Перспектива развития Криворожского бассейна по разработке мощных крутопадающих месторождений в интервале глубин 1500-3000 м связана с применением высокопроизводительного самоходного и соответственно крупногабаритного бурового и погрузочно-транспортного оборудования. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок площадью поперечного сечения до 20 м2 рационально с применением устойчивой формы, а при необходимости и с установкой саморегулируемого анкерного крепления. При расчете устойчивого контура выработки минимальное значение λ принимают равным 0,5. Если λ < 0,5 то давление пород на крепь существенно возрастает. В этом случае возможно пучение пород в почве выработки, что вынуждает придавать обнажению массива форму полного эллипсоида и крепить податливыми металлическими окладами, установленными через 0,2-0,5 м, или монолитным бетоном. Результаты моделирования устойчивой формы выработки и применения традиционного для рудных шахт и нового - инновационного саморегулируемого крепления сведены в табл. 4.3.
Предложенная методика выбора нового типа крепления реализуется в соответствии с принципом противодействия крепи давлению вмещающих пород. То есть при увеличении глубины заложения выработки увеличивается объем пород, который необходимо поддерживать. Частично (до 10%) нагрузку возможно снизить за счет придания устойчивого контура обнажениям массива, а остальная часть нагрузки поддерживается за счет установки самой крепи. Чем выше величина нагрузки, тем сложнее и дорогостоящее конструкции применяемых крепей. Усложнение горнотехнических условий до настоящего времени вызывало адекватное изменение конструкций крепей лишь с целью минимизации затрат. Проблема использования энергии объемного сжатия пород как основного ресурса в повышении эффективности эксплуатации горных выработок, качества их крепления и поддержания на сегодня оставалась нерешенной.
Благодаря системному исследованию феномена зонального капсулирования горных выработок, аналитическому описанию картины самоорганизации нарушенного выработкой массива открывается возможность использования нового принципа в технологии крепления и поддержания горных выработок. Инновационный принцип практически исключает влияние глубины проведения выработок на себестоимость их крепления. Сущность его состоит в том, что большая часть нагрузки на крепь, создаваемая за счет давления подработанной толщи (конвергенции), уравновешивается нагрузкой от развития процессов дивергенции, путем использования саморегулируемых анкерных и комбинированных крепей. Возможные глубины использования предлагаемого технологического решения тесно связаны с процессом зонального капсулировання, т.е. образованием второй и последующих энергетических зон вокруг выработок. Опираясь на полученные результаты исследований, автором разработана методика расчета паспорта крепления подготовительных выработок с использованием энергии горного давления.
1. Длина анкеров:
- для кровли и почвы выработки при малом радиусе закругления контуров, м
- для боков выработки при большом радиусе закругления контуров, м
где ln - длина выступающей из шпура части анкера, зависящая от его конструкции и толщины опорно-поддерживающих элементов, равная 0,05-0,2 м.
3. Плотность расстановки анкеров определяется по формуле (4.3), в которой Pe - периметр выработки эллипсоидной формы, м
где V - объем массива, заключенная в приконтурной энергетической зоне, которая находится как среднее значение сумм разностей между вертикальной полуосью зоны а и половиной высоты выработки 0,5h, и между горизонтальной полуосью зоны b и половиной ширины выработки 0,5d, м
4. Расстояние между анкерами определяется по формуле 4.4, где Pa - несущая способность анкера, определяется принимается из таблицы.
После определения основных параметров разрабатывают паспорта крепления подготовительной выработки согласно расчетной схемы (рис. 4.7).
Так как действия радиальных напряжений направлены в геометрический центр выработки, бурение шпуров и, соответственно, установка анкеров, производятся от центра выработки под соответствующими углами к контуру обнажения массива. Почва выработки формируется за счет балласта или бетонирования нижней части с укладкой по центру систем водоотливных конструкций (лотки с крышками, перфорированные трубы, опалубка). Во избежание отслоения мелких кусков руды и породы при проведении выработок в трещиноватых горных породах и рудах применяют комбинированное крепление - анкера с сеткой «Рабица», просечными листами, армакартами и т.д. Сетку или другие поддерживающие конструкции необходимо располагать по контуру выработки, в кровле и боках на длину до 80% закрепляемого участка, и закреплять анкерами. В случае пересечения выработкой напластования руды и пород анкера необходимо располагать под углом перпендикулярно напластованию, что приведет к увеличению их длины на 20 - 30%. Необходимая длина анкера, который устанавливается под углом, перпендикулярном к напластованию, следующая, м
ly = la sinα,
где α - угол напластования пород или падения залежи, град.
Для крепления напряженных пород целесообразно применение анкеров нового поколения, т.е. удлиненных анкерных болтов с расположением замка в центре зоны термодинамического дисбаланса энергии. Это позволяет выполнять условие активного противодействия разрушению массива за счет использования упругой энергии массива. При этом уравновешивается энергия растяжения пород на обнажении очистной или подготовительной выработки с энергией сжатия в глубине массива. Это позволяет увеличить рациональные глубины применения анкерного и комбинированного крепления подготовительных выработок, а также исключить применение дорогостоящих рамных или бетонных крепей в подготовительных выработках. При этом основным элементом такой крепи является конструкция самого анкера и замков, которые закладываются в зоне активного сжатия, а не просто за пределами области деформирования пород. Конструкция и параметры отдельных элементов саморегулируемого анкера представлены на рис. 4.8.
Длина обсадочной трубы 3, определяется для вертикальных и горизонтальных обнажений массива пород и закладки:
- вертикально устанавливаемых анкеров, м
- горизонтально устанавливаемых анкеров, м
где n - зона термодинамического дисбаланса энергии, имеющая наивысшую жесткость упругой энергии, т.е. предпоследняя зона в предохранительной капсуле.
Длина части шпура, свободной от обсадки 4, замка анкера 5 и свободной забойной части 6 определяются по идентичной формуле:
- вертикально устанавливаемых анкеров, м
- горизонтально устанавливаемых анкеров, м
Конструкция анкера (см. рис. 3.8) позволяет двигаться болту 1 внутри обсадочной трубы 3 за счет установки замка в зоне максимальных сжимающих напряжений, направленных в обратную сторону от выработки. Данная конструкция позволяет уравновесить до 86% энергии, расходуемой массивом на разрушение контура выработки за счет противодействия упругой энергией дивергенции массива.
- Устойчивая форма забоя и сечения выработок для шахт ПАО «КЖРК»
- Временное крепление забоя выработок для шахт ПАО «МГОК»
- Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления
- Исследование параметров капсулирования выработок энергетическим методом
- Моделирование состояния ненарушенного массива энтропийным методом
- Разработка принципов и требований к синергетическим методам исследования зонального капсулирования горных выработок
- Моделирование зональной напряженности массива аналитическими методами
- Лабораторные исследования параметров зон на физические моделях
- Выявление зонального разрушения массива натурными методами
- Определение физических свойств горных пород в условиях залегания