Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

зависит в основном от глубины разработки и изгибной жесткости слоев пород кровли.

В соответствии с формулой (2) воспринимаемое слоями пород непосред­ ственной или основной кровли давление от веса пород покрывающей толщи зависит от глубины работ. Чем больше глубина горных работ, тем больше горное давление в зоне впереди забоя и на закладку и тем больше соответ­ ственно прогибаются породные слои кровли.

Обладающая большой изгибной жесткостью кровля, мало прогибающаяся под действием нагрузки от подработанной части массива горных пород, обра­ зует широкую зону опорного давления. Кровля, сложенная породами малой прочности, в большей степени прогибается под действием горного давления и почти полностью передает нагрузку на основание, т. е. на почву пласта. Для изгибной жесткости N слоя горных пород определяющими являются

где / — момент инерции площади сечения слоя.

Наличие в породе трещин снижает изгибную жесткость породного слоя. На величину конвергенции влияют свойства основания, на которое опи­

рается кровля.

Малая податливость основания препятствует прогибу слоев кровли и пере­ распределению горного давления. При наличии жесткой, быстро восприни­ мающей нагрузку закладки можно избежать возникновения высокого опор­ ного давления впереди очистного забоя. Сопротивление крепи, и в особенно­ сти так называемое «запаздывание» крепления, оказывает влияние на конвер­ генцию в призабойном пространстве. Горизонтальный распор породных бло­ ков непосредственной кровли ослабевает, если поддерживающие кровлю верх­ ние секции механизированной шагающей крепи отстают от очистного забоя на расстояние более 25 см. Если кровля в призабойном пространстве не была •своевременно поддержана установкой крепи, породные блоки непосредствен­ ной кровли могут смещаться вниз по поверхностям трещин.

О несущей способности закладки или обрушенного материала можно судить по пористости используемой для этого породы и по ее прочности на сжатие: пористость закладочного материала уменьшается с уменьшением размера слагающих этот материал частиц. Применение в качестве закладочного мате­ риала крепких пород повышает сопротивляемость закладки деформированию.

Процесс сдвижения зависит от мощности разрабатываемого пласта и от вы­ соты слоя закладки. Прогибающиеся слои пород кровли обжимают угольный пласт и закладку и тем самым увеличивают поддерживающие силы основания, возрастающие по мере увеличения прогиба кровли, подобно тому, как воз­ растает сопротивление спиральной пружины с увеличением действующего на нее сжимающего усилия. Чем больше мощность пласта или высота слоя закладки, тем больше должны прогнуться слои кровли, прежде чем основание

уплотнится настолько, чтобы быть способным поддержать их. Так, например, при давлении на закладку, равном 500 Н/см2, слои кровли при высоте закладки 2 м должны опуститься на 100 см, а при высоте закладки 1 м — только на 50 см, чтобы достичь конвергенции закладки, составляющей 50% ее мощности (см. рис. 6).

Таким образом, слои кровли прогибаются тем больше, чем больше высота очистной выработки или мощность разрабатываемого пласта.

Ширина предзабойного пространства и размеры выемочного участка влияют на процесс сдвижения. Чем больше ширина выработанного простран­ ства (и в том числе призабойного пространства), тем больше прогиб кровли. Эту зависимость можно сравнить с закономерностью прогиба упругой балки — величина прогиба в середине балки пропорциональна третьей степени длины ее свободного пролета Z, т. е.

Процесс сдвижения зависит также от скорости подвигания очистных работ и от продолжительности работ по выемке угля, в течение 1 сут. Слои кровли могут опускаться лишь до тех пор, пока поддерживающее их основание (пласт, забойная крепь или закладка) способно проявлять податливость. Этот процесс осадки основания зависит от времени, поскольку осадка про­ исходит не сразу после приложения нагрузки, а постепенно, после того как будет перейден предел прочности или преодолено сопротивление трения. Такое замедление процесса конвергенции приводит к тому, что породы кровли впе­ реди и позади быстро продвигающегося очистного забоя могут опускаться весьма медленно, причем, чем быстрее движется фронт очистных работ, тем более пологой получается линия прогиба слоев кровли. Подобным же образом влияет на процесс оседания кровли продолжительность выемочных работ.

и сжатие угольного пласта. В результате за это время слои кровли успевают опуститься на большую величину и приобрести больший наклон в сторону

апрогиб слоев кровли происходит несколько медленнее. Значительного пу­ чения пород почвы можно ожидать на больших глубинах в зонах разгрузки,

атакже в случаях, когда слои почвы сложены породами, склонными к набу­ ханию и к деформациям упругого восстановления.

При работах с полным обрушением кровли величина конвергенции суще­ ственно зависит от склонности пород непосредственной кровли к хрупкому

разрушению. Конвергенция в зоне опорного давления в призабойном простран­ стве может достигать значительных величин, если обрушение непосредственной кровли происходит без задержки, сразу же за подвигающимся забоем. Свежеобрушенный материал сначала мало сопротивляется нагружению, так что слои основной кровли более сильно поддерживаются краевой зоной пласта. Однако с увеличением расстояния, при котором происходит консольное зави­ сание непосредственной кровли в выработанном пространстве (до 5 м и более), породы кровли сжимают угольный пласт и под действием нагрузки от веса пород покрывающей толщи зависшая кровля прогибается подобно балке, зажатой одним концом в зоне опорного давления, причем прогиб возрастает пропорционально третьей степени длины консоли. Отставание закладки способ­ ствует пучению почвы в выработанном пространстве.

Профиль оседающих слоев кровли над остановленным забоем тем скорее

с влиянием других горномеханических и геометрических факторов достаточно сложна.

Насколько различным может быть ход процесса оседания кровли, можно видеть из результатов измерений мощности закладки в штреках, которые -были заново пройдены по выработанному пространству через несколько лет после прекращения очистных работ [390]. Из рис. 9—11 можно видеть, что фактическое оседание слоев кровли вследствие влияния различных местных факторов может сильно отличаться от идеальной S-образной кривой, пока­ занной на рис. 12. У движущегося очистного забоя (см. рис. 9) кривая оседа­ ния кровли идет в виде очень пологой кривой до точки, находящейся в 64 м позади забоя. После остановки забоя происходит заметное оседание кровли примерно на 20 см. Иначе ведет себя кровля у неподвижного забоя (см. рис. 10),

на нее полную нагрузку от веса пород покрывающей толщи. Произведенное впоследствии измерение в середине выемочного поля показало дополнитель­ ное оседание только на небольшую величину — от 4 до 14 см. Таким образом, кривая опускания кровли со стороны неподвижного забоя несимметрична кривой у движущегося забоя. В конечной стадии процесса сдвижения оседание

половины , кривая оседания кровли образует как бы п орог вы сотой более 30 см, что соответствует примерно 30% максимального оседания. Смещение м акси ­ мума оседания кровли к краевой зоне очистной вы работки, наблю даю щ ееся в пределах участка, отработанного в 1940 г ., связан о, по-видимоМУ, с падением

Рис. 9.

Конвергенция в очистной выработке у движущегося (добычного) забоя по данным натурных наблюдений [390]:

Рис. 10.

П а д е н и й Г” зВ9 о Г СТИОЙ выработке у неподвижного (исходного) забоя по данным натурных

Рис. 12.

Прогиб упругой балки ш, заделан­ ной по обоим концам, при разных нагрузках

пласта, а в пределах участка, отработанного в 1942 г., — с изменением спо­ соба закладки. Увеличение оседания кровли в нижней половине участка при­ мерно на 5% М при наклонном или крутом падении пласта показали также результаты экспериментов на моделях [210]. Увеличение нормальной к на­ пластованию составляющей горного давления в направлении падения пласта смещает точку наибольшего прогиба, абсцисса которой при горизонтальном

ные или синклинальные складки в поле очистных работ, также оказывает влияние на конвергенцию — места наименьших оседаний кровли совпадают с осями синклинальных складок (рис. 13), а оси антиклинальных складок проходят между точками максимальных и минимальных оседаний кровли [136].

Выполненные в подземных условиях измерения конвергенции не позволили установить отчетливую взаимосвязь между величиной оседания кровли в сере­ дине выемочного участка и скоростью подвигания очистных работ или свой­ ствами вмешающих угольный пласт пород. При ручной закладке выработан­ ного пространства отмечалось увеличение значения максимального оседания кровли в конечной стадии процесса сдвижения на 3,6% при увеличении глу­ бины разработки от 400 до 800 м и на 5,6% при изменении ширины выемочного участка от 150 до 300 м, однако при других способах закладки о такой зави­ симости можно говорить лишь предположительно. Максимальное оседание кровли в середине выемочного участка при глубине разработки 750 м соста­ вляет приблизительно 50%М при пневматической закладке выработанного пространства и 95%М при выемке с обрушением кровли [390].

При разработке с о л я н ы х м е с т о р о ж д е н и й камерной системой при величине выемочного участка 300 X 400 м породы кровли начинают осе­ дать. как целая плита. Ранее считалось, что над выемочным участком в этом случае образуется поддерживающий породы налегающей толщи свод давления', опирающийся на внешние целики или на нетронутую часть соляного пласта

иразгружающий внутренние целики, однако позднейшими исследованиями

[77]это предположение не подтвердилось. Образование отдельных сводов давления, воспринимающих часть нагрузки от веса покрывающей толщи,

наблюдается лишь в начальной стадии очистных работ. Фактически целики в середине выемочного поля, обладающие небольшой площадью сечения в плане