Материал: Геомеханическое обеспечение горных работ

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 1,9м, 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