Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

/

2

J

Рис. 7 Разрывные деформации нижних слоев пород кровли при разработке пластов лавами:

J — трещина усадки; 2 — основная кровля; 3 — слои пород непосредственной кровли

нагрузкам в связи с подвиганием фронта очистных работ, часто начинают через определенные расстояния возникать трещины (трещины оседания) и отделя­ ющиеся породные блоки создают мгновенное увеличение нагрузки (периодиче­ ское горное давление). При этом стойки крепи, стоящие перед линией обруше­ ния, будут нести нагрузку от веса породных блоков, высота которых значи­ тельно превышает высоту блоков, поддерживаемых при выемке с закладкой (рис. 7).

При разработке горизонтально залегающих пластов в настоящее время преобладают системы выемки с обрушением кровли, при разработке же на­ клонных и крутых пластов обычно предпочитают системы с закладкой вырабо­ танного пространства — чаще всего применяется так называемая самотечная закладка на диагональный откос закладочного материала или закладка по­ родой, доставляемой по трубам. Заполнение закладочным материалом про­ изводится не сразу по всей длине забоя, а по отдельным участкам, причем порода в выработанном пространстве не слишком расслаивается по крупности частиц. Благодаря неизбежному при закладочных работах разрыхлению степень заполнения закладкой при крутом падении выше, чем при горизонтальном или пологом. Кроме того, при крутом падении не образуются пустоты между закладкой и кровлей и в толще закладки. Однако в крутопадающей выработке плотность закладки под действием' ее собственного веса возрастает только в верхней части поля шириной до 20 м, непосредственно под вентиляционным штреком; в средней и нижней частях поля она остается неизменной, поскольку здесь большая часть нагрузки от закладки передается за счет трения породам висячего и лежачего бока (силосный эффект). Кроме сопротивления закладки деформированию на величину конвергенции оказывает влияние также соста­ вляющая горного давления по нормали к напластованию, которая в условиях

крутого падения уменьшается в зависимости от угла падения пласта а и при­ ближенно по теории упругости составляет

и т — коэффициент бокового расширения для пород угленосной толщи, рав­ ный приблизительно 5 (т = 1/р,, где \i — коэффициент Пуассона).

Исходя из того, что при горизонтальном залегании пласта для глубины 800 м общая конвергенция закладки составляет около 50% М, можно считать, что при наклонном и крутом залегании пласта (для той же глубины разработки) суммарная конвергенция в зоне опорного давления и в призабойном простран­ стве, при горизонтальном залегании равная 20% Af, уменьшится и для углов падения а = 27, 36, 45° и более составит соответственно 15,10 и 5% вынимаемой мощности. Зазор между закладкой и кровлей, составляющий при а = О 15% высоты закладки, для указанных углов падения уменьшится соответственно до 10, 5 и 0%, а уплотнение закладки от давления пород кровли, равное при а = 0 14% высоты закладки, уменьшится до 12, 8 и 6%. Если при этом еще учесть изменение нормальной к напластованию составляющей горного давле­ ния [формулы (5) и (6)] и вычислить конвергенцию по формуле (4), то полу­ чатся данные, приведенные в табл. 2 [210].

Из этого следует, что при разработке пластов наклонного и крутого за­ легания с закладкой слои пород кровли должны прогибаться в значительно меньшей степени, чем при горизонтальном залегании.

Если построить обобщенный график распределения вертикальной соста­ вляющей смещений пород кровли на всем протяжении от зоны опорного давле­ ния до выработанного пространства, то получим S-образную кривую, вы­ пуклую над зоной опорного давления, почти прямолинейную над призабойным пространством и вогнутую над закладкой (см. рис. 5). Примерно так же вы­ глядит кривая оседания пород основной кровли при выемке с обрушением (см. рис. 7), однако над выработанным пространством породы оседают на боль­ шую величину, чем при выемке с закладкой — округленно на 0,9 м. К сожа­ лению, подобного рода точные наблюдения за процессом сдвижения в кровле разрабатываемого пласта или непосредственно над ним в слоях пород основной кровли, несмотря на их большое значение для изучения закономерностей сдвижения горных пород, производятся крайне редко, так как после погаше­ ния штрека, пройденного в середине лавы, доступ к выработанному простран­ ству чаще всего оказывается невозможным и для установки дистанционных датчиков взамен утраченных необходимы дополнительные затраты на прове­ дение специальных выработок. При разработке с обрушением кровли это

затрудняется еще и тем, что оседание нижних слоев основной кроЕли может быть измерено только в выработке, пройденной вплотную над обрушенным простран­ ством, а если даже такая выработка имеется, то она, как правило, оказывается заваленной при подработке. Поэтому измерения над очистной выработкой, проводимой с обрушением кровли, начинаются не ближе чем в 50 м и более по нормали к напластованию, т. е. уже за пределами непосредственной кровли. Кроме того, вокруг выработки создается зона нарушенных пород (так назы­ ваемая зона Тромпетера), и наблюдательные точки должны находиться за ее пределами, чтобы на них не отразилось влияние сдвижения в этой зоне. Обычно размер нарушенной зоны составляет не менее 7 м, и поэтому наблюдательные точки должны закрепляться при помощи глубинных реперов (например, в видепружинных колец) в достаточно глубоких скважинах, а наблюдения за их смещениями должны производиться при помощи теодолита. В скважинах, пробуренных отвесно вверх, вертикальные и горизонтальные смещения можно измерять по перемещениям груза, подвешенного к закрепленному в скважинереперу.

Для обрушенного материала, состоящего из крупных глыб породы, упав­ ших с высоты от 2 до 6 м при обрушении непосредственной кровли, нет данных о зависимости конвергенции от давления, однако можно априорно утверждать, что несущая способность такого обрушенного материала при начавшемся оседании породных слоев основной кровли должна быть значительно меньше, чем при полной закладке. В середине выемочного поля, где первоначальной горное давление от веса пород покрывающей толщи полностью восстанавли­ вается и породы основной кровли оседают на величину, равную 90—95% вы­ нимаемой мощности пласта, остаточное разрыхление обрушенных пород в на­

правлении перпендикулярно к напластованию не превышает нескольких процентов.

Из известных наблюдений [137], усредненные результаты которых по­ ложены в основу приведенных на рис. 8 кривых оседания слоев пород основной кровли, можно видеть, насколько различным может быть характер кривых оседания непосредственной кровли при выемке с закладкой или оседания

Ч ^

Скорость корВергенции, м/сут

Рис. 8.

Кривые прогиба непосредственной кровли при разработке с закладкой выработанного про­ странства (а) и основной кровли при разработке с обрушением кровли (б); а — кривая изме­ нения скорости конвергенции в очистной выработке:

7 — зона опорного давления; II — выработанное пространство, заполненное закладкой; сплошная линия — песчаник; пунктирная линия — глинистый сланец

основной кровли при выемке с обрушением в зависимости от того, сложены ли слои этих пород крепким песчаником или слабым глинистым сланцем, а также от того, находится ли процесс сдвижения в конечной или в промежуточной стадии развития. При кровле, сложенной песчаником (кривая а), процесс сдви­ жения в конечной стадии распространяется на расстояние до 100 м впереди забоя, а полное уплотнение закладки происходит примерно на таком же расстоянии