Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рис. 64.

Различные варианты «гармоничной» отработки околоствольного целика путем сочетания выемки от периферии к центру и от центра к периферии при ведении очистных работ по одному или нескольким пластам:

1—4 — участки пластов

ни растяжений, на величину, равную опусканию пород непосредственной кровли очистной выработки.

Чтобы произвести выемку целика с наименьшим ущербом для шахтного ствола, обычно бывает достаточно только при отработке внутренней зоны целика следить за тем, чтобы деформации противоположных знаков по возможности взаимно компенсировались во времени и пространстве. Для этого околоствольную предохранительную зону, которая для пластов, залегающих на глубине примерно 700 м, имеет диаметр около 1 км, делят на три или четыре выемочных полосы, имеющих ширину по падению пласта 250 или 200 м, не принимая во внимание остающиеся снаружи два сегмента, которые при последующей их выемке вызовут незначительные деформации сжатия верхней части ствола. Такое ограничение ширины выемочных полос при больших площадях охраняемой зоны должно делаться еще и для того, чтобы концен­ трацией очистных работ на наиболее сильно влияющих на шахтный ствол участках пласта удерживать длину фронта очистных работ в пределах, легко поддающихся оперативному контролю и подвергать шахтный ствол опасным деформациям в течение по возможности короткого времени*

На рис. 64, а показан вариант выемки предохранительного целика, при котором сначала отрабатываются две внешние полосы (/), а затем, способом симметричной выемки от центра к периферии, средняя полоса. В варианте,

1 Способ гармоничной выемки был сначала разработан с целью защиты подрабаты­ ваемых шахтных сооружений на земной поверхности (компенсация горизонтальных дефор­ маций сжатия и растяжения) [228] и лишь впоследствии быЛ распространен и на защиту шахтных стволов (компенсация вертикальных деформаций сжатия и растяжения) [10].

не подвержена деформациям. Что касается вариантов а и б, то возможные при их применении вертикальные деформации сжатия в верхней части ствола при наличии в горном массиве водоносных породных слоев могут оказаться даже полезными для компенсации деформаций растяжения, которые доба­ вятся здесь впоследствии. Что же касается деформаций растяжений в нижних слоях кровли, обусловленных выемкой центральных участков околоствольного целика, то в необводненных породах они не представляют опасности для работы шахтного ствола; эти деформации причиняют околоствольным выработкам меньше вреда, чем вертикальные деформации сжатия.

Проведение горных работ по одному из описанных вариантов, с симметрич­ ной выемкой внешних и внутренних участков, с целью компенсации напря­ жений, которое преходится осуществлять при отработке не одного, а двух или большего числа пластов, на практике часто представляет значительные трудности, так как, чтобы выдержать намеченный план работ во времени, приходится отказываться от применения закладки, а также из-за возможного появления непредвиденных тектонических нарушений в пластах. Особенно важно соблюдать точное выполнение плана работ во времени при отработке охранной зоны в шахматном порядке, причем в этом случае нельзя остана­ вливаться перед затратами на одновременную подготовку и оборудование боль­ шого числа выемочных участков и на решение проблем, связанных с транс­ портом и вентиляцией, если желательно, чтобы такая отработка прошла

успешно.

Для расчета деформаций шахтного ствола важно хорошо знать развитие

воздействия горных работ во времени, пространстве и по величине. При этом не следует опасаться нарастания воздействий на участках шахтного ствола, при которых произошел сдвиг окружающих пород по крепи над очистной выработкой и в верхней части породного массива, — это обстоятельство может быть важным для планирования отработки внешних и внутренних выемочных участков, действующих на ствол с тюбинговой крепью (см. рис. 56). Для раз­ бивки охранной зоны на участки, обусловленной тектоникой и расположением пригодных для выемки частей пласта, требуется в каждом конкретном слу­ чае индивидуальной подход к составлению плана горных работ и тщательное взвешивание принимаемых решений с точки зрения науки о сдвижениях гор­ ных пород, а также технологии горных работ и необходимых затрат.

Другим горнотехническим мероприятием для защиты шахтной крепи является применение выемки с закладкой выработанного пространства. При использовании закладки, возможность применения которой следует рассмо­ треть хотя бы для внутренней части предохранительного целика, оседание кровли в 2 раза меньше, чем над участками, отработанными с обрушением кровли, примем в такой же пропорции уменьшаются вертикальные деформа­ ции растяжения и сжатия пород, а также деформации цилиндра шахтной крепи в направлении оси ствола. Из рис. 65? на котором кривыми 1 и 2 пока­ зано распределение вертикальных деформаций сжатия и растяжения при выемке с обрушением, а кривыми 1 а и 2а — при выемке с полной закладкой,

Рис. 65.

Деформации горных пород н шахтной крепи при отработке околоствольного целика с обру­ шением кровли пли с закладкой выработанного пространства:

7, 77 — разработка соответственно с обрушением кровли и закладкой выработанного пространства; III горизонт разрабатываемого пласта; сплошная и пггрихпунктирная линии — кривые деформации соответ­ ственно массива и шахтной крепи

Рис. 66.

Деформации вмещающих горных пород и шахтной крепи при наличии центральной зоны (невынутого угля или плотной закладки) и без нее:

7 — центральная зона; II — при отсутствии центральной зоны; сплошная и штрихпунктирная линии — кривые деформации соответственно массива горных пород и шахтной крепи

видно, что деформации снижаются примерно в 2 раза. Таким образом, закладка является весьма действенным средством защиты шахтной крепи от чрезмерных продольных деформаций.

Над выработанным пространством разгрузка нижних слоев горных пород происходит в значительно большей степени, чем верхних. Слои пород кровли на высоту до 200 м над выработкой могут отделяться от остального массива и с значительной скоростью и искривлением опускаться, разрушая нижнюю часть шахтного ствола в начальной стадии отработки центральной части пред­ охранительного целика. Чтобы ограничить развитие этих вертикальных де­ формаций растяжения в породах основной кровли, было предложено оста­ влять вокруг шахтного ствола неотработанной или заполненной очень плот­ ной закладкой внутреннюю центральную зону. Из рис. 66 можно видеть, что наличие внутренней центральной зоны хотя и снижает деформации растяжения в слоях горных пород основной кровли, но на деформациях шахтной крепи оно сказывается в меньшей степени, поскольку здесь (при условии достаточной прочности крепи на растяжение) имеет место скольжение пород по крепи. При наличии в крепи разделительного шва нарастание деформаций крепи

по новой теории идет от горизонта выработки под углом аи, причем не имеет значения, снижаются ли вертикальные деформации растяжения пород над внутренней центральной зоной до нуля или же вплотную к зоне обрушения приобретают максимальное значение. Таким образом, оказывается, что неот­ работанная внутренняя центральная зона уменьшает максимальные дефор­ мации растяжения шахтной крепи (см. рис. 66) лишь в незначительной сте­ пени (на участке между точками 1 и 1а). В верхней части шахтного ствола, закрепленной тюбинговой крепью, наличие неотработанной внутренней цен­ тральной зоны также не дает сколько-нибудь заметного снижения вертикаль­ ных деформаций растяжения, если ее диаметр не увеличить до нескольких сотен метров. Более того, наличие неотработанной внутренней центральной зоны, являющейся своего рода оставленным целиком, может быть даже вред­ ным, если околоствольный двор находится в пределах возникающей вблизи таких целиков области повышенного давления. Однако она все же способ­ ствует более длительному сохранению устойчивости нарушенной в деформа­ ционных швах шахтной крепи в зоне пород основной кровли, лежащих на це­ лике или закладке внутренней центральной зоны.

5.3 Защита шахтной крепи от повреждений,

вызываемых сдвижениями горных пород

Опыт показывает, что при ведении очистных работ вблизи шахтных стволов особенно серьезные повреждения крепи имеют место в местах пересечения стволом угольных пластов или других сравнительно слабых породных слоев,

атакже вдоль геологических нарушений и вблизи околоствольных дворов

[92].На других участках шахтного ствола, где вертикальные деформации

растяжения обычно не превышают 3 мм/м, а деформации сжатия составляют 1 мм/м, повреждения крепи, как правило, не представляют опасности для нормального функционирования ствола. Слои глинистых пород, угольные пласты и закладка, подвергающиеся сжимающим нагрузкам в зоне опорного давления, выдавливаются в направлении, параллельном напластованию, в сторону шахтного ствола и оказывают на шахтную крепь радиальное давле­ ние, которое может вдавить крепь внутрь ствола и разрушить ее в отдельных местах. Такие повреждения крепи, так же как и обусловленные воздействием колебаний температуры смещения в стыках тюбинговой крепи шахтного ствола, часто ошибочно относят за счет влияния сдвижений горных пород в направле­ нии оси ствола, вызванных подработкой. По плоскостям тектонических на­ рушений в пределах области влияния очистных работ блоки горных пород основной кровли смещаются вниз, что также может привести к деформациям среза шахтной крепи. Чтобы избежать чрезмерных относительных смещений блоков горных пород, очистные работы в границах предохранительного це­ лика необходимо вести одновременно с обеих сторон линии тектонического нарушения внутрь выемочного участка. Что касается околоствольных дворов, то они являются наиболее слабым участком шахтного ствола. От горизонталь­ ного давления выдавливающихся слабых слоев горных пород защитой может

служить кольцеобразная з о л ь н а я п о д у ш к а между шахтной крепью и вырубленным на глубину 2—3 м породным слоем, воспринимающая дефор­ мации этого слоя в направлении, параллельном напластованию. В местах пересечения шахтным стволом тектонических нарушений, где неизбежно доявление трещин в шахтной крепи, можно предотвратить возможный прорыв воды при помощи дополнительного укрепления крепи по внешнему кольйУДля восприятия продольных сжимающих усилий, действующих на окоДОствольный двор, могут быть применены деревянные или пластмассовые п р о ­ к л а д к и , придающие шахтной крепи над околоствольным двором подат­ ливость. Предохранить околоствольный двор от воздействия горизонтального горного давления можно при помощи устройства открытого деформационного

ваемые также и на промежуточных участках шахтной крепи между руднич­ ными дворами отдельных горизонтов, служат для придания крепи необхо­ димой податливости в случае возникновения вертикальных деформаций сжатия. Достигаемое этим снижение продольных сжимающих усилий в шахт­ ной крепи зависит от толщины прокладок, интервалов, (по глубине) между горизонтами их установки и модуля упругости их материала. Еще более эффек­ тивны открытые горизонтальные швы (зазоры) в крепи на участках, где она связана с массивом горных пород, способствующие укорочению отрезка, на ко­ тором происходит передача сил трения, действующих на эти участки шахтной крепи (рис. 67, б). Открытый зазор разрывает отрезок, на котором действуют силы трения, и тем самым препятствует их суммированию. При этом нара­ стание деформаций крепи происходит от каждого шва заново, в обе стороны (вверх и вниз) и в середине каждого участка ствола деформации остается меньше деформаций горных пород на этом участке. Однако возможность при­ менения открытых швов в шахтной крепи ограничивается только случаями необводненного породного массива. Ширина этих зазоров должна быть равна разности оседаний Avz точек массива горных пород а и Ъв середине данного участка шахтного ствола, уменьшенной на величину вертикальной деформации сжатия в примыкающих к шву отрезках ствола (заштрихованные площади 2А 2 или А 2 + А з на рис. 67). В графическом построении ширине зазора в крегш, на который при подработке могут сместиться по вертикали навстречу друг другу участки ствола, отвечает заключенная между эпюрами деформаций шахтной крепи и массива горных пород площадь А г между точками а и Ь.

Если же в крепи шахтного ствола возникают вертикальные деформации, растяжения, применение в зоне коренных пород специальных картонных прокладок для предотвращения повреждений шахтной крепи менее эффективно, чем применение устройства открытых деформационных швов (рис. 67, #). При креплении шахтных стволов кирпичной кладкой, швы которой, запол­ ненные цементным раствором, имеют очень низкую прочность на растяженцо, нарастание деформаций крепи в зоне коренных пород происходит круто, под углом <х2, так что деформации растяжения на участке ствола между двумя специальными картонными прокладками возрастают до деформаций растяж^