Особенности работы и рациональные параметры армополимерной анкерной крепи в многолетнемерзлых горных породах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.11, кандидат технических наук Кычкин, Николай Леонидович

• Кычкин, Николай Леонидович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кычкин, Николай Леонидович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ современного состояния крепления горных выработок

на россыпных шахтах Северо-Востока

1.1. Особенности поддержания горных выработок в многолетне-мерзлых породах

1.2. Пути повышения устойчивости горных выработок зоны многолетней мерзлоты

1.3. Опыт крепления горных выработок анкерной крепью на

шахтах Северо-Востока

1.4. Цель и задачи исследований

Выводы к главе 1

2. Исследование работоспособности анкерной крепи с закреплением быстротвердеющими химическими составами в мерзлых дисперсных породах

2.1. Методика проведения лабораторных исследований закрепления полимерных стержней быстротвердеющими химическими составами в моделях с отрицательной температурой

2.1.1. Цель и задачи исследований

2.1.2. Теоретическое обоснование исследований

2.1.3. Материалы и оборудование

2.1.4. Порядок проведения экспериментов

2.1.5. Техника безопасности при проведении экспериментов

2.2. Опытно-промышленный эксперимент по определению работоспособности армополимерной анкерной крепи на россыпной шахте "Золотой Амбарный"

Выводы к главе 2

3. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) мерзлого массива в условиях бесцеликовой разработки россыпного месторождения лавами с закладкой выработанного пространства сыпучим материалом

3.1. Математическое моделирование НДС мерзлого массива при

закладке выработанного пространства

3.2. Определение параметров анкерной крепи призабойного пространства при разработке россыпного месторождения с закладкой

3.3. Аналитические исследования теплового взаимодействия анкера с вмещающим мерзлым массивом

Выводы к главе 3

4. Рекомендации по практическому применению армополимерной анкерной крепи и разработка мероприятий по их эффективному использованию на россыпных шахтах Северо-Востока

4.1. Технология установки армополимерных анкеров в россыпных шахтах

4.2. Методика расчета основных параметров полимерной

анкерной крепи для россыпных шахт

4.2.1. Обоснование параметров полимерной анкерной крепи

4.2.2. Расчет полимерной анкерной крепи

Выводы к главе 4

Заключение

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности работы и рациональные параметры армополимерной анкерной крепи в многолетнемерзлых горных породах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Планы развития горнодобывающей промышленности России на ближайшую и отдаленную перспективу в значительной степени связаны с освоением Сибири и Дальнего Востока. Большие задачи по обеспечению высоких темпов развития ставятся перед золотодобывающей и оловодобывающей промышленностью на базе освоения передовой технологии, применения новой техники и внедрения в практику достижений горной науки.

Ориентация на комплексное использование сырьевых ресурсов, развитие безотходных технологий, а также на сохранение земной поверхности от влияния горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых, находящихся в зоне распространения многолетней мерзлоты,

предопределяет необходимость увеличения обьемов добычи полезных ископаемых подземным способом. При этом возрастают объемы проведения подземных горных выработок, поэтому вопросы, связанные с рациональным креплением и поддержанием горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах, приобретают значительный интерес и весьма актуальны.

Использование металлических и деревянных крепей для поддержания горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах, связано с высокой материалоемкостью, значительной трудоемкостью, трудностью механизированной установки и большими потерями полезного сечения выработок. Кроме того, крепление мерзлых пород, обладающих высокой устойчивостью, крепями большой несущей способности во многих случаях нецелесообразно.

Широкое использование в последнее время самоходного оборудования при разработке россыпных и рудных месторождений Северо-Востока предъявляет к подземным горным выработкам требование обеспечения свободного маневрирования и перемещения самоходной буровой, погрузодоставочной и

другой техники, что в свою очередь требует применения безстоечных крепей, не загромождающих горные выработки.

Известно, что одним из направлений снижения затрат на крепление горных выработок, позволяющим повысить технико-экономические показатели разработки россыпных месторождений, является внедрение анкерной крепи. Поэтому диссертационная работа посвящена изучению явлений, возникающих в процессе управления кровлей при подземной разработке россыпных месторождений в многолетнемерзлых горных породах, установлению работоспособности армополимерной анкерной крепи в мерзлых дисперсных породах и разработке рекомендаций по ее эффективному применению при разработке россыпных месторождений Северо-Востока.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР ИГД Севера Сибирского отделения Российской Академии Наук.

Целью работы является повышение эффективности способов управления кровлей при подземной разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений за счет применения армополимерной анкерной крепи.

Идея работы заключается в изучении и учете закономерностей взаимодействия армополимерной анкерной крепи с многолетнемерзлыми породами с целью повышения надежности и снижения затрат при креплении горных выработок.

Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач:

- изучение явлений, возникающих в процессе управления кровлей при подземной разработке россыпных месторождений в многолетнемерзлых породах;

- определение возможности применения и оценка работоспособности анкерной крепи при разработке россыпного месторождения с закладкой выработанного пространства;

- оценка несущей способности анкеров с различными коэффициентами теплопроводности при их тепловом взаимодействии с многолетнемерзлыми породами;

- совершенствование методики проведения лабораторных исследований закрепления стержней анкера быстротвердеющими химическими составами в моделях с отрицательной температурой;

выбор химического состава твердеющей смолы и установление закономерности взаимодействия смолы с массивом горных пород;

- разработка практических рекомендаций по технологии крепления горных выработок россыпных шахт армополимерными анкерами.

Методы исследований включали:

- анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований в области анкерного крепления горных выработок при разработке россыпных месторождений;

- аналитические исследования теплового взаимодействия анкеров с вмещающими многолетнемерзлыми породами и напряженно-деформированного состояния мерзлого массива в призабойной зоне;

- лабораторные исследования и полупромышленные эксперименты по изучению работоспособности армополимерной анкерной крепи в мерзлых дисперсных породах;

- математическое моделирование процессов, происходящих в горных породах при управлении кровлей закладкой выработанного пространства и армополимерной крепью.

- теоретически обоснована техническая возможность и технико-экономическая целесообразность крепление горных выработок при разработке россыпных месторождений армополимерной крепью с минимальным коэффициентом теплопроводности стержня анкера;

- установлено увеличение несущей способности армополимерной крепи при креплении мерзлых дисперсных пород за счет внедрения закрепляющего состава за контур скважины;

- установлена зависимость изменения параметров анкерной крепи от величины напряженного-деформированного состояния вмещающих горных пород при безцеликовой отработке с закладкой выработанного пространства;

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- результатами лабораторных исследований прочностных характеристик армополимерной крепи с закрепляющим составом при отрицательных температурах;

- теоретическими исследованиями методами конечного элемента и конечных разностей;

- производственными испытаниями в условиях россыпного месторождения шахты "Золотой Амбарный" ПО "Приморзолото".

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые решена задача о теплопроводящем стержне в массиве горных пород;

2. Установлен факт расширения шпура во время реакции отвердения закрепляющей смеси, что дает значительный запас прочности анкера по сравнению со значением, подсчитанным с учетом только адгезии;

Практическая ценность работы состоит:

- в обосновании эффективности и работоспособности армополимерной анкерной крепи в многолетнемерзлых породах;

- в создании методики выбора технологических схем крепления горных выработок россыпных шахт армополимерной анкерной крепью;

- в разработке номограмм для определения параметров крепления при бесце-ликовой отработке россыпных шахт с закладкой выработанного пространства армополимерной анкерной крепью;

- в создании технических средств и разработке оригинальных технических решений в области анкерного крепления.

Внедрение результатов исследований осуществлено на россыпной шахте "Золотой Амбарный" ПО "Приморзолото".

Личный вклад автора заключается:

- в постановке проблемы крепления горных выработок в многолетней мерзлоты теплонепроводящими анкерами;

- в разработке методики эксперимента и проведении лабораторных исследований по закреплению анкеров быстротвердеющим составом на моделях с отрицательными температурами;

- в организации и проведении натурного эксперимента по измерений несущей способности крепи;

-в постановке задач и анализе результатов вычислительного эксперимента МКЭ и МКР;

- в разработке методики выбора оптимальных параметров крепления горных выработок россыпных шахт армополимерной анкерной крепью.

Апробация работы.

Основные результаты исследований и отдельные положения диссертационной работы рассматривались и получили одобрение на научных заседаниях и семинарах в институтах ИГДС СО РАН, ВНИИ-1, Якутнипроалмаз, на научно-технических Советах производственных объединений Северовостокзолото и Якутзолото, на VII республиканской научно- практической конференции, Якутск, 1988г.

Публикации. По вопросам диссертации опубликовано 4 статьи, получено 4 авторских свидетельства на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 49 наименований, 2 приложений и содержит 123 страницы текста, отпечатанного на ПЭВМ, в том числе 47 рисунков, 11 таблиц.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА РОССЫПНЫХ ШАХТАХ СЕВЕРО-ВОСТОКА.

1.1. Особенности поддержания горных выработок в многолетнемерзлых породах.

Основной особенностью поддержания подземных горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах, является зависимость их устойчивости от теплового режим, создаваемого в шахте. Сезонные климатические колебания температуры поступающего воздуха на шахты Северо-Востока вызывают охлаждение или оттаивание пород горного массива от-18 до +4°С зимой иот-2до+10°С летом, что приводит к повышению или понижению

их механической прочности.

Температура многолетнемерзлых горных пород в зависимости от района залегания колеблется от нуля до -18н-20°С, а в среднем до -8-И2°С. При этом прочность мерзлых пород также меняется в зависимости от количества льда (льдистости) и температуры пород. Так например, кратковременная прочность на сжатие аллювиальных отложений месторождений Индигирки при льдистости 7-9% меняется от 1,36 МПа при -1°С до 42,2 МПа при -18°С [21]. Изменение прочности мерзлых горных пород на растяжение и сжатие в зависимости от влажности и температуры приведены в таблице 1 (данные ИГДС СО РАН). В зимний период при низких температурах мерзлые породы достаточно устойчивы, что позволяет эксплуатировать вскрывающие и подготовительные выработки без крепления и вести очистные работы при значительных обнажениях кровли. В летний период в связи с поступлением в выработки

теплого воздуха происходит оттаивание мерзлых пород, уменьшается их механическая прочность и снижается устойчивость выработок.

Таблица 1.1

Изменение пределов прочности мерзлых горных пород в зависимости

от влажности и температуры ( по данным ИГД Севера)

Предел прочности ( МПа) на сжатие и

Породы Влажность, % растяжение при температуре град, по С *

- 1 -5 - 10

5 1,25(0,12) 2,23 (0,40) 3,01 (0,59)

10 1,96(0,32) 3,33 (0,66) 5,05 (0,93 )

Песок 15 3,40 (0,44) 5,44(1,01) 6,88 ( 1,34)

18-20 5,21 (0,62) 9,19(1,34) 10,87 ( 1,66)

5 1.3610.20) 2,49(0,31) 2,89 (0,49)

Супесь 10 3,22 (0,62) 6,64 (0,92) 7,49( 1,06)

17 5,19(0,77) 11,36 (1,52) 13,58 (2,23 )

20 2,55 (0,87) 7,84(1,92) 10,57(2,09)

Суглинок 30 4,18(1,23) 8,13(2,16) 12,13(2,23)

41 . 5,58(1,15) 10,03 (2,26) 13,31 (2,40)

70 6,83 (0,94) 12,09 ( 1,60) 14,37 (2,06)

20 2,05(0,55) 4,96(1,14) 6,41(2,0)

Глина 30 2,17(0,84) 5,63 ( 1,55) 7,65(2,11)

48 3,81(1,40) 8,32(2,16) 10,62 ( 2,50)

70 5,45(1,17) 10,56(1,40) 13,20(2,05)

* Примечание: в скобках приведены значения пределов прочности на растяжение

Под термином "тепловой режим" горной выработки понимается совокупность параметров шахтного воздуха (скорость, влажность) и естественной температуры пород, т.е. условий, определяющих интенсивность теплообмена на стенках выработок и, следовательно, температурное поле горных пород, вмещающих выработки [37].

Параметры теплового режима подземных горных выработок формируются в результате действия многих факторов, из которых наибольшее значение имеют [3, 31, 32]:

- климатическая и геокриологическая характеристики района работ (среднегодовая температура воздуха, амплитуда годовых колебаний температуры воздуха, температура пород);

- наличие или отсутствие калориферной установки или других средств кондиционирования воздуха;

- аэродинамические характеристики горных выработок;

- теплофизические свойства горных пород и их влажность;

- срок службы выработок.

Различают три типа тепловых режимов выработки:

- положительный, когда в течении всего срока службы температура воздуха выше 0°С;

- отрицательный, когда в течении всего срока службы температура воздуха ниже 0°С;

- знакопеременный - с сезонными изменениями знака температуры воздуха.

Следует различать два знакопеременных режима:

- с положительной среднегодовой температурой воздуха;

- с отрицательной среднегодовой температурой.

Тепловые поля в стенках выработок оказывают влияние на их устойчивость. Во-первых, при изменении температуры в горных породах возникают температурные напряжения, которые периодически изменяются вместе с температурой и создают предпосылки усталостного повреждения и разрушения горных пород. Во-вторых, оттаивание пород уменьшает их прочность и жесткость, а циклическое промерзание и оттаивание приводит к разрушению пород и при отсутствии нагрузки (термоусталость).

При отрицательном тепловом режиме температурные напряжения разгружают массив горных пород, тем самым создают благоприятные условия эксплуатации. Разрушение контура массива возможно в результате сублимации льда из пор и трещин пород, имеющих малую прочность в талом состоянии.

При положительном тепловом режиме температурные напряжения складываются с напряжениями гравитационной и тектонической природы и могут вызвать разрушения на контуре выработки. Кроме того, протаивание массива уменьшает прочность и жесткость большинства осадочных горных пород. Цикличный характер температурных напряжений может также оказывать влияние на прочность приконтурной части массива. На устойчивость выработок наиболее неблагоприятно действуют знакопеременные тепловые режимы. Во-первых, амплитуда переменной температурной составляющей наибольшая, во-вторых, добавляется новый фактор - термоусталостное разрушение пород.

Таким образом, при всех тепловых режимах, кроме отрицательного, вокруг выработки образуется зона разупрочненных или разрушенных пород, в результате чего устойчивость выработки уменьшается.

Горные выработки практически во всех условиях разработки в той или иной степени подвергаются воздействию знакопеременных температур. Это в первую очередь относится к вскрывающим и капитальным выработкам, тепловой режим в которых характеризуется последовательным чередованием отрицательных и положительных температур поступающего воздуха в зимнее и летнее время. В работах [19, 22, 32] было установлено что колебания температуры воздуха в выработке, обусловленные изменениями температуры наружного воздуха, теплообменом с окружающим массивом, выделением тепла при работе механизмов и другими источниками постепенно затухают, и, как правило, на расстоянии более 1000 м от устья воздухоподающей выработки температура воздуха постоянна.

В значительной мере тепловой режим оказывает влияние на прочностные характеристики пород (табл. 1.1) и влияет на устойчивость выработок при подземной разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений.

Россыпные месторождения отличаются от угольных и рудных тем, что мерзлые рыхлые аллювиальные отложения, слагающие россыпи, содержат значительное количество льда и в больших пределах меняют свои прочностные свойства в зависимости от температурно-влажностного режима пород, который обусловлен тепловым режимом шахт. Если изверженные и осадочные коренные породы рудных и угольных месторождений в талом состоянии обладают достаточной устойчивостью, то рыхлые отложения в результате оттаивания теряют цементирующую связь между минеральными частицами и превращаются в сыпучую и плывучую массу.

Многолетний опыт разработки многолетнемерзлых россыпей показывает, что естественный тепловой режим в летнее время приводит к осложнению ведения горных работ, вследствие чего большинство шахт отрабатываются сезонно. Однако ввод в эксплуатацию крупных глубокозалегающих россыпных месторождений и увеличение глубины разработки многолетнемерзлых россыпей подземным способом обусловили необходимость круглогодичной отработки. В связи с этим остро встал вопрос поддержания вскрывающих и других выработок в период летней отработки, когда вокруг выработок образуются ореолы протаивания, резко ухудшающие их устойчивость.

Влияние знакопеременного теплового режима на устойчивость основных воздухоподающих выработок для рудных месторождений показана в работах [32, 48].

Так, на руднике им.Матросова наибольшие нарушения кровли зафиксированы на расстоянии 700 - 800 м от воздухоподающего ствола, что соответствует точке наиболее частых переходов температуры пород через нулевую отметку.

Шерстов В.А. в работе [41] рассмотрел некоторые особенности теплового режима и его влияние на устойчивость вскрывающих и очистных выработок в условиях летней эксплуатации на примере россыпных шахт прииска Аллах-Юнь.

Было отмечено, что в летний период наблюдается охлаждение воздуха и прогрев пород по длине вентиляционного пути, наиболее интенсивное изменение температуры происходит в воздухоподающих выработках, когда производится искусственное проветривание. Так, если при естественном режиме проветривания положительная температура воздуха сохраняется на расстоянии 50 м от устья ствола, то при работе вентиляторов она распространяется на длину 120-130 м. Колебания температуры шахтного воздуха вызывают соответствующие изменения температурного поля окружающих выработку пород: эти изменения тем глубже, чем интенсивнее проветривание. Данные о температурном режиме в условиях летней эксплуатации представлены в таблице 1.2 [2].

Параллельно с увеличением распространения положительной температуры увеличилась и длина выработок, в которых наблюдались разрушения крепи. Авторы работ, как правило, связывают наблюдавшиеся в выработках нарушения с размерами ореолов протаивания, увеличение которых ведет к образованию все больших масс пород, потерявших льдоцементную связь с массивом, что и приводит к возрастанию нагрузок на крепь. Следует учитывать, что повторное замораживание не восстанавливает первоначальной прочности пород.

Рассматривая влияние теплого воздуха на устойчивость кровли очистных выработок, прежде всего необходимо обращать внимание на их удаленность от устья воздухоподающего ствола [ 3 ].

Практикой установлено, что ведение очистных работ вблизи воздухоподающих стволов в летние месяцы характеризуется повышенной интенсивностью заколообразования и снижением устойчивости кровли по сравнению с выработками, более отдаленными от ствола и имеющими естественную отрицательную температуру воздуха. Очевидно, помимо основной причины, вызывающей образование местных отслоений (сотрясение пород от ударов воздушной волны при взрывных работах) в горных выработках, находящихся

вблизи воздухоподающих стволов, на интенсивность заколообразования влияет и изменение температурного режима.

Таблица 1.2

Данные температурных замеров при различных режимах проветривания

Места замера Расстояние от поверхности, м Температура, °С

Воздуха Пород

при естественной тяге при искусственном проветривании на расстоянии от ствола, м

0,2 | 0,5 | 1,0 | 2,0

1 2 3 4 5 6 7 8

Устье ствола 0 17.0 16.8 - - - -

10 10.7 13.5 - - - -

Ствол 30 3.4 9.0 0.5 -2.2 -4.2 -5.3

50 1.2 7.0 -1.3 -3.4 -5.1 -7.1

Руд • двор 70 -0.2 5.0 -2.1 -5.1 -7.9 -8.0

Штрек 80 -1.3,-2.0 3.0 - - -

100 -3.4 1.2 - -5.1 -5.3 -6.3

Лава 130 -5.1 -1.3 - -6.3 -6.5 -7.2

Вент.ствол 240 -5.3 -5.2 - - - -

Повышение температуры в прилегающих к кровле выработки слоях пород в результате проветривания теплым воздухом приводит зачастую к пластическим деформациям и прогибам пород по ледяным прослойкам. Нередко при работе вентиляторов в лавах наблюдаются отслоения мелких кусков породы. Отмеченные явления имели место в ряде шахт при отработке забоев, находящихся в период летней эксплуатации на расстоянии 30-50 м от рудничного двора и имевших температуру воздуха, близкую к 0°С [ 4 ]. Сравнивая частоту отслоений кровли в этих выработках с выработками, расположенными на значительном расстоянии от ствола, следует отметить в них повышенную интенсивность местных обрушений.

Таким образом, при круглогодичной отработке россыпных месторождений необходимы мероприятия по повышению устойчивости горных выработок теряющих

прочность кровли в результате влияния теплого воздуха в летний период отработки.

1.2. Пути повышения устойчивости горных выработок зоны многолетней мерзлоты

Крепление горных выработок и поддержание их в рабочем состоянии в период эксплуатации шахт является одним из основных важных производственных процессов при подземной добыче полезных ископаемых, без которого невозможны безопасная и производительная работа горнорабочих, нормальная работа шахты в целом.

На шахтах Северо-Востока наибольшее применение нашла деревянная крепь в связи с благоприятными условиями поддержания горных выработок в многолетнемерзлых породах. В условиях отрицательных температур срок службы деревянной крепи увеличивается до 10 лет (обычно 3 года), в особо благоприятных до 15 и 20 лет.

С переходом на более глубокие горизонты и умеренный температурный режим условия эксплуатации деревянной крепи осложнились. Участились случаи деформации и разрушения крепи, приводящие к авариям со значительными затратами на ликвидацию их последствий.

Для безремонтного поддержания горных выработок шахт Северо-Востока необходим такой способ крепления, который увеличил бы несущую способность приконтурного массива и уменьшил количество разрушенных зон, кроме того сократил материалоемкость несущих конструкций и снизил трудозатраты при их возведении.

Для выработок, пройденных в многолетней мерзлоте, можно различить два способа упрочнения приконтурного массива: механический и с помощью управления температурным полем вмещающих пород.

Исследователи, изучающие проявления горного давления в условиях многолетней мерзлоты, отмечают [1,2,3], что при подаче в шахты и рудники воздуха с отрицательной температурой, выработки сохраняют свою устойчивость даже без крепи в течении длительного времени, но при этом низок уровень комфорта для горнорабочих, хуже условия эксплуатации оборудования и машин, крайне осложняется пылеподавление, снижается производительность труда. При поступлении в шахту воздуха с положительной температурой улучшаются

условия труда, повышается его эффективность, но резко снижается устойчивость горных выработок в результате протаивания мерзлых горных пород, поэтому требуется такое управление температурным полем вокруг горных выработок, которое бы не допустило чрезмерного протаивания пород или уменьшения амплитуды сезонного колебания температур при знакопеременном режиме с целью уменьшения разрушенных зон и амплитуды температурных напряжений. Возможные способы управления - теплоизоляция горных выработок и рациональный выбор теплового режима.

Применение теплоизоляции в горных выработках рассматривалось в работах [1, 2, 38, 43 49], где отмечалась ее эффективность для шахт Крайнего Севера:

- уменьшалась амплитуда температурных напряжений и зона ее действия;

- свелось к минимуму изменение прочностных характеристик приконтурного массива, связанного с изменением его температуры;

- уменьшился ореол протаивания;

- предупреждается сублимация льда или высушивание пород.

Отмеченные факторы в целом приводят к ограниченному развитию зон разрушения, а это в свою очередь - к уменьшению нагрузок на крепь.

Для россыпных месторождений в качестве теплоизоляции предложена полиэтиленовая пленка. Исходя из расчетных зависимостей для определения температурного поля породного массива, Красовицким Б.А. [43], был разработан метод расчета параметров пленочной теплоизоляции.

Результаты расчетов позволили определить оптимальную ширину воздушной прослойки (0,2-0,3 м), не допускающей протаивания пород при определенных параметрах температуры шахтного воздуха и естественной температуры окружающих пород.

Применение пленочной теплоизоляции предусматривается в начале теплого периода - в апреле-мае, то есть в момент наступления положительных температур воздуха на поверхности. Производственные эксперименты по изучению возможности применения полимерных пленок в качестве теплоизоляционных материалов были проведены на прииске "Маршальский" и на прииске "Аллах-Юнь".

Среднемесячное повышение температуры пород за пленкой на расстоянии 50 м от устья наклонного ствола и на глубине 0,2 м составило около 1°С, без теплоизоляции - около 2.4° С.

Результаты производственных экспериментов показали, что применение односложной пленочной теплоизоляции позволяет снизить температуру пород в 2-2.5 раза, и установили целесообразность практического применения полимерных пленок в качестве теплоизоляционного материала.

Наиболее перспективными материалами для теплоизоляции горных выработок являются пенополиуретаны и пенопласты. Натурные исследования, проведенные на угольных шахтах Якутии, показали их высокую эффективность. Таким образом, произведя теплоизоляцию стенок и кровли выработок, можно добиться уменьшения глубины протаивания или даже предотвратить его [2].

Многими исследователями был сделан вывод о необходимости создания на шахтах и рудниках Севера "нулевого теплового баланса", когда зимой воздух подогревается, а летом охлаждается до температуры, равной температуре горного массива [1, 15, 16].

Изменение месячной температуры воздуха в выработках россыпных шахт свидетельствует о переменном направлении процесса теплообмена воздухом и породным массивом: с октября по апрель происходит нагревание шахтного воздуха и теплообмен направлен от пород к воздуху; с мая по октябрь -охлаждение поступающего воздуха и теплообмен направлен, от воздуха к породам. Поэтому Ю.Д. Дядькиным [16] была предложена "безэнергетическая" система регулирования теплового режима за счет использования природных запасов холода (тепла) в массиве горных пород, окружающих выработки.

Наиболее приемлемым, простым, доступным и экономичным вариантом для россыпных шахт является подогрев и охлаждение воздуха с помощью тепло-аккумулирующих выработок. В качестве последних могут быть использованы протяженные выработки (стволы, штреки, рассечки) и очистные выработки (камеры).

Основной принцип регулирования теплового режима россыпных шахт области многолетней мерзлоты заключается в сохранении естественного (мерзлого) состояния горных пород, окружающих действующие горные выработки, при соблюдении необходимых гигиенических требований. Регулирование теплового режима в летний период работы шахт должно обеспечивать предотвращение или сокращение сезонного оттаивания высокольдистых дисперсных отложений в действующих выработках.

Наиболее простым, доступным и экономичным способом терморегуляции является способ охлаждения шахтного воздуха с помощью теплоаккумулирующих выработок, которые уже отработаны.

Под механическим способом управления кровлей горных выработок понимается комплекс мероприятий с применением анкеров для повышения устойчивости горных пород за счет подшивки нижних слоев пород кровли к верхним, либо соединения их механическими устройствами.

Расширение области применения анкерной крепи в условиях шахт Северо-Востока - одно из важнейших направлений совершенствования крепления горных выработок с увеличением и использованием несущей способности массива.

Опыт применения анкерной крепи [4,5] свидетельствует о высокой ее эффективности и возможности широкого использования в различных горногеологических и горно-технических условиях. Эта крепь успешно применяется в горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработках различного назначения и с различным сроком службы, в очистных выработках и камерах.

Габариты и масса анкерной крепи на единицу длины выработки минимальны. В итоге применение анкерной крепи позволяет более чем в 2 раза снизить трудозатраты на крепление, и сократить почти в 3 раза материальные затраты по сравнению с расходами на крепление обычной деревянной крепью.

1.3. Опыт крепления горных выработок анкерной крепью на шахтах Северо-Востока

Анкерная крепь нашла широкое распространение у нас в стране и за рубежом. Однако на шахтах Северо-Востока, т.е. в районах распространения многолетней мерзлоты, до сих пор не освоено ее рациональное использование.

В 1980 г. на шахтах Северо-Востока использовалась анкерная крепь всех видов только на 9.1% выработок. На шахтах п/о "Якутуголь" доля применения анкерной крепи сократилась с 8,5% в 1977 года до 1,2% в 1980 году, сохраняясь до последнего времени почти неизменной. Хотя на подземных горных предприятиях Северо-Востока можно довести обьемы выработок, закрепленных анкерной крепью до 30% общей их протяженности, а крепление нарезных выработок до 85% [3-6, 25, 26].

По вопросу анкерного крепления выполнено большое число исследований отечественных и зарубежных ученых, позволивших на научной основе глубже

подойти к раскрытию физической сущности этого вида крепления. Наиболее широкую известность получили работы В.Н. Семевского, А.А.Борисова, А.Т.Толпакороева, О.В. Тимофеева, Б.Н. Чукана, Е.Я. Махно, А.П. Широкова, Н.И. Мельникова, И.А. Юрченко (СНГ), Р.Квапила (Чехия), Л.Панева (США), Ж.Талобра, А.Югона, А. Коста (Франция), Джонстона (Англия) и др.

Тем не менее, обширные экспериментальные и аналитические исследования, а также данные практики не привели к созданию общепризнанной теории работы анкерной крепи и разработке единого метода расчета ее параметров.

Существующие представления об анкерном креплении горных выработок, отечественных и зарубежных исследователей, можно свести к пяти основным научным положениям:

- подвешивание непосредственной кровли к основной;

- формирование грузонесущей конструкции;

- сжатия поддерживающих пород;

- совместной работы крепи и породы;

- энергетической теории.

Теория подвешивания непосредственной кровли была предложена Ф. Бакки, ее сторонниками являются Б.К. Чукан, А.П. Широков и ряд других исследователей [45-48].

Сущность этой теории состоит в том, что слабые, разрушенные или склонные к отслоению породы непосредственной кровли горной выработки подвешиваются анкерами к более прочным и устойчивым породам. Длина анкеров принимается при этом из условия закрепления их замков за пределами зоны возможного обрушения, а плотность установки анкеров должна быть такой, чтобы их суммарная несущая способность превышала вес поддерживаемых ими пород. Основной расчетной величиной для определения параметров анкерной крепи является площадь кровли, приходящаяся на один анкер, которая определяется как функция несущей способности его замка или предварительного натяжения анкера.

Теория формирования грузонесущей конструкции впервые была сформулирована О. Якоби и получила дальнейшее развитие в работах В.Н. Семевского, Е.Я. Махно, Л. Пашека, О.В. Тимофеева, Б.К. Чукана, A.A. Борисова и других исследователей [7, 33,40].

Сущность этой теории состоит в том, что при анкерном креплении горные породы подвергаются искусственному упрочнению и в массиве формируется грузонесущая конструкция, аналогичная составной балке, плите, своду или арке. Скрепляемые породы подвергаются в этом случае, главным образом, сжатию, а анкера воспринимают растягивающие усилия.

Расчетными методами, базирующимися на этой теории, длина анкеров определяется исходя из различных соображений. Площадь кровли, приходящаяся на один анкер, в явном или неявном виде зависит от натяжения (несущей способности) анкеров или прочностных свойств материала, из которого они изготовлены.

Сторонники теории сжатия поддерживающих пород Ж. Талобр, Р. Квапил, А. Югон, А.Кост предполагают, что работа анкерной крепи сводится к сжатию скрепляемой толщи пород и предотвращению возникающих в ее нижних слоях растягивающих напряжений [50].

Если сразу же после выемки горной массы установить анкерную крепь, сжав породы усилием, равным предварительному натяжению анкеров, развитие растягивающих напряжений прекратится и разрушение пород на контуре выработки не произойдет. Площадь кровли, приходящаяся на один анкер, определяется авторами этой теории в зависимости от величины начального натяжения анкеров.

Механизм взаимодействия анкерной крепи и поддерживающих пород раскрывается теорией совместной работы крепи и породы, разработанной А.Т. Толпакороевым [41], который считает, что анкерная крепь будучи податливой, не может полностью предотвратить процесс неупругого смещения пород кровли: она может лишь ограничить его скорость и при определенных условиях приостановить.

В отличии от рамной, анкерная крепь через замок связана с той частью пород, которая практически не разрушается.

В первый момент после установки анкеров их давление на породу через подхваты определяется начальным натяжением. Затем под действием, приложенных к подхватам сил горного давления, реактивное сопротивление крепи возрастает, и анкера, в результате упругого растяжения металла и скольжения замка в скважине, смещаются в сторону выработки, при этом смещается ее контур. При смещении напряженное состояние пород снижается, а способность анкеров

воспринимать нагрузку увеличивается. Этот процесс будет развиваться до наступления равновесия в системе крепь-порода, то есть до тех пор, пока реактивное сопротивление анкеров не окажется равным действующим на них силам горного давления.

Многолетнее успешное применение различных типов анкерной крепи на шахтах и рудниках СНГ и за рубежом, а также достаточно полное изучение физической сущности взаимодействия анкерной крепи с горным массивом не повлияло на их широкое применение на подземных горных предприятиях Северо-Востока. Исследования по закреплению анкеров в многолетнемерзлых породах проводились в незначительных объемах.

Первые опыты по применению анкерной крепи на шахтах приисков Магаданской области (месторождение Центральное прииск им. Фрунзе) проводились еще в 1954 г. Научно-исследовательские работы по применению анкеров для крепления кровли и стенок выработок проводились в ВНИИ-1 в начале 50-х годов и уже в 1957 году была выпущена инструкция по применению штанговой крепи на рудниках и шахтах Северо-Востока [12, 23].

В 1957 г. анкерная крепь испытывалась на шахтах, разрабатывающих месторождение Древнее (прииск им. Фрунзе). В 1960 г. испытание несущей способности металлических штанг проводилось институтом ВНИИ-1 на шахтах месторождения Трубное (прииск "Бурхала") [5].

Потапенко В.В. на основе экспериментальных данных сделал вывод о том, что штанговая крепь может успешно использоваться в условиях многолетне-мерзлых рыхлых отложений, в любых горно-геологических условиях, кроме случаев, когда замки штанги закрепляются в линзах льда, "сушенцах", или в талых породах рыхлых отложений [30]. В случаях, когда площадь опорных пластинок не всегда достаточна для предотвращения вывалов, рекомендовалось в пролетах между соседними штангами применять деревянные подхваты. Было отмечено, что несущая способность металлической штанговой крепи резко уменьшается в случае капежа воды, который может быть вблизи устьев воздухоподающих стволов многолетних россыпных шахт. Смачивание стенок шпура водой приводило к размягчению пород в месте закрепления замка штанги.

Институтом ВНИИ-1 в зависимости от горно-геологических и горно-технических условий было предложено применять:

- клинощелевые металлические и деревянные штанги;

►

- распорные металлические штанги;

- железобетонные штанги;

- штанги из прессованной древесины.

Длина штанг для случаев "подшивки", отслаивающейся ложной кровли (заколов) к вышележащей толще крепких многолетнемерзлых пород, определялась из условия закрепления замка на глубину 0.3 - 0.4 м и длины выступающей части штанги 0.1 м. Таким образом, длина штанг равнялась максимальной вероятной мощности заколов кровли в пределах рабочей полосы призабойного пространства плюс 0.4 - 0.5 м. Как показали исследования, проводимые ВНИИ-1, а в прошлые годы специальные наблюдения маркшейдерской службы Дальстроя, мощность заколов в указанной области очистных выработок на шахтах приисков довольно постоянна и равна 0.4 - 0.6 м, в очень редких случаях 1.0 м.

Исследователи ВНИИ-1 по своим экспериментальным данным сделали вывод о возможности успешного применения штанговой крепи на россыпных шахтах повсеместно [29, 32].

В 60-х годах были начаты попытки использования штанговой крепи на шахтах Норильского угленосного района [38], находящегося в зоне многолетней мерзлоты. Использовались клинощелевые штанги, распорно-безрезьбового типа, железобетонные и деревянные штанги. Конвейерные и вентиляционные штреки крепились деревянными рамами совместно со штанговой крепью, нарезные выработки - чаще всего штангами. Сетка крепления составляла 0.8 -1.4 м, глубина штангования 1.6-1.8 м.

В настоящее время в Норильском ГМК применяются железобетонные клинощелевые штанги в сочетании с набрызгбетоном [39]. Однако они имеют ряд недостатков:

- сложность качественного приготовления бетонной смеси в шахтных условиях;

- неполное заполнение шпуров бетонной смесью, что ведет к снижению несущей способности штанг;

- слабую механизированность установки;

- штанги начинают нести нагрузку лишь через несколько часов после их установки.

В связи с этим, начато применение штанговой крепи с заполнителем на основе шлакосиликатных быстротвердеющих патронированных смесей, которые в

значительной степени устраняют многие . недостатки железобетонной штанговой крепи [13,39,40].

Возможность применения штанговой крепи на шахтах Якутии начали рассматривать в 70-е годы. В 1972 году была издана временная инструкция по применению штанговой крепи на шахтах треста "Якутуголь". При разработке этой инструкции были взяты за основу инструкции по применению штанговой крепи на шахтах Печерского и Норильского угольного района. В ней были предложены для крепления многолетнемерзлых слоистых пород кровли штанговая крепь клинощелевого и распорно-безрезьбового типа. Были разработаны паспорта крепления для шахт "Сангарская" и "Джебарики-Хайя" [25].

Несмотря на приведенные примеры использования анкерной крепи для крепления горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах, она не нашла широкого применения на шахтах Северо-Востока [28,29, 35]. По мнению А.Н. Душкина [14], сложившаяся ситуация является следствием недостаточных усилий научно-исследовательских институтов по широкому распространению и рекламе таких прогрессивных технологических решений, как применение анкерных крепей, и предубеждением сформировавшимся у производственников, считающих анкерную крепь ненадежной и рассматривающих ее как горную экзотику.

Известно, что с течением времени вокруг выработок, пройденных в мерзлых породах, при положительном и знакопеременном тепловом режиме пород образуются зоны, разупрочненных или разукрепленных пород, так называемые ореолы протаивания, которые уменьшают устойчивость выработок.

Идея использования на шахтах Северо-Востока широко применяемых в других районах страны металлических анкеров предусматривала сшивку ослабленной зоны с неоттаявшим массивом путем расположения замков за ореолом протаивания [28,30]. Однако известные примеры крепления выработок в данных условиях металлическими анкерами клино-щелевого и распорного типов в основном заканчивались неудачно.

Протаивание мерзлых горных пород при положительной температуре рудничного воздуха ухудшает условия эксплуатации выработок, закрепленных металлической анкерной крепью.

Экспериментальные исследования показали [5], что прочность закрепления замков различных металлических штанг в условиях многолетней мерзлоты зависит от типа пород, в которых они устанавливаются.

Однако авторами работы было отмечено, что величина начального закрепления замков штанг клинощелевого типа и штанг с распорными замками, имеющими постоянное раскрытие, с течением времени при положительном тепловом режиме шахт снижается и такие штанги под нагрузкой протаскиваются по скважинам. Происходит это в результате смятия пород, оттаявших в районе закрепления замков.

Оттаивание пород вокруг замковой части анкера происходит за счет тепла, передаваемого по теплопроводящему металлическому стержню анкера, конец которого расположен в выработке с положительной температурой. При этом нарушается нормальный распор замка анкера и уменьшается его несущая способность.

Такое сочетание отрицательных факторов нарушает нормальные условия работы анкерной крепи и снижает безопасность производства горных работ.

В связи с этим в выработках, пройденных в многолетнемерзлых породах, возникает необходимость применения анкерной крепи, материал которой имеет низкий коэффициент теплопроводности и закрепляемый в скважинах при помощи быстротвердеющих химических составов и минеральных растворов также с низким теплопроводящими свойствами. К таким можно отнести полимерные анкеры, стержни которых изготовлены из стеклопластика и деревянные анкеры. С некоторой натяжкой к ним же можно отнести сталеполимерные анкеры, стержни которых изготовлены из металла, закрепляемые в скважинах быстротвердеющими химическими составами с низким коэффициентом теплопроводности и железобетонные анкеры.

На рис. 1.1 и 1.2, в качестве примера поиска наиболее оптимального строения крепи, показаны разновидности экспериментальных анкеров.

Имелись первые попытки использовать сталеполимерные анкера при отрицательных температурах пород. Исследование прочности закрепления анкерной крепи с химическим закреплением, при отрицательных температурах массива угля проводились с использованием химического состава на основе фенольно-резольно-асбестовой смолы на шахтах "Анадырская" и "Беринговская" [29].

Было установлено, что прочность закрепления анкеров для различных температур массива и ампул, а также влажности изменяются. При понижении температуры массива и ампул прочность закрепления анкера на длине 0.4 м

Рис. 1.1. Экспериментальные анкеры ВНИИгидроугля а - стекло пластиковый, б - полимербетонный

1 - прижимная головка; 2 - стеклопластиковая оболочка; 3 - пенопласт; 4 - арматурный стержень; 5 - полимербетон

Рис. 1.2. Анкер из лингамона 1 - стержень; 2 - клин; 3 - разрезная втулка; 4 - опорная плита

составляла 50-53 кН ( 5-5,3 т ). При закреплении на длине 1 м прочность его закрепления почти удваивается.

При температуре ампул 17° С прочность закрепления анкера была ниже, чем при температуре ампул, равной температуре воздуха в выработке. Это явление объясняется тем, что закрепляющий химический состав при повышенной температуре отвердевает в более короткие сроки и вызывает повышение температуры во время реакции, а это, в свою очередь, приводит к таянию льда в стенках скважин. Свободная вода, смешиваясь с закрепляющим составом, снижает его прочностные характеристики.

Исследования показали, что в условиях массива с отрицательной температурой для эффективного применения анкерной крепи с химическим закреплением необходима разработка новых химических составов, отвердение которых происходило бы в короткие сроки и с меньшим выделением тепла.

Первые испытания сталеполимерной анкерной крепи с закрепляющим составом на основе фурилово-фенолово-формальдегидной смолы ФФ-1Ф, разработанной в ИГД им.А.А.Скочинского, проводились на россыпном месторождении "Онкучах" ГОК "Куларзолото" [29].

Продуктивный пласт был представлен галечниковыми отложениями, сцементированными песчано-глинистым материалом, температура пород составляла - 6-8° С, влажность не превышала 14%, температура воздуха - 8-10°С.Было установлено, что закрепляющий состав твердеет и закрепляет анкер в течении 25-30 минут, полную несущую способность (45-60 кН) анкер набирает через 20-22 часа.

Н.И. Мельниковым при исследовании смолы ФФ-1Ф [23] было установлено, что время его отвердения при температуре 15° С составляет 0.5 минут, при 0° С-3.5 минут, при-10° С оно равно 6 минутам.

В отраслевой лаборатории Северо-Кавказского горно-металлургического института была исследована унифицированная карбомидная смола марки Б (УКС-Б). Лабораторными исследованиями установлено, что этот состав обладает высокими адгезионными свойствами и высокой несущей способностью и его можно применять при температурах пород от -10 °С до +30° С.

1.4. Цель и задачи исследований

Из вышеизложенного следует, что на сегодня наиболее рациональным способом управления кровлей шахт, разрабатывающих многолетнемерзлые россыпи, является применение анкерной крепи. Однако использование ее в традиционном металлическом исполнении не приводит к необходимому эффекту и не "приживается" из-за оттаивания пород в месте, закрепления замков, что нарушает нормальные условия работы анкера и снижает безопасность производства горных работ.

Выполненный анализ научно-технической литературы показывает, что использование анкерных крепей, закрепляемых быстротвердеющими химическими составами, на шахтах Северо-Востока принципиально возможно.

Для предотвращения оттаивания пород вокруг анкера требуется теплонепроводящий материал стержня и соответствующий теплонепроводящий закрепляющий состав.

Кроме того, необходимо обосновать параметры теплонепроводящей анкерной крепи с учетом ее взаимодействия с мерзлым массивом горных пород.

В связи с тем, что возможность применения анкерной крепи с закреплением быстротвердеющими химическими составами на россыпных шахтах Северо-Востока рассматривалось и изучалось • совсем незначительно и совершенно неподробно, основной целью работы является повышение эффективности управления кровлей в многолетнемерзлых дисперсных породах при разработке россыпных месторождений ( в том числе и при системах с закладкой выработанного пространства) за счет применения армополимерной анкерной крепи.

Поставленная цель может быть достигнута за счет решения следующих задач:

- изучение явлений, возникающих в процессе управления кровлей при подземной разработке россыпных месторождений в многолетнемерзлых породах;

- определение возможности применения и оценка работоспособности анкерной крепи при разработке россыпного месторождения с закладкой выработанного пространства;

- оценка несущей способности анкеров с различными коэффициентами теплопроводности при их тепловом взаимодействии с многолетнемерзлыми породами;

- совершенствование методики проведения лабораторных исследований закрепления стержней анкера быстротвердеющими химическими составами в моделях с отрицательной температурой;

- выбор химического состава твердеющей смолы и установление закономерности взаимодействия смолы с массивом горных пород;

- разработка практических рекомендаций по технологии крепления горных выработок россыпных шахт армополимерными анкерами.

Заключение диссертации по теме «Физические процессы горного производства», Кычкин, Николай Леонидович

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

1. На основе лабораторных и полупромышленных исследований предложена технология установки полимерной анкерной крепи, предусматривающая, что:

- установка полимерной анкерной крепи осуществляется сразу после обнажения контура выработки или через некоторое время, обусловленная технологией работ и физико-механическими свойствами пород, главным образом их устойчивостью.

- все работы производятся не менее чем двумя горнорабочими. Возведение постоянной анкерной крепи должно производиться под защитой временной крепи (ВК).

- установка полимерного анкера может производится вручную или механизированным способом.

- при больших скоростях вращения электросверла (более 600 об/мин) и малой разнице диаметров стержня и шпура происходит значительный нагрев закрепляющего состава, в связи с этим рекомендуется при малой скорости вращать стержень в пределах 40-50 сек, а при большой - 20-30 сек.

- для осуществления постоянного контроля натяжения анкеров рекомендуется использование термически обработанных пружинных шайб Гровера размером 24x9x9 и 27x10x10 мм из стали 65 Г (МПС 4МТУ-4459), применяющихся на ж/д транспорте и серийно изготавливающихся промышленностью. Шайба устанавливается между опорной плитой и гайкой; при нормальной работе анкера она находится в сжатом состоянии.

2. В результате обработки и анализа результатов исследований разработана методика расчета параметров полимерной анкерной крепи для ее практического применения в условиях разработки россыпных шахт Северо-Востока страны. При расчете параметров полимерной анкерной крепи методикой определено, что

- максимальная несущая способность анкера определяется наименьшим значением нагрузки согласно расчета; поскольку контурный замок полностью готовится в заводских условиях и его несущая способность дается в характеристике крепи, то расчет производится только для глубинного замка.

- расчетная несущая способность армополимерных анкеров в конкретных геологических условиях проверяется по средним значениям измерений несущей способности опытных анкеров, причем, при применении их в смешанной крепи она должна составлять не менее 3 т, а в качестве самостоятельной - не менее 5 т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время в связи с увеличением объемов горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах, возрастает необходимость повышения эффективности управления кровлей за счет сокращения времени крепления и увеличения надежности крепей при положительном и знакопеременном тепловых режимах в горных выработках.

При всех своих положительных свойствах металлическая анкерная крепь, устанавливаемая в многолетнемерзлых породах, не отвечает требованиям надежности эксплуатации закрепленных выработок. Вокруг металлического анкера за счет его большой теплопроводности и наличия зазора между стержнем анкера и стенками скважины происходит образование ореола цротаивания, в результате чего анкер теряет свою несущую способность.

В диссертационной работе задача повышения надежности и увеличения скорости крепления горных выработок, создаваемых в многолетнемерзлых горных породах, решается посредством применения низкотеплопроводной армополи-мерной анкерной крепи.

Основные научные и практические результаты, полученные при выполнении аналитических, лабораторных и полупромышленных исследований, заключаются в следующем:

1. Построена математическая модель и алгоритм расчета задачи теплового взаимодействия анкеров с вмещающими многолетнемерзлыми породами.

2. Установлено, что теплота, передаваемая металлическим анкером торным породам, за счет его большой теплопроводности и наличия зазора между стержнем анкера и стенками шпура, приводит к протаиванию боковых пород с образованием ореола протаивания, в результате чего анкер теряет свою несущую способность.

3. Для крепления горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых породах, предложено применять полимерные анкеры, закрепляемые с помощью быстротвердеющих химических составов, с низкими теплопроводящими свойствами, что позволит предотвратить доступ тепла в породу от анкера и образование вокруг него ореола протаивания как за счет низких коэффициентов теплопроводности анкеров и закрепляющего состава, так и за счет ликвидации зазора между стенками шпура и стержнем анкера.

4. На основе исследования процесса взаимодействия закрепляющего состава с мерзлыми горными породами определены величины адгезионной прочности анкерной крепи в зависимости от температуры массива горных пород, их влажности, анкер-шпурового зазора.

5. Установлено, что прочность закрепления анкера составляет 6 - 10 т, обеспечивая достаточную надежность крепления выработанного пространства.

6. Разработана научно обоснованная технология установки армополимер-ной анкерной крепи, обеспечивающая

- установку крепи сразу после обнажения контура выработки или через некоторое время, обусловленное ■ технологией работ и физико-механическими свойствами пород, главным образом их устойчивостью;

- установку анкера вручную или механизированным способом;

- возможность осуществления постоянного контроля натяжения анкеров с помощью пружинных шайб Гровера, серийно изготавливаемых промышленностью;

- приближенный к практике расчет несущей способности армополи-мерного анкера, поскольку расчет производится только для глубинного замка.

7. Разработана методика расчета основных параметров крепления выработанного пространства армополимерной анкерной крепью; при этом установлено, что:

- максимальная несущая способность анкера определяется наименьшим значением нагрузки согласно расчета;

- расчет анкера производится только для глубинного замка, т.к. контурный замок изготавливается в заводских условиях и его несущая способность приводится в характеристике крепи;

- расчетная несущая способность армополимерных анкеров определяется для конкретных горно-геологических условий и при применении их в смешанной крепи должна составлять не менее Зт, а в качестве самостоятельной - не менее 5т.

8. Установлены недостатки армополимерной крепи и предложены пути их устранения:

- во время механизированной установки анкера при больших скоростях вращения электросверла (более 600 об/мин) и малой разницы диаметров и стержня шпура происходит значительный нагрев закрепляющего состава. С этим можно бороться применяя тихоходные буровые машины;

- время затвердения закрепляющего состава на основе смолы СФЖ-3032 при понижении температуры массива увеличивается; однако, при самых неблагоприятных условиях полученное значение адгезионной прочности 0.2 МПа позволяет иметь армополимерную крепь достаточной несущей способности, увеличивая ее длину и диаметр.

9. Выполнено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния мерзлого массива горных пород в условиях бесцеликовой разработки россыпных месторождений с закладкой выработанного пространства путем расчета компонент тензора напряжений методом конечного элемента в условиях плоской деформации.

10. Показано, что условия поддержания призабойной зоны неблагоприятны из-за высокого уровня напряжения сдвига ( стЭф ) и распределения зоны растяжения вглубь кровли и в направлении от забоя.

11. Аналитически определено, что применение закладки понижает аэф в 1,7 2,15 раза и уменьшает зону растяжения в 2 4 раза, что повышает надежность управления горным давлением.

12. Предложено в качестве эффективного средства предотвращения вывалов пород при бесцеликовой отработке россыпных месторождений комплексами самоходного оборудования с закладкой выработанного пространства обнаженную кровлю призабойной зоны закреплять армополимерной анкерной крепью.

13. Установлены параметры анкерирования, исходя из высоты возможного вывала, путем наложения условных зон разрушения сдвигом и растяжением.

14. Разработаны номограммы для определения нагрузки на призабойную крепь и определения глубины анкерирования.

15. Предложены технические решения, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, которые позволяют повысить эффективность использования анкерной крепи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кычкин, Николай Леонидович, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авксентьев И. В. Исследование и выбор параметров теплоизоляции горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Автореф. дне. канд. техн. наук. Новосибирск. 1975. 18с.

2. Авксентьев И. В., Скуба В. Н. и др. Моделирование нестационарного теплообмена в теплоизолированных горных выработках. В кн.: Проблемы горной теплофизики. Тезисы выступлений. Тепловой режим шахт и рудников. Кондиционирование рудничного воздуха. Л.. ЛГИ, 1973. с. 48-49.

3. Андреев В. С., Изаксон В. Ю., Попков В.Е. и др. Пути повышения устойчивости капитальных и подготовительных выработок в условиях многолетней мерзлоты: Доклад на VHI всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок. Препринт. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1982. с. 44.

4. Андреев В. С., Изаксон В. Ю., Попков В. Е. и др. Пути повышения устойчивости капитальных и подготовительных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Препринт. Якутск: ЯФ СО АН СССР , 1982. с. 44.

5. Бабе Г. Д., Бондарев Э.А., Канниболотский М.А. и др.. Влияние теплового режима шахт на работоспособность пгганговой крепи в условиях многолетней мерзлоты. В кн.: Исследования и рекомендации по совершенствованию разработки полезных ископаемых Северных и Восточных районов СССР. Часть II. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1974. с. 49-52.

6. Бабе Г. Д., Бондарев Э.А. и др. Влияние теплового режима шахт на работоспособность металлической крепи в условиях многолетней мерзлоты. ФТПРПИ. 1973, N4. с. 106-107.

7. Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.

360 с.

8. Временная инструкция по изготовлению, транспортированию и хранению ампул с химическим составом на основе фенорезольной смолы. Новокузнецк: 1978.

9. Временная инструкция по применению в горных выработках анкерной крепи с закреплением быстротвердеющими химическими составами. М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1972.

10. Витой полимерный анкер В ПА с закреплением быстротвердеющим фосфогипсовым составом. М.: Министерство угольной промышленности СССР, 1985.

11. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: Изд. АН СССР, 1959. 82с.

12. Гемота Е.З. Применение анкерной крепи в подготовительных и очистных выработках. М.: Высшая школа, 1961. 59 с.

13. Гришин П. И., Долинин Н. В., Канев Г. С. Штанговая крепь на полимерных смолах. Безопасность труда в промышленности. 1982, N 2. с. 24-25.

14. Душкин А.Н., Кудашкин С. А. Опыт и перспективы применения анкерной крепи и набрызг бетона при разработке месторождений полезных ископаемых в зоне вечной мерзлоты. Колыма. 1988, N 5. с. 16.

15. Дядькин Ю. А. Основы горной теплофизики. М.: Наука, 1968. 256с.

16. Дядькин Ю. А. Научные основы регулирования теплового режима шахт и рудников в вечной мерзлоте. Автореф. дис. докт. техн. наук. Л., 1965.48с.

17. Ержанов Ж. С. Теория ползучести. Алма-Ата: Наука, 1975. 92с.

18. Изаксон В.Ю., Петров Е.Е. Численные методы прогнозирования и регулирования теплового режима горных пород области многолетней мерзлоты. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1986. с. 96.

19. Изаксон В.Ю. О зоне нарушения сплошности вокруг горизонтальной горной выработки. Современные проблемы механики горных пород. Л.: Наука, 1970. с. 33-39.

20. Инструкция по безопасному применению камерно-лавной системы разработки вечномерзлых россыпей Северо-Востока СССР. Магадан. ВНИИ-1, 1973. 156с.

21. Кремнев О. А., Журавленко В. Я. Тепло- и массообмен в горном массиве в подземных сооружениях. Киев. Наукова думка, 1986. 349 с.

22. Мельников Н. И., Линденау Н.И. Опыт применения анкерной крепи,- М. Госгортехиздат, 1959. 126 с.

23. Мельников Н.И. Анкерная крепь. М.: Недра, 1980. 252 с.

24. Методика разработки по расчету крепи горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Скуба В.Н., Андреев B.C., Авксентьев И.В. Якутск:ЯГУ, 1980. 27 с.

25. Методика определения возможных объемов применения анкерной крепи и потребности в различных типах анкеров для крепления подготовительных выработок по Минуглепрому СССР на 1981-85г. М.:ИГДим. Скочинского, 1978. 20 с.

26. Модестов Ю. Л., Шувалов Ю.В. О возможности применения систем разработки с порожними очистными забоями на подмерзлотных горизонтах. Колыма. 1969. N 12. с. 19-21.

27. Печенкин А. Б. Применение трубчатой анкерной крепи при разработке многолетнемерзлыхроссыпей. Колыма. 1989, N7. с.9

28. Плеснивцев В. В., Первенцев И. П., Мельников Н. И. Исследование анкерной крепи с химическим закреплением при отрицательных температурах. Колыма. 1989, N9. с. 13.

29. Потапенко В.В. Штанговое крепление на россыпных шахтах. Магадан: 1961. 34 с.

30. Розенбаум М.А., Громов Ю. В., Морозов К. В. Влияние знакопеременных температур на прочность горных пород. ФТПРПИ. 1988, N 4. с. 14-17.

31. Розенбаум М.А., Морозов К. В. Влияние знакопеременной температуры на устойчивость горных выработок. Колыма. 1989, N6. с. 18.

32. Семевский В. Н. Штанговая крепь.- М.: Металлургиздат, 1956.- 243 с.

33. Слепцов А.Е., Изаксон В.Ю. Оценка предельного пролета первой посадки многолетнемерзлой кровли. ФТПРПИ. 1987, N 5. с. 10-15.

34. Соколов Н. В., Абросимов В.М. Результаты испытаний новых стале-полимерных анкеров на рудниках Норильского ГМК. Горный журнал. 1984, N 4. с. 39.

35. Справочник проектировщика. (Расчетно - теоретический). Под ред. А. А. Уманского. М.: Госстройиздат, 1960. 1040 с.

36. Скуба В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1974. 118 с.

37. Скуба В.Н., Тараскин Ю.С., Тышев Ю.А. и др. Натурные исследования динамики протаивания мерзлых пород за теплоизоляцией. В кн.: Совершенствование горных работ на шахтах и рудниках Севера. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1976. с. 57-60.

38. Скуба В. Н., Мельников Н. И. Опыт применения штанговой крепи на шахтах Норильского угленосного района. М.: Недра, 1968. 46 с.

39. Тимофеев О. В., Мордухович М. М. Временное руководство по примене-нию пгганговой крепи в подготовительных выработках на шахтах Кузбасса. Л: 1971. 103 с.

40. Типовая методика по испытанию опытных образцов и опытно-промышленных партий анкерной крепи. М.: ИГД им А.А.Скочинского, 1972.

41. Шерстов В. А. Исследование и совершенствование эксплуатации вскрывающих выработок при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей. Автореф. дис. канд. техн. наук. Новосибирск: 1976. 17с.

42. Шерстов В. А., Эккашев М. М. Некоторые результаты испытаний пленочной теплоизоляции в россыпных шахтах. В кн.: Исследование физико-технических проблем Севера. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1975. с. 17-21.

43. Широков А. П. Повышение устойчивости горных пород. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1983. 167 с.

44. Широков А.П. Анкерная крепь в горно-добывающей промышленности. Кемерово: 1973. 150 с.

45. Широков А. П. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М.: Недра, 1976. 208 с.

46. Широков А. П. Теория и практика применения анкерной крепи. М.: Недра, 1981.'381 с.

47. Широков АП. Повышение устойчивости горных пород. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1983. 167 с.

48. Шургин Б. В., Авксентьев И. В., Галкин А. Ф. и др. Методика и результаты исследования теплового режима экспериментальной выработки с теплоизоляцией в условиях многолетней мерзлоты. В кн.: Совершенствование горных работ на шахтах и рудниках Севера. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1976. с.61-66.

49. Югон А., Кост А.. Штанговое крепление горных пород. М.: Госгортех-издат, 1962. 204 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ N 1 Журналы к методике проведения лабораторных исследований закрепления полимерных стержней быстротвердеющими химическими составами