Материал: Геомеханическое обеспечение горных работ

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:

. Вывалы происходят в основном при кровлях, сложенных аргиллитами.

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

. 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 %.

. 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.

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

. 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.

. 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. 2gН (g = 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.

Лекция 8. УПРАВЛЕНИЕ КРОВЛЕЙ В ЛАВЕ

.1 Производственные наблюдения проявлений горного давления в лавах

Целью производственных наблюдений за проявлениями горного давления в лавах является оценка эффективности управления кровлей в лавах для разработки технических и организационных мероприятий, улучшающих состояние кровли.

Задачи:

определить отклонение фактического вывалообразования из кровли от расчетного и определить его причины;

получить количественную оценку (параметры) поведения кровли для проектирования новых участков на том же пласте;

получить однозначные результаты испытания крепи;

установить закономерности между состоянием и техническими мероприятиями по управлению кровлей и её геологическим строением.

Критерий эффективности крепи является частота и размеры вывалов породы из кровли. Если средняя удельная площадь вывалов перед крепью и суммарная длина вывалов высотой более 0,3 м больше 30 %, тогда считается, что управление кровлей не эффективно.

Методика производственных наблюдений заключается в следующем. Лава делится на равномерно распределенные по всей её длине участки наблюдений шириной 1-1,5 м (например, над каждой четвёртой секцией крепи). На каждом участке измеряются размеры вывалов и уступов в кровле, подсчитываются число трещин и регистрируется состояние поверхности забоя, а также положение конвейера и крепи в лаве. В специальную таблицу заносятся расстояние от конца козырька крепи до забоя, расстояние между носком основания секции и конвейером, между завальной стороной конвейера и забоем, расстояние от конца козырька до первой точки его контакта с кровлей, высота породной подушки над козырьком крепи и др. (рис. 8.1)

Наблюдения в каждой лаве проводятся обычно дважды а неделю, при хорошей кровле - реже, при плохой - чаще. Можно лаву обследовать выборочно через 20-30 м подвигания или систематически. На обследование один человек затрачивает 2-3 часа.

Рисунок 8.1 - Эскиз состояния кровли в лаве

Давление в гидростойках измеряется в течении двух недель на четырёх секциях самопишущими манометрами, которые переставляются через 2 - 3 дня на новые секции. По лентам самопишущих манометров определяется давление начального распора, среднее за цикл и максимальное, затем умножается на площадь поперечного сечения цилиндра гидростойки и определяется сопротивление крепи.

Рабочим сопротивлением крепи называется усилие, с которым крепь сопротивляется опусканию кровли; удельное рабочее сопротивление - сопротивление отнесенное к единице площади крепи, поддерживаемой крепью; номинальное - паспортное сопротивление.

На основании обобщения наблюдений установлено, что начальный распор обычно ниже номинального из-за: недостаточной длительности распора; наличия вывалов в кровле; недостаточной производительности насосной станции; больших потерь в магистрали.

Давление и расход рабочей жидкости в гидросистеме крепи регистрируется в течение нескольких часов в добычную смену при помощи самопишущих манометров и расходомеров, установленных на концевых секциях крепи в лаве. Это позволяет получить данные о перепаде давления на нижнем и верхнем концах лавы в зависимости от расхода жидкости во время передвижения крепи. Исследования необходимы для:

установления недостаточности рабочего сопротивления крепи для данных условий и установления причин недостаточной производительности насосной станции: малый диаметр трубопровода; повреждение клапанов, гидрораспределителей;

оценки состояния крепи;

накопления статистических данных.

8.2 Проектирование способа управления кровлей в лаве

Успешная работа очистного забоя в значительном мере зависит от умения предотвратить образование вывалов и ступенчатого опускания кровли очистных забоев, которое определяется правильным выбором следующих параметров: реакции крепи; расстояниях между забоем и концами призабойных консолей перекрытий; продолжительности запаздывания крепления. Рекомендации:

при сроке службы крепи 8-10 лет её следует проверять на наиболее неблагоприятные условия, если условия разные;

следует учитывать, что реальные параметры не выдерживаются при эксплуатации крепи, так рабочее сопротивление равно только начальному распору; расстояние между забоем и концами верхняков крепи примерно в два раза больше паспортного;

следует применять крепи с удельным сопротивлением не менее 400 кН/м2;

если расстояние между забоем и концами секций крепи более 0,3 м, следует предусмотреть встроенные дополнительные элементы, уменьшающие это расстояние;

время запаздывания крепления должно быть как можно меньшим (2-4 секции, для чего пригодна схема передвижки крепи с резервирование шага передвижения, для более прочных пород - без резервирования);