1. Изменение удельного веса грунта у в зоне полного водонасыще-нияи сплошного капиллярного насыщения, что учитывается при рас­чете веca грунта Q. Например (см. рис.1), рассмотрим 4-й отсек:

в верхней зоне грунт природной влажности, его удельный вес Y. площадь, занимаемая этим грунтом в отсеке, w;

в зоне сплошного капиллярного насыщения вода является допол­нительной нагрузкой, поэтому удельный вес грунта брутто

где γ_s — удельный вес частиц грунта, Н/м 3 ; γ_b — удельный вес воды, Н/м 3 .

Площадь, занимаемая этим грунтом в отсеке, w 11 . Обычно высота капиллярного поднятия d_Kan = 0,2—0,3 м для песков и d_кan = 2—3 м для глин;

в зоне насыщения грунта пойменной водой при водопроницаемом основании будет иметь место противодавление и удельный вес грунта определяется с учетом взвешивающего действия воды:

Площадь, занимаемая этим грунтом в отсеке, w′′′. Если основание водонепроницаемое, то в этой части отсека γ = γ_бр.

Площадь w iv занята грунтом основания, имеющем γ_осн.

Изменение веса грунта существенно влияет на устойчивость отко­са или склона.

Расчет ведется на 1 м длины откоса или склона.

рис1-Схема расчетной модели К. С. Ордуянца

2. Учет фильтрационного (гидродинамического) давления, возни­кающего при высачивании пойменной воды из насыпи или фильтра­ции грунтовой воды в склоне. Это силы давления на частицы грунта движущейся в порах воды. Движение воды в насыпи, как известно, ха­рактеризуется гидродинамической сеткой, параметры которой (зна­чения гидравлического градиента I в каждой расчетной точке) долж­ны при

ниматься в расчет. Однако для простоты и удобства при расчетах устойчивости пойменных насыпей расчет фильтрационного давления dj производится по среднему значению I_i для любого отсека или среднему I для данного грунта при учете равнодействующей D_o элементарных гидродинамических сил/

Значения I колеблются от 0,003 до 0,200 для песков и глин соот­ветственно.

Силы d_i и D_o считаются целиком сдвигающими.

3. Учет изменения сил сопротивления сдвигу при водонасыщении необходим в связи с тем, что при заполнении пор грунта паводковой водой сопротивление его сдвигу значительно падает. При влажности полного водонасыщения w_sat удельное сцепление c_sat может быть меньше на 30—40 % по сравнению с с грунта в состоянии природной влажности, а угол внутреннего трения φ_sat — на 15—25 % по срав­нению с φ.

17. Деформации и болезнь ЗП.

Наибольшее распр-е по бывшему Союзу имеют деформации осн-й площадки ЗП и пучины. На сети жд(в РБ) протяжённость больных мест доходит до 15% и если эти 15% принять за100%, то деформ-и можно распред-ть след-м обр-м: оседание и выпирание-3%, деформ-и осн-й площадки ЗП-36%, пучины-34%, расползание, провалы, осыпи, лавины, оползни и сдвиги-10%, размывы и подмывы-12%, повреждение и заграмождение-5%. Оседание и выпирание-это сравнит-но медленно протекающие во времени опускание осн-й площадки ЗП на значительные протяжения. Они происходят в рез-те уплотнения грунта под нагрузкой веса насыпи и поездов из-за выпирания грунта из-под основания насыпи. Деф-ции осн-й площ-и ЗП образуются в следствие: уплотнение грунта под осн-й площ-й, выпирание грунта в подшпальной части, неправильного возведения ЗП. Кним относятся балластные корыта, ложа и мешки. Расползание-это последствие грубых нарушений тех=х условий на сооружаемом ЗП(отсыпка насыпи мокрыми грунтами). Провалы-могут случиться в следст-и размыва торфяной корки на болотах, из-за размыва кровли над горными выработками при её оседании. При обвалах происходит падение и опрокидывание грунтовых масс, к кот. относятся камни, глыбы, снег, снежные завалы, осыпи. Сдвиги происх-т из-за увлажнения грунтов осн-я под насыпью поверхност-ми водами, выходящими на пов-ть склонов под насыпью, также могут быть по наклонному дну болота. Оползни- перемещение грунта по грунту без падения или опрокидывания смещающихся грунтовых масс. Деформ-и ЗП и устройства при нём из-за размывов и подмывов встреч-ся как в горных, так и в равнинных районах. Они хар-ся быстрым развитием и опасными последствиями. Различают размывы соор-й постоян-и и врем-ми потоками(реками, ручьями), также волновым возд-м(моря, озёра).

• АлтГТУ 419
• АлтГУ 113
• АмПГУ 296
• АГТУ 267
• БИТТУ 794
• БГТУ «Военмех» 1191
• БГМУ 172
• БГТУ 603
• БГУ 155
• БГУИР 391
• БелГУТ 4908
• БГЭУ 963
• БНТУ 1070
• БТЭУ ПК 689
• БрГУ 179
• ВНТУ 120
• ВГУЭС 426
• ВлГУ 645
• ВМедА 611
• ВолгГТУ 235
• ВНУ им. Даля 166
• ВЗФЭИ 245
• ВятГСХА 101
• ВятГГУ 139
• ВятГУ 559
• ГГДСК 171
• ГомГМК 501
• ГГМУ 1966
• ГГТУ им. Сухого 4467
• ГГУ им. Скорины 1590
• ГМА им. Макарова 299
• ДГПУ 159
• ДальГАУ 279
• ДВГГУ 134
• ДВГМУ 408
• ДВГТУ 936
• ДВГУПС 305
• ДВФУ 949
• ДонГТУ 498
• ДИТМ МНТУ 109
• ИвГМА 488
• ИГХТУ 131
• ИжГТУ 145
• КемГППК 171
• КемГУ 508
• КГМТУ 270
• КировАТ 147
• КГКСЭП 407
• КГТА им. Дегтярева 174
• КнАГТУ 2910
• КрасГАУ 345
• КрасГМУ 629
• КГПУ им. Астафьева 133
• КГТУ (СФУ) 567
• КГТЭИ (СФУ) 112
• КПК №2 177
• КубГТУ 138
• КубГУ 109
• КузГПА 182
• КузГТУ 789
• МГТУ им. Носова 369
• МГЭУ им. Сахарова 232
• МГЭК 249
• МГПУ 165
• МАИ 144
• МАДИ 151
• МГИУ 1179
• МГОУ 121
• МГСУ 331
• МГУ 273
• МГУКИ 101
• МГУПИ 225
• МГУПС (МИИТ) 637
• МГУТУ 122
• МТУСИ 179
• ХАИ 656
• ТПУ 455
• НИУ МЭИ 640
• НМСУ «Горный» 1701
• ХПИ 1534
• НТУУ «КПИ» 213
• НУК им. Макарова 543
• НВ 1001
• НГАВТ 362
• НГАУ 411
• НГАСУ 817
• НГМУ 665
• НГПУ 214
• НГТУ 4610
• НГУ 1993
• НГУЭУ 499
• НИИ 201
• ОмГТУ 302
• ОмГУПС 230
• СПбПК №4 115
• ПГУПС 2489
• ПГПУ им. Короленко 296
• ПНТУ им. Кондратюка 120
• РАНХиГС 190
• РОАТ МИИТ 608
• РТА 245
• РГГМУ 117
• РГПУ им. Герцена 123
• РГППУ 142
• РГСУ 162
• «МАТИ» — РГТУ 121
• РГУНиГ 260
• РЭУ им. Плеханова 123
• РГАТУ им. Соловьёва 219
• РязГМУ 125
• РГРТУ 666
• СамГТУ 131
• СПбГАСУ 315
• ИНЖЭКОН 328
• СПбГИПСР 136
• СПбГЛТУ им. Кирова 227
• СПбГМТУ 143
• СПбГПМУ 146
• СПбГПУ 1599
• СПбГТИ (ТУ) 293
• СПбГТУРП 236
• СПбГУ 578
• ГУАП 524
• СПбГУНиПТ 291
• СПбГУПТД 438
• СПбГУСЭ 226
• СПбГУТ 194
• СПГУТД 151
• СПбГУЭФ 145
• СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
• ПИМаш 247
• НИУ ИТМО 531
• СГТУ им. Гагарина 114
• СахГУ 278
• СЗТУ 484
• СибАГС 249
• СибГАУ 462
• СибГИУ 1654
• СибГТУ 946
• СГУПС 1473
• СибГУТИ 2083
• СибУПК 377
• СФУ 2424
• СНАУ 567
• СумГУ 768
• ТРТУ 149
• ТОГУ 551
• ТГЭУ 325
• ТГУ (Томск) 276
• ТГПУ 181
• ТулГУ 553
• УкрГАЖТ 234
• УлГТУ 536
• УИПКПРО 123
• УрГПУ 195
• УГТУ-УПИ 758
• УГНТУ 570
• УГТУ 134
• ХГАЭП 138
• ХГАФК 110
• ХНАГХ 407
• ХНУВД 512
• ХНУ им. Каразина 305
• ХНУРЭ 325
• ХНЭУ 495
• ЦПУ 157
• ЧитГУ 220
• ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

• О проекте
• Реклама на сайте
• Правообладателям
• Правила
• Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Новые виды крепи перестали быть экзотикой на норильских рудниках

Согласно Концепции совершенствования комплекса крепления горных выработок Заполярного филиала на рудниках Норильска появляются, испытываются и внедряются все более современные мировые технологии. О них «Северному городу» рассказал руководитель направления по креплению горных выработок отдела процессного сопровождения горного производства департамента горного производства Игорь Коправнов.

– Игорь Васильевич, давайте напомним тем, кто не в теме, что есть такая штука, как горное давление. И если в подземные своды не забить много-много двухметровых металлических анкеров, по-простому – стержней, гора сплющит все штреки и подземные «коридоры». Это примитивно говоря. Поэтому укреплять кровлю над головой – очень-очень важно.

– Если сказать техническим языком, более правильно, то, когда мы ведем проходку, строим горную выработку, мы пытаемся что-то достать из недр природы, образовываем пустоты. Проходка идет в основном взрывным методом, а взрыв – это ударное воздействие на массив, при котором идет образование трещин в приконтурном массиве горных выработок. Процессы деформирования и разрушения горных пород развиваются во времени. На практике из-за цикличности проходки (процессы отгрузки, оборки заколов, бурения под крепление и т. д. выполняются последовательно) крепь практически всегда устанавливается с отставанием во временном интервале. В этот период на незакрепленном участке выработки происходит значительное разуплотнение структурных блоков по зонам трещиноватости. При этом массив теряет свою устойчивость. Начинаются процессы вывалообразования и отслоения. Запоздалая установка анкеров резко снижает эффективность их работы. Самый эффективный из методов крепления горных выработок – анкерная крепь.

– Лет 15 назад главным оружием в борьбе с горой за безопасность человека были ЖБШ – длинные железобетонные штанги. Они уходят в прошлое?

– Да, вначале у нас были анкера с цементным заполнением шпура, так называемые ЖБШ. Но так как на заполнение шпура, в который вставляется металлическая штанга, идет цемент с песком (без песка), срок схватывания получается продолжительный и в горную выработку нельзя заходить до четырех часов, это небезопасно. Такой вынужденный простой горной выработки нам не нужен. А если применять химию, пусть она дороже, сроки уменьшаются.

Сейчас у нас внедрено сталеполимерное анкерное крепление (СПА). Полимерные ампулы машина застреливает в шпур, перемешивает их анкером; пять секунд – и СПА набирает несущую способность. Анкера, своевременно установленные и способные воспринимать нагрузку от толщи налегающих пород сразу после

возведения, за счет собственного сопротивления растяжению препятствуют расслоению, разуплотнению нарушенных пород, связывая их с ненарушенными породами в глубине массива выше зоны расслоения. Вдобавок их несущая способность в три-четыре раза больше, чем у ЖБШ.

Применяются также самозакрепляющиеся анкера (СЗА) – они представляют собой трубчатый анкер из специальной стали, с профилем в форме буквы «С». Закрепление стержней в шпурах осуществляется механическим способом за счет силы упругости, распирающей стержень в шпуре меньшего диаметра, чем диаметр трубки, что вызывает передачу нагрузки со стали на горную породу. Фиксация анкера в шпуре обеспечивается за счет упругих свойств металла. Но тут есть ограничения применения.

– Есть что-то круче сталеполимерных анкеров?

– В мире появилась новая технология, когда машина бурит шпуры под анкерное крепление самозабуривающими анкерами, подает перемешанную двухкомпонентную смолу через пустотелый анкер, который сразу набирает несущую способность. Мы испытания провели, необходимую технику заказали. Это машины компаний Epiroc, они придут в конце 2020-го – начале 2021 года. Надеемся, в ближайшем будущем компания Sandvik тоже сможет переделать под новую технологию одну из уже закупленных машин. Смола и сами пустотелые анкера тоже закупаются. На следующий год это крепление уже пойдет, и на рудниках Заполярного филиала в первую очередь. Мы идем правильным путем.

– Чем смола лучше полимера?

– Самозабуривающийся пустотелый анкер убирает влияние человеческого фактора до нуля. Машинист буровой установки забурил анкер, смола от «груди» до устья шпура движется, и, как только она показалась из шпура, он прекращает подачу.

– А крепление с полимерными ампулами человеческий фактор не исключают?

– При креплении полимерными ампулами очень много ответственности лежит на бурильщике, который должен обеспечить полное заполнение шпура. Если он увидел, что зашли не все ампулы, должен остановиться, зачистить шпур и заново произвести застрел полимерных ампул. Но тогда получится меньше установленных анкеров, соответственно, меньше заработная плата. Вдруг кому-то захочется покривить душой? Мы с этим боремся, заказали новые машины, которые будут фиксировать, сколько в каждый шпур было послано полимерных ампул, и я, и любой руководитель сможет увидеть у себя на экране монитора, какое расстояние между шпурами, сколько ушло в каждый шпур полимерных ампул, под каким углом он забурен, это тоже очень важно. С этим сейчас наши айтишники разбираются.

– Появились и другие ноу-хау?

– Раньше мы вначале ставили штанги, потом делали первоначальный набрызг торкрет-бетона, потом вешали металлическую решетку и опять повторяли

набрызг торкрет-бетона, доводя толщину набрызга до паспортной для конкретной горной выработки. А сейчас сразу же после взрывных работ и оборки заколов заезжают машины и делают первоначальный набрызг торкрет-бетона, чтобы предохранить машины от возможного повреждения буровой мелочью и мелкими отслоениями горной массы. И только после этого бурим шпуры, ставим сталеполимерные штанги, вешаем металлическую решетку и опять наносим набрызг торкрет-бетона, доводя его толщину до паспортной для конкретной горной выработки.

Машины автоматизированные, сейчас мы закупили их на все рудники и используем повсеместно. Нам помогает Норильский обеспечивающий комплекс – начал изготавливать пакетированные сухие смеси в мягких разовых контейнерах (МКР). В них цемент и песок сухие, меньше потери этих материалов, быстрее возводится крепь, темпы и производительность увеличиваются. Но процесс по навеске металлической решетки самый трудозатратный по времени. И мы начали применять самозакрепляющиеся анкера совместно с армокаркасами.

– Металлическая решетка из листов тяжелой арматуры толщиной от 10 миллиметров, площадью 950 на 950 миллиметров и больше. Каждый сразу же прижимается анкером к массиву при бурении. Армокаркасы ставятся внахлест друг на друга. Потом наносим набрызг торкрет-бетона, поверхность превращается в железобетон, и дополнительно металлическая решетка не нужна. Армокаркас намного прочнее решетки. Это уже другой тип крепи – поддерживающий. Мы сейчас заканчиваем опытно-промышленные испытания по армокаркасам на рудниках «Таймырский» и «Комсомольский», они велись в течение года. Благодаря этой технологии увеличилась и скорость проходки у подрядчиков – до 135 метров по одной горной выработке. Раньше с возведением постоянного вида крепи было до 50 метров.

Дальнейшее развитие этой темы – «Тендон стрепс». Это пластины типа армокаркаса, но он уже большей длины, до 2,5–3 метров.

– Где применяются армокаркасы?

– Все зависит от назначения выработки. Если она нужна для добычи руды, то, может, такая крепь и не нужна. В течение шести месяцев выработка не успеет разрушиться. Мы прошли ее, закрепили анкерами с набрызгом – этого достаточно. Забурили, взорвали камеру и получили руду. А когда выработка служит 25 лет и более, этого недостаточно. Поэтому вешаем сетку и крепим ее усиленной комбинированной и другими видами крепи. Но чтобы от этого уйти, сейчас проводим испытания и пытаемся перейти на фибробетон.

– Но ведь разбрызгивающие эту смесь «пылесосы» быстро ломаются.

– Да, шел раздельно цемент и песок, мы сушили его, возили погрузочно-доставочными машинами. Очень сложно добавить туда фибру в больших объемах, чтобы это хорошо работало в промышленных масштабах. Выручил Норильский обеспечивающий комплекс, который делает нам пакетированный сухие смеси с добавлением фиброволокна. Фибра – это пластиковые или

металлические полоски длиной 25–35 миллиметров, меняющие свойства торкрет-бетона и полностью заменяющие металлическую решетку. Планируем вообще уходить от применения металлической решетки.

– А где может пригодиться технология«Тендон стрепс»?

– Она создаст возможность отказаться от других, более металлизированных крепей, таких как арочная податливая крепь.

– Длинные арочные проходы внутри горы в сложных местах? Но слово «податливая» для нас, обывателей, звучит как «ненадежная».

– Это не так. За счет узлов податливости при горном давлении арочная податливая крепь начинает складываться, сдвигаться, но не разрушается, как железобетонная, и выработка дальше функционирует. Арочная крепь надежнее, но вес одной арки от 300 до 450 килограммов. Мы добываем руду или металл вниз спускаем? И перекрепление арочной крепи во время ремонта – очень тяжелый процесс, выработка выводится из эксплуатации. У «Тендон стрепс» функции те же, но легче производить ремонт крепи горной выработки, и металла на сечение уйдет в три раза меньше. Одна пластина «Тендон стрепс» – 2,5 метра длиной, 0,3 метра шириной, весит 9,6 килограммов. Эту технологию применяют в ЮАР на больших глубинах, от арочной податливой крепи они отказались. Мы тоже проведем испытания у себя в шахте в реальных условиях, тем более что сейчас начали уходить на большие глубины.

– Рудник «Таймырский» работает на глубине до 1500 метров. Сейчас на «Скалистом» зашли на проходку разведочных выработок группа компаний «Канекс». У них отметки минус 1600 и 1800. Пошли пока на сбойку сверхглубоких стволов ВС-10 и СКС-1. Потом пойдет строительство горизонтов с дальнейшей добычей руды. Мы еще не работали на таких глубинах. Может, придется использовать какие-то новые виды крепления. Один из перспективных – это «Тендон стрепс».

– Эти пластины идут сплошняком, одна за другой?

– Нет, в том то и дело. Мы также ставим крепь, делаем набрызг фибробетоном или ставим металлическую решетку с набрызгом торкрет-бетона, а поверх этой крепи устанавливаются пластины этого армокаркаса. Сверху мы можем покрыть еще набрызгом торкрет-бетона и в дальнейшем, когда идет нарушение, сможем поставить еще дополнительный армокаркас. Закрепили, и выработка у нас дальше служит.

– Есть где-нибудь в мире крепь, которая дает стопроцентную гарантию безопасности?

– Такую гарантию никто не даст, потому что существуют горные удары, те же землетрясения.

– Землетрясения, слава богу, далеко от Таймыра.

– Землетрясения фиксируют приборы центра геодинамической безопасности Заполярного филиала. Чтобы было понятно: наша руда появилась не просто так, это магма поднималась вверх. Наши взрывы при добыче руды – это тоже сейсмическое воздействие на массив, а мы взрываем каждый день, иногда по нескольку раз. Мы же пытаемся у природы забрать что-то, а она не хочет отдавать. Происходят горные удары разной силы, с разрушением, без разрушения. Это все и на крепь воздействует. Служба центра геодинамической безопасности ведет за этим постоянный мониторинг.

– Какая крепь все же надежнее?

– У каждой своя максимальная нагрузка, и чем она сильнее, тем дороже стоит. К примеру, один анкер сталеполимерный стоит 1000 рублей, а ЖБШ с цементным заполнением – порядка 350–400 рублей, но безопасность людей дороже. У нас согласно Концепции совершенствования комплекса крепления горных выработок на рудниках ЗФ стоит задача обеспечить отсутствие людей в незакрепленном массиве. Это позволяют сталеполимерные и самозакрепляющиеся анкера.

– Вы же сказали, что смола круче.

– Самозабуривающийся пустотелый анкер с двухкомпонентной смолой в два раза дороже обыкновенного сталеполимерного анкера. Мы не отказываемся от ампульного сталеполимерного анкера, но пытаемся выйти на подрядчика, который сделает в этих машинах более совершенную автоматику, исключающую влияние человеческого фактора. Вот в первых машинах не было даже таймеров, фиксирующих время перемешивания, а оно играет роль буквально до секунды. Человек отвлекся, сделал что-то не так, и анкер уже не несет свою нагрузку.

– Руководители рудников, побывавшие на рудниках Канады, рассказывали, что для кровли там одна крепь, для бортов – другая. А у нас?

– У нас введено новое Положение (Инструкция) по выбору типа и параметров крепления капитальных, подготовительных и очистных выработок в предельно напряженном (или ослабленном) блочном массиве рудников Талнаха, и часть бортов мы крепим только набрызгом торкрет-бетоном, где с фиброй, где без фибры, согласно утвержденному паспорту крепления. Раньше по бортам петельки торчали от ЖБШ, где-то металлическая решетка, и погрузочные доставочные машины при зачистке «плинтусов» горной выработки их цепляли, где-то и разрушали крепь горной выработки. Требовался ее ремонт. Сейчас из борта горной выработки ничего не торчит, и при разрушении набрызг торкрет-бетона проще восстановить крепь горной выработки. А крепь набрызг торкрет-бетона тоже держит нагрузку.

– Есть места, где перечисленными технологиями не обойтись?

– В местах сопряжений, это когда пересекаются две выработки, самое опасное место в шахте. Здесь, для того чтобы не было разрушений, дополнительно устанавливается тросовое крепление. Бурим также шпуры и вставляем туда трос на раствор.

– Этот какой-то суперпрочный трос?

– Не то что суперпрочный, но крепление идет на глубину до пяти-семи метров. Вначале в забуренный шпур подают цементный раствор, затем трос сматывают с катушки и подают в заполненный раствором шпур. Если при высоте забоя в пять метров необходимо установить шестиметровый анкер, его не согнешь, а трос сгибается и вставляется нормально. Этот постоянный вид крепи у нас применяется уже порядка пяти лет. Сейчас на все рудники мы дозакупаем необходимую технику, и Заполярная строительная компания уже второй год крепит сопряжения с помощью этих машин.

– Здесь смолу не применяют для скорости?

– Дело в том, что двухкомпонентную смолу только начали внедрять во всем мире. До этого были полимерные ампулы. Сейчас компания Epiroc пообещала нам до конца года сделать одну машину для крепления выработок тросовыми анкерами с применением двухкомпонентной смолы. Она должна появиться в конце года. Сейчас у нас задача усилить все с применением двухкомпонентной смолы. Она должна появиться в конце года. Сейчас у нас задача усилить все сопряжения дополнительно тросовым креплением.

Устойчивость откосов горных выработок

К числу главных причин, сдерживающих рост технико-экономических показателей в области крепления и поддержания горных выработок, относятся сложность и изменчивость горно-геологических условий, нарушения технологии изготовления крепи и крепления горной выработки, недостаточное внимание к вопросам обеспечения необходимой надежности крепи. Особую актуальность приобретает проблема повышения надежности крепей горных выработок в связи с постоянным увеличением объемов их проведения в сложных горно-геологических условиях.

Надежность, как вероятность устойчивого состояния горных выработок, зависит от многих факторов, и прежде всего от обоснованности проектных решений, т.е. от того, с какой точностью выбранные в проекте характеристики крепи соответствуют фактической интенсивности проявлений горного давления.

Исследование физико-механических процессов в массиве вмещающих горных пород при проведении горных выработок определяет их устойчивость.

К аномальным относятся участки выработок, находящиеся в зонах: влияния геологических пликативных и дизъюнктивных нарушений; повышенной трещиноватости вмещающих пород и угля; повышенной обводненностивмещающих пород и угля; повышенного горного давления на подработанных или надработанных пластах свиты; на пластах опасных, угрожаемых, а также несклонных к горным ударам и внезапным выбросам угля(породы) и газа; в ненарушенном массиве; в зонах повышенного горного давления, в зонах влияния пликативных и дизъюнктивных нарушений; вне зон и в зонах влияния очистного выработанного пространства; в обводненных и необводненных породах и др.

К факторам, которые влияют на возможность применять определённые анкерные системы при проведении подготовительных выработок относятся: прочность анкерного крепления во вмещающих породах; размер зон опасных деформаций породы вокруг горных выработок; величина смещений горных пород, находящихся в кровле, величина конвергенции, срок службы выработки, а также предельная величина безопасного смещения (опускания) пород кровли, закреплённых в горной выработке.

Рис. 1. Технологическая схема крепления неустойчивых пород кровли впереди выработки: 1 – затяжка их досок; 2 – скрепляющий заполняющий раствор в зону вывала пород; 3, 4 – соответственно 1 и 2-ая стадия крепления

Для того чтобы определить функциональные возможности разных видов крепи необходимо проведение сравнительных исследований. В ходе исследований осуществляется характеристика проявлений горного давления при креплении выработки анкерами, комбинированной или рамной крепью и выявление уровня работоспособности анкерного крепления.

На рис. 1 представлена схема технологии крепления неустойчивых пород кровли впереди выработки.

Ниже представлено разработанное устройство крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах.

Устройство крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах.

Может быть использовано при разработке пластовых месторождений полезных ископаемых при проведении горных выработок для закрепления массива вмещающих пород с помощью анкерного крепления, для исключения куполообразования, повышения безопасности ведения горных работ с использованием анкерного крепления – рис. 2.

Рис. 2. Технология крепления забоя выработки при пересечении неустойчивых пород (профиль, сечение): а – при круговой схеме; б – при рядной схеме укрепления контура неустойчивых пород

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является полимерный анкер, включающий пластиковый стержень, опорную плитку и фиксирующую гайку [1] – рис. 3.

Рис. 3. Крепь анкерная: цельная – АПн (а) и составная –АПн-С: 1 – стержень анкера; 2 – гайка; 3 – шайба опорная; 4 – стержень анкера; 5 – муфта

Недостатком прототипа является трудоемкость возведения анкерного крепления, а также трудоемкостью возведения рамной крепи.

Задачей применения является – предотвращение куполообразования и создание безопасных условий при креплении забоя выработки.

Наиболее близким к применению видов крепи является сталеполимерный анкер, включающий стержень из арматуры винтового профиля, устанавливаемый в шпур с размещенными в нем ампулами с закрепляющей смесью, опорную демпферную тарельчатую шайбу, закрепляющую гайку полусферическую гайку [2, 3].

Недостатком указанного анкера является то, что сталеполимерный анкер по своему составу не может взаимодействовать с массивом как временная крепь, поддающаяся разрубки исполнительным органом комбайна.

Технический результат: предотвращения куполообразования, повышения техники безопасности при установке анкерной и рамной крепей.

Технический результат достигается за счет того что, установленный в шпур устройство крепления контуров выработки внеустойчивых горных породах-составной анкер, с быстрым временем схватывания ампул с закрепляющим составом скрепляет породно-угольные слои, предотвращает куполообразования, а также уменьшает газовыделения из трещин кровли.

Представлена технология закрепления устройством для крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах – составными анкерами (профиль выработки) – рис. 4, а; на рис. 4, б – вид 1-1 – поперечное сечение выработки. На рис. 5, а показан общий вид устройства крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах – составного анкера; рис. 5, б – узел А – соединительная муфта (в разрезе); рис. 5, в – сборный узел соединения пластмассовой и стальной частей устройства крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах – составного анкера с соединительной муфтой в диметрии.

Рис. 4. Технология закрепления устройствомдля крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах: а – металическая часть анкера; б – наклонный составной комбинированный анкер

Рис. 5. Соединительная муфта: а – составной анкер в сборе; б – разрез; в – диметрия; 1 и 3 – верхняя (металлическая) и нижняя (пластмассовая) части составного комбинированного анкера; 2 – соединительная муфта

Устройство крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах – составной анкер включает стержень из металлической арматуры 1 винтового профиля, соединительной муфты 2 и пластикового стержня 3 и устанавливается в шпур с размещенными в нем ампулами с закрепляющей смесью, опорную демпферную тарелку, шайбу и закрепляющую полусферическую гайку (см. рис. 5). Отличается устройство крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах – составной анкер тем, что состоит на треть его длины из пластикового стержня (3) со стороны устья шпура и двух третей длины со стороны забоя шпура – сталеполимерного стержня 1, соединенных муфтой 2.

Установка устройства крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах-составного анкера, состоящего из стальной арматуры 1, соединительной муфты 2, пластикового стержня анкера 3, осуществляется следующим образом. В пробуренный в горном массиве шпур вводят ампулы с химическим скрепляющим составом, следом устанавливают устройство крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах-составной анкер, который монтируется под проектный уровень кровли под углом 35*450, наперед наклоненный для подхватывания неустойчивых пород кровли впереди забоя подготовительной выработки), заполняя трещины неустойчивой кровли, не допуская возможности расслаивания горных пород и куполообразования.

Применение способа крепления устройствами крепления контуров выработки в неустойчивых горных породах-составными анкерами с закрепляющими ампулами с быстрым временем схватывания (15-20 сек.) и с пластиковой нижней частью анкера не допускает образования куполообразования, не мешает за продвижением забоя по выемке и отгрузке горной массы, и легко разрушатся проходческим комбайном.

Новизна конструктивной схемы анкера заключается в том, что в составной части из арматуры и пластикового стержня, что позволяет усилить верхние породно-угольные слои кровли, в которой будет работать несущая способность именно верхняя часть сталеполимерного анкера – рис. 6, а.

Рис. 6. Определение зон пластических деформаций в кровле выработки в зависимости от мощности пласта (а) и плотности установки анкеров в зависимости от глубины ведения работ, величины зоны пластических деформаций, мощности слоя пород, расстояния и количества канатных анкеров (б): 1 – придание кровли выработки формы, по породам напластования; 2 – породы основной кровли; 3 – анкеры глубокого заложения (с обеспечением необходимой плотности крепления по ширине кровли выработки); 4 – стальные анкеры; 5 – породы непосредственной почвы; 6 – угольный пласт; 7 – породы непосредственной почвы; 8 – расстояние (трещинообразие) в малопрочный и неустойчивых вмещающих городах кровли. Н – глубина работ; Зпл – зона пластических деформаций, м; Тсл – мощность слоя пород, м; R – расстояние между тросовыми анкерами, м; Ика – количество канатных анкеров, шт

Вторая часть анкера состоит из пластикового стержня, которая соединяется вкручиванием по резьбе соединительной муфтой с внутренней резьбой. Далее бурится шпур диаметром 28 мм, наполняется химическими ампулами 650 мм*2 шт., со временем твердения 60 сек. и одной ампулой АМК 350 с быстрым временем схватывания 30 сек. (со стороны забоя шпура).

В отличие от составного катанного или сталеполимерного анкера, составной пластиково-сталеполимерного анкер, легко подается зарубке комбайном, не оставляет «торчунов» от анкеров, а верхняя часть анкера укрепляет верхний слой пород кровли.

На рис. 6, б представлено определение зон пластических деформаций в кровле выработки в зависимости от мощности пласта и плотности установки анкеров, а на рис. 7 – соответственно – глубина анкерирования вмещающих пород за контуром выработки.

Рис. 7. Глубина анкерирования вмещающих пород за контуром выработки

При проведении горных выработок и разработке угольных пластов вследствие нарушения равновесия горных пород и перераспределения естественных напряжений в шахтах возникают геомеханические процессы, реализующиеся в деформациях, разрушении, перемещении и сдвижении различных масс горного массива. На развитие горного давления, возникающего в результате взаимодействия углевмещающих пород с горными выработками, решающее влияние оказывают геологические, горнотехнические и технологические факторы.Геомеханические условия поддержания выемочных выработок в бассейне на большой глубине отличаются повышенной сложностью из-за малой прочности вмещающих угольные пласты пород, особенно почв, которые уже при незначительной концентрации горного давления склонны к интенсивному пучению. Деформированное состояние массивов является cледствием взаимодействия полей напряжений и cвойств массива (большей частью, физико-механических). Представлены результаты научно-прикладных исследований производственных процессов технологии ведения подготовительных работ в сложных горно-технических условиях отработки угольных пластов; созданию способов управления геомеханическими процессами при ведении горных работ на глубоких горизонтах угольных шахт.

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Е. А. Иванчин, зав. сектором отдела горной науки, А. А. Федюков, научный сотрудник, Т. А. Борисова, инженер-исследователь, ОАО «Уралмеханобр», г. Екатеринбург, Россия

Чтобы ознакомиться с материалами в иллюстрированной форме, просим вас зайти в рубрику “архив номеров” и сохранить электронную версию журнала №5(2014)

Выбор вида и конструкции крепи определяется устойчивостью массива пород, окружающего выработку. Оценка устойчивости пород заключается в прогнозе их поведения при обнажении в процессе проходки и поддержания выработок.

Наибольшее распространение при оценке устойчивости горных выработок в России и за рубежом получили механические теории, в рамках которых прочность пород определяется уровнем их напряженно-деформированного состояния. Теории прочности представляют собой гипотезы о критериях, определяющих условия перехода породы в предельное состояние.

В качестве оценки устойчивости пород вокруг выработок в условиях кимберлитовой трубки «Удачная» авторы использовали теорию прочности Хоука – Брауна, имеющую для трещиноватого скального массива следующий вид [1]:

где и – соответственно максимальные и минимальные главные напряжения в предельном состоянии;

– постоянная m для скального массива;

s и a – параметры скального массива, зависящие от индекса GSI.

Данная теория позволяет более эффективно учитывать возможные механизмы разрушения в подземных выработках, что весьма важно для оценки устойчивости обнажений и выбора крепи.

В качестве параметра, характеризующего влияние трещиноватости теории Хоука – Брауна, используется геологический индекс прочности горных пород GSI (ранее эту цель выполнял рейтинговый показатель RMR) [2]. Он связывает постоянные для ненарушенного скального грунта и массива, а также позволяет рассчитать параметры s и a по формулам:

где D – коэффициент учета ухудшения свойств скального массива, вызванного нарушениями в результате проходки подземного сооружения.

Благодаря критерию прочности пород Хоука – Брауна стало возможным обоснованное определение зон разрушения вокруг подземных выработок при использовании численного моделирования с учетом геологических и геомеханических характеристик массива.

С целью прогнозной оценки устойчивости подготовительных и нарезных выработок, проводимых в массиве руд Западного рудного тела (ЗРТ) и Восточного рудного тела (ВРТ), а также во вмещающих породах известняково-доломитовой толщи (ИДТ) в условиях трубки «Удачная», лабораторией геотехнологии и горных технологических процессов ОАО «Уралмеханобр» был разработан и просчитан ряд математических моделей. В качестве основных моделей, подлежащих последующей оценке, выступили поперечные геологические разрезы подготовительных и нарезных выработок горизонта -365 м: траншейные штреки, погрузочные заезды и доставочные штреки, пройденные по ЗРТ и ВРТ; кольцевые орты и доставочные орты, пройденные по ИДТ. Общий вид моделей, поперечных геологических разрезов подготовительных и нарезных выработок горизонта -365 м представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид моделей, поперечные геологические разрезы подготовительных и нарезных выработок горизонта -365 м: а – ВРТ; б – ЗРТ; в – ИДТ

Для задания геологических характеристик кимберлитов ВРТ и ЗРТ, а также пород ИДТ трубки «Удачная» в математические модели были внесены рассчитанные значения показателей s, a, и m_b – эмпирические составляющие теории прочности массива Хоука – Брауна.

Значение вертикальной составляющей (σ_z) тензора напряжений, действующих на горизонте -365 м после выемки карьера до проектной отметки -320 м, принято равным для ЗРТ – 8,4 Мпа, для ВРТ – 6,5 МПа и для ИДТ – 6,6 МПа. Значения горизонтальной широтной и меридиональной составляющих (σ_y, σ_x) тензора напряжений при моделировании приняты равными для ЗРТ – 3,4 Мпа, для ВРТ – 2,6 МПа и для ИДТ – 2,6 МПа. Все вышеперечисленные значения тензора напряжений являются расчетными величинами, полученными в ходе моделирования технологии отработки системами принудительного обрушения в условиях трубки «Удачная». Математическое моделирование выполнено методом конечных элементов в программе Phase2 8.0.

Основными прогнозными показателями для оценки устойчивости массива в подготовительных и нарезных выработках при пластическом анализе служат фактор прочности пород (Strength Factor) и общие смещения (Total Displacement). Фактор прочности представляет собой отношение возможной прочности горной породы к вызванному напряжению в рассматриваемой точке.

На рис. 2–3 представлены рассчитанные величины фактора прочности с указанием границ его областей и общих смещений пород вокруг пройденных выработок при GSI = 60 (среднеустойчивые породы).

Рис. 2. Фактор прочности пород ВРТ, ЗРТ и ИДТ подготовительных и нарезных выработок на горизонте -365 м в среднеустойчивых массивах (GSI = 60):

а – для ЗРТ, б – для ВРТ, в – для ИДТ

Рис. 3. Общие смещения пород ВРТ, ЗРТ и ИДТ подготовительных и нарезных выработок на горизонте -365 м в среднеустойчивых массивах (GSI = 60):

а – для ЗРТ, б – для ВРТ, в – для ИДТ

Величина фактора крепости при моделировании получилась равной 1 и 2. При пластическом анализе фактор прочности не может быть меньше 1. Это означает, что в области со значением фактора крепости, равным 1, происходят деформационные нарушения (растягивающие и касательные). На рис. 2 красными X обозначают касательные нарушения и 0 обозначают растягивающие нарушения. При моделировании было рассчитано количество деформированных конечных элементов пород: для кимберлитов ЗРТ = 478, для кимберлитов ВРТ = 332, для ИДТ = 200.

На рис. 3 красными стрелками обозначают направления действия векторов деформаций. Величина общих смещений при моделировании получилась для ЗРТ – 6 мм, для ВРТ – 4 мм, для ИДТ – 1 мм.

Для оценки устойчивости массива ВРТ в подготовительных и нарезных выработках с креплением и без него в модель была внесена комбинированная крепь (анкера + фиброторкрет-бетон). На рис. 4–5 представлены рассчитанные величины фактора прочности с указанием границ его областей и общих смещений пород вокруг пройденных выработок при GSI = 5 (весьма неустойчивые породы).

Рис. 4. Фактор прочности пород ВРТ подготовительных и нарезных выработок на горизонте -365 м без крепления и с применением крепи в весьма неустойчивых массивах:

а – без крепи; б – комбинированная крепь (анкера+фиброторкрет-бетон)

Рисунок 5. Общие смещения пород ВРТ подготовительных и нарезных выработок на горизонте -365 м без крепления и с применением крепи в весьма неустойчивых массивах:

а – без крепи; б – комбинированная крепь (анкера+ фибро торкрет бетон)

После крепления выработок в весьма неустойчивых породах анкерами в сочетании с фиброторкрет-бетоном размер региона, окруженного контуром фактора прочности, равного 1, значительно уменьшился по сравнению с состоянием пород без установки крепи. Количество деформированных конечных элементов для весьма неустойчивых пород без крепления для кимберлитов ВРТ = 907. Количество деформированных конечных элементов для весьма неустойчивых пород с креплением выработок комбинированной крепью (анкера + фиброторкрет-бетон) для кимберлитов ВРТ = 798. Из получившихся расчетов видно, что при креплении выработок в весьма неустойчивых породах комбинированной крепью (анкера + фиброторкрет-бетон) количество деформированных конечных элементов становится меньше на 109 по сравнению без установки крепи.

Величина общих смещений в весьма неустойчивых массивах выработок горизонта -365 м без крепления при моделировании получилась для ВРТ – 17 мм. Значение общих смещений в весьма неустойчивых массивах с креплением выработок горизонта -365 м анкерами в сочетании с фиброторкрет-бетоном при моделировании получилось для ВРТ – 15 мм. Из получившихся расчетов видно, что при креплении выработок в весьма неустойчивых породах комбинированной крепью (анкера + фиброторкрет-бетон) величина прогнозных общих смещений уменьшается на 2 мм по сравнению без установки крепи.

Таким образом, теория Хоука – Брауна позволяет проводить количественную и качественную оценку устойчивости выработки при заданных геологических и геомеханических условиях вмещающего массива, а также определять оптимальные параметры крепления данной выработки с учетом применения различных видов крепи, шага установки анкеров, толщины фиброторкрет-бетона и т. д.

Библиографический список