Геомеханическое обеспечение горных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ДонГТУ) Н. К. Клишин ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ Конспект лекций по специальности 7.90 301

" Разработка месторождений полезных ископаемых"

Рекомендовано Ученым советом ДонГТУ Протокол № 4 от 22.04.05 г.

Алчевск ДонГТУ

УДК 622.831.023

Клишин Н. К. Геомеханическое обеспечение горных работ: Конспект лекций. — Алчевск: ДонГТУ, 2005. — 98 с.

В конспекте лекций приведен систематизированный материал по вопросам дисциплины «Геомеханическое обеспечение горных работ» для студентов по специальности 7.90 301 «Разработка месторождений полезных ископаемых»

Табл. 4 Ил. 38 Библиогр. назв. 16

Лекция 1. Общая характеристика ГОГР Горно-геологические условия отработки угольных пластов ухудшаются. Происходит качественное изменение условий работы очистных и поддержания подготовительных выработок. Это связано с увеличением глубины разработки угольных пластов.

В украинской части Донбасса на глубине до 300 м работают 14,4% лав; на глубине от 301 до 600 м — 35,6%; от 601 до 900 м — 18,8%; более 900 м — 31,2%.

Увеличиваются затраты на поддержание подготовительных выработок, главным образом из-за увеличения пучения почвы. Породы с прочностью 30−50 МПа под влиянием очистных работ, когда увеличивается напряжение в 2−3 раза по сравнению с напряжениями в нетронутом горными выработками массиве, теряют свою прочность. Такого явления не наблюдалось на малой глубине, то есть мы как бы работаем в условиях менее прочных пород.

С увеличением глубины разработки значительно осложняется отработка свиты пластов. Уже нельзя оставлять целики для охраны выработок не только на отрабатываемом пласте, но и следует учитывать их влияние на ниже и выше отрабатываемые пласты. В эксплуатации ежегодно находятся 11 600 км выработок, 10,2% которых не соответствуют требованиям правил безопасности. Из всех подземных рабочих 23,4 тыс. составляют крепильщики. Трудоёмкость ремонта выработок составляет 53 чел.-см./1000 т угля; «Луганскуголь», трудоёмкость ремонта 1 м выработки — 1,58 чел.-см. В связи с прогнозируемым ростом смещений пород в выработку в три раза на глубине 1000 м по сравнению с глубиной 500 м, следует ожидать значительный рост объёма ремонтных работ.

Уменьшение затрат на поддержание выработок может быть достигнуто геомеханическим обоснованием принимаемых решений, при котором предполагается тщательное изучение горно-геологических и горнотехнических условий, выбор наивыгоднейшего варианта проведения и охраны выработки с оптимальными параметрами, инструментальные наблюдения за проявлениями горного давления, разработка и осуществление мер воздействия на массив для обеспечения устойчивости выработок. Что из перечисленного выше мы знаем, что нового в курсе «Геомеханическое обеспечение горных работ» ?

Известны закономерности механических процессов, происходящих в массиве горных пород (механика горных пород) методы расчета конструкций крепи подготовительных выработок (механика подземных сооружений), способы и средства регулирования параметров механических процессов для обеспечения устойчивого состояния очистных и подготовительных выработок (управление состоянием массива горных пород).

Нет решений для предотвращения пучения почвы, а если имеются для определенных условий, то они трудоемки, не технологичны и не применяются на практике. Известные решения разработаны для средних условий, но не учитывают особенности массивов в районах геологических нарушений, на большой глубине; недостаточно надежно определяются исходные данные, несвоевременно прогнозируются, измеряются проявления горного давления, несвоевременно применяются дополнительные меры. Применяемые способы управления горным давлением должны отвечать непрерывно изменяющимся горно-геологическим условиям, развитию техники и технологии горных работ, ужесточению требований к безопасности и экономичности горного производства. Все это предусмотрено в рассматриваемой ниже новой учебной дисциплине.

Геомеханическое обеспечение горных работ — научная дисциплина о проявлениях горного давления в выработках, способах и средствах изменения их параметров для обеспечения устойчивости выработок. Это прикладная механика горных пород или практическая геомеханика, она содержит систему знаний, основные элементы которой следующие:

— сбор, хранение и обработка исходной информации;

— определение и прогноз базовых характеристик массива по результатам измерений проявлений горного давления;

— анализ и прогнозирование поведения массива и элементов крепи при изменении состояния природотехнической системы;

— принятие мер.

Таким образом, необходима замкнутая система мониторинга (слежения) за изменением горного давления, принятие мер и снова наблюдения за их эффективностью, т. е. непрерывный процесс контроля, прогноза и целенаправленного изменения состояния природотехничеоких систем. Для выполнения этой работы на шахтах должны быть созданы группы горного давления или её выполнение поручено работникам технического отдела шахты.

Группа горного давления: специалист по вопросам геомеханики, геолог, два сотрудника. Согласно приказу 6. министра угольной промышленности № 315 от 24.06.1980 г. комплект приборов и оборудования для оснащения группы горного давления: рулетка измерительная; стойка измерительная универсальная СУИ-2м; стойки реостатные СР-2, СР-3; микрометрическая стойка СМ-1; реперы к стойкам, глубинные реперы; комплект аппаратуры на основе фотоупругих датчиков (датчик типа ФДО, эжектор, установочная штанга; динамометры ЭД-5, ЭД-10, ЭСД-15, ЭСД-20, ЗСД-25, ЭСД-50); фотоупругие датчики типа ФДО-2Е; самопишущий регистратор СРД-1; измеритель деформаций ИИД-3; переключатель ПДШ-15; полярископ ПШ-1м, ПШ-2м, ПШ-Зм; прибор БУ-39; индикатор давления в гидростойках.

Задачи, стоящие перед работниками групп горного давления:

— детально на научной основе прогнозировать горно-геологические условия отработки пласта на конкретном участке шахтного поля;

— заранее определять зоны повышенного давления, участки с отличными условиями (нарушения, ложная кровля, обводненные и др.) и возможные проявления горного давления;

— обеспечить наименьшее воздействие горного давления на очистные и подготовительные выработки;

— оптимизировать схемы подготовки выемочных участков;

— количественно и качественно оценивать проявления горного давления в выработках.

Задачи необходимо рассматривать в единой системе.

Системный подход — методология нашего курса, т. е. как изучать (какими способами и средствами для решения одной большой задачи). Работниками угольных шахт основным для решения задач практической геомеханики принят метод производственных наблюдений.

Ниже приведена краткая характеристика состояния научных исследований по каждой задаче.

Для прогноза горно-геологических условий отработки используются данные геологической разведки, исследования и замеры при производстве горных работ. Свойства массива оцениваются параметрами, классификациями по устойчивости пород, обрушаемости кровли. Имеются статистические данные для прогноза места, формы и протяженности вывалов породы. Предложено несколько десятков критериев для оценки устойчивости кровли, классификаций. В последние годы нашли применение классификации и методы прогноза условий отработки по многим параметрам. Делаются попытки создания банка условий; машинной обработки исходной информации.

Разработана теория и рекомендации практикам для определения напряжений под и над целиками угля, размеров зон повышенных и пониженных напряжений.

Чтобы обеспечить наименьшее воздействие горного давления, выбирают крепь, способы охраны выработок, управления кровлей в лаве. Эти вопросы рассмотрены в специальных дисциплинах. Например, учитывая экономический фактор можно, допустив большие смещения в выработке, сделать дополнительные затраты на ремонт, но не проводить новую выработку, а использовать повторно отремонтированнную выработку. В нашем курсе практическую задачу решают более тонко, точно. Например, какие необходимы дополнительные меры, чтобы не только сохранить выработку для повторного использования, но и обеспечить такую деформацию крепи, чтобы её можно было извлечь и повторно использовать крепь после ремонта, и таким образом получить существенную экономию средств. То есть, к широко известным способам, средствам разрабатываются оригинальные, приспособленные к конкретным условиям.

Оптимизация схемы подготовки выемочных участков обусловлена сложностью структуры шахты, когда работы ведутся на больших площадях, отрабатываются одновременно несколько пластов, несколько лав с различной скоростью подвигания. В нашей дисциплине предусматривается рассмотреть новые, не вошедшие в нормативные документы решения, основанные на достижениях геомеханики и, особенно для больших глубин.

Каким образом, не только количественно, но и качественно оценить проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках будет изучено в учебной дисциплине Геомеханическое обеспечение горных работ, наряду с известными практическими рекомендациями по предотвращению вывалообразования, работы в сложных горно-геологических условиях, осложнения при ведении горных работ, которые нельзя предотвратить при соблюдении самой совершенной технологии.

После выявления недостатков конструкции крепи или, если установлена большая, чем по расчету скорость опускания пород, признаки деформирования крепи, необходимо разработать дополнительные меры или выбрать лучшие из имеющихся решений, предложить новые. Так, более детально, чем в дисциплине управление состоянием массива горных пород, необходимо разрабатывать конструкции крепи усиления.

Курс «Геомеханическое обеспечение горных работ» содержит четыре раздела, посвященные геомеханическому обеспечению подготовительных, очистных работ, подготовке шахтных полей, особенностям отработки пластов на больших глубинах.

Лекция 2. Смещения и деформации пород в окрестности выработки Формы разрушения пород в кровле и в почве подготовительных выработок: смятие; прогиб породных слоёв.

Смятие — направленные параллельно напластованию пластические деформации сжатия. На рисунке 2.1 приведен характер деформирования приконтурного массива. В зоне шириной 2 В (В — ширина выработки) с обеих сторон, штрека образуются вертикальные, наклонные трещины. Отделенные от массива блоки пород смещаются в полость выработки, сжимая породные слои, в кровле и в почве выработки.

В том случае, если породы слабые при малой ширине выработки образуются остроугольные складки (рис. 2.2 а). Прочные слои при продольном сжатии прогибаются с изломом (рис. 2.2 в). В том случае, если имеется наклонная трещина, образуется надвиг (рис. 2.2 б).

Рисунок 2.1 — Схема деформирования массива а) б) в)

Рисунок 2.2 — Формы смятия слоёв

Прогиб породных слоев с разломом происходит под действием нагрузки от собственного веса или рядом расположенных слоев. Форма зависит от возможности бокового перемещения, мощности слоев. Различают семь форм разломов, из которых выделяются: А-, Х-, Vи клинообразный (см. рис. 2.3 а, б, в, и г, соответственно).

В разгруженных в горизонтальном направлении породных слоях, т. е. разрезанных подготовительной выработкой, разрушение пород вызывается исключительно вертикальной составляющей горного давления.

Рисунок 2.3 — Формы разломов слоёв Виды трещин, разломов: по плоскостям сдвига (рис. 2.4 а), хрупкие (рис. 2.4 б), смешанного типа (рис. 2.4 в), которые дальше подразделяются на простые (1), клиновидные (2), ступенчатые (3), пересекающиеся (4).

Виды разрушения породных слоев с изломами Стадии развития деформации пород в кровле штрека:

I — в разрезанных штреком слоях образуются трещины, приводящие к ослаблению прилегающего к бокам выработки массива;

II — смятие пород в кровле и в почве с одновременным образованием складок;

III — распространение трещин в выше и нижележащие слои; по плоскостям трещин сдвигается массив, что приводит к увеличению размеров складок, вплоть до полного заполнения выработки.

Рисунок 2.4 — Классификация трещин в боках выработки

I II III

Рисунок 2.5 — Стадии развития деформаций пород в кровле штрека Характер трещиноватости пород вокруг выемочного штрека, который используется повторно, перед второй лавой приведён на рисунке 2.6

Рисунок 2.6 — Состояние массива горных пород перед второй лавой Наблюдаются следующие явления:

1. Опережающее опорное давление создает систему разломов, распространяющуюся в обе стороны штрека на 15−20м. Разломы над пластом под углом 25−30° к оси штрека. В кровле и в почве наблюдается расслоение.

2. При выемке угля в первой лаве монолитный блок опускается вертикально и поворачивается примерно на 20°. В кровле штрека разломы происходят под углом 70° (разлом от изгиба).

3. Кровля над штреком раздавлена, имеются зоны S-образных вторичных разломов.

4. Уголь выдавливается в полость штрека, в непосредственной кровле разломы, S-образные зоны вторичных разломов.

5. В почве сбросовые трещины, по которым интенсивно почва выдавливается в выработку, особенно, если вблизи расположен угольный прослоек. Сбросовые трещины.

При отработке второй лавы появляются трещины в кровле на её сопряжении со штреком, происходят вывалы из непосредственной кровли на значительную длину вдоль лавы. В верхних слоях кровли, сложенной мощными слоями и шероховатыми стенками разломов, зона трещиноватости достигает большой высоты (до трёх диаметров выработки), но трещиноватые породы удерживаются от обрушения за счет бокового распора. По слоям трещины смещены.

Лекция 3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

3.1 Влияние типа крепи и формы поперечного сечения выработки на характер разрушения пород Выделяют две модели работы крепи:

— крепь с замедленным восприятием нагрузки (рамная крепь);

— крепь с быстрым восприятием нагрузки (анкерная крепь).

Смятие кровли в выработке с арочной крепью можно предотвратить установкой 3 анкеров, что заменяет крепь с несущей способностью 350 кН/м2. Анкерная крепь сразу начинает воспринимать нагрузку в отличие от рамной крепи. На рисунке 3.1 показано изменение остаточной площади выработки в зависимости от реакции крепи. Чем выше сопротивление крепи, тем меньше конвергенция пород в выработке.

Рисунок 3.1 — Изменение остаточной площади выработки в зависимости от реакции крепи Если сопротивление крепи больше, возможно образование пологого надвига в кровле. При сопротивлении крепи более 100 кН/м2 дальнейшее увеличение реакции крепи практически не уменьшает конвергенцию боковых пород.

Арочная крепь соответствует искусственному своду в архитектуре, в котором консоли создаются за счет выступов плит. Это уменьшает смятие и меньшую конвергенцию в выработке за счет уменьшения ширины пролета верхних сплошных породных плит в выработке. Если при прямоугольной форме выработки смещение 0,5 м, то при арочной всего 0,1 м, Так, как наработки арочной формы имеют большую высоту по сравнению с выработками прямоугольной формы, то относительная конвергенция еще меньше. Одно лишь арочное сечение выработки обеспечивает такую же несущую способность контура выработки, как рамная крепь в выработке прямоугольного сечения с несущей способностью 100 кН/м2. Подпорное действие консолей по мере развития деформаций прекращается из-за их облома и выработка переходит в прямоугольную. Необходимо, чтобы подрывка в выработке была не менее 0,7 м.

Зона разрыхления пород на достигнутых глубинах образуется, как правило, в связи с тем, что напряжения в массиве больше предела прочности пород. Зона разупрочнения служит защитой для выработки. Её размеры от 3 до 15 м в зависимости от прочности пород. Теоретически возведением крепи в выработке можно предотвратить разрушение пород. На практике уже при глубине разработки свыше 600 м невозможно это обеспечить даже в прочных породах, так как необходима крепь с рабочим сопротивлением 1,5−1,7 МН/м2, а современные крепи обладают сопротивлением до 0,2 МН/м2 (20 т/м2), но крепь способна ограничить распространение зоны разрушения вокруг выработки.

3.2 Устойчивость породных обнажений По Н. С. Булычеву устойчивость горных пород — свойство сохранять форму и размеры обнажений, образуемых при строительстве горных выработок. Есть другое определение. Устойчивость — способность горных пород сохранять равновесие при их обнажении.

Три формы потери устойчивости показаны на рисунке 3.2: вывалообразование; разрушение; чрезмерные смещения.

Вывалообразование происходит под действием собственного веса пород.

Разрушение пород происходит в зоне концентрации напряжений от веса всей толщи пород.

Чрезмерные смещения обнаженной поверхности без видимого разрушения пород происходит вследствие пластических деформаций.

Устойчивость трещиноватых пород по Н. С. Булычеву определяется показателем

(3.1)

где — коэффициент крепости пород по М. М. Протодьяконову;

KM — коэффициент, учитывающий степень трещиноватости;

KN — коэффициент учитывает количество систем трещин;

KR — для оценки влияния шероховатости стенок трещин;

KW — учитывает увлажнение породы;

Kt — для учета степени раскрытия трещин;

KA — учитывает характер заполнения трещин;

K — для учета угла между выработкой и основной системой трещин.

а) б) в)

Рисунок 3.2 — Формы потери устойчивости выработки

В зависимости от величины выделено 5 классов от вполне устойчивых (S > 70) до весьма неустойчивых (S >0,05). Для всего диапазона устойчивости значение S может изменяться в 1400 раз, в том числе КМ в 20 раз, КN в 40 раз (наиболее влияющей фактор), Кt и КА, КR в 8 раз, КW в 3 раза, К в 2 раза.

Критерии устойчивости при разрушении — размер условной зоны нарушения сплошности массива, под которой понимается примыкающая к выработке область упругого массива, в которой не выполняется условие специального предельного равновесия по поверхностям ослабления (контакты слоев, поверхности отдельностей, поверхности трещин).

(3.2)

гдеK* - коэффициент сцепления для плоскостей ослабления;

* - угол внутреннего трения;

n — касательное и нормальное напряжения.

Критерий устойчивости монолитных пород — условная зона неупругих деформаций, т. е. зона, в которой не выполняется условие прочности Кулона-Мора

(3.3)

где r, Q — радиальные и тангенциальные нормальные напряжения.

Критерий устойчивости пластичных пород

(3.4)

3.3 Вывалы пород в призабойной зоне подготовительных выработок

В терминологическом словаре «Горное дело» вывалообразование — местное выпадение в горную выработку отделившейся от массива части горных пород или полезного ископаемого. Механизм вывалообразования по Н. С. Булычеву довольно прост: вес пород превышает их сопротивление отрыву, породы отделяются от массива и обрушаются в выработку. Вывалообразование зависит от устойчивости кровли, боков выработки и технологии крепления. Слой породы мощностью 0,08 м способен преодолеть сопротивлению отрыву 0,002 МПа при зеркальной поверхности слоев. Различают две стадии: подготовительная; сам вывал под действием собственного веса.

Формы вывалов зависят от отношения адгезии и прочности пород на сжатие: призматическая, когда отношение составляет менее 10%; сводчатая — менее 20%; ступенчатая — менее 50%; конусная менее 70%.

На основании шахтных наблюдений установлено, что интенсивность вывалов зависит от расстояния до крепи и времени установки крепи (времени запаздывания крепления). В подготовительной выработке забойная зона составляет 5 м от забоя, призабойная 25 м. Для каждого типа пород свое время запаздывания крепления.

Установлено:

— время запаздывания крепления тем больше, чем меньше расстояние от забоя до первой рамы крепи;

— при небольшом времени запаздывания крепления расстояние от забоя до первой рамы крепи не играет существенной роли для устойчивых пород; для неустойчивой породы t = 2 суток при l = 2,5 lp; t = 1 сутки, при l = 5 lp; lp — расстояние между рамами крепи;

— для пород средней устойчивости t = 4 суток при l = 4 lp;

— при слабой породе, если произошел вывал породы, то он будет развиваться;

— при средней крепости пород и прочных после крупного вывала могут произойти небольшие вывалы.

Для определения параметров вывалообразования в районе разрывного геологического нарушения предлагается статистический метод проф. Кошелева К. В., который детально рассмотрен в методических указаниях по выполнению практических занятий.

Лекция 4. Распределение напряжений вокруг одиночной выработки Для оценки устойчивости пород, обнажаемых при сооружении выработки, необходимо знать распределение напряжений в упругой среде, ослабленной отверстием.

На рисунке 4.1 показана расчётная схема для определения напряжений вокруг круглой выработки.

Рисунок 4.1 — Расчётная схема Решена плоская задача теории упругости о полубесконечном весомом массиве (область s), ограниченном земной поверхностью L и ослабленной выработкой (контур L1).

Ниже приведены формулы для определения напряжений: нормальных радиальных (Gр), тангенциальных (Gа), касательных (GrQ)

МПа, (4.1)

МПа, (4.2)

МПа. (4.3)

На контуре выработки r = 0, rQ = 0 при r = R;

МПа, (4.4)

где r — радиус выработки;

R — расстояние до точки в массиве;

л — боковой распор;

г — объёмная масса пород.

При Q = 0, П (точка А),. (4.5)

При Q = П/2, 3П/2 (точка В),. (4.6)

При = 0 (безраспорный массив) в точке В

. (4.7)

При = 1 (гидростатическое поле напряжений)

МПа; (4.8)

МПа. (4.9)

Напряжения зависят только от r и не зависят от Q

На контуре, МПа. (4.10)

При r = 3R изменяется на 10%;

при r = 5R изменяется на 4%;

при r = 10R изменяется на 1%.

На рисунке 4.2 показано распределение напряжений вокруг выработки согласно приведённым выше формулам.

Рисунок 4.2 — Распределение напряжений вокруг выработки

Лекция 5. Способы управления горным давлением в подготовительных выработках

5.1 Контроль за состоянием подготовительных выработок Задачи, решаемые методом наблюдений для получения необходимой информации о состоянии подготовительных выработок, следующие:

— состояние приконтурного массива подготовительных выработок (общее опускание кровли и почвы и раздельно пучение почвы, высота, ширина штрека);

— состояние крепи (степень деформирования крепи, наиболее деформированные элементы, просадка крепи в местах соединения стоек и верхняка, состояние межрамных стяжек, изменения конструкции крепи).

В наблюдаемой выработке выбираются определенные контрольные рамы, на которых производятся все измерения. Первая рама находится в начале выработки. Расстояние между контрольными рамами должно быть одинаковым 20−50 м в зависимости от длины выработки, чтобы число контрольных рам в выработке было не более 30. При каждом измерении фиксируется положение относительно лавы, измерения повторяются по мере подвигания забоя штрека или лавы на 20−50 м.

Для определения пучения почвы в поперечном сечении выработки определяется так называемая средняя линия, для чего на стойках рам на определенном растоянии от верха или низа отмечаются точки (мелом, путём насечки и др.) между которыми натягивается туго шнур, от которого измеряется расстояние до почвы (см. рис. 5.1).

Рисунок 5.1 — Схема измерений параметров сечения выработки выработка крепь порода давление Можно измерять расстояние между головками реперов, закрепленных в кровле, почве, в боках выработки. Тогда это будет смещение контура выработки, но не крепи.

По данным опытных измерений время замеров на одной контрольной раме 6 минут; два человека могут за смену произвести измерения в двух выработках. Кроме измерения смещения крепи или пород, изучается состояние крепи: величина деформации стоек и верхняков, состояние соединений элементов рамы (ослабление накладок, разрыв), изменение крепи (поставлены усиливающие рамы, перекрепление той же или другой крепью, подрывка почвы). Для облегчения записи и обработки, записи выполняются в формулярах, степень деформации крепи унифицируется.

Для учета влияния пустот в закрепном пространстве в девяти точках контрольной рамы измеряется расстояние между крепью и породным контуром выработки (рис. 5.2).

Эти измерения выполняют сразу после установки рамы крепи в забое. Если закрепное пространство заполнено пенопластом, его протыкают мерной рейкой до упора, если забутовочный материал прочный (порода), то замеряют до него. Известны зависимости для уточнения смещения пород.

Для контроля состояния сопряжений лавы с выработками производят наблюдения раздельно в двух зонах: перед конвейером и за ним, т. е. линия раздела этих зон проходит по забойной стороне конвейера. Схема измерений на сопряжении лавы со штреком приведена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.2 — Схема расположения точек замеров пустот за крепью Рисунок 5.3 — Эскиз сопряжения лавы с выработкой Ширина и высота штрека измеряется у ближайшей к нише рамы штрековой крепи и у первой рамы у конца искусственного ограждения (полосы, ЖБТ, костра). Фиксируется длина ниши, параметры крепи, сколько снято стоек крепи для передвижки конвейера. Подсчитывается количество трещин параллельно забою лавы и штрека (трещина параллельна лаве если угол составляет до 45°). Измеряются размеры вывалов перед конвейером и за ним (форма вывала, какими трещинами он оконтурен, высота вывала регистрируется более 5 см, ширина и расстояние от начала вывала до забоя ниши). Результаты всех замеров фиксируются в специальных формулярах.

Оперативная обработка результатов производится вручную. В течение 20 минут графически получаются следующие характеристики: высота выработки, опускание кровли, пучение почвы, необходимая глубина подрывки, ширина выработки, деформация контрольных рам. При машинной обработке результатов наблюдений получается более детальная информация, обобщенная. Оперативная оценка результатов необходима для принятия руководством шахты мер по усилению крепи, подрывке кровли или почвы, заключения о возможности извлечения крепи и целесообразности ее повторного использования и др.

Периодическая оценка результатов необходима работникам технических отделов при:

— разработке мероприятий для поддержания выработок в зонах геологических нарушений или повышенного горного давления;

— оценке крепи, искусственных ограждений для установления целесообразности применения в проектируемых штреках;

— сравнение поведения крепи на разных участках одной выработки;

— сравнении поведения крепи в выработках на других пластах со сходными горно-геологическими условиями.

5.2 Геомеханические способы и механические средства управления горным давлением в подготовительных выработках выработка крепь порода давление Подготовительные выработки должны обеспечивать транспорт угля, породы, материалов, оборудования, подачу энергии, воздуха, передвижение людей без ограничения нагрузки на лаву. Основное правило — ограничение нагрузки на лаву допустимо лишь по факторам, возникающим непосредственно в очистном забое.

Из предыдущих курсов нам известны геомеханические способы охраны примыкающих к лавам выработок, основных (подготавливающих), капитальных выработок (вскрывающих). Главные вскрывающие и подготавливающие выработки проектируются, как правило, из условий их безремонтного поддержания с проведением только планово-профилактических мероприятий; для примыкающих к лавам выработок допускается подрывка почвы, замена отдельных элементов крепи. Поэтому основное внимание уделим выработкам, примыкающим к лавам.

При проектировании всех выработок главное определить смещение пород. Если смещение превышает 50% исходной высоты, способ охраны не годится; если свыше 40% - состояние неудовлетворительное; 20−40% - состояние удовлетворительное и менее 20% - хорошее. Эмпирические формулы для определения смещения позволяют получать значения с определенной степенью вероятности. В зависимости от надежности прогноза выделены два направления проектирования: при высокой степени надежности для отдельных участков проектируется крепи; если надежность прогноза недостаточная необходимо выбрать один способ, одну крепь, но при изменении условий применять дополнительные мероприятия. В УСМГП занимались проектированием для средних условий, проектировали один вид крепи, один способ охраны. В курсе «Геомеханическое обеспечение» — больше уделяется внимания дополнительным мероприятиям, которые можно сгруппировать следующим образом:

— управление закрепным пространством;

— анкерование пород;

— совершенствование крепи усиления;

— ограждение выработки со стороны лавы.

Пустоты за крепью, подлежат тщательной забутовке. Если применить механизированную закладку смещение пород уменьшится на 1/3. Для предупреждения смещения, разрыхления пород в кровле штрека его следует проводить с раскоской шириной в несколько метров, обеспечивая перемещение в нее зоны перекоса породных слоев и параллельное опускание пород над штреком в виде одного блока. При охране основных штреков целиками, последние отделяют от выработки полостью шириной двух деревянных костров, а при неустойчивых породах до 10 м. Штреки для повторного использования — проводить с раскоской шириной 0,6 м с каждой стороны выработки. Смещение боковых стенок и пучение почвы зависят от ширины раскоски.

Анкерная крепь в выработках с арочной формой поперечного сечения как самостоятельная крепь применяется в сочетании с затяжкой из металлической проволочной сетки (диаметр проволоки 3 мм). Предпочтение следует отдавать сталеполимерной крепи (анкерам, с закреплением по всей длине шпура). На рисунке 5.4 оказана диаграмма испытания анкера на растяжение.

Рисунок 5.4 — Диаграмма усилие — растяжение анкера Допустимое удлинение, когда при дальнейшей нагрузке несущая способность анкера увеличивается, составляет 4%. В этом случае достигнуто напряжение в штанге между пределом текучести и пределом прочности. Пологая часть характеристики, когда дальнейшее увеличение длины происходит без увеличения нагрузки, характеризуется как критическое, т. е. критическое удлинение 7%.

Анкерную крепь можно применять в том случае, если смещение заанкерованного контура не превышает критическую величину удлинения анкера. Кроме этого, необходимо, чтобы в верхней сводовой части выработки не было угольного пласта, так как нельзя будет создать правильной формы выработку из-за высыпания, обрушения угля. Третье условие — мощность породных слоев более 0,2 м. Четвёртое — выработки не должны быть в зонах повышенного горного давления.

Анкеры и породы приконтурного массива образуют несущую конструкцию в виде свода или кольца, которая устойчива до того момента, пока в ней не разрушился хотя бы один элемент. Анкеры должны предотвращать радиальное расширение приконтурного массива и противодействовать взаимному смещению разделенных трещинами породных блоков, которые не могут удерживаться в массиве силами трения. Такие блоки образуются кососекущими плоскостями разделения, которые расположены по отношению к плоскостям напластования под углом, превышающим предельный угол равновесия (рис. 5.5). При минимальном коэффициенте трения 0,4 угол, при котором блоки не могут удерживаться силами трения меньше 70°.

При расчетах надежности анкерной крепи учитываются только анкеры, закрепленные на длине не менее 0,5 м в приконтурном массиве за пределами блока, и которые пересекают блок не менее 0,6 м (см. рис. 1.15). Коэффициент запаса 1,5. Анкеры рассчитывают не на статическую нагрузку, а на так называемую «динамическую нагрузку при падении тела с нулевой высоты», равную двум статическим нагрузкам.

Параметры расположения анкеров:

— расстояние в ряду между анкерами, м 0,6 — 1,0;

— расстояние между рядами анкеров, м 0,7 — 1,05;

— длина анкера, м 2,1 — 2,8;

— плотность установки, шт/м кровли, боков 1,43 — 2,15;

— количество анкеров на 1 м штрека, штук 9 — 13.

При применении скользящих, податливых анкеров допускается их удлинение до 10% длины.

Основное направление совершенствования крепи усиления — применение механизированных крепей сопряжения лавы с выработкой. Ограниченное применение крепей сопряжения на шахтах Донбасса связано с большим пучением почвы, смещением пород перед первой лавой, стесненностью работ в условиях малой мощности пластов. Рекомендуется крепь УКС.

В настоящее время используются: индивидуальные крепи сопряжения: деревянные стойки, стоики трения, гидравлические. Деревянные стойки можно применять при небольшой конвергенции перед первой лавой. Деревянные стойки следует заменять на податливые стойки трения, которые эксплуатируются на участке до 250 м за лавой, гидравлические — при меньшей длине участка (60 — 100 м). Повторная замена на деревянные стойки в 60−250 м за лавой. Недостатки податливых стоек трения — малое усилие начального распора, медленное нарастание сопротивления и скачкообразная просадка. Недостатки гидравлических стоек: чувствительны к коррозии; теряют несущую способность при продолжительной нагрузке; повреждаются при небольшой внецентренной нагрузке; имеют недостаточную для большой конвергенции просадку.

К подхватывающим устройствам арок штрековой крепи предъявляются следующие требования:

— возможность установки с внешней стороны арочной крепи (в закрепном пространстве) во избежание загромождения поперечного сечения выработки;

— возможность снятия и установки вновь боковой стойки после прохода лавы;

— надежное предотвращение обрушения кровли на сопряжении лавы со штреком;

— обеспечение распора боковых сегментов арок после прохода лавы.

Использование в подхватывающих устройствах прогонов, устанавливаемых с внешней стороны арок штрековой крепи (в закрепном пространстве), является наиболее эффективным и технически правильным решением (рис. 5.6 а) при высоте подрывки более 0,75 м; если высота подрывки более 1,9 м, на тонких пластах в штреках, проводимых без подрывки почвы, применяются арки с составными стойками (рис. 5.6 б). При этом прогон располагается на уровне кромки пласта, а расстояние между узлами податливости разделённой на две части ножки составляет не менее 0,7 м.

Рисунок 5.6 — Схемы установки подхватывающих прогонов

Со стороны выработанного пространства можно не устанавливать специальные средства охраны только при легкообрушающейся на большую высоту кровле. Если кровля слабая, но не разрыхляется на мелкие куски с обеих сторон от штрека выкладываются деревянные костры; при крепких боковых породах — применяются ЖБТ или литые полосы.

Лекция 6. Прогноз характеристик кровли

Характеристики кровли очистных забоев: обрушаемость, устойчивость, состояние.

Обрушаемость горных пород — перемещение пород преимущественно сверху вниз с отделением от массива отдельных кусков, глыб.

В выработанном пространстве обрушение пород характеризуется: шагом обрушения, углом обрушения, мощностью одновременно обрушающихся пород; надежной характеристикой обрушаемости является величина опускания кровли в лаве. Основные факторы: прочность пород, мощность слоя.

Устойчивость обнажений кровли — способность не обрушаться в призабойном пространстве в течение некоторого времени без поддержания крепью обнажённой поверхности кровли. Зависит от формы и размеров обнажения, кратности, местоположения обнажения, реакции крепи и случайных факторов, таких как уровень организации и культуры работ, квалификации и дисциплины исполнителей.

Критерии устойчивости кровли:

— угол наклона кровли;

— радиус кривизны вершины свода естественного обрушения;

— эквивалентный пролет;

— приведенные растягивающие напряжения;

— длительная прочность пород;

— остаточная прочность пород;

— безразмерный коэффициент, учитывающий трещиноватость и др.;

— коэффициент линейной трещиноватости N = 20/f;

— относительное расстояние между блоками;

— скорость опускания кровли (увеличение скорости в два раза за смену или в 10 раз за I минуту);

— строение и состав кровли (классификация ДонУГИ).

Весьма неустойчивые кровли — обрушающиеся при выемке угля; неустойчивые и малоустойчивые — полоса кровли шириной 1 м не обрушается в течение 2 — 3 часов.

В последнее десятилетие все большее распространение находят классификации, основанные не на одном критерии, а на комплексной оценке большого числа факторов, влияющих на устойчивость породного массива. Каждый фактор оценивается баллом, сумма баллов определяет категорию устойчивости кровли.

Маркшейдерско-геологическая классификация предложена для Северо-уральского бокситового месторождения (Сероштан В.С.). В ней учтены: мощность слоя, количество трещин на 1 м, характеристика слоев (литотип: известняки, сланцы), мощность прослойков, их количество. Коэффициент устойчивости Ку = Gс/10. От величины коэффициента устойчивости зависит время устойчивого состояния кровли, определяемое по эмпирической формуле. Всего выделено 5 классов.

Для условий Донецкого бассейна ДонбассНИЛ Министерства геологии СССР (Смирнов Б.В., Бароньян Э. Л. и др.) предложена инженерно-геологическая классификация устойчивости кровли и почвы угольных пластов. В ней учтены: фациальная принадлежность отложений, литология, марка угля, прочность пород, мощность непосредственной кровли, пласта, угол падения и глубина разработки, обводнённость пород. На основании анализа и с учетом влияния факторов строятся прогнозные карты устойчивости кровли, почвы.

В отраслевой НИЛ Минуглепрома СССР при Новочеркасском политехническом институте (Шарудо И.И., Лось М.М.) предложем геолого-математический метод для прогноза устойчивости кровель. Для Донбасса: устойчивые кровли при суммарной площади вывалов в бесстоечном пространстве лав менее 10%; средней устойчивости 10−30% неустойчивые — 30−50%; весьма неустойчивые 50% и более. Предлагается учитывать литоструктуру кровли на расстоянии 30−40 м над пластом, мощность пласта, мощность непосредственной, основной кровли, прочность пород, реакцию крепи, модуль литологической динамики, динамичность осадконакопления, шаг осадки основной кровли, площадь вывалов, трещиноватость и кливаж, глубину разработки и др., всего 20 факторов. Для совместного учета предлагается геолого-математический метод прогноза с использованием ЭВМ.

Геолого-геофизическая классификация (Бакланов В.Г., Климов А.И.) содержит геологические факторы: мощность пласта, глубину разработки, литологический состав пород, пределы прочности на растяжение, сжатие и геофизические параметры: относительное удельное сопротивление, скорость прохождения упругих волн, приведенный диаметр скважины. Параметры определяются по геофизическим диаграммам, а прочность пород и литология по корреляционным связям с их физическими параметрами.

Геомеханнческая классификация пород прибортового массива (Бахарева Г. П. и др.) содержит 5 классов и учитывает прочность пород, размер и форму блоков пород, ориентировку трещин и влияние влаги.

Геолого-физический способ прогнозирования устойчивости углевмещающих погод Западного Донбасса учитывает зависимость между физико-механическими свойствами пород геологическими и геофизическими параметрами. Так установлено (Безазьян А.В.) для трех групп фаций: континентальных, переходных, морских отложений рост прочности пород, соответственно 20 МПа, 30 МПа и 50 МПа. Отмечены различные формы разрушения. Ослабленные зоны приурочены к континентальным и переходным фациям осадконакопления.

Вероятностно-статистические классификации устойчивости кровли предложенные Донбасс НИЛ, проф. Р. А. Фрумкиным, где используется формула Бейеса, специальные таблицы, пригодны для ориентировочного прогноза условий отработки шахтных полей, угленосных районов. Применительно к проектированию очистных работ в конкретных лавах лучше подходит классификация ДонУГИ по устойчивости кровли.

Особое место занимает классификация устойчивости Глушко В. Т., в которой использовано два показателя; относительный акустический показатель равный отношению коэффициентов затухания в реальном и в нетрещиноватом массивах и коэффициент, учитывающий отношение амплитуды волны при частоте 100 Гц и амплитуде при частоте 2000 Гц. Оба показателя характеризуют трещиноватостъ, нарушенность пород и в конечном счете — устойчивость. Путем непосредственных изменений определяется участок неустойчивого состояния пород.

В изучаемой дисциплине основным является метод производственных наблюдений и основанные на нём методики прогноза устойчивости выработок, состояния пород.

Состояние кровли — степень нарушенности поверхности горных пород в призабойном пространстве. Оно определяется многими факторами. Качественная оценка: плохое, удовлетворительное, хорошее. Что под этим подразумевается и как оценить? Рассмотрим классификацию состояния кровли в очистных забоях А. А. Орлова (ВНИМИ).

Таблица 6.1 — Классификация состояния кровли в лавах

В таблице 6.2 приведены критерии оценки состояния кровли.

Таблица 6.2 — Оценка состояния кровли и эффективности управления кровлей

Критерии количественной оценки состояния кровли:

— средняя удельная площадь вывалов перед крепью;

— суммарная протяженность вывалов высотой более 0,3 м;

— число уступов высотой более 0,1 м на 100 м² площади кровли.

Лекция 7. Проявления горного давления в очистных забоях Первичное разрушение возникает в том месте массива, где напряжения превысят предел прочности пород. Это разрушение изменяет напряженное состояние в прилегающей зоне, возникает концентрация напряжений, которая после небольших деформаций обуславливает новые разрушения (вторичные). Крепь может оказывать воздействие только на вторичные разрушения.

Виды разрушений кровли в очистных забоях такие же как и для подготовительных выработок: по плоскостям сдвига, хрупкие, комбинированные.

Основные виды трещин: R1 — параллельные напластованию, R2 — нормальные к напластованию; R3 — падающие на угольный забой, R4 — падающие в сторону выработанного пространства, R5 — клинообразные, показаны на рисунке 7.1.

R1 R2 R3 R4 R5

Рисунок 7.1 — Виды трещин По мере подвигания очистного забоя образуется определенная система сдвижения породного массива в результате систематически повторяющихся процессов трещинообразвания, Трещины R1 появляются в непосредственной кровле только над призабойным или выработанным пространством, но не над пластом, где сильное вертикальное сжатие на контактах слоев.

Трещины R2 появляются в результате опусканий кровли над краевой частью пласта и в условиях сильного подпора кровли пластом, где нет перемещений слоев по контактам из-за больших сил трения.

Трещины R3 появляются над угольным пластом при вертикальном давлении и смещении (выдавливании) пласта в призабойное пространство, которое за счет сил трения передает усилия на породы кровли. Над угольным пластом раскрытие трещин происходит в верхней части слоя, в призабойном пространстве — в нижней части, что может привести к вывалам породы. В призабойной части пласта трещины R3 образуются, когда кровля и уголь примерно одинаковой прочности.

Трещины R4 встречаются при слабых породах непосредственной кровли и крепком угле. Породы непосредственной кровли сдвигаются над опорой (краевая часть пласта) в сторону призабойного пространства. Трещины R4 наклонены в сторону выработанного пространства, имеют следы скольжения, так как являются результатом сдвига от опорного давления; они встречаются часто.

Трещины могут образовываться и в смешанных формах: R12, R23, R34, R13 (R5 — клинообразные трещины), R13 и др.

Формы разрушения кровли и деформации забоя лавы приведены в таблице 7.2.

На основании признаков состояния кровли (трещины, вывалы, следы скольжения) судят о характере её смещения, о причинах давления на опоры (стойки, закладочный массив). Различают виды смещений породных слоев: по трещинам напластования; по нормальным к напластованию трещинам; по трещинам RЗ; по трещинам R4. В первом виде и втором отсутствует возможность бокового смещения; при третьем виде происходит взаимное смещение блоков; смещение по трещинам R4 происходит при отсутствии опоры.

Таблица 7.2 — Формы разрушения кровли

В кровле лавы образуются трещины нескольких типов. Форма вывала зависит от сочетания трещин. Наиболее распространенное сочетание R2 — R3, R2 — R4, R3 — R4 и таким образом — клиновидные вывалы.

Анализ статических данных о геологических нарушениях, ложной кровли на шахтах Донбасса за 2001 год приведён ниже. Амплитуда разрывных геологических нарушений: до 0,3 м 17,2%; 0,31 — 0,6 м 35,9%; 0,6 — 1,2 м 11,2%; более 1,2 м 8,9%. Следует отметить, что вывалы распространяются на 5 — 15 м в окрестности нарушений и их высота определяется мощностью слабых пород и в меньшей мере зависит от амплитуды нарушения. Всего лавами за год встречено 334 нарушения. По мощности ложная кровля распределена таким образом: до 0,3 м — 45,6% всех участков; 0,31 — 0,6 м — 42,7%; 0,61 — 1,2 м — 17,3% и более 1,2 м — 4,4%. Всех участков ложной кровли 132.

Факторы, влияющие на вывалообразование, следующие:

1. Вывалы происходят в основном при кровлях, сложенных аргиллитами.

2. В лавах, где мощность аргиллита непосредственной кровли менее 2 м состояние кровли значительно хуже, чем там, где мощность непосредственной кровли более 2,0 м.

3. Рабочее сопротивление крепи влияет только на частоту вывалов высотой более 0,3 м.

4. Удельная площадь вывалов перед крепью растет с увеличением расстояния между забоем и концами верхняков (между первой точкой контакта верхняка с кровлей). Так при расстоянии 0,28 м удельная площадь вывалов 7%, при расстоянии 1м — 20% при расстоянии 1,77 — 48%.

5. Показатель склонности кровли к вывалам может зависеть от скорости подвигания лавы. При увеличении скорости в два раза в 4 раза уменьшается удельная площадь вывалообразования за счет увеличения скорости крепления, уменьшения запаздывания в установке крепи.

6. Вывалы, образованные в незакрепленной полосе в результате разгрузки секций, распространяются на весь участок кровли в призабойном пространстве (топтание кровли).

7. Над секциями крепи образуются скопления породной мелочи, повышающее податливость крепи. Поэтому, надо предупреждать даже набольшие вывалы породы перед крепью за счет уменьшения расстояния между консолью перекрытия и забоем.

8. Несвоевременное передвижение крепи, недостаточный распор — два фактора, которые приводят к тому, что кровля длительное время остается незакрепленной. Вывал происходит, при выемки угля или через 60−70 минут, а среднее время запаздывания крепления значительно больше (при струговой выемке 2 — 4 часа, при комбайновой 30 минут). При полном исключении запаздывания крепления удаётся сократить примерно на четверть всех вывалов, и на 70% число вывалов высотой более 0,5 м. От начала вывалообразования до развития его на высоту 0,5 м протекает 1 час, удвоение высоты вывала — через 3 часа. Запаздывание крепления может быть обусловлено организацией работ в лаве.

Таким образом частота вывалов зависит от строения кровли, величины горного давления, расстояния от забоя до конца верхняков, реакции крепи. Другие факторы: скопление породной мелочи над перекрытиями крепи, трещины тектонического происхождения, влажность пород имеют локальное значение, не могут быть статистически учтены, также как данные об организации работ в лаве.

На рисунке 7.3 приведён алгоритм для прогноза относительной длины вывалов высотой более 0,3 м в лаве. Горное давление следует определять равным двум значениям гидростатического давления, т. е. 2Н (= 0,025 МН/м3).

Рисунок 7.3 — Алгоритм для вычисления ожидаемой отностельной длины вывалов из кровли в лаве Основные причины вывалов с высыпанием большого объема раздробленной породы: слишком большое расстояние между концами верхняков и забоем (из-за отжима угля); слишком большое смещение кровли в нормальном к напластованию направлении (недостаточное сопротивление крепи вследствие вывалов, неправильно выбранные паспорта); недостаточный распор (горизонтальный) кровли вследствие неполного заполнения выработанного пространства; выпуск породы из зоны обрушения, в результате чего вывал распространяется вплоть до выработанного пространства, линия обреза перемещается к забою, а обрушенные породы располагаются на секциях крепи с откосом около 45°. Вытекающие из всего этого меры предотвращения высыпания:

— не допускать отжим угля;

— упрочнить верхнюю часть угольного пласта;

— пробурить скважины в кровле над пластом и установить в них прочные штанги (балки), одним концом опирающиеся на брусья, уложенные на верхняки секций крепи;

— выложить над секциями деревянные костры или заполнить пустоту вмешивающимся полиуретаном, или другим составом.

Причиной ступенчатого опускания может быть пониженное горное давление при недостаточном сопротивлении крепи. Пониженное горное давление возникает при надработке пласта, когда кровля разрушена. При выемке угля в кровле пласта обнаруживаются выступы высотой в несколько сантиметров. Через несколько часов их высота может увеличиться до нескольких десятков сантиметров, до метра и более.

Осадки кровли с образованием больших выступов происходят при малом сопротивлении крепи, прочных породах кровли, большом горном давлении. Сопротивление крепи должно быть не менее 400 кН/м2.

Отжим угля в забое обычно происходит по плоскостям изломов сдвига, а не по трещинам кливажа, поэтому положение линии забоя относительно простирания пласта в большинстве случаев не влияет на отжим угля. Частота отжима и ширина обнажаемой полосы растут с увеличением мощности пласта. Способствуют отжиму: большая конвергенция кровли при уменьшении сопротивления крепи ниже критического 200−100 кН/м2; неблагоприятная структура пласта, когда прослойки мощностью более 0,2 м и трещины кливажа от 0 до 35° к линии забоя; отработка пласта лавами по восстанию, слоистом пласте и трещинами кливажа до 35° к линии забоя.

Периодическая осадка кровли происходит не только при прочных породах основной кровли, но и при слабых тонкослоистых породах непосредственной кровли. Следует принимать во внимание периодические обрушения верхних породных слоев в результате прогиба и разгрузки их от горизонтальных напряжений, которое происходит почти с постоянными интервалами. При дальнейшем подвигании лавы в породах кровли снова возникают горизонтальные напряжения, пока опять не повторится прогиб слоев с их разгрузкой от горизонтальных напряжений. Этот процесс может оказывать влияние на состояние кровли в лаве и в выемочных штреках. Если же верхние слои тонкослоистые, но более прочные (50 МПа), в них не образуется свод обрушения и возникающие трещины разлома приведут к периодическим осадкам кровли.