Методика расчета параметров анкерной крепи подземных горных выработок угольных шахт, проводимых в многолетнемерзлых породах

При разработке месторождений на севере и северо-востоке России на угольных шахтах охрана горных выработок, проводимых в многолетнемерзлых породах, осуществляется с применением крепей поддерживающего типа. При сезонном или прогрессирующем оттаивании вмещающих горных пород происходит резкое снижение их физико-механических свойств и устойчивости, что приводит к деформациям и поломкам крепи. В зоне опережающего опорного давления от очистного забоя регулярно возникает необходимость перекрепления штреков. Это обусловливает постоянный рост капитальных и эксплуатационных затрат на крепление и поддержание горных выработок в условиях многолетнемерзлых пород.

В сложных условиях норильских шахт при совокупном влиянии теплового режима и опорного давления от очистных работ наиболее эффективное поддержание выработок достигалось при применении железобетонной штанговой крепи с усилением ее крепью поддерживающего типа. Известно, что преимущества усиления крепи канатными анкерами в сравнении с крепью поддерживающего типа сделало двухуровневую анкерную крепь практически безальтернативным вариантом при поддержании выработок в зоне влияния очистных работ на шахтах Кузбасса и России.

Для широкого применения двухуровневого анкерного крепления выработок, проводимых в многолетнемерзлых породах, необходимо усовершенствовать методическую и нормативную базу по расчету крепи, а также разрабо-тать конструкцию крепи, обеспечивающую надежное ее закрепление в мерзлых породах.

Физико-механические свойства мерзлых пород

Особенностью мерзлых пород является изменение их теплофизических свойств при достижении температуры таяния.

Влажность — один из основных факторов, влияющих на устойчивость горных выработок. Она определяет мно-гие специфические свойства мерзлых пород, такие как льдоцементация, анизотропность механических свойств и ползучесть. Вследствие цементации всех трещин и пор льдом горные породы обладают высокой устойчивостью, которая снижается при оттаивании: с изменением темпе-ратуры мерзлых пород от — 4 до 00С прочность на сжатие аргиллитов и песчаников уменьшается на 10 %.

В мерзлых породах выделяют три зоны: зона многолетней мерзлоты, переходная зона, подмерзлотные горизонты.

Охарактеризовать каждую из этих зон можно следую-щим образом:

— зона многолетней мерзлоты — обнажения горных пород обладают высокой устойчивостью вследствие це-ментации всех трещин и пор льдом;
— переходная зона — мелкие трещины и поры запол-нены  льдом,  по  крупным  трещинам  циркулирует  пере-охлажденная вода с повышенной минерализацией. Как правило, это напорные подмерзлотные воды. Из трещин могут быть суфлярные выделения метана. Устойчивость обнажения различная: относительно высокая там, где нет трещин, геологических нарушений и сравнительно низкая, где они есть;
— зона подмерзлотных горизонтов — характеризует-ся наличием подмерзлотных вод, большими газовыделениями и обычной для осадочных пород устойчивостью обнажения.

Как показывает опыт шахты «Джебарики-Хая», оттаива-ние пород вокруг контура выработки ∆Rотв летнее время, когда в шахту подается теплый воздух, может достигать 0,5 м. В части массива между зоной оттаивания и зоной мерзлых пород происходит значительное (до четырех раз) снижение прочностных показателей. Непосредственная кровля пласта «Верхний» сложена песчаником тонкозер-нистым, светло-серым, слоистость прерывистая, трещи-новатым (75є-90є), отмечены обуглившиеся остатки расти-тельности, мощностью 6,0 м с коэффициентом крепости по шкале проф. Протодъяконова от f=5-7. По обрушаемости кровля относится ко III типу, а по устойчивости — к I классу. Основная кровля представлена песчаниками серого цвета, кварцево-полешпатовый, цемент глинисто-кремнестый, мощностью 14 м. Коэффициент крепости по шкале проф. Протодъяконова составляет f=5-7. Глубина ведения гор-ных работ от поверхности — 196,5-141,7 м.

Теплоизоляционные материалы и их характеристики

В 1970-х гг. активно прорабатывались варианты подде-ржания горных выработок анкерной крепью при исполь-зовании  полимерных  теплоизоляционных  материалов, в  частности  пенополистирола. Однако  из-за  таких недостатков, как хрупкость, горючесть, малая гибкость, неудобство при монтаже и др., они не получили широкого применения на шахтах.

На сегодняшний день существует ряд теплоизоляцион-ных  материалов,  свободных  от  указанных  недостатков, которые могут обеспечить изоляцию приконтурных по-род горных выработок и минимизировать их оттаивание. Такими материалами являются утеплители на основе ба-зальтового волокна (табл. 1).

Применение  современной  теплоизоляции  позволит значительно снизить параметры ареола оттаивания вме-щающих пород выработок, а, следовательно, нагрузки на крепь.

Таблица 1. Характеристики базальтовых утеплителей

Таблица 1

Подробная статья изложена в pdf-документе.