Материал: Геомеханическое обеспечение горных работ

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 0,7м.

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;

Ka - 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, Кa 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;

j* - угол внутреннего трения;

t, sn - 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 sr, sQ - 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 sr = 0, trQ = 0 при r = R;

, МПа,     (4.4)

где r - радиус выработки;

R - расстояние до точки в массиве;

λ - боковой распор;

γ - объёмная масса пород.

При Q = 0, П (точка А),       .      (4.5)

При Q = П/2, 3П/2 (точка В),        .       (4.6)

При l = 0 (безраспорный массив) в точке В

 .                         (4.7)

При l = 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 s изменяется на 10 %;

при r = 5R s изменяется на 4 %;

при r = 10R s 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

.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.