авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ имени Н.С. Полякова ГЕ ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА GE TECHNICAL MECHANICS ...»

-- [ Страница 2 ] --

С увеличением степени метаморфизма угля возрастает количество образо вавшегося в нем метана (объем образовавшегося метана может в несколько со тен раз превышать объем угля). Сорбционная способность увеличивается с по вышением степени метаморфизма угля. Сорбционная способность углей значи тельно выше, чем пород.

Пористость является одним из факторов, определяющим количество газа, находящегося в веществе в свободном и сорбированном состоянии. Пористость углей месторождений СНГ находится в пределах от 1 до 15 %, пористость по род – от 0 до 60 % (туфы).

В процессе метаморфизма в углях (диапазон от длиннопламенных до антра цитов) образуется от 150 до 250 м3 метана на 1 т угля. Сохранение метана в уг леносных отложениях и соотношение между его количеством в свободном и сорбированном состояниях зависят от температуры, глубины залегания, порис тости и других факторов [4].

Сорбционная способность углей увеличивается с повышением их степени ме таморфизма. С увеличением температуры сорбционная способность углей умень шается и при температурах 150-200°С угли полностью теряют эти свойства.

Большие количества газообразного метана при высоких температурах соз дают в угленосных отложениях весьма высокое газовое давление, под влиянием которого метан устремляется через толщу пород к земной поверхности. В этом случае пласты угля оказываются негазоносными. Вековое движение метана из недр к поверхности и движение воздушных и биохимических газов в обратном направлении привели к образованию в земной коре четырех газовых зон: азот нокислых, азотных, азотнометановых и метановых газов [4].

Газоносность угольных пластов и горных пород на угольных месторожде "Геотехническая механика" ниях меняется в широких пределах в зависимости от геолого-тектонического строения и возраста месторождения, масштабов угленасыщения разреза, степе ни катагенеза пород и углей, коллекторских свойств пород, их дислоцирован ности и множества иных факторов. В результате механического воздействия на угольный пласт происходит дробление не только угольного вещества, но и ми неральных включений, которые, на наш взгляд, и, по мнению ряда исследова телей, являются природными катализаторами процесса генерации метана уголь ным веществом.

Образование угля и накопление метана происходило в течение сотен миллио нов лет из растительных и органических остатков в сопровождении и при уча стии воды (водных растворов электролитов) при высоких колебаниях давления и температуры. Физические и структурные особенности углей и пород во многом унаследовали свойства воды и ее молекул с аномальными водородными связями (ВС). В процессе метаморфизма, в соответствии с термодинамическими усло виями, произошла литификация углей. Последние приобрели высокую порис тость (от 10-10 до 10-4 м) и сорбционную способность удерживать энергетически на поверхности частиц, стенках пор и трещин за счет ВС молекулы воды и мета на. Этому способствовала большая удельная поверхность, в среднем 200 м2/г, или, другими словами, 1 м3 угля может сорбционно удерживать более 54 м3 ме тана, что эквивалентно 55-60 л высокооктанового бензина.

Сорбционно удерживаемая вода и метан представлены в твердом (ледопо добном), жидком и газообразном состояниях в зависимости от удерживающих энергобарьеров. Вода является хорошим растворителем газов. Согласно закону В. Генри растворимость газов прямо пропорциональна росту давления. Так что в естественных условиях с глубиной давление в воде нарастает, и это способст вует накоплению и растворению в воде не только метана, но и других газов.

Уголь и порода оказываются буквально пропитанными водой и газами, заклю ченными в пленках между частицами на стенках пор и трещин. Образующиеся сорбционно монослои воды на поверхности частиц, стенках пор и трещин удерживаются с различными энергобарьерами, которые соответственно уста навливаются, отвечая величинам внешних нагрузок от вышеизложенных слоев – толщ грунтов и пород. Внешнюю нагрузку воспринимает не твердая фаза (уголь-порода), а вода с газами в пленках.

Особенно это проявляется при достижении подобными аморфными систе мами равновесных состояний, т.е. когда все активные центры, способные через ВС удерживать молекулы воды и газа, находятся в скомпенсированном состоя нии. Силы, удерживающие первые монослои молекул воды и газа поверхностью частиц, составляют несколько десятков тысяч атмосфер. В последующих моно слоях давление постепенно, от слоя к слою, уменьшается до давления внешней нагрузки на рассматриваемой глубине. Получается вроде слоеного пирога из монослоев воды с газом с различными энергетическими потенциалами. В ре зультате действия электростатических сорбционных сил молекулы воды и газа подвержены огромному сжатию, при этом возникает тепловой эффект в виде теплоты сорбционного смачивания-набухания.

Выпуск № Надо подчеркнуть, что при подземных разработках человеку приходится иметь дело с небольшими давлениями в сравнении с вышеупомянутыми сорб ционными. Здесь не случайно затронуты протекающие при взаимодействии с водой глинистых грунтов и пород энергетические явления. Последние объеди няют и позволяют научно объяснить многие процессы в подобных средах.

Процесс генерации метана в угольном веществе может ускоряться за счет влияния минеральных веществ, являющихся, по сути, катализаторами процесса образования метана. Вероятнее всего, существует ряд таких минералов катализаторов, которые ранее не исследовались в данном направлении. Поэто му данные об их наличии в угольном веществе, об их фазовом состоянии до и после выброса и их гранулометрическом составе (как следствия деформации горного массива) могут дать новый качественный толчок к пониманию процес са генерации метана угольным веществом в результате техногенного воздейст вия на горный массив, а также для использования этих данных в разработке но вых методов прогнозирования выбросоопасности углей.

С точки зрения изучения газоносности угольных пластов весьма важна оценка роли микро или молекулярных пор в общем объеме порового простран ства. В результате выполненных исследований [5] сделан вывод, что учет мета на, находящегося в закрытых порах, позволяет уточнить представление о зна чении газоносности угольных пластов в сторону увеличения. Понимание роли закрытой пористости в пластах угля и в породах вносят существенные коррек тивы в картину развития внезапных выбросов угля, и его количественные оцен ки имеют важное значение для прогноза добычи и использования метана угольных месторождений.

Установлено, что к геологическим факторам, которые оказывают влияние на увеличение газоносности угольных пластов и содержания в них свободного ме тана, относится наличие локальных структур. В таких структурах локальные отклонения газоносности от регионального фона достигают 5-8 м3/т, а содержа ние свободного метана - 20-35 %. Такие участки следует считать наиболее пер спективными для первоочередной добычи метана из угольных пластов. К гео логическим факторам, которые способствовали дегазации угольных пластов, относятся наличие крупно - и среднеамплитудных разрывов, а также присутст вие в непосредственной кровле пластов толщ песчаников. Эти участки наиме нее перспективны для добычи метана [6].

Отмечено, что газоносность угленосной толщи или отдельных ее слоев во многом зависит от гидрогеологических условий. В Челябинском бассейне во доносными являются угли, песчаники, конгломераты, которые разделены водо упорными аргиллитами и алевролитами. Невыдержанность слоев по простира нию, частая перемежаемость, выклинивание и расщепление, многопачечное строение пластов создают условия для гидравлической взаимосвязи отдельных водоносных горизонтов, поэтому вся толща угленосных отложений рассматри вается как единый водоносный комплекс со слабыми фильтрационными свой ствами (дебит до 2,5 л/с, удельный дебит до 0,8 л/с), коэффициент фильтрации до 0,9 м/сут. Промытость толщи пород создает благоприятные условия для по "Геотехническая механика" гружения как зоны активного водообмена, так и зоны метановых газов. Бли зость водоносного горизонта тоже способствует выносу метана из угольного пласта, снижая в нем газовое давление [7].

С целью оценки содержания внутрипластового метана в угольных пластах проведены исследования по определению содержания метана в угольных пла стах по ряду шахт Японии с использованием метода «потерянного газа» Горного бюро США. Расчеты производились с использованием уравнений Айери и Дар си. Наибольшие значения получены по уравнениям Айери и наименьшие – по уравнениям Дарси. Наиболее достоверные величины дает уравнение Айери, хо тя по некоторым образцам его применение в методе представляется невозмож ным. Таким образом, оценка «потерянного газа» целесообразна с использовани ем уравнений Айери. Если на начальной стадии возможно повторное измерение объемов десорбированного газа, значения оказываются приблизительно равными значениям по уравнению Айери [8].

В выработанном пространстве отмечается интенсивный процесс выделения метана из горючей массы угленосного массива зоны САСТ (глубина залегания зоны от поверхности 695-600 м), который устремляется в выработанное про странство лавы. На этом же участке трассы зонда в области влияния очистных работ в зонах неполного развития трещин и малых расслоений (глубина 600 385 м) интенсифицируются процессы образования метана и воды, которые, оста ваясь в местах их формирования, развивают пористость угленосного массива.

Результаты зондирования угленосного массива методом пассивной магнит но-резонансной локации недр в пространственно-временных координатах еще раз со своей стороны подтвердили обоснованность постулатов о формировании молекул метана и воды при промышленном метаморфизме горючей массы угля и адекватность параметров физико-химических моделей, положенных в основу теории термодинамики угленосного массива. Следует отметить, что теория термодинамики угленосного массива разрабатывалась практически на протя жении XX ст. [9].

С целью оценки времени образования опасных концентраций метана в замкнутых объемах рассмотрен процесс истечения метана из угля в замкнутый резервуар с учетом явлений диффузии и фильтрации. Дан асимптотический анализ решения поставленной задачи. Получено выражение для времени дос тижения опасной концентрации метана в замкнутом объеме в зависимости от параметров системы ископаемый уголь-метан [10].

Изучено влияние положения очистного забоя на размеры зоны обработки пласта гидродинамическим воздействием. Представлены результаты исследо вания изменения свойств угля при помощи ЯМР после гидродинамического воздействия на угольный пласт [11].

Выполненные исследования показывают, что данный вопрос требует даль нейшего скрупулезного изучения, причем на атомномолекулярном уровне с привлечением новейших средств и оборудования.

Выпуск № СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Антощенко Н.И. Метан в угольных пластах / Н.И. Антощенко, В.Д. Шепелевич. - Алчевск: ДГТУ, 2006. 268 с.

2. Колесов О.А. Взрывные работы в шахтах, опасных по внезапным выбросам / О.А. Колесов, В.И. Стика чев. - К.: Техніка, 1987. - 167 с.

3. Гюльмалиев А.М. Расчет метаноносности по петрографическим характеристикам углей и условиям зале гания угольных пластов / А.М. Гюльмалиев, С.Г. Гагарин // Химия твердого топлива. - 2006. - №2. - С. 37-46.

4. Карпов Е.Ф. Природные опасности в шахтах, способы их контроля и предотвращения / Е.Ф. Карпов, Ф.С. Клебанов, Б.Фирчанек. - М.: Недра, 1981. - 471 с.

5. Артеменко Т.К. О выбросах угля, породы, соли, газа в подземных выработках // Технополис. - 2004. №2. - С. 30-32.

6. Приходченко В.Ф. Влияние геологических факторов на изменение газоносности угольных пластов / В.Ф.

Приходченко, Ю.Н. Нагорный, С.Ю. Приходченко // Геология угольных месторождений: Международный на учный тематический сборник. - Вып. 13. Урал. гос. горно-геолог. акад. - Екатеринбург: Изд-во УГГГ. - 2003. С.304-307.

7. Насыров А.У. Влияние геологических факторов на газоносность Челябинского угольного бассейна // Осадоч ные бассейны: закономерности строения и эволюции минерагения. - Екатеринбург: Изд-во ИГиГ УрО РАН. - 2001. С. 86-88.

8. Менжулин М.Г. Фазовые переходы на поверхностях трещин при разрушении горных пород // Докл. АН (Россия). - 1993. - 328, № 3.- С. 305-307.

9. Андреев М.А. Тайны кладовых подземного царства // Энергия инноваций. - 2005. - № 2-3. - С. 24-29.

10. Алексеев А.Д. Оценка времени образования опасных концентраций метана в замкнутых объемах / А.Д.

Алексеев, Э.П. Фельдман, Т.А. Василенко, Н.А.Калугина, Г.П. Стариков // Материалы ХVI Международной конфе ренции «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выра ботках». - Крым, Алушта, 18-24 сентября 2006 г. - С.7-9.

11. Житленок Д.М. Влияние положения очистного забоя на размеры зоны обработки пласта гидродинами ческим воздействием / Д.М. Житленок, К.К. Софийский, Д.П. Силин, Г.П. Стариков, Е.А. Воробьев // Материа лы ХVI Международной конференции «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамиче ские явления в горных породах и выработках». - Крым, Алушта, 18-24 сентября 2006 г. - С. 109-111.

"Геотехническая механика" УДК 622. Черных А.Д., д.т.н., в.н.с ИГН НАН Украины ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВ УСТОЙЧИВЫХ ОТКОСОВ ОТКРЫТО ПОДЗЕМНОГО ЯРУСА У статті запропонована методика визначення кутів стійких укосів відкрито-підземного ярусу. Розроблено графо-аналітичний метод їх визначення. Наведені приклади крутих укосів бортів відкрито-підземного ярусу на рудниках світу.

DETERMINATION OF CORNERS SUSTAINABLE SLOPES OPEN UNDERGROUND LAYER The paper proposed a method of determining the angles of stable slopes open-underground level. A graphical-analytical method to determine them. Examples of the steep slopes of the sides of open-storey underground in the mines of the world.

Для определения предельной устойчивости откосов ОПЯ были использова ны различные методы. На основе апробации расчетных формул для слоистых руд сделаны следующие выводы. Если угол падения рудных слоев р 45°, то угол откоса ОПЯ должен быть равным р. Это условие приемлемо для лежаче го бока залежи.

В этом случае hОПЯ = H 90, (1) 1 ctg у tg р где hОПЯ – глубина ОПЯ, м;

у – угол устойчивого откоса ОПЯ, град;

р – угол сдвига по контактам рудных слоев, град;

H 90 – высота вертикальной трещины от рыва, м.

Значение определяется по формуле Kр р = arctg tg +, (2) н где – угол внутреннего трения по наслоению, град;

K р – величина сцепления по наслоению, МПа;

н – нормальное напряжение по контакту, МПа.

Со стороны висячего бока залежи при подсечке рудных контактов, т. е.

у в, высота откоса ОПЯ 2 K р sin у cos hОПЯ =, ( ) sin у sin ( ) где – плотность руд, т/м3;

– угол внутреннего трения по скальным вме щающим породам, град;

– преобладающий угол падения рудных слоев, град;

в – угол висячего бока залежи, град.

Выпуск № Для условий отработки железистых кварцитов Кривбасса и КМА наиболее достоверной методикой для расчета углов устойчивых откосов ОПЯ является методика, основанная на использовании показателя сдвигаемости Rс (показа тель Куликова В. В.). Преимущество данного показателя состоит в том, что он учитывает весь комплекс физико-механических свойств руд и пород непосредст венно в промышленных условиях действующих карьеров – влагоемкость, тре щиноватость, действие взрывных работ и атмосферных осадков, длительность стояния нерабочих бортов и т. п. На основе многочисленных лабораторных, экс периментальных и промышленных исследований получена корреляционная за висимость между показателем Rс, измеряемом в метрах, и коэффициентом кре пости кварцитов f :

Rc = 11, 28 f. (3) Основываясь на данном показателе устойчивости, выведена эмпирическая зависимость для определения в метрах предельной глубины ОПЯ при открыто подземной разработке железистых кварцитов:

hОПЯ = 0, 46 Rc Ш з, (4) где – средняя ширина залежи, м.

Шз На основе приведенных зависимостей выведены эмпирические формулы для определения углов устойчивых откосов ОПЯ при их симметричном расположе нии и различной крепости отрабатываемых руд:

у = ctg ( 0, 00301 hОПЯ ) (5) при f = 8…9, у = ctg ( 0, 00273 hОПЯ ) (6) при f = 10…12, у = ctg ( 0, 00258 hОПЯ ) (7) при f = 13…14, у = ctg ( 0, 00246 hОПЯ ) (8) при f = 15…16, у = ctg ( 0, 00240 hОПЯ ) (9) при f = 17…19.

"Геотехническая механика" а – по методу алгебраического сложения сил на участке призм активного давления и упора:

– угол откоса борта открыто-подземного яруса, град.;

– угол внутреннего трения, град.;

– угол наклона поверхности скольжения в верхней части борта,град.;

б – по методу А. Д. Черных Рис. 1 – Схемы к расчету устойчивости нерабочих бортов открыто-подземного яруса:

Для сравнения углов откосов открыто-подземного яруса, полученных по различным методикам, приведем пример их расчета по методике ВНИМИ при менительно к Анновскому месторождению кварцитов. Расчет устойчивых уг лов откосов производился с учетом коэффициента запаса устойчивости, равно го 1,3.

Сила сцепления коренных пород в массиве, согласно ВНИМИ, определялась по формуле Cм = Ск + С1 (1 ), (10) где = const – коэффициент структурного ослабления;

Ск – сила сцепления пород по контактам, МПа;

C1 – сила сцепления пород в образце, МПа.

Расчет устойчивости бортов производился по графику плоских откосов и расчетной схеме ВНИМИ при следующих характеристиках железистых квар цитов Анновского месторождения: Cк = 10 МПа, угол внутреннего трения = 26°, = 3 т/м (рис. 1 а). При заданном угле = 65° и высоте борта карьера H = 450 м по графику зависимости между высотой откоса и его углом определим параметры борта. Для этого найдем высоту вертикальной трещины отрыва 20 Cк ctg ( 45 0,5 ) H 90 = (11) и, подставив численные значения, получим:

20 ctg ( 45 13 ) =106 м.

H 90 = Вычислим условную высоту борта карьера:

H H = = 4,2 м. (12) = H 90 Выпуск № Расчеты, полученные для уступов по породам и железистым кварцитам ле жачего бока залежи высотой 100 м, показали, что при угле 67 69° борт сохраня ет устойчивое состояние. Это видно из следующего расчета:

20 ctg ( 45 13 ) = 197 м, H 90 = 3, H = = 2,3 м, а угол устойчивого откоса открыто-подземного яруса составил 68°;

при этом верхняя часть поверхности скольжения лежачего бока совпадала с напластова нием, а ниже имела круглоцилиндрическую поверхность. Угол перелома по верхности на пересечении контактов составил 110°. Расчет производился мето дом многоугольника сил по каждому блоку. Установлено, что при угле падения кварцитных слоев = 70...75° угол устойчивого откоса борта карьера глубиной 450 м, включая глубину ОПЯ, составляет 41°. При 75° угол устойчивости по скальным породам возрастает до 52°.

Для построения устойчивых откосов высоких уступов разработан графоана литический метод, основанный на фактическом состоянии рудных уступов на карьерах. Данный метод предполагает переход от фактического состояния карьерных уступов или сплошных участков бортов карьера без берм к прогнози руемому состоянию уступов значительной высоты с использованием кривой скольжения с постоянным значением радиуса R у (рис. 1 б).

Преимущество данного метода заключается в том, что прогнозная оценка построенных устойчивых откосов высоких уступов основана на учете таких факторов, как влияние буровзрывных работ, трещиноватость, крепость, влаго емкость, т. е. практически всех факторов, влияющих на устойчивость рудного массива в производственных условиях.

Суть метода состоит в следующем. Вначале строят в масштабе карьерный уступ с фактическими параметрами, который длительное время в карьере на ходится в устойчивом состоянии. Целесообразно выбор уступа осуществлять с максимально возможными параметрами – высотой 15–40 м и максималь ным значением угла (85–90°). Затем из точки C1, находящейся на уровне верхней бровки уступа, строят циркулем возможную линию скольжения ФФ, проходящую через верхнюю и нижнюю бровки уступа. После установления значения радиуса кривой R у приступают к построению устойчивых откосов уступов с искомой высотой. Радиус кривой для одного типа руд будет вели чиной постоянной, независимо от высоты уступа. Например, для железистых кварцитов R у = 18,5 см при масштабе 1:1000.

На последующих этапах для установления устойчивого состояния уступа высотой, например, 100 м под этим же радиусом проводят кривую скольжения через верхнюю и нижнюю бровки и соединяют их прямой. Угол, образованный "Геотехническая механика" прямой и горизонталью, и есть угол устойчивого откоса.

Данный метод очень прост, но обладает исключительной достоверностью, потому что учитывает фактическое состояние уступов на карьерах.

Для оценки устойчивости бортов других карьеров необходимо учитывать на пряженно-деформированное состояние обнаженного горного массива. С этой целью были проведены исследования по определению напряженного состояния горных пород в бортах звукометрическим методом с помощью геофонов (пъе зоэлектрических датчиков), который нашел широкое применение на рудниках Кривбасса. С помощью геофонов нельзя определить абсолютную величину на пряжений в горных породах, но можно судить, возникают ли в горных породах напряжения, близкие к разрушающим.

Принцип действия звукометрического метода заключается в том, что с по мощью геофонов улавливаются возникающие в горных породах мельчайшие разрушения. В горных породах при нагрузке, равной 30–50 % разрушающей, появляются звуки с частотой 20–30 раз в минуту. Разрушение образцов начи нается при частоте звуков более 80 раз в минуту. Следовательно, по количеству звуков в минуту можно судить о напряженности горных пород.

Звукометрические замеры производили на Анновском карьере Северного ГОКа соответственно в 25 пунктах наблюдений. Установлено, что частота зву ков находилась в диапазоне 1–9 раз в минуту. При указанной частоте коэффи циент запаса устойчивости равен 2,4–3,6. Обнажения, коэффициент запаса ус тойчивости которых nу 1, считаются устойчивыми. Следовательно, нерабочие борта Анновского карьера находятся в устойчивом состоянии со значительным резервом устойчивости.

Чрезмерная длина ряда карьеров до некоторой степени снижает устойчивость их бортов. Это объясняется тем, что у бортов карьера значительной протяженно сти возникают растягивающие напряжения, которые уменьшают сопротивляе мость пород общему процессу их сдвижения и поперечному срезу, так как горная порода на растяжение работает в 8–10 раз хуже, чем на сжатие.

Практика показывает, что одной из главных причин сползания бортов карье ров даже с пологими углами (10–16°) является слабая осушенность пород и осо бенно наличие напорных вод: слоистые породы смачиваются водой по контакт ным поверхностям и мало сопротивляются срезу. Такие оползни на карьерах про исходят весной после снеготаяния или обильных осенних дождей. Поэтому необ ходим тщательный дренаж горных пород и своевременное принятие мер по пре дупреждению попадания талых вод и осенних дождей в карьер и горный отвод.

Снижают устойчивость бортов карьеров и мощные взрывы, которые сильно сотрясают породы лежачего и висячего боков. Следовательно, если строго учи тывать отрицательные факторы, ослабляющие борта карьера, и принимать ме ры по недопущению их появления, углы откосов бортов карьеров КМА и Крив басса можно уверенно принимать более крутыми.

Практикой установлено, что при благоприятных природных условиях ус тойчивые углы откосов бортов могут быть очень крутыми без оползневых яв лений и при большой глубине карьеров. Это наблюдается при разработке стол Выпуск № бообразных крутопадающих рудных залежей, когда борт в плане имеет конусо или эллипсообразную форму. В этом случае по контурам замкнутого простран ства действуют только сжимающие напряжения, которые позволяют сохранять длительное устойчивое состояние бортов при крутых углах (55–85°). Практиче скими примерами формирования открытых выработанных пространств с кру тыми бортами являются кимберлитовые рудники ЮАР – Балтфонтейн, Ягерс фонтейн, Премьер, а также рудники им. Ленина (Украина), Хаммаслахти (Фин ляндия), Страсса (Швеция). Все это подтверждает, что если нет специфических отрицательно влияющих факторов, углы откосов открытых выработанных про странств могут быть очень крутыми.

"Геотехническая механика" УДК 622.284:678.029. Б.М. Усаченко, М.А. Ильяшов, С.П. Мусиенко, В.Н. Сергиенко К РАЗРАБОТКЕ ГЕОКОМПОЗИТНЫХ ОХРАННЫХ СИСТЕМ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Сформульовано основні принципи використання геокомпозитних конструкцій для ство рення елементів комбінованих охоронних систем гірничих виробок.

TO WORKING OF A GEOCOMPOSIT SECURITY SYSTEMS OF EXCAVATIONS The basic principles of use of geocomposit designs for creation of elements of the combined security systems of excavations are formulated Проблема поддержания горных выработок в сложных горно-геологических условиях имеет два аспекта: технический и экономический. Мировой и отече ственный опыт показал, что основным путем решения технической стороны проблемы является создание комбинированных охранных систем возрастающе го сопротивления, позволяющих поддерживать выработку в безаварийном со стоянии на каждом этапе ее эксплуатации. Особенно актуально это для вы емочных выработок угольных шахт, характеризующихся изменением геомеха нических условий на протяжении всего срока службы.

Элементы комбинированной охранной системы могут быть классифициро ваны по типу их взаимодействия с породным массивом. По указанному класси фикационному признаку они могут быть разделены на три категории. К первой из них относятся элементы, взаимодействующие с массивом по контуру охра няемой выработки. Для элементов второй категории взаимодействие полностью или частично происходит непосредственно в породном массиве. Зачастую они создаются с использованием материалов, обладающих пенетрирующими или адгезионными свойствами. При нанесении на поверхность они или проникают в тело конструкции, или образуют поверхностный слой заданной толщины, сцеп ленный с материалом конструкции. Элементы третьей категории образуют со вместно с обрабатываемым материалом объемную конструкцию.

Наиболее характерным элементом комбинированной охранной системы, от носящимся к первой категории, является рамная крепь. Экономически целесо образные схемы крепления не позволяют достичь распределенной по поверхно сти выработки реакции отпора крепи свыше 0,1 МПа, что в 100-200 раз ниже уровня действующих в массиве напряжений. И на данном этапе и в ближайшем будущем такая крепь будет в условиях больших глубин выполнять в основном ограждающую функцию.

Элементы, относящиеся ко второй и третьей категориям, имеют больше по тенциальных возможностей. Их главная функция сводится к формированию во круг выработки грузонесущей оболочки. Одним из перспективных направлений для решения данной задачи является создание искусственных геокомпозитных структур.

Выпуск № Решение задачи комплексного применения перечисленных выше элементов с учетом их взаимного влияния в пространственно- временном континууме соз дает предпосылки для разработки конструктивных и технологических парамет ров применения искусственных геокомпозитных структур для крепления гор ных выработок, подземных и заглубленных объектов различного назначения.

По определению композитные (композиционные материалы) – это гетеро генные системы, состоящие из двух или более фаз, причем размеры включений одних компонентов в другие должны быть на макроскопическом уровне [1].

Основная среда носит название матрицы, а включения часто называют арми рующими элементами. Если матрицей является геосреда, то подобный объект носит название геокомпозит.

Термин «геокомпозит» в настоящее время ассоциируется преимущественно со специальными средствами укрепления грунта и выветрелого скального мас сива в строительстве [2-4]. В широком смысле понятие «геокомпозит» подра зумевает армированный грунтовый или скальный массив. В информации ком мерческого и рекламного характера под геокомпозитами (геокомпозитными конструкциями) понимают более узкую категорию объектов – сами армирую щие элементы в виде сеток, решеток и т. п. Сведения о применении некоторых видов геокомпозитов в наземном строительстве представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Применение геокомпозитных материалов в наземном строительстве Сфера Назначение Наименование Фирма применения материала материала производи тель гидротехническое обустройство дренажных геополотно «Пинема» ОАО строительство сооружений «Пинема»

(Беларусь) дорожное строи- укрепление выветрелых георешетка ENKAMAT-S AKZO тельство скальных откосов (США) укрепление дорожного георешетка ГЕО ОР МИАКОМ полотна (Россия) георешетка Tensar SS. Tensar international (США) промышленное и укрепление грунта под георешетки и Maccaferri ParaGrid гражданское промышленными объек- MacGrid WG, высокопроч- (Велико строительство тами и коммуникациями ный геосинтетик ParaLink британия) Непосредственное использование технологий укрепления породного масси ва с применением геокомпозитов, апробированных для наземного строительст ва, неэффективно, а в ряде случаев и невозможно. Необходимо учитывать осо бенности использования геокомпозитов на подземных объектах:

ограничение технологического оборудования по массогабаритным показа телям и необходимость использования его для шахт, опасных по газу и пыли, в искровзрывобезопасном исполнении;

"Геотехническая механика" возведение и эксплуатация геокомпозитных конструкций в агрессивной шахтной среде;

повышенные требования к негорючести и нетоксичности геокомпозитной конструкции в целом или отдельных ее компонентов;

относительно небольшой срок эксплуатации (например, при креплении од норазово используемых подготовительных выработок).

В классической композитной структуре управление ее свойствами осущест вляется подбором характеристик матрицы и армирующего элемента. Примени тельно к геокомпозитам возможности такого управления сужаются, поскольку матрица-геосреда уже обладает заданными природой свойствами и зачастую не такими, какие были бы необходимы для создания эффективной геокомпозитной системы. У специалистов имеется только возможность выбора параметров ар мирования, которая также ограничивается технологическими возможностями в силу специфики подземного объекта.

По конструктивному признаку элементы армирования можно разделить на линейные, плоские и объемные. К линейным относят жесткие или гибкие еди ничные элементы с преобладающим значением одного измерения над двумя остальными. Типичным представителем этой категории являются анкера. К плоским конструкциям, которые также бывают гибкими или жесткими, отне сены двумерные армирующие элементы. Такие конструкции носят название «геотекстили», «геоматы» или «георешетки». Их выпуск налажен промышлен ностью (см. табл. 1). Плоские конструкции заводского изготовления поставля ют к месту установки в виде полос или рулонов. Объемные упрочняющие кон струкции выполняют с использованием элементов заводского изготовления по месту установки. Как правило, они изначально являются жесткими и предпола гают работу в условиях сложных видов нагружений.

Всем композитным материалам, в том числе и геокомпозитам, присуща не аддидитивность свойств составляющих компонентов. Правильно подобранная геокомпозитная система должна быть лучше по комплексу характеристик, чем взятые по отдельности матрица и элементы армирования. В большинстве слу чаев доминирующими факторами оценки качества геокомпозитной конструк ции являются ее деформационно-силовые параметры.

Важнейшей характеристикой, определяющей стабильность свойств компо зитных материалов в течение всего времени ее эксплуатации, является тип взаимодействия между матрицей и армирующими элементами. Выделено три основных типа взаимодействия:

первый – матрица и армирующий элемент взаимно не реакционноспособны и не растворимы;

второй – матрица и армирующий элемент взаимно не реакционноспособны, но растворимы;

третий – армирующий элемент и матрица реагируют с образованием хими ческого соединения на поверхности раздела.

Применительно к геокомпозитам второй тип взаимодействия между матри цей и армирующим элементом отсутствует. Наиболее характерным для геоком Выпуск № позитных систем является первый тип взаимодействия между их элементами.

Протекания коррозионных явлений на поверхности металлических армирую щих элементов с учетом агрессивной шахтной среды всегда имеет место. Одна ко учитывать данное явление, переводящее геокомпозитную структуру в третий тип, необходимо только при условии ее длительной эксплуатации.

Свойства геокомпозитов помимо физико-механических свойств армирую щих элементов определяются также их формой. Наиболее простой формой яв ляются гранулы. Гранулирование слабых грунтов используется чаще всего в дорожном строительстве, а в скальных массивах, что характерно для шахтных условий, оно неприменимо.

Наиболее представительной является группа геокомпозитов с армирующи ми элементами в виде волокон. Термин «волокно» следует понимать в широком смысле, как одномерный объект. По величине отношения длины к диаметру они могут быть длинные (L 100 d) и короткие. (L 100 d). По степени жестко сти волокна могут быть гибкие и жесткие. В последнюю категорию попадают армирующие элементы в виде стержней, например анкера или шпуры в пород ном массиве, заполненные отвердевшим высокопрочным искусственным мате риалом.

По своему функциональному назначению геокомпозитные материалы мож но разделить на три категории: силовые, несиловые и специального назначения.

Силовые геокомпозиты, характеризуются как правило, направленным армиро ванием, позволяющим получить высокую жесткость при действии сжимающих или растягивающих усилий в определенных направлениях. Несиловые геоком позиты имеют преимущественно стохастическое армирование и соответственно изотропны. Они предназначены для выполнения ограждающей функции. Гео композиты специального назначения должны обладать особыми эксплуатаци онными свойствами для конкретных условий, например, низкой фильтрацион ной способностью, огнеупорностью, стойкостью к воздействию агрессивного раствора и т. п.

Наибольший интерес для горной промышленности представляют силовые геокомпозиты. Важнейшей характеристикой силовой геокомпозитной конст рукции является начальная разрушающая нагрузка. Эффективность использо вания геокомпозитной системы тем выше, чем выше отношение величины ука занного параметра к эквивалентной структуре, состоящей полностью из мате риала матрицы. Учитывая, что в условиях больших глубин охранные конструк ции работают в запредельном режиме деформирования, принципиально необ ходимой является также информация о механизме разрушения геокомпозитной структуры на данном участке нагружения. Крайними случаями являются хруп кое разрушение и пластическая деформация без изменения объема. К хрупким композитным материалам относится, например, большинство стеклопластиков.

Возможное применение хрупких геокомпозитов (и композитов вообще) в шахтных условиях весьма ограничено.

Реальные деформации контура горной выработки на неблагоприятных уча стках могут уменьшать ее поперечное сечение до 50 %. В этой связи перспек "Геотехническая механика" тивным направлением является создание геокомпозитных структур, способных при высоких прочностных характеристиках пластически деформироваться без значительного накопления внутренней упругой энергии и существенно не те рять несущей способности при относительных линейных деформациях хотя бы до 20 -30 %.

Силовые геокомпозитные конструкции в настоящее время создаются пре имущественно с целью упреждения расслоений кровли в горных выработках.

Накоплен значительный опыт реализации указанных структур с использовани ем анкеров, применяемых как самостоятельно, так и в комбинации с рамной крепью [5]. Указанная комбинированная охранная система эффективно работа ет при наличии слоистой кровли при условии, что каждый из слоев сохраняет несущую способность.

Эксплуатационные характеристики геокомпозитной структуры характеризу ется степенью механической связи матрицы и армирующих элементов. При умеренных статических нагрузках происходит совместная деформация матри цы и армирующих элементов без скачков на поверхности раздела. В случае ис пользования армирующих элементов линейного типа, какими и являются анке ра, оптимальный характер нагружения геокомпозитной структуры – в направ лении армирования. Исследования показали, что при такой схеме нагружения в пределах упругой области материала матрицы поперечные напряжения на гра нице раздела сред незначительны. Описанная геомеханическая ситуация имеет место при поддержании подготовительных выработок задолго до подхода лавы.

На участке сопряжения «штрек-лава» и после прохода лавы вследствие асимметрии нагрузок в созданной над выработкой геокомпозитной структуре возникают напряжения, направленные под углом к элементам армирования, близким к нормали. Выполненные американскими специалистами исследова ния, ссылка на которые дана в работе [6], показали, что при небольшой концен трации высокопрочных армирующих элементов в более слабой матрице напря жения на границе сред двух материалов при поперечном нагружении геокомпо зитной конструкции выше, чем при продольном. Локальные очаги напряжений в дальнейшем становятся источниками формирования макротрещин, число и размеры которых необратимо увеличивается. Эффективность работы анкерной системы в условиях полученной блочно-структурированной кровли заметно снижается.

В этой же работе [6] описаны результаты лабораторных исследований ком позитных материалов с различными характеристиками, которые позволили ус тановить, что при наличии поперечных усилий, приложенных к композиту с линейно ориентированными армирующими элементами, существует оптималь ная их концентрация. Ее превышение приводит не к повышению прочности, а к ее снижению за счет существенного возрастания концентрации напряжений на границе раздела сред и последующего образования трещин. Все вышесказанное следует трансформировать и применительно к анкерно-породной конструкции – начиная с некоторого предела дальнейшее добавление анкеров становится не эффективным.

Выпуск № Геокомпозитные структуры с использованием анкеров обеспечивают «сши вание» или «подвешивание» породных слоев. Однако результаты исследований по динамике развития зон неупругого деформирования в кровле выработки при подходе лавы, выполненные с использованием глубинных реперных станций, показали наличие развивающихся расслоений в массиве на удалении от контура выработки до 6 - 8 м. Указанная величина значительно превышает рациональ ную глубину анкерования. При неблагоприятных условиях существует опас ность существенного вертикального перемещения цельного заанкерованного породного блока.

Более широкими эксплуатационными возможностями, особенно в условиях блочно-структурированной кровли, обладает геокомпозитная система, бази рующаяся на использовании анкерной стяжной крепи [7]. Конструкция такой крепи иллюстрируется рис. 1.

1 2 1 – анкер, 2- стяжка, 3 – подкладка Рис. 1 – Конструкция анкерной стяжной крепи Применение анкерной стяжной крепи (АСК), отличающейся от анкерной механизмом работы, позволяет получить более устойчивое состояние над сво дом выработки. АСК создает в породном массиве эффект самозаклинивания в своде.

"Геотехническая механика" Анкерная стяжная крепь может работать как самостоятельная охранная кон струкция, однако эффективней ее преимущества реализуются в комбинации с рамной крепью. Применение АСК для усиления рамной крепи обеспечивает:

формирование над выработкой плитно-балочного породного перекрытия, что создает предпосылки для равномерного распределения нагрузок на арку;

повышение сцепления между слоями пород и создание дополнительного подпорного напряжения по нормали к плоскости слоистости, чем обеспечива ется повышение межслоевой прочности массива;

уменьшение изгибающих моментов в слоях пород со стороны лавы и изги бающих перемещений за счет увеличения мощности пород и исключения скольжения по поверхностям сдвига;

улучшение условий поддержания сопряжения «штрек-лава» при демонтаже стоек рам крепи для передвижения забойного конвейера.

Принципиальным недостатком АСК является ее невысокая податливость.

Это затрудняет совместную работу анкерной стяжной крепи с более податли вой арочной крепью. Для преодоления указанного недостатка авторами разра ботана конструкция податливой анкерной стяжной крепи, позволяющая полу чить распределение нагрузок на раму и геокомпозитную структуру, мало изме няющееся в широком диапазоне деформаций. Она представлена на рис. 2.

1 2 3 s s 1 – рама, 2 – канат, 3 – анкер, 4 - фиксатор Рис. 2 – Общая схема продольной податливой анкерной стяжной крепи (вид в плане) Выпуск № Отличительными особенностями крепи являются:

простота конструкции;

принципиально неограниченная податливость крепи, что обеспечивает ее совместную работу с рамой во всем диапазоне деформаций;

отсутствие сварных соединений;

отсутствие ограничений на количество и расположение линий АСК;

отсутствие жестких требований к величине базы между анкерами АСК;

отсутствие в конструкции специального элемента для натяжения каната.

Вид крепи в проекции на вертикальную плоскость вдоль оси выработки представлен на рис. 3.

1 2 3 1 – рама, 2 – канат, 3 – анкер, 4 - фиксатор Рис. 3 – Общая схема продольной податливой анкерной стяжной крепи (вид в вертикальной плоскости вдоль оси выработки) Для подхвата арок, расположенных с шагом s, используются отрезки каната, возможно бывшего в употреблении, причем длина отрезков может быть произ вольной, но не менее 1,5 s. Тип каната выбирают из расчета, чтобы его разрыв ное усилие составляло не менее 250 кН. Представление об ориентировочных массогабаритных характеристиках канатов, выдерживающих указанное усилие при минимальном для данного типа диаметре, дает табл. 1.

Таблица 1 – Характеристики некоторых типов канатов Тип каната Стандарт Диаметр, Разрывное усилие, Погонная масса, мм кН кг/м ЛК-Р ГОСТ 2688-80 22,5 251 1, ЛК-О ГОСТ 3077-80 20,5 263 1, ЛК-З ГОСТ 7667-80 19,0 266 1, SK 1222 ISO 2408 22,0 268 1, SK 2022 ISO 2408 22,0 288 1, SK 3000 ISO 2408 20,0 257 1, SK 6019 ISO 2408 19,0 280 1, "Геотехническая механика" В промежутках между рамами канат защемляется с помощью фиксатора, за крепленного на анкере. Отличием данной конструкции от известных техниче ских решений является, то, что фиксатор выполнен в виде узла сухого трения и допускает возможность перемещения каната относительно фиксатора при оп ределенном, приложенном к канату, усилии. Указанное усилие должно быть меньшим разрывного на 20 – 30 %.

При деформировании рам происходит натяжение каната в промежутке меж ду соседними анкерами. Режим сухого трения каната в фиксаторе обеспечивает податливость стяжки при сохранении примерно постоянного усилия натяже ния. Для возможности удлинения частей каната между смежными анкерами, он имеет концевые незащемленные участки, выпущенные в выработку.

Продольная анкерная стяжная крепь может располагаться в несколько ря дов, параллельных оси выработки. При этом получаем объемную комбиниро ванную охранную конструкцию, объединяющую преимущества геокомпозит ной структуры и рамной крепи. В известных схемах крепления рамы и распо ложенные между ними геокомпозитные ячейки работают независимо. Это обу славливает различную степень нагруженности отдельных элементов охранной системы. К тому же распределение нагрузок на крепление вдоль выработки в принципе является неравномерным. Выполненные с участием авторов исследо вания, результаты которых положены в основу открытия № 318 [8], показали, что наблюдаемая на практике неравномерность распределения напряжений в приконтурной зоне протяженных подземных геомеханических структур, к ко торым относятся и подготовительные выработки, не является отражением тех нологических особенностей проходки и крепления выработки, а имеет более глубокую, фундаментальную природу. Соответственно и технология крепления должна учитывать указанное природное явление. Эффективным и практически апробированным решением для выравнивания нагрузок является формирование бетонной оболочки, включающей в себя уже установленную металлокрепь. Од нако такая конструкция отличается низкой податливостью, а ее возведение свя зано с большими затратами. Предложенная конструкция продольной анкерной стяжной крепи отличается простой технологией возведения, способствует вы равниванию усилий на элементы крепи в пределах нескольких смежных рам, обеспечивая при этом податливость во всех направлениях.

Укрепление трещиноватого массива в ближней приконтурной зоне вырабо ток путем инъектирования твердеющих растворов также можно отнести к соз данию силовых геокомпозитных конструкций. При этом структура расположе ния армирующих элементов в матрице определяется детерминированной со ставляющей, в соответствии со схемой расположения шпуров для установки инъекторов и случайной – определяемой положением трещин в массиве. Зару бежный опыт в указанном направлении представлен преимущественно исполь зованием полимерных материалов: в Польще - дьюрафоама, визофоама, в Гер мании - беведола, бевефилла, вильфлекса, вилькита, в России – КФ-Ж. Инсти тутом УкрНИМИ разработан и успешно апробирован в производственных ус ловиях отечественный полимерный состав СКАТ. На его основе стало возмож Выпуск № ным создание полимерных анкеров, уступающим по силовым характеристикам металлическим, но имеющим свою область применения [9]. Расширение сферы использования полимерных материалов не вытесняет, однако, полностью более простые и дешевые технологии, базирующиеся на использовании песчано цементного раствора [10]. К ним относятся тампонаж, цементация, обработка пенетрирующими составами и торкретирования.

Дефекты системы «крепь-массив», проявляющиеся в виде пустот и трещин, ликвидируют нагнетанием тампонажных растворов под избыточным давлени ем. Растворы модифицируют полимерными добавками и стохастически арми руют рубленными волокнами. В результате тампонажа будет происходить за полнение имеющихся пустот и трещин в конструкции для предотвращения ее разрушения с образованием новой геокомпозитной системы, свойствами кото рой можно управлять в определенных пределах. Выполнение тампонажа произ водят по «зажимной» схеме под циклическим давлением нагнетания. Это обес печит закрытие пор и трещин в грунтах вследствие упруговязких деформаций, что, в конечном счете, после прекращения подачи раствора за счет упругого по следействия будет гарантировать более полное заполнение пустот. При произ водстве тампонажа должен вестись строгий контроль давления нагнетаемого тампонажного, раствора. В условиях заполнения пустот и упрочнения матрицы с рыхлой структурой давление нагнетания на выходе из инъектора в среднем должно составлять 0,1-0,12 МПа, а максимально допустимое не должно превы шать 0,4 МПа.

В связи с большой вариацией скорости продвигания тампонажного раствора по мере увеличения площади обработки, а также неоднородности матрицы воз можны большие колебания давления нагнетания и внезапное повышение дав ления, которое может привести к раскрытию трещин на участке тампонажа. В случае экстренного нарастания давления нагнетания подача раствора должна быть прекращена для обеспечения релаксации в системе «строительная конст рукция - тампонажный раствор – вмещающий массив».

Применением тампонажа улучшаются условия работы крепи поддержи вающего типа достигается ее совместная работа с вмещающими породами в ка питальных и подготовительных горных выработках [11]. Значительное повы шение сопротивления крепи достигается в том случае, когда закрепное про странство заполняется вяжущим материалом. Здесь уже небольшие деформа ции породного массива приводят к увеличению сопротивления рамы арочной крепи до 2,6 МН при использовании бетона. После этого происходит разруше ние твердеющего материала в закрепном пространстве и сопротивление крепи резко уменьшается, но не ниже 1,2 МН.

Максимальный результат достигается при заполнении закрепного простран ства вяжущим материалом, который базируется на портландцементе и армиро ван волокнами и полимерами. Стохастическое армирование тампонажного рас твора рубленым волокном повышает устойчивость бетона к растрескиванию, общее сопротивление крепи и позволяет избежать его резкого снижения при разрушении твердеющего материала. Такая технология является предпочти "Геотехническая механика" тельной, поскольку максимальное сопротивление крепи получают в наиболее благоприятный момент при весьма малых деформациях приконтурного массива горных пород, когда еще можно управлять разрушением породной оболочки.

При заполнении закрепного пространства бетоном можно добиться требуе мого сочетания податливости и высокой несущей способности крепи. В этом случае конечная конвергенция уменьшается на 15-25% по сравнению с конвер генцией выработок, закрепное пространство которых заполняется породой вручную.

Воздействием на породный массив методом цементации получают геоком позитную структуру, которую можно отнести к несиловой, выполняющей за щитную функцию. Эффективность работы указанной структуры в значительной степени определяются правильностью определения технологических парамет ров и выбором типа вяжущего. Особую проблему представляют средства и ме тоды контроля процесса цементации. В практической деятельности технологи ческие параметры определяются, в основном, на базе опыта производителя ра бот и имеющегося оборудования.


Инъекционные составы для цементации готовятся на цементной основе или других минеральных вяжущих тонкого помола. Примером таких вяжущих мо жет служить особо тонкодисперсное вяжущее вещество «микродур». Водные суспензии на его основе обладают высокой проникающей способностью в по ровую структуру растворов, бетонов и грунта с последующим затвердеванием.

Таким образом, «микродур» можно рассматривать как альтернативу жидкому стеклу и полимерным композициям (эпоксидной, карбамидной, фенолформаль дегидной и др.) со следующими преимуществами:

- долговечность;

- экологическая чистота;

- однородность с обычными цементами по составу;

- совместимость с бетоном и железобетоном;

- возможность выполнения работ в условиях обводненных и водонасыщен ных конструкций и массивов;

- простая и удобная технология приготовления и инъектирования суспензии.

Опыт работы с цементными суспензиями на основе особо тонкодисперсного вяжущего вещества «микродур» показывает, что при инъектировании запол няются не только тонкие и волосяные трещины с шириной раскрытия до 0, мм, но также уплотняется и упрочняется поровое пространство цементного камня, независимо от его влажности.

Геокомпозитные конструкции, относящиеся к третьей категории, создаются с использованием пенетрирующих материалов. Их основное назначение - по вышение водонепроницаемости. Типичным представителем является материал «ксайпекс-концентрат», который создает в геосреде кристаллизационный барь ер, препятствующий проникновению воды. Работа указанного материала осно вана на принципе диффузии насыщенных растворов. При этом в порах и капил лярах матрицы происходит образование и рост древовидных кристаллов, кото рые пронизывают и уплотняют ее структуру. При контакте с влагой древовид Выпуск № ные кристаллы постоянно растут внутри капилляров, обеспечивая эффективное действие «ксайпекс-концентрата» на весь период службы охранной конструк ции. Температурный диапазон применения данного пенетрирующего материала находится в пределах от –320С до +1350С. Эффект от использования пенетри рующего материала сохраняется при постоянном воздействии окружающей среды с рН=3-11, или при периодическом воздействии среды с рН=2-12. Влаж ность и ультрафиолетовое излучение не оказывают влияния на эксплуатацион ные характеристики геосреды и бетона, обработанных «ксайпекс концентратом». «Ксайпекс-концентрат» защищает поверхность охранных кон струкций от воздействия агрессивных шахтных вод, а также предотвращает коррозию стальных армирующих элементов.

Возведение геокомпозитных систем может сопровождаться также созданием дополнительного слоя с прогнозируемыми свойствами и параметрами взаимо действия на поверхностности бетонной конструкции или грунтового массива.

При этом могут достигаться следующие цели:

- повышение несущей способности конструкции;

- восстановление разрушенных участков конструкции или породного масси ва;

- создание слоя со специальными свойствами (водонепроницаемость, возду хонепроницаемость, защита от внешних воздействий и др.).

Наиболее простым способом создания дополнительного слоя является на брызгбетонирование. Качество набрызгбетона в значительной степени зависит от подготовки поверхности охранной конструкции, включающей ликвидацию коррозии стальной арматуры, удаление и замену разрушенных участков бетона, заделку трещин. Очистка поверхности, как правило, выполняется с применени ем водо-пескоструйной обработки.

Работы по восстановлению разрушенных участков охранных конструкций при отсутствии специальных требований целесообразно выполнить методом «сухого» торкретирования. Песчано-цементные растворы для торкретирования необходимо модифицировать полимерной добавкой, армированной полимер ным волокном, например, Adi-Con CSF (R).

Защитный слой наносят методом «мокрого» торкретирования растворами, модифицированными полимерными продуктами - стохастически армирован ным полимерным волокном, например, Spray-Con WS ST. Принятая толщина гидроизоляционного покрытия должна быть не менее 16 мм. Покрытие выпол няют послойно. Толщина каждого слоя не должна превышать 8 мм. При нане сении слоев необходимо выдерживать сроки минимального и максимального перерывов.

Материал Spray-Con WS ST является модифицирующей добавкой к раство рам на основе портландцемента, содержит в своем составе полимерные компо ненты и армирующие волокна. Обладает хорошей адгезией к бетонам, повышая водонепроницаемость и механические характеристики наносимых растворов.

Существенное улучшение гидроизоляционных свойств массива происходит при его смолизации. Нагнетаемая через шпуры в трещиноватом водонасыщен "Геотехническая механика" ном массиве двухкомпонентная полимерная смола под давлением до 0,4 МПа по данным автора работы [12] способствует после ее отвердения снижению участкового водопритока в вертикальный ствол примерно в 3 раза.

Апробация элементов технологии создания геокомпозитных конструкций, разработанных с участием авторов, проведена на ряде подземных и гидротех нических объектов при выполнении строительных и ремонтно-строительных работ.

Характерным примером применения специальных способов направленного изменения свойств породного массива является обеспечение гидроизоляции вентиляционного канала восточного вентиляционного ствола № 1 шахты им.

А.Ф. Засядько. Оценка возможных технических решений выполнялась с учетом того, что вентиляционный канал относится к 1-й категории горных выработок.

Вентиляционный канал примыкает к стволу на глубине 19,9 м. Выработка пройдена по наносным породам (глина, суглинок) с f = 0,92 (по шкале проф.

Протодьяконова). Канал закреплен металлобетонной крепью КОЗУ-22 в бетоне.

Плотность установки рам крепи - 3 рамы на 1 погонный метр выработки. Пло щадь поперечного сечения канала SД = 20,55 м. Угол наклона выработки – 22°.

После окончания возведения монолитной конструкции, остаточные водо притоки в вентиляционном канале превышали 3,4 м3/час. Состояние крепи вен тиляционного канала не исключало возможности резкого повышения притоков воды и прососов воздуха при включении вентиляционной установки.

Для оценки технического состояния и разработки мероприятий по повыше нию эксплуатационной надежности выработки проведен комплекс специальных исследований [13].

По данным вибродиагностики установлено, что наиболее нарушенной явля ется подошва выработки, где наличие неплотного контакта с подстилающей толщей выявлено примерно на 30 % площади. Значительное число участков не плотного контакта с грунтом наблюдается также в кровле выработки и нижней части боковых сторон;

Анализ полученных данных показал, что необходим комплекс дополнитель ных специальных строительных работ для повышения устойчивости и устране ния наблюдаемых водопритоков в выработку. Он включал: тампонаж закрепно го пространства в зонах выявленных неплотностей контакта бетонной оболочки с налегающей толщей и в зонах разжижения прилегающего к оболочке грунта;

очистку поверхности канала от наносов, снятие разрушенного приповерхност ного слоя;

гидроизоляцию внутренней поверхности вентканала путем выполне ния многослойного набрызгбетонирования с использованием специальных до бавок.

Был разработан проект выполнения работ, предусматривающий выполнение следующих операций:

ликвидацию пустот в закрепном пространстве;

стабилизацию вмещающих приконтурных пород;

создание методом мокрого торкретирования дополнительного композитного слоя для усиления, гидроизоляции и коррозионной защиты бетонной крепи.

Выпуск № Ликвидацию пустот, источников воды, повышение водонепроницаемости оболочки осуществляли методом тампонажа закрепного пространства, а стаби лизацию вмещающих приконтурных пород – путем отжима воды жесткими це ментно-песчаными растворами под избыточным давлением. После схватывания раствора выполняли омоноличивание конструкции нагнетанием водоцементно го раствора. Тампонаж и цементацию выполняли многоцелевой бетоноукла дочной машиной МБМ через шпуры диаметром 42 мм, пробуренные в бетоне крепи и герметизируемые инъекторами. Усредненный состав тампонажного раствора следующий: цемент М400 – 600 кг;

песок – 862 кг;

вода – 574 кг. В процессе тампонажа наблюдался отжим воды и вынос разжиженных глинистых пород через контрольные шпуры и дефектные зоны монолитного бетона. Мак симальный расход тампонажного раствора через 1 шпур составил 3,6 м3.

Очистку поверхности бетонной крепи выполняли механическим способом и гидроразмывом. После удаления с поверхности выработки наносов в бетонном слое почвы выработки обнажились полости глубиной до 0,4 м различной ши рины и протяженности. Полости заполняли набрызгбетонированием по «сухо му» способу. Максимальный размер крупного заполнителя – 20 мм. После вы равнивания почвы выполнили 5 слоев набрызгбетона по «сухому» способу. Для повышения прочности и водонепроницаемости бетона в его состав водили до бавку «Adi-Con CSF (R)». Толщина каждого слоя – 5-7 мм. При нанесении бе тон в слоях поочередно модифицировали добавками жидкого стекла или поли мерной добавкой «Spray Con». Выдержка после бетонирования каждого слоя составляла 12-24 часа.

Для обеспечения гидроизоляции и антикоррозионной защиты бетонной кре пи канала было выполнено набрызгбетонирование по «мокрому» способу с применением модифицирующих добавок. В состав раствора для гидроизоляции входила добавка «Spray-Con WS ST». Толщина нанесенного защитного слоя – 25 мм.

Лабораторное исследования показали, что прочность защитного слоя со ставляет 60 МПа, а пористость, газо- и водопроницаемость не превышают уста новленных норм. В результате проведенных работ общий водоприток в выра ботку снижен на 90%. Вентиляционный канал принят в эксплуатацию.

Анализ примененных технических решений и технологий их реализации по казывает их надежность и эффективность, а также применимость не только при строительстве новых объектов, но и для капитального ремонта подземных и за глубленных сооружений [14, 15].


Применение при реконструкции и капитальном ремонте описанных специ альных способов, технологий создания геокомпозитных конструкций, приводит к некоторому удорожанию работ. Однако, отечественный и зарубежный опыт показывает, что такие затраты оправданы и быстро окупаются за счет снижения эксплуатационных и ремонтных затрат. Кроме того, при выборе способов строительства все большую значимость приобретают эксплуатационная надеж ность и экологическая безопасность объекта.

Выбор на стадии проектирования оптимальных технических решений, ме "Геотехническая механика" тодов и технологий ремонта объекта, позволяют не только снизить стоимость ремонтно-строительных работ, но и существенно уменьшить эксплуатационные затраты будущих периодов.

В последние десятилетия вырос интерес к использованию выработанного подземного пространства для повторного использования в народно хозяйственных целях. Наиболее ценными качествами горных выработок явля ется постоянство температуры и влажности, что является важным для техноло гических процессов некоторых производств, а также для длительного хранения отдельных видов промышленной и сельскохозяйственной продукции. Жесткие требования к устойчивости такого рода подземных сооружений сочетаются с необходимостью их гидроизоляции, обеспечением коррозионной стойкости, устойчивости против возгорания. В отдельных случаях предусматривается по вышенная сейсмоустойчивость объекта. В указанном направлении открывается широкое поле для использования геокомпозитных структур, как с металличе скими армирующими элементами, так и с полимерными, причем роль послед них, с учетом их высокой коррозионной стойкости, будет возрастать.

В Украине и в других странах с атомной энергетикой прорабатываются во просы о возможности подземного захоронения отработанных радиоактивных топливных элементов. Подземные хранилища должны быть очень высокона дежными инженерными сооружениями, исключающими возможности мигра ции жидкостей и газов в геосреде за пределы опасной зоны. В данном случае очевидно необходимо наряду с установкой мощных сталебетонных контейне ров осуществлять для создания второго охранного пояса укрепление и гермети зацию скального массива на большую глубину. Геокомпозитная структура в этом случае помимо жестких требований к прочностным свойствам и газо гидроизоляционным качествам должна обладать еще и высокой радиационной стойкостью.

Актуальной проблемой для большинства угольных шахт является борьба с пучением почвы горных выработок. Несмотря на значительное число исследо ваний по указанной проблеме, до сих пор нет цельной теории, удовлетвори тельно объясняющей все формы проявления пучения. В то же время для от дельных категорий условий предложены эффективные технологии борьбы с пучением. Одним из перспективных методов является создание в почве гео композитной структуры. Можно выделить два основных подхода к указанной проблеме. Согласно первому предусматривается сдерживание деформаций не посредственной почвы путем повышения ее прочностных свойств. В рамках первого подхода разработано три основных направления, отличающихся техно логией укрепления почвы: нагнетание в нее цементно-песчаного раствора с ис пользованием ранее пробуренных шпуров, нагнетание полимерных быстрот вердеющих композиций и анкерование почвы металлическими анкерами. Вто рой подход является в определенной степени противоположным. Он преду сматривает создание в почве искусственно ослабленных разгрузочных зон, предназначенных для поглощения деформаций. В отдельных разработках соче таются оба указанных подхода, например [16].

Выпуск № Достичь важных практических результатов в применении геокомпозитных структур невозможно без глубокого теоретического обоснования механизма их работы. При первых попытках теоретического анализа распределения напряже ний в композитной (в том числе и геокомпозитной) структуре был использован феноменологический подход, при котором армированный материал рассматри вался как однородный и изотропный. Он эффективен при большом количестве армирующих элементов, распределение и ориентация которых либо совершен но случайны, либо полностью упорядочены. Показатели физических свойств, характеризующие композитную среду, определяются экспериментальным пу тем. Применительно к геокомпозитным системам с небольшим числом арми рующих элементов, характеризующихся индивидуальной длиной и ориентаци ей, более эффективным является структурный подход, предполагающий нали чие сведений о свойствах матрицы и армирующих элементов по отдельности, а также об условиях на границе их контакта. Такая ситуация возникает при рас смотрении задачи об анкеровании приконтурной зоны горной выработки и именно в этом направлении получены наиболее значительные результаты [17].

Однако преимущественное число работ рассматривает задачу в плоской поста новке, а разработка пространственных, кинематически связанных, геокомпо зитных конструкций с вариацией длины армирующих элементов и угла их на клона, как к вертикальной, так и к продольной оси выработки не имеет доста точно надежной теоретической основы.

Проведенный обзор использования геокомпозитных конструкций для под держания устойчивости подземных объектов показал, что они имеют широкие перспективы для развития. Как и любая другая крепь, они имеют свои пре имущества и определенные недостатки. Крепление выработок на больших глу бинах в сложных горно-геологических условиях не может быть эффективным при использовании только одного вида крепи. Задача специалистов в области геомеханики состоит в создании адаптивных комбинированных охранных сис тем, базирующихся на эффекте синергизма (взаимного усиления действия от дельно взятых элементов системы), в которых геокомпозитные конструкции будут являться ключевыми звеньями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Яценко, В.Ф. Прочность композиционных материалов [Текст ] / В.Ф. Яценко. К.: Вища школа, 1988. – 191 с.

2. Sprague, C. J. The evolution of geotextile reinforced embankments [Text] / C. J. Sprague, M. Koutsourais // Geotech. Spec. Publ. 30. R. H. Borden, R. D. Holtz, and I. Juran, eds. — New York: ASCE, 1992. — P. 1129–1141.

3. Fowler, J. Geotubes and Geocontainers for Hydraulic Applications [Text] J. Fowler // Proc, Cleveland Section ASCE. — New York, 1995.

4. Comer, A.I. Remediation of existing canal linings [Text] / A.I. Comer, M. Kube, M. Sayer // J. Geotextiles and Geomembranes. — 1996. — Vol. 14 (5–6). — P. 313–326.

5. Булат, А.Ф. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт [Текст] / А.Ф. Булат, В.В.

Виноградов. Днепропетровск: Вільпо, 2002. 372 с.

6. Меткалф, А. Поверхности раздела в металлических композитах [Текст ] / А. Меткалф;

пер. с англ. – М.:

Мир, 1978. – 487 с.

7. Усаченко, Б.М. Повышение устойчивости сопряжений «штрек-лава» применением комбинированных систем «рама - анкерная натяжная крепь» [Текст] / Б.М. Усаченко, В.Ю. Куклин, В.Н. Трипольский // Сб. науч.

тр. НГУ. – 2002. – Вып. 15, т. 2. – С. 118-122.

"Геотехническая механика" 8. Открытие № 318. Закономерность пространственно-временной структурно-фазовой самоорганизации грунтовых и породных массивов вокруг протяженных подземных выработок [Текст] / Л.В. Байсаров, М.А. Иль яшов, В.В. Левит, Т.А. Паламарчук, В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко, А.А. Яланский // Научные открытия, идеи, гипотезы (1992-2007). Информационно-аналитический обзор. – М.:МААНОН, 2008. – С. 298-299.

9. Курносов, А.Т. Стеклопластиковые анкера в подготовительных выработках [Текст] / А.Т. Курносов, В.Б.

Ковбасенко, В.А. Мазан, С.Я. Иванчищин // Уголь Украины. – 2000. - № 9. – С. 18-19.

10. Мусиенко, С.П. Геомеханические и горнотехнические аспекты повышения устойчивости горных выра боток с применением тампонажа [Текст ] / С.П. Мусиенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2002. – Вып. 40. – С. 77-86.

11. Мусиенко, С.П. Применение специальных способов строительства для снижения водо-и воздухопрони цаемости бетонной крепи горных выработок [Текст ] / С.П. Мусиенко // Геотехническая механика: Межвед. сб.

научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2001. – Вып. 30. – С. 219-223.

12. Борщевский, С.В. Применение проникающей гидроизоляции в подземном строительстве [Текст ] / С.В.

Борщевский // Геотехнології та управління виробництвом XXI сторіччя. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. – Т.1. – С.

25-32.

13. Выполнить геофизические исследования вентиляционного канала восточного вентиляционного ствола № 1 шахты им. А.А. Засядько: Отчет о НИР [Текст ] / Научный руководитель Б.М. Усаченко.- Днепропетровск:

НПП Технополис «Экоиндустрия», 2001. – 84 с.

14. Мусиенко, С.П. Применение специальных способов строительства при возведении высоконагруженных комбинированных охранных систем [Текст ] / С.П. Мусиенко // Геотехническая механика: Межвед сб. науч. тр /ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2007. – Вып. 68. – С. 285-291.

15. Осадчий, С.Д. Анализ и подходы к разработке технологических решений реконструкции и ремонта гидротехнических сооружений [Текст ] / С.Д. Осадчий, Н.М. Герасимович, С.П. Мусиенко // Гидротехническое строительство. 2007.- № 8 – С. 7 -11.

16. Рязанцев, А.П. Разработка нового способа борьбы с пучением пород почвы [Текст] / А.П. Рязанцев // Сб. науч. тр. НГУ. – 2003. – Вып. 17, т. 2. – С. 79-83.

17. Круковский, А.П. Влияние прочности закрепления анкеров на формирование несущего перекрытия в кровле горной выработки [Текст] / А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2004. – Вып. 51. – С. 239-250.

Выпуск № УДК 622.

А.В. Агафонов, О.Д. Кожушок, Е.Н. Халимендиков, Л.В. Прохорец СИНТЕЗ КОМБИНИРОВАННЫХ ОХРАННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Визначено основні принципи синтезу комбінованих охоронних систем для підтримання виїмкових штреків повторного використання в складних гірничо-геологічних умовах SYNTHESIS OF THE COMBINED SECURITY SYSTEMS FOR MAINTENANCE OF THE DEVELOPMENT WORKING IN DIFFICULT MINE-GEOLOGICAL CONDITIONS The basic principles of synthesis of the combined security systems for maintenance of the de velopment working of the recurring use in difficult mine-geological conditions are determined Одной из актуальных проблем на угольных шахтах Украины является под держание подготовительных выработок в эксплуатационном состоянии. Основ ными факторами, определяющими необходимость перехода на новые схемы крепления, являются следующие:

интенсификация проявлений горного давления, вызванная увеличением глубины разработки;

изменение закономерностей формирования зон неупругих деформаций в приконтурной зоне выемочных штреков при высоких скоростях подвигания очистного забоя;

ухудшение горно-геологических условий отработки угольных пластов, пре имущественно за счет увеличения геологической нарушенности отрабатывае мых участков, одновременно сопровождающееся повышением газовыделения и склонностью к выбросопасности;

увеличения поперечного сечения выработки, вызванное использованием но вого, высопроизводительно оборудования и необходимостью улучшения вен тиляции выработок;

повышение требований к экологии горного производства;

значительное возрастание стоимости крепежных материалов и изделий.

Целый ряд из названных выше факторов стимулирует переход к прямоточ ной схеме проветривания очистного забоя. При этом возникает необходимость поддержания выемочных штреков в эксплуатационном состоянии не только до подхода лавы, но и за лавой до начала отработки смежного выемочного столба.

Совокупность отрицательных факторов, имеющих объективный характер, при вела к существенному возрастанию затрат на перекрепление подготовительных выработок. Динамика роста соответствующих затрат в расчете на погонный метр выработки на примере шахты «Красноармейская-Западная № 1» иллюст рируется рис. 1.

"Геотехническая механика" Себестоимость, грн / м 2004 2005 2006 2007 Год Рис. 1 – Динамика изменения себестоимости перекрепления подготовительной выработки за последние годы на примере шахты «Красноармейская-Западная № 1»

В указанных условиях сокращение затрат на поддержание выработок может быть достигнуто путем повышения эксплуатационных характеристик крепи. В первую очередь это касается ее несущей способности. В настоящее время базо вой крепью является рамная, изготовленная со спецпрофиля СВП-27 или СВП 33. В соответствии с представленными в технических условиях характеристи ками крепи, распределенная по контуру выработки реакция отпора не превы шает значения 0,1 МПа. Указанное значение существенно ниже величины на пряжений в зоне опорного давления за лавой. К тому же рамная крепь не спо собна адаптироваться к переходу от симметричной нагрузки до подхода лавы к асимметричной при поддержании штрека за лавой. Усиление рам анкерной крепью привело к созданию простейших комбинированных охранных систем с более высокими эксплуатационными характеристиками [1]. Они в значитель ной степени улучшили условия охраны выработок до подхода лавы и на сопря жении «штрек-лава», но по своим деформационно-силовым параметрам также неприемлемы для сохранения допустимого поперечного сечения штрека после удаления лавы. Практически осуществить поддержание выемочных штреков за лавой при безцеликовой отработке угольного пласта удалось лишь при возве дении в выработанном пространстве искусственных конструкций, наиболее эффективной из которых оказалась литая полоса [2]. Благодаря высокой удель ной несущей способности литой полосы, ее использование в составе комбини рованной охранной системы в принципе позволяет сохранить выработку за ла вой в состоянии, допускающем ее последующее применение в качестве венти Выпуск № ляционного штрека. В то же время практический опыт эксплуатации комбини рованной охранной системы в составе рамной крепи, индивидуальных анкеров, однорядной литой полосы и деревянной крепи усиления при поддержании вы емочных штреков повторного использования на шахте «Красноармейская Западная № 1» выявил определенные недостатки. К важнейшим из них отно сятся:

вынужденное ограничение скорости подвигания очистного забоя, вызван ное необходимостью набора материалом литой полосы проектных прочностных характеристик;

уменьшение эффективности индивидуального анкерного крепления после прохода лавы;

интенсивное пучение переувлажненных слабых пород почвы после прохода лавы.

Авторами было произведено детальное обследование участков с поддержа нием выемочных штреков повторного использования по базовой технологии с целью критического анализа полученных результатов и поиска резервов для со вершенствования комбинированной охранной системы.

Специфика горно-геологических условий на большинстве угольных шахт Донбасса не позволяет в настоящее время отказаться от использования рамной крепи путем полной замены на анкерную при поддержании подготовительных выработок до подхода лавы и тем более за лавой. Основной крепью для подго товительных выработок является трехзвенная типа КМП-А3. Указанная крепь рассчитана в основном на вертикальное сжимающее усилие при симметричной боковой нагрузке. Предельная несущая способность крепи и ее податливость выбирается уже до подхода лавы и дальше крепь эксплуатируется в нештат ном режиме. Работая в составе комбинированной охранной системы после про хода лавы, рамная крепь воспринимает на себя сравнительно небольшую отно сительную часть нагрузки, но именно она, в конечном счете, способствует со хранению приемлемой для своего нового функционального назначения формы выработки.

На шахте «Красноармейская-Западная № 1» в 5-и выемочных штреках, за крепленных крепью КМП-А3, были выполнены исследования по динамике из менения нагрузки на звенья крепи по мере приближения лавы. При этом были использованы следующие методы: визуальный осмотр крепи, инструменталь ные измерения базовых размеров текущего сечения выработки, виброаустиче ская диагностика системы «крепь-массив», измерение деформаций в кровле выработки с использованием глубинных реперных станций, регистрация уров ня естественного электромагнитного излучения вдоль штрека.

Комплексный анализ результатов позволил установить, что при постепен ном возрастании нагрузки на крепь при подходе лавы она сохраняет практиче ски симметричный характер. Существенная асимметрия давления на арку на чинается на расстоянии примерно 5-10 м от сопряжения с лавой. Указанное ил люстрируется табл. 1.

"Геотехническая механика" Таблица 1 – Изменение показателя асимметрии загрузок на раму при подходе лавы Расстояние до лавы, м Выработка 15 10 5 4-ый южный конвейерный штрек блока 2 1,03 1,07 1,15 1, 1-ый северный конвейерный штрек блока 4 1,00 1,08 1,19 1, 1-ый южный конвейерный штрек блока 5 1,05 1,06 1,14 1, 1-ый северный конвейерный штрек центральной панели блока 8 0,98 1,04 1,17 1, 2-ой конвейерный штрек южной панели блока 8 1,06 1,09 1,18 1, По величине и преобладающему действию нагрузки на отдельные элементы рамы до подхода лавы было выделено 4 характерные зоны:

I – верхняк рамы пригружен умеренно, боковые стойки в значительной сте пени ненагружены;

II – возрастание нагрузки на все элементы крепи, но в большей степени на верхняк;

III – обжатие рамы по всему контуру с заметной деформацией боковых сто ек;

IV – интенсивная асимметричная загрузка на раму с деформацией ее перво начальной формы.

Распределение указанных зон по длине штрека представлено в табл. 2. В числителе – границы зоны по результатам изменения интенсивности естествен ного электромагнитного излучения, в знаменателе – по результатам виброаку стической диагностики.

Таблица 2 – Зональность нагрузки на рамную крепь до похода лавы.

Границы зон (расстояние до лавы), м Выработка I II III IV до 70 70 - 35 35 - 5 0- 4-ый южный конвейерный штрек блока 2 ------- ------- ------- ------ до 60 60 - 30 30 - 5 0- до 60 60 - 30 30 - 5 0- 1-ый северный конвейерный штрек блока 4 ------- ------- ------- ------ до 55 55 - 25 25 - 5 0- до 60 60 - 30 30 - 10 0 - 1-ый южный конвейерный штрек блока 5 ------- ------- ------- ------ до 60 60 - 25 25 - 5 0- до 65 65 - 30 30 - 5 0- 1-ый северный конвейерный штрек центральной ------- ------- ------- ------ панели блока до 60 60 - 35 35 - 5 0- до 70 70 - 40 40 - 10 0 - 2-ой конвейерный штрек южной панели блока 8 ------- ------- ------- ------ до 65 65 - 35 35 - 10 0 - Выпуск № Обобщенные результаты исследований можно сформулировать следующим образом: неравномерность распределения напряжений на рамную крепь при подходе лавы проявляется в преобладающем возрастании давления на верхняк за 30 – 60 м до нее, интенсификации боковых сжимающих усилий симметрич ного характера за 30 – 5 м до лавы и переходе к асимметричной нагрузке на ра му за счет увеличения давления преимущественно со стороны лавы, начиная с расстояния 5 м к ней (формулировка О.Д. Кожушка).

Величина и характер нагрузки на раму после прохода лавы в значительной степени определяется влиянием литой полосы и будет рассмотрена дальше.

Однако, можно сказать следующее, что экономически приемлемые резервы ис пользования крепи КМП-А3 путем уменьшения шага установки (до 0,5 м) и перехода на тяжелый спецпрофиль (СВП-33) исчерпаны полностью.

Анализ новых разработок показал, что для крепления выработок с предпо лагаемыми большими деформациями контура на сегодняшний день имеется альтернатива крепи КМП-А3. Западно-Донбасским научно-производственным центром «Геомеханика» для сложных горно-геологических условий разработа на новая серия металлических податливых арочных двухрадиусных крепей.

Новые крепи имеют форму овоида, максимально приближенного к эллипсу.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.