Тема 9. Проведение и крепление горных выработок

Формы поперечного сечения горных выработок и факторы, определяющие их выбор

Геологические условия проходки горных выработок весьма разнообразны. В угольной промышленности выработки проходятся, в основном, по породам с коэффициентами крепости f=2÷7, в отдельных бассейнах с f=9÷12 и редко – в более крепких слоях.

Основными факторами, определяющими форму поперечного сечения выработки, являются: физико-механические свойства горных пород, назначение и срок службы выработки, материал крепи, положение выработки в пространстве, размеры поперечного сечения выработки, величина и направление горного давления.

В зависимости от указанных факторов горные выработки имеют различные формы поперечного сечения. В производственной практике наибольшее распространение получили арочная, трапециевидная, прямоугольная и сводчатая формы поперечного сечения. В меньшей степени применяются круглая, эллиптическая и полигональная формы.

В настоящее время на угольных шахтах наибольшую долю занимают крепи арочной формы(79%), на долю крепей с плоским перекрытием приходится 20% и круглой 1%.

Большие объемы проведения выработок требуют весьма тщательно обоснованных решений в части выбора формы и размеров их поперечного сечения, материала и конструкции крепи.

Арочная форма с металлической рамной крепью применяется при проходке выработок в породах с коэффициентом крепости f=3÷9, находящихся в зоне установившегося горного давления, а также в зоне влияния очистных работ при отсутствии пучащих пород в почве.

Достоинство арочной формы заключается в том, что по своей конфигурации она приближается к своду естественного равновесия, что уменьшает растягивающее напряжение в кровле и, следовательно, горное давление.

Трапециевидная (прямоугольная) форма позволяет при прочных породах кровли использовать их несущую способность, проще обеспечивать поддержание сопряжения выработки с очистным забоем более эффективно использовать крепи усиления на сопряжении в виде обычных гидравлических или деревянных стоек. При этой форме в случае нижней подрывки пород существенно улучшается состояние кровли на сопряжении с лавой. Однако, как показывает отечественный и зарубежный опыт, с увеличением глубины разработки область возможного применения трапециевидной формы сокращается, и на больших глубинах более рациональной является сводчатая (кольцевая) форма выработок.

Размеры поперечного сечения горных выработок

Размеры поперечного сечения горных выработок определяются количеством воздуха, пропускаемого по этим выработкам, максимальными размерами транспортных средств, применяемых для транспортирования полезного ископаемого, доставки материалов и оборудования, доступными зазорами между наружным размером транспортных средств внутренней стенкой выработки, предусмотренными правилами безопасности (ПБ) и строительными нормами и правилами (СНиП), по проектированию поперечного сечения.

Поперечные сечения горизонтальных и наклонных выработок должны соответствовать их типовым сечениям. В соответствии с действующими правилами безопасности минимальные площади поперечных сечений выработок в свету устанавливаются:

- для главных откаточных и вентиляционных выработок, а также людских ходков, предназначенных для механизированной перевозки людей, - 6 м² при высоте не менее 1,9 м от почвы (головки рельсов) до крепи или размещенного в выработке оборудования;

- для участковых вентиляционных, промежуточных, конвейерных и аккумулирующих штреков, участковых бремсбергов и уклонов - 5 м² при высоте не менее 1,8 м;

- для вентиляционных просеков, печей косовичков и других выработок -1,5 м²;

- для участковых выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, и для людских ходков, не предназначенных для механизированной перевозки людей, минимальная площадь поперечного сечения допускается 3,7 м² при их высоте не менее 1,8 м.

Размеры поперечного сечения выработок различают в свету и в проходке. Размеры в свету определяют в соответствии с правилами безопасности, а размеры в проходке складываются из размеров в свету, толщины крепи, межрамных ограждений и переборов пород, которые при проведении выработок должны быть не более 5 % проектной площади их поперечного сечения. Ширина выработки в свету определяется суммированием ширины транспортных средств и требуемых зазоров.

Расстояние (зазоры) между крепью, размещенным в выработках оборудованием и наиболее выступающим габаритом подвижного состава должно быть с одной стороны не менее 0,7 м (для свободного прохода людей), с другой стороны - не менее 0,25 м при рамных конструкциях и 0,2 м – при сплошной бетонной, каменной и железобетонной крепи.

Во всех выработках, оборудованных конвейерной доставкой, ширина прохода должна быть с одной стороны не менее 0,7 м, с другой стороны – 0,4 м. Расстояние от верхней выступающей части конвейера до верхняка должно быть не менее 0,5 м, а у натяжных и приводных головок – не менее 0,6 м.

При монорельсовом транспорте расстояние между днищем сосуда или нижней кромкой перемещаемого груза и почвой выработки должно быть не менее 0,4 м. Зазор между наиболее выступающей частью конвейера и крепью с одной стороны должен быть не менее 0,7 м, а с другой стороны – не менее 0,2 м.

В горизонтальных выработках, оборудованных конвейерами и рельсовым транспортом, а также в горизонтальных и наклонных выработках, оборудованных конвейерами и монорельсовым транспортом, зазор между конвейером и крепью должен быть не менее 0,4 м, между конвейером и подвижным составом – 0,4 м, между подвижным составом и крепью – 0,7 м.

В наклонных выработка, оборудованных конвейерами и рельсовым транспортом, зазоры между крепью конвейером должны быть 0,7 м, между конвейером и подвижным составом – 0,4 м, между подвижным составом и крепью- 0,2 – 0,25 м, в зависимости от вида крепи. Указанные выше боковые зазоры и проходы должны соблюдаться на высоте не менее 1,8 м.

Далее графически – определяют минимальную ширину выработки в свету, а затем аналитически все остальные ее размеры и площадь поперечного сечения.

Сущность графического способа состоит в следующем. На бумагу в определенном масштабе на уровне верхней кромки подвижного состава или конвейера наносят габариты принятого оборудования, размещаемого в выработке, минимальные зазоры и расстояния между отдельными механизмами, оборудованием и постоянной выработки. Затем по масштабу находят ширину выработки в свету на уровне верхней кромки подвижного состава или конвейерной установки. После этого аналитически определяют все остальные размеры. При проектировании поперечного сечения выработки в свету необходимо учитывать запас на возможные осадки пород, зависящий от типа выработки, условий ее поддержания и мощности пласта угля. В типовых сечениях предусмотрена вертикальная податливость крепи 300 мм и горизонтальная на уровне 1,8 м от почвы выработки – 230-290 мм. В выработках, закрепленных податливой крепью, очень важно правильно установить запас на осадку, что может обеспечить ее безремонтное поддержание на весь срок службы.

При проведении выработки буровзрывным способом имеют место переборы породы. Поэтому фактическое сечение выработки в проходке составляет S = (1,03÷1,05)S_вч.

По расчетному поперечному сечению в свету принимают ближайшее, типовое сечение. Принятое сечение проверяют на скорость движения воздуха аналитическим способом с учетом газообильности шахты по формуле

где V – расчетная скорость движения воздуха, м/с; k = 1,45 – коэффициент утечки воздуха и неравномерности добычи угля; q – выделение метана на 1 т суточной добычи, м³; А – суточное количество угля, транспортируемого по выработке, т; S_св - площадь поперечно сечения выработки в свету, м²; d – допускаемое содержание метана в исходящей струе воздуха выработки, %; V_D – скорость движения воздуха, допускаемая по ПБ, м/с.

Если скорость движения воздуха по выработке превышает величину, установленную ПБ, то необходимо подобрать ближайшее типовое сечение, обеспечивающее допустимую скорость движения воздуха. Согласно ПБ, максимальная скорость движения воздушной струи не должна превышать в квершлагах, откаточных и вентиляционных штреках, капитальных и панельных уклонах и бремсбергах 8 м/с, а в остальных - 6 м/с. Минимальная средняя скорость движения воздуха должна быть не менее 0,25 м/с.

Горное давление в выработках и конструкции крепей.

Горные породы в нетронутом массиве находятся в равновесном, пространственно всестороннем направленном состоянии. Горное давление это давление среды на отельную часть массива или на искусственное сооружение, возникающее и развивающееся в процессе горных работ (причина – сила тяжести пород).

После проведения горной выработки в массиве вокруг нее перераспределяются напряжения, возникающие силы стремятся прийти снова в равновесное состояние, вызывают деформацию пород: упругие, затем остаточные, в том числе с разрывами сплошности пород и разрушениями.

Факторы, влияющие на характер проявления горного давления: геологические (свойства пород, условия залегания, обводненности и т.д.); технологические (размеры, форма и положение выработок в пространстве, тип и конструкция крепи).

Концентрацию напряжений у контура выработки характеризуют коэффициентом концентрации (отношение величины напряжений после и до проведения выработки), колеблющимся в широких пределах. В обычных условиях – 1,3÷3,0;

Часть породного массива, где вокруг выработки происходит сдвижение, деформация и разрушение пород, называется областью влияния горной выработки.

Для предупреждения или снижения деформации пород вокруг выработок в последних устанавливают крепь, после чего работает система "порода-крепь".

Устойчивость горных выработок может быть обеспечена:

- придание им определенной формы;

- применением крепи;

- рациональным расположением;

- снижением напряжений в массиве вокруг выработки искусственным упрочнением пород;

- проходкой с наименьшим ослаблением стенок выработки (комбайн, контурное взрывание и т.д.).

Лишь иногда выработки не требуют крепления. В угольной промышленности на долю рамной металлической крепи приходится около 41 % протяженности выработок, деревянной – 43 %, железобетонной – 10 %, штанговой – 0,7 %, прочих видов – 5 %.

Горной крепьюназываются специальные конструкции, возводимые в подземных выработках для сохранения необходимых размеров поперечного сечения их и предотвращения обрушения окружающих пород.

Требования к крепи: прочность, устойчивость, долговечность; минимальное заполнение сечения выработки; минимальное аэродинамическое сопротивление; минимальные затраты на изготовление;транспорт, установку и поддержание; возможность механизации процессов.

Крепь бывает: деревянная, металлическая, каменная, бетонная, железобетонная, кирпичная, шлакоблочная и смешанная; сплошная (бетон) и рамная (всплошную и разбежку); жесткая, податливая, шарнирная; временная и постоянная; обычная и специальная.

Различают следующие конструкции горной крепи.

1. Деревянная крепь. Основной вид – крепежная рама, состоящая из верхняка, стоек (неполная рама) и лежня - полная рама. Чаще всего рамы бывают трапециевидной формы, прямоугольной (реже) и редко – неправильной формы. Крепят рамами всплошную или в разбежку. Раскрепляют клиньями, делают затяжку, за ней - забутовывают. Диаметр леса – 16 - 32 см. Концы стоек заостряют. Соединение элементов крепи: в лапу, в зуб, в шип, в стык, в паз и т.д. Наклон стоек у рам – 80 - 85º. Применяют также при крепких боковых породах и бесстоечную крепь и срубовую (венцовую).

2. Металлическая крепь. Применяется в виде трапециевидных рам, бочкообразных, арок, колец, которые могут быть жесткими, податливыми и шарнирными. Рамы, кольца и арки устанавливают в разбежку через 0,5 - 1,2м и затягивают деревянной, железобетонной затяжкой, металлической решеткой или сеткой. Трапециевидные рамы выполняют из двутавров № 16-27. Верхняк со стойкой соединяют с помощью специальных башмаков или накладок. Нижний конец стойки опирается на плитку или деревянный лежень через литой или сварной башмак. Расход металла на эту крепь очень велик, практически нет податливости, единственное достоинство: - простота изготовления.

Арочная жесткая крепь (АЖ) изготавливается в виде жесткой двухшарнирной арки из двух полуарок, соединенных в замке с помощью накладок и болтов.

Арочная шарнирная (АШ) бывает трех, - и пятишарнирная. Наибольшую податливость обеспечивает пятишарнирная.

Арочная податливая крепь (АП). Из спецпрофиля применяется для крепления выработок в условиях вертикального неустановившегося горного давления. Элементы арки соединяют внахлестку и стягивают двумя хомутами. Длина нахлестки – 300 мм. Профили 27, 22 и 17 кг/м; податливость достигается за счет скольжения элементов – 30 - 35мм. Достоинство – большой срок службы. Требует весьма тщательного соединение элементов крепи, иначе могут произойти скручивание, перекосы арки и как следствие потеря податливости.

3. Каменная и бетонная крепь. Применяется для крепления выработок с большим сроком службы при значительном горном давлении вне зоны влияния очистных работ. Основная форма при вертикальном горном давлении – сводчатая с вертикальными стенками. Своды бывают: полуциркульные (h_с=0,5L); повышенные (h_с>0,5L); пониженные (h_с<0,5L). По очертаниям – цилиндрические, очерченные одним радиусом; трехцентровые (коробовые), очерченные двумя радиусами из трех центров и параболические.

При значительном горном давлении не только сверху, но и с боков или даже со стороны почвы применяют подковообразную форму сечения - очерчивается из трех центров; замкнутую (подковообразную с обратным сводом) и кольцевую.

Фундаменты каменной и бетонной крепи заглубляют в подошву на 25 – 50 см, а при наличии водоотливной канавки - на 50 – 100 см. В крепких породах стены заглубляют на 20 - 30см без фундамента.

Каменная крепь кладется из штучных камней на цементно-песчаном растворе состава 1:3. Закрепное пространство забучивают породой и заливают раствором 1:5-1:7. Толщина забутовки не должна превышать 10-15 см. При значительном горном давлении применяют каменную податливую крепь: камни кладут без раствора с укладкой упругих прокладок, например деревянных. Забутовка производится без заливки раствором.

Бетонная крепь прочна, монолитна, возведение ее легко механизировать. Набрызг-бетонная крепь, получаемая в результате безопалубного бетонирования, наиболее прочна, хорошо сцепляется с породой. Мал расход бетона, возможна полная механизация и выполнение работ у забоя. Набрызг-бетонная крепь применяется иногда в сочетании со штанговой крепью, иногда - с металлической рамной.

4. Железобетонная крепь. Монолитную железобетонную крепь применяют в наиболее ответственных капительных выработках при больших нагрузках, особенно неравномерных. Применяют гибкую- прут, жесткую- двутавр, швеллер, рельс и смешанную арматуру. Очень высокая трудоемкость.

Сборная железобетонная крепь применяется в выработках самой различной формы и бывают жесткой и податливой. Элементы ее изготавливают индустриальными методами и собирают на месте работ. Стоимость крепи довольно высока.

Различают два основных вида крепи: рамную, устанавливаемую вразбежку с затяжками и панельную сплошную- из тюбингов, плит или блоков. Применение этой крепи сдерживается отсутствием хороших крепеукладчиков.

5. Штанговая крепь. Еще она называется анкерная: представляет собой систему закрепленных в шпурах штанг, расположенных по контуру или кровле выработки и, как бы связывающих массив пород и поддерживающих его с помощью подхватов, опорных плиток или сетки. Штанги применяются металлические, железобетонные, деревянные, сталеполимерные. Конструкций замков очень много. Применение штанговой крепи снижает трудоемкость крепления в 1,5-2 раза и дает большую экономию.

6. Крепь сопряжений. На закруглениях и сопряжениях ширина выработки увеличивается, и рамы крепи ставят по радикальным направлениям. При тюбинговой и кольцевой железобетонной крепи применяют либо кольцевые конические вставки, либо конические, кольца с сегментами переменной ширины. Сопряжения могут быть прямыми, или косыми. При плоском перекрытии в месте примыкания к выработке другой ставят камерную раму, на которую опирают верхняки крепи примыкающей выработки. При прямом примыкании рядом с камерной рамой ставят первую раму примыкающей выработки.

7. Временная крепь. Поддерживающая временная крепь применяется до возведения постоянной в виде отдельных стоек, неполных рам, арок из легкого проката, штанг и т.д. Свод можно поддерживать (при устойчивых боках) арками из профиля, укрепляемые закладными штырями или штангами. Вот один из видов ограждающей от заколов крепи. Это подвесные верхняки с затяжкой. Временная крепь обычно извлекается при возведении постоянной.

Основные сведения об организации работ и способы

проведения горизонтальных и наклонных горных выработок.

Совокупность основных и вспомогательных проходческих операций, повторяющаяся в определенной последовательности в течение определенного промежутка времени, в результате которых выработка продвигается на расчетную (установленную) длину, называется проходческим циклом. Продолжительность цикла обычно принимается кратной продолжительности смены. Циклическая организация работ упорядочивает, дисциплинирует труд проходчиков, что приводит к повышению технико-экономических показателей проходки.

Основные проходческие операции: отбойка пород (БВР, механические, гидравлические и др.); проветривание; погрузка породы; возведение крепи.

Вспомогательные: транспортирование породы; доставка материалов; установка временной крепи; устройство канавок; настилка путей; прокладка коммуникаций; передвижка приспособлений.

Проведение наклонных горных выработок осуществляется аналогично проведению горизонтальных. Форма, размеры и тип крепи выбираются так же. Особенности проведения обусловлены лишь положением выработок в пространстве. При проведении выработок сверху вниз особое внимание должно уделяться водоотливу, снизу вверх – проветриванию. Проходы для людей предусматриваются в выработках, где нет рельсового транспорта, т.к. в последних по ПБ передвижение людей запрещено.

Сведения о различных видах отбойки представлены ниже.

Различают следующие схемы проветривания: нагнетательная, всасывающая и комбинированная. Для проветривания забоев применяют вентиляторы местного проветривания “Проходка-500м”, “Проходка-600”, СВМ-6м (сняты с производства). ВМ-3(4,5,6,8) с электрическим приводом и ВМП-3(4,5) с пневмоприводном. Цифры указывают диаметры входных и выходных отверстий. Вентиляционные трубы – из металла, ткани, фанеры и полимерных материалов. При нагнетательном способе проветривания применяют обычно прорезиненные трубы Ø300-600мм с длиной звеньев 5,10,20м.

Расчет проветривания включает выбор схемы проветривания, расчет количества воздуха, величины депрессии и выбора типа вентилятора. Количество необходимо для проветривания воздуха рассчитывают по 6 факторам: по расходу ВВ; по газовыделению; по пылевому фактору; по числу людей; по добыче; по минимальной скорости струи по выработке.

Погрузка породы осуществляется: породопогрузочными машинами с рабочими органами цикличного (ППН – 2) или непрерывного (ПНБ – 3К с загребными лапами) действия; скреперными установками; погрузочно-доставочными машинами; конвейером при комбайновой проходке.

Временную крепь возводят вслед за подвиганием забоя, постоянную-с некоторым отставанием, предусмотренным паспортом крепления. Паспорт крепления составляется начальником участка и утверждается главным инженером. Содержит: характеристику выработки, разрезы, характеристику пород, технико-экономические показатели, конструкцию крепи и т.д.

Вспомогательные операции, такие как, устройство канавок, настилка пути, навеска труб, кабелей и т.д. - выполняют по возможности с совмещением во времени с основными операциями.

Проведение горизонтальных и наклонных горных выработок

в однородных крепких породах

В однородных крепких породах (f>4) выработки проводят с помощью БВР или с помощью проходческих комбайнов - сплошным забоем или с разделением его на уступы, в каждом из которых выполняется определенный проходческий цикл.

Наиболее часто при взрывании шпуров применяют ВВ: скальный аммонит №1; аммонит №6 – ЖВ; детониты. Из предохранительных ВВ только по породе АП-4-ЖВ, АП-5-ЖВ, победит ВП-4. По углю – аммонит ПЖВ-20, угленит Э-6 и др.

В шахтах, не опасных по газу и пыли – игданиты и водонаполненные ВВ, представляющие собой ряд аммиачно-селитренных ВВ, содержащие дополнительно тротил, воду, загуститель, порошок алюминия. Такие ВВ поддаются механизированному заряжанию. Применяются также зерногранулы и другие виды ВВ.

В шахтах, опасных по газу и пыли разрешается только электровзрывание с помощью ЭД мгновенного действия (ЭД-8П; ЭД-8-ПМ) и ЭД КЗД (ЭД-КЗ-ПМ-15; ЭД-КЗ-ПМ-25). В неопасных – также ЭД замедленного действия, огневое взрывание (ОШ и КД).

Удельный расход ВВ определяют по эмпирическим формулам. Величина забойки в шпурах принимается по ПБ. В шахтах, опасных по газу и пыли взрывание без забойки запрещено. Для шахт и рудников, опасных по газу и пыли – в зависимости от длины забойки, предусматриваемой ПБ диаметр патронов ВВ 28,32,36,45 мм. Число шпуров в забое определяют по формуле или по таблицам, составленных на основе обобщения данных практики и уточняют при опытных взрывах. Глубина шпуров чаще всего выбирается исходя из выполнения работ проходческого цикла в заданное время.

Шпуры стараются расположиться по определенной системе равномерно по забою. Врубовые шпуры, разрушающие и частично выбрасывающие начальный объем породы, обычно на 10÷20 см длиннее отбойных (основных). Оконтуривающие шпуры располагают в 10÷30 см от контуров выработки и бурят с наклоном к стенкам забоя. Они выходят за пределы контура на 10÷15 см в крепких породах и не доходят на 10см до контура забоя в породах средней крепости и сильно трещиноватых.

Врубы могут быть клиновыми, прямыми, призматическими или спиральными; часто с опережающей скважиной и др.

Бурение шпуров осуществляется ручными перфораторами ПР-20, ПР-25л, ПР-30к и др. или колонковыми ПК-3 (КЦМ-4), ПК-5 (КС-50). В некрепких породах шпуры бурят электросверлами.

Проведение горизонтальных и наклонных горных выработок

в однородных мягких породах.

В однородных мягких породах горные выработки проводят: с помощью отбойных молотков; с помощью БВР; с помощью проходческих комбайнов; с помощью гидромеханизации.

Отбойные молотки МО–8у, МО-10у и МОО-10 (с орошением) применяют при f≤1,5 по нарушенным и сильно газоносным пластам. Отбивают породу секциями на уход 1,0÷1,3м максимальная скорость (в Подмосковье) – 441 м/мес при S = 6м²; способ дорогой и трудоемкий.

БВР применяют на крепких углях (f≥2), марганцевых рудах и т.д. Глубина шпуров: 1,5-3 м. Расстояние между шпурами – не менее 60 см. ЛНС – не менее 50 см. Забой по углю и 20 м выработки от него орошается с добавлением смачивателя.

В шахтах, опасных по газу и пыли, применяют высокопредохранительные ВВ в водонаполненных полиэтиленовых оболочках (ПВП-2). Забойка в шпурах - не менее 1/3 длины и не менее 30см.

Гидромеханизация при проходке выработок применяется на гидрошахтах при площади забоя 3-5 м². При f≤1,5 отбойку ведут непосредственно высоконапорной струей, при большой крепости – предварительно рыхлят пласт ВВ (0,6-0,8 кг/т). Отбитый уголь (породу) транспортируют водой по желобам, уложенным в почве.

Наиболее полно механизируются работы по проведению выработок при применении проходческих комбайнов. Комбайном отбиваю породу, и осуществляют ее погрузку. Используют комбайны при f≤4-5, при α≤15º.

Существуют комбайны с исполнительным органом цикличного и непрерывного действия. Исполнительный орган комбайна – избирательного действия, роторный, планетарный и т.п. Передвижение осуществляется на гусеницах, погрузка породы – комбайновым транспортером.

Проведение горизонтальных и наклонных выработок в неоднородных породах.

При проведении штреков по тонкому пласту (жиле) в забое оказываются различные по свойствам породы. В таких случаях штреки проводят сплошным забоем или же с разделенной выемкой полезного ископаемого и породы. В первом случае проста организация работ, но велики потери полезного ископаемого. Во втором случае потери снижаются, но усложняется организация труда. При раздельной выемке полезного искоапемого и породы забои проводят узким или широким забоем. При проходке узким забоем полезное ископаемое вынимается только на ширину выработки, а при проходке широким забоем – ширину его по полезному ископаемому принимают больше пролета выработки на величину – необходимую для размещения в раскоске породы с учетом увеличения ее объема при разрыхлении.

В неоднородных породах штреки проводят буровзрывным способом, комбайнами и комбинированным способом, при котором уголь вынимается с помощью комбайна или гидромониторов, а породу – буровзрывным способом.

При проведении штреков широким забоем вся порода от проходки остается в шахте, размещаемая в раскоске. Широкий забой применяется чаще всего при пологом залегании и пластов мощностью 0,5 - 1,3м, раскоска может быть нижней, верхней и двусторонней.

Дата добавления: 2015-10-29