Расчет на месте
К вопросу возможности применения анкерной крепи в особо сложных горно-геологических условиях, выходящих за пределы действия соответствующих нормативных документов
В настоящее время горная промышленность обладает более чем полувековым опытом использования анкерной крепи.
Применение анкерной крепи для крепления горных выработок на шахтах РФ и зарубежных стран было начато еще в 50-х годах прошлого столетия. Анкерное крепление на данном этапе является доминирующим видом крепления на угольных предприятиях из-за эффективного взаимодействия этой крепи с углепородным контуром выработок, более низкой массы и стоимости по сравнению с рамными видами крепи.
В мировой практике широко применяются различные виды анкерных крепей, которые обеспечивают в различной степени упрочнение пород свода над горной выработкой, тем самым исключая его обрушение. Применение стальных анкеров, металлических верхняков из спецпрофиля, листовой стали в виде штрипсов и опорных шайб в качестве основных элементов крепления выработок и металлической решетчатой затяжки (сетки и др.) в качестве перетяжки кровли позволило в целом значительно сократить затраты на поддержание горных выработок.
Конструкции и параметры анкерной крепи на практике определяются созданием необходимой толщины пород по контуру горной выработки, которую следует поддерживать в период ее эксплуатации. При этом механические анкеры используются в условиях, требующих относительно небольших несущих способностей крепи, сталеполимерные − для условий, требующих повышенной несущей способности крепи, а тросовые анкеры — там, где необходима большая высота анкерования и высокое рабочее сопротивление крепи.
Условия применения существующих типов анкерной крепи на угольных предприятиях, согласно «Инструкции...» (1), регламентируются горно-геологическими условиями, которые на практике изменяются зачастую непредсказуемо. В связи с чем опыт применения известных видов анкерной крепи показывает, что не во всех горно-геологических условиях ее параметры соответствуют требуемым. Более того, конструкция и технология возведения содержат в отдельных случаях свои недостатки, которые требуют причинной их оценки и соответствующей доработки. Данные обстоятельства предопределяют эффективность и безопасность применения анкерной крепи в определенных условиях, ограничивающихся более благоприятными горно-геологическими условиями эксплуатации горных выработок.
Мировая горная наука, учитывая эти обстоятельства, давно уже работает над созданием одного вида анкерной крепи, соответствующего большинству горно-геологических условий, то есть охватывающей по прочности пород диапазон от неустойчивых до весьма крепких. Однако на данном этапе, в условиях влияния осложняющих факторов, на которые не распространяются положения действующих нормативных документов, осуществить данное мероприятие представляется весьма затруднительным.
Анализом опыта применения и имеющихся результатов исследований работы анкерной крепи установлены следующие основные причинные факторы недостаточно эффективного их применения на современном этапе развития угольной отрасли:
закономерное усложнение горно-геологических и горнотехнических условий в связи с переходом на глубину разработки более 400 - 450 метров, где существенно увеличиваются размеры зон опорного давления в окрестности очистных работ и интенсивность проявлений горного давления в выработках внутри выемочных полей;
возросшие, практически на 40%, площади поперечного сечения выработок, в особенности выемочных штреков механизированных лав, вызванные усложнением газового режима на данных глубинах; недостаточная изученность геомеханических процессов в породах вокруг выработок на глубоких горизонтах и работоспособность анкерной крепи в этих условиях. В наибольшей мере это относится к размерам зон опасных деформаций (смещений, расслоений и разрушений) пород кровли и боков выработок, охраняемых целиками угля. В этом вопросе до сих пор не учитывается влияние различных полей напряжения.
Практика применения сталеполимерной анкерной крепи показывает, что даже наиболее надежные и современные средства крепления не во всех случаях предотвращают опасные деформации закрепленных пород и потерю устойчивости их на отдельных участках выработок. Исследованиями установлено, что в зонах повышенных напряжений и структурных аномалий накапливается упругая энергия, которая, достигая критических значений, вызывает неожиданные динамические разрушения приконтурного массива выработок. Это в свою очередь ведет к непрогнозируемым аварийным ситуациям в работе анкерной крепи.
Инструментальными наблюдениями, выполненными различными научными организациями и авторами установлено, что порядка 90 % всех случаев опасных деформаций пород и потери устойчивости выработок как с анкерной крепью, так и с другими ее видами, происходят в зонах влияния очистных работ. При этом смещения и расслоения пород, величины распространения опасных деформаций от контура выработок вглубь массива и условия возможного их обрушения зависят главным образом от структуры и прочностных свойств вмещающих пород, глубины расположения выработки и параметров сечения и крепления выработок.
В любом случае наиболее важную роль в повышении эффективности применения анкерной крепи и надежности поддержания горных выработок играют существующие методы расчета параметров анкерной крепи, которые определяют фактический уровень безопасности при креплении и эксплуатации горных выработок на угольных предприятиях. Это в первую очередь относится к выработкам, поддерживаемым в особо сложных горно-геологических условиях, то есть в условиях, на которые не распространяются положения действующих нормативных документов.
До настоящего времени при внедрении анкерной крепи использовались следующие руководящие нормативные документы:
«Инструкция по применению анкерной крепи в подготовительных выработках шахт Кузбасса», разработанная КузНИУИ в 1969 году;
«Инструкция по применению металлической рамной и анкерной крепей на шахтах Кузбасса», разработанная КузНИУИ в 1972 году;
«Инструкция по ремонту горных выработок, закрепленных анкерной крепью», разработанная КузНИУИ в 1974 году;
«Отраслевая инструкция по применению рамных и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт», разработанная ИГД им. А.А. Скочинского в 1985 году;
«Временное руководство по применению винтовой анкерной крепи для крепления подготовительных выработок на шахтах Кузбасса», разработанная КузПИ в 1989 году;
Методическое руководство по применению анкерной крепи на шахтах ЗАО «УК «Южкузбассуголь», разработанная угольной компанией «Южкузбассуголь» в 2002 году;
«Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России», разработанная Межотраслевым научным центром ВНИМИ, при участии специалистов бассейновых угольных институтов в 2000 году.
В вышеперечисленных инструкциях по расчету анкерной крепи использовалась практически одна и та же методика расчета параметров анкерной крепи. Все рассматриваемые инструкции не распространялись на применение анкерной крепи в специфических и сложных условиях. Кроме этого, большинство из них не распространялись на ранее закрепленные анкерной крепью выработки.
Применением «Инструкции…» выпуска 2000 года было установлено, что она не всегда обеспечивает верный выбор параметров анкерного крепления. Параметры в ней определяются обычно по эмпирическим формулам, а также в соответствии с рекомендациями, регламентирующими параметры анкеров для различных отраслей шахтного и подземного строительства. Методы расчета анкерной крепи признаны как находящиеся еще в начальной стадии, а методы анализа НДС массива пород вокруг выработки, армированной анкерами, требующими дальнейшего развития и обоснования.
Данные обстоятельства предшествовали дальнейшему изучению геомеханических процессов, происходящих в горных выработках, закрепленных анкерной крепью, проведением новых научных исследований с оборудованием в горных выработках сложных замерных станций и применением методов математического моделирования горных процессов.
Результаты этих научных исследований и практических работ позволили разработать более универсальный нормативный документ «Инструкцию…» (1), утвержденную в 2013 году. Данным нормативным документом определен порядок расчета анкерной крепи для горизонтальных и наклонных (до 35о) подземных горных работ и их сопряжений при следующих горно-геологических и горнотехнических условиях горнопромышленных предприятий:
максимальная расчетная ширина выработки или сопряжения — не более 12 м;
поддерживаемые в ненадработанном и неподработанном, а также полностью надработанном и подработанном массивах на расстояниях, соответственно, больше ширины выработки и двенадцати мощностей пласта;
отношение глубины проведения горной выработки или сопряжения от дневной поверхности Н, (м) к расчетному сопротивлению пород и угля в кровле на одноосное сжатие Rс (МПа) — не более 25. При величине отношения от 25 до 30 — крепление выработок и сопряжений необходимо осуществлять по двухуровневой схеме, с применением анкеров глубокого заложения;
прочность на одноосное сжатие оставляемой угольной пачки в кровле горной выработки или сопряжения — не менее 6 МПа.
Расчетные положения данной «Инструкции...» не распространяются на применение анкерной крепи при проведении горных выработок в следующих особо сложных горно-геологических условиях:
в зонах повышенного горного давления (далее — ПГД);
в зонах разрывных геологических нарушений;
при наличии выветрелых, пластичных и мерзлых вмещающих пород.
Однако, в соответствии с п. 7 Приложения 17 «Инструкции...» (1), за пределами ее действия анкерную крепь допускается применять по паспортам крепления с проведением научно-исследовательских работ и консультационно-методическим сопровождением. Данные паспорта должны предусматривать дополнительные меры безопасности и постоянное наблюдение за проявлениями горного давления и состоянием крепи.
Опыт работ показывает, что вопросы крепления горных выработок в зонах ПГД требуют комплексного решения как на стадии проектирования, так и в периоды проведения горных работ и эксплуатации.
При выборе безопасных вариантов подготовки и отработки запасов шахтного поля необходимо учитывать влияние зон повышенной концентрации напряжений, возникающих в районах целиков и краевых частей смежных пластов. Вопрос о необходимости учета этих зон возникал еще в начале 70-х годов прошлого столетия и был связан с увеличением активности проявлений динамических явлений на ударо- и выбросоопасных пластах. Тогда же был и сформулирован термин «зона повышенного горного давления» (зона ПГД). Зоны ПГД характеризуются тем, что в них нормальные к напластованию напряжения по абсолютной величине больше начальных напряжений в нетронутом массиве пород. При этом вредное влияние зон ПГД проявляется не только в увеличении опасности угольных пластов в отношении горных ударов и выбросов, но и других форм проявлений горного давления.
Установлено, что в зонах ПГД наряду с повышенной опасностью динамических явлений снижается устойчивость углевмещающего массива, что приводит к ухудшению состояния подготовительных и капитальных выработок и возникновению проблем относительно выбора безопасного места их расположения.
При этом на стадии проектирования необходимо принимать заблаговременно такие решения, при осуществлении которых влияние целиков и краевых частей от смежных пластов было бы исключено полностью или сведено к минимуму.
В периоды проведения и эксплуатации выработок следует предусматривать дополнительные мероприятия по креплению и поддержанию их в зонах ПГД, исходя из конкретных горно-геологических условий (определяющихся типами кровли по устойчивости и нагрузочным свойствам) и характеристик зон влияния для обеспечения эксплуатационной устойчивости выработок на необходимый срок службы.
На основе исследований и практического опыта применения анкерной крепи в зонах ПГД предлагается СФ АО «ВНИМИ» производить расчет параметров крепи выработок в этих зонах с принятием условия, что на данных участках выработок повышенное горное давление реализовалось в виде увеличения смещений кровли, боков и почвы выработок, отдавливания и разрушения боков и кровли выработок и т.п. При этом все работы по проведению выработок в зоне ПГД должны осуществляться, когда они находятся в неудароопасном состоянии или приведены в неудароопасное состояние, основанием которого должен быть периодически проводимый прогноз удароопасного состояния выработок в соответствии с требованиями «Инструкции…» (2).
Опасные зоны у геологических нарушений многообразны, причем для некоторых нарушений эти зоны могут быть комплексными, то есть участок нарушения может быть опасным по нескольким факторам (удароопасности и выбросоопасности пласта, пожароопасности и т.д.). Но эта все же одна и та же опасная зона, только величина ее должна быть принята максимальной, исходя из нескольких имеющих место осложняющих факторов.
В соответствии с «Инструкцией…» (1) анкерную крепь не рекомендуется применять непосредственно в зонах разрывных геологических нарушений. В любом случае при подходе выработки к зоне влияния нарушения целесообразно пройти разведочную выработку небольшим поперечным сечением (7-8 м2) для получения дополнительных сведений об устойчивости и прочности пород и выяснения наличия и характера апофиз. При наличии достаточно устойчивых пород анкерную крепь в зоне влияния нарушения применять можно, при условии принятия в расчетах прочности пород кровли и боков коэффициента структурного ослабления Кс = 0,3 [3].
При встрече в зоне влияния нарушения сильно трещиноватых пород целесообразно произвести их упрочнение нагнетанием цементных растворов или полимерных смол. Параметры нагнетания в этом случае следует принимать по рекомендациям специализированных организаций. При обнаружении признаков куполения кровли необходимо перейти на крепление рамной крепью с тщательной забутовкой пустот за крепью.
В качестве анкерной крепи второго уровня принимаются канатные анкеры глубокого заложения, параметры которых определяют также по методическим положениям «Инструкции…» (1), в зависимости от высоты свода естественного равновесия над рассматриваемой горной выработкой.
В горных выработках, расположенных непосредственно в зонах геологических нарушений на расстоянии от сместителя менее «Nнор» в обе стороны, можно применять комбинированные крепи (анкерная крепь в сочетании с другими типами ограждающей или поддерживающей крепи). Варианты и параметры комбинированной крепи принимаются и рассчитываются в зависимости от состояния устойчивости пород в горных выработках в соответствии с таблицей 1 Приложения 11 «Инструкции…» (1). При использовании анкерной крепи в комбинации с подпорными крепями несущая способность комбинированной крепежной системы определяется как сумма их несущих способностей.
Границы безопасного ведения горных работ вблизи выходов угольных пластов под наносы определяются наличием следующих влияющих факторов:
степенью окисления пород прилегающего к земной поверхности массива;
глубиной зоны выветривания коренных пород и угольных пластов;
мощностью наносов (четвертичных отложений), покрывающих коренные породы.
Опыт ведения горных работ вблизи выходов угольных пластов под наносы в различных районах Кузбасса показывает, что в этих зонах значительно затрудняется проходка подземных выработок, а ведение очистных работ становится практически невозможным.
При проведении выработок происходят обрушения и вывалы пород из кровли, образуются купола. Увеличиваются водопритоки и капеж воды из кровли. В зонах выветривания примерно в три раза снижается сопротивление пород одноосному сжатию, в полтора раза возрастают показатели влажности и пористости.
Под наносами в коренных породах расположена зона интенсивного выветривания, где породы имеют сильную трещиноватость, а угольные пласты относят к зоне «негодного угля». Еще ниже зоны «негодного угля» по вертикали может продолжаться зона выветрелых пород, в пределах которой проведение и поддержание выработок в меньшей степени, но все еще затруднено из-за деформирования пород и их неустойчивого состояния.
Существует методика определения параметров провальных воронок и просадок земной поверхности от влияния подготовительных выработок, пройденных выше безопасной глубины, которая изложена в соответствующем «Методическом руководстве…» (4).
Выход провальных воронок от влияния подготовительных, пройденных в зоне выходов пластов, в большинстве случаев происходит при глубине выработки от контакта коренных пород с наносами от 25 до 30 - 40 м. Эта глубина может быть определена:
Hk=15 * hB* kП,
где Hk — расстояние по вертикали от кровли выработки до контакта коренных пород с наносами, м;
hB — высота выработки вчерне, м;
kП — коэффициент, учитывающий строение и крепость пород, который для тонкослоистых, трещиноватых и выветрелых пород принимается kП = 1,2.
С учетом мощности наносов определяется предельная глубина безопасного ведения горных работ на верхних горизонтах.
Рекомендуемые типы крепи подготовительных выработок в зонах выходов угольных пластов под наносы обосновываются из следующих положений:
безопасное проведение и поддержание выработок с их обычно применяемыми средствами и способами крепления на глубинах до безопасно установленной глубины от земной поверхности не обеспечивается;
при производственной необходимости проведение выработок в зоне выходов пластов под наносы за счет соответствующего усиления крепи возможно в нижней части зоны, где выветрелые породы нарушены и ослаблены менее интенсивно. Эта часть зоны начинается на разрезе ниже общей мощности наносов и верхней части коренных пород на участке «негодного угля». Проведение выработок можно допустить, начиная с данной глубины при условии, что до безопасной глубины крепь будет существенно усилена;
на глубинах более безопасной ее величины выработки в обычных условиях могут крепиться одной анкерной крепью, устанавливаемой в один уровень с параметрами, рассчитанными по «Инструкции...» (1);
на участках выработок в зонах геологических нарушений, где не требуется применение рамной крепи, и на сопряжениях выработок анкерную крепь целесообразно устанавливать в два уровня. Расчет параметров анкеров нижнего уровня также производится по «Инструкции...» (1).
Вышеприведенные методические положения СФ АО «ВНИМИ» были опробированы при расчетах анкерных крепей для различных горных выработок шахт ООО «Распадская угольная компания», АО ХК «СДС-Уголь», ООО УК «Талдинская» и других, расположенных в зонах влияния ПГД, разрывных геологических нарушений и ослабленных пород у выходов пластов под наносы.
Таким образом, можно заключить, что при правильных подходах к вопросам расчета параметров анкерной крепи возможно ее применение и на участках горных выработок, расположенных в особо сложных горно-геологических условиях, не предусмотренных действующими нормативными документами. Анализом установлено, что на шахтах Кузбасса одной анкерной крепью можно успешно крепить до 50%, а в сочетании с рамными крепями дополнительно не менее 30% от общей протяженности проведенных горных выработок. Данные показатели можно значительно повысить при условии обеспечения безопасных условий применения анкерной крепи в особо сложных условиях, выходящих за границы эффективного действия положений действующей «Инструкции...» (1).
Алексей Егоров,
заместитель директора по науке СФ АО «ВНИМИ», к.т.н.,
Дмитрий Осминин, заведующий сектором технологии горных работ лаборатории горной геомеханики СФ АО «ВНИМИ» к.т.н.,
Иван Кондаков, старший научный сотрудник лаборатории горной геомеханики СФ АО «ВНИМИ».
Литература
1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах».— М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2015. — 182 с.
2. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Утв. Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.08.2016, №339.
3. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Л.: ВНИМИ, 1986. — 222 с.
4. Методическое руководство о порядке выделения провалоопасных зон выбора комплекса технических мероприятий по выявлению и ликвидации пустот при ликвидации шахт.— М., ВНИМИ, ИПКОН РАН,1999. — 54 с.