Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ проявлений пучения в горных выработках шахт и опыта борьбы с ним (изученность вопроса) 10
1.1 Факторы, определяющие пучения, классификационные признаки 10
1.2 Изученность вопроса 12
1.3 Опыт борьбы с пучением пород 22
Глава 2 Исследования проявлений пучения в горных выработках шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» 34
2.1 Анализ горно-геологических условий в выработках с явно выраженными проявлениями пучения 34
2.1.1 Шахта им. СМ. Кирова 35
2.1.2 Шахта им. А. Д. Рубана 38
2.1.3 Шахта «Талдинская-Западная-2» 43
2.1.4 Шахта № 7 44
2.2 Исследования характера проявлений пучения в горных выработках шахт им. А.Д. Рубана, им. СМ. Кирова, «Талдинская-Западная-2» 46
2.2.1 Методика исследований 46
2.2.2 Исследования в условиях шахты им. А.Д. Рубана 47
2.2.3 Исследования в условиях шахты им. СМ. Кирова 52
2.2.4 Исследования в условиях шахты «Талдинская-Западная-2» 56
Выводы по главе 2 66
Глава 3 Исследования на моделях эквивалентных материалов эффективности способов борьбы с пучением путём изменения формы поперечного сечения выработок и создания разгрузочных щелей в боках выработки
3.1 Методика исследования 69
3.2 Результаты исследований 74
3.3 Исследование влияния параметров разгрузочных скважин в боках выработок на величину пучения почвы 80
Выводы по главе 3 82
Глава 4 Оценка напряжённо-деформированного состояния массива горных пород и обоснование механизма пучения 84
4.1 Механизм пучения 84
Выводы по главе 4 88
Глава 5 Разработка методики и рекомендаций по применению предлагаемых способов борьбы с пучением почвы в горных выработках шахт ОАО «СУЭК Кузбасс» 90
5.1 Методика борьбы с пучением пород почвы в горных выработках 91
5.2 Рекомендации по шахте им. СМ. Кирова 92
5.3 Рекомендации по шахте «Талдинская-Западная-2» 96
Выводы по главе 5 99
Заключение 100
Список литературы
- Изученность вопроса
- Шахта им. А. Д. Рубана
- Исследования в условиях шахты «Талдинская-Западная-2»
- Исследование влияния параметров разгрузочных скважин в боках выработок на величину пучения почвы
Введение к работе
Актуальность работы. За последнее десятилетие в угольной промышленности России произошли значительные изменения. Резко увеличилась нагрузка на очистные забои, лавы с суточной добычей 5-10 тыс. т и более стали обычным явлением. С увеличением скорости отработки запасов отмечаются более высокие темпы роста глубины работ, увеличиваются негативные проявления горного давления. В этих условиях одним из факторов, чрезвычайно осложняющих ведение горных работ, является пучение пород почвы в горных выработках. Борьба с пучением пород требует значительных затрат времени, материальных и трудовых ресурсов. Как правило, борьба с пучением пород почвы сводится к ликвидации его последствий, а не к профилактике; при этом основным видом борьбы с пучением до сих пор является поддирка почвы, укрепление её на обработанных участках установкой усиливающей крепи или упрочнением породного массива путём установки в почву анкеров, применения укрепляющих растворов и т.п.
В настоящее время в технической литературе имеется большое количество публикаций, посвящённых этой проблеме. Исследование процесса пучения и разработка мер и способов борьбы с ним получило развитие в работах таких учёных, как: В.И. Барановский, М.И. Весков, В.М. Городничев, А.В. Гурдус, С.М. Липкович, Е.А. Мельников, В.А. Лыткин, А.П. Максимов, И.Л. Черняк, А.П. Господариков, К.А. Ардашев, В.П. Зубов, Ю.В. Заславский, В.Т. Глушко, Ю.И. Бурчаков и др.
Трудами этих учёных раскрыт механизм пучения, выявлены и определены основные факторы, вызывающие пучение, обоснованы и предложены способы борьбы с пучением для различных глубин ведения горных работ и типов вмещающих пород.
При этом установлено, что наибольший эффект в борьбе с пучением достигается путём разгрузки приконтурного массива от высоких напряжений.
В качестве известных способов разгрузки рекомендуются следующие: проведение компенсационных выработок, взрывание пород почвы, сооружение в почве выработки разгрузочных щелей,
бурение в угольном массиве скважин и т.п.
Надо отметить, что все эти способы достаточно трудоёмки и часто неэффективны. В силу большого разнообразия условий и причин возникновения пучения практически невозможно создание какого-то универсального способа борьбы с этим явлением. В первую очередь, необходимо установить характер и причину пучения, определить прогнозную его величину, а затем выбирать способы и меры борьбы с ним, которые будут наиболее эффективны. Данная работа посвящена изучению новых способов борьбы с пучением путём разгрузки приконтурного массива. При этом предполагается, что эти способы будут направлены на устранение причин пучения, а не на ликвидацию его последствий; осуществление их предполагается проводить непосредственно в процессе сооружения выработок.
Цель работы – геомеханическое обоснование и разработка способов борьбы с пучением почвы в подготовительных выработках угольных шахт.
Идея работы заключается в том, чтобы путём разгрузки приконтурного массива с помощью разгрузочных щелей, выполненных в боках выработки, и использования предлагаемой формы поперечного сечения выработки переместить максимум опорного давления от контура выработки вглубь массива на расстояния, установленные в результате исследований.
Задачи исследований:
-
Выполнить анализ горно-геологических условий прочностных и деформационных характеристик угля и вмещающих пород, склонных к пучению в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
-
Исследовать механизм проявления пучения почвы в горных выработках шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
-
Исследовать на моделях из эквивалентных материалов эффективность способов борьбы с пучением путём применения формы поперечного сечения выработок в виде перевёрнутой трапеции и создания разгрузочных щелей в боках выработок.
-
Разработать методику и рекомендации по применению предлагаемых способов борьбы с пучением пород почвы в горных выработках на примере конкретных шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Методы исследований:
При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных, фондовых и патентных источниках, посвящённых рассматриваемым вопросам: физическое моделирование на моделях из эквивалентных материалов, натурные эксперименты в шахтных условиях, статистическая и аналитическая обработка полученных результатов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Уменьшение пучения почвы в выработках достигается путём образования в боках вблизи контура выработок зон пониженных напряжений шириной (1,2^1,6)/2ртах №ртах - расстояние от контура выработок до максимума опорного давления).
-
Уменьшение пучения почвы горных выработок в породах средней прочности (/= 40-60 МПа) достигается путём изменения формы сечения выработок с прямоугольной на форму в виде перевёрнутой трапеции, при этом длины верхнего и нижнего основания находятся в отношении 2:1, а угол наклона боков - 65-70.
-
Разгрузку пород почвы от напряжений достигают путем прорезания в боках выработки разгрузочных щелей, при этом уменьшение прогнозной величины пучения (h) определяется соотношением длины щели (/) к ширине выработки (В) по установленной зависимости.
Научная новизна работы:
-
Установлено, что в результате увеличения напряжённо-деформационного состояния вблизи контура выработки в породах (f = 40-60 МПа) почвы происходит разрушение слоистых осадочных пород сначала в форме их расслоения, затем - в форме разлома слоёв с образованием трёхшарнирных арок и далее - разрушение в форме сдвига с выдавливанием и складкообразованием разрушенных слоёв. При этом вертикальная высота пучения почвы в массиве на глубине 800-900 м и в зоне опорного давления на глубине 400-500 м может достигать 1,5-1,7 м.
-
Установлена возможность изменения напряжённо-деформированного состояния породного массива в окрестности выработки за счёт изменения формы сечения выработки с прямоуголь-
ной на форму перевёрнутой трапеции, в результате чего максимум
опорного давления перемещается вглубь массива дальше на 1,9-
2,2 м; при этом усилия бокового распора уН становится недоста
точным для сдвига и выдавливания слоёв почвы в выработку.
3. Установлено, что интенсивность и величина пучения почвы зависят от соотношения глубины разгрузочных щелей в боках выработки и ширины выработки. Получена закономерность уменьшения прогнозной величины пучения почвы в зависимости от соотношения глубины разгрузочной щели и ширины выработки, при этом с увеличением этого соотношения от 0,4 до 1,0 прогнозная величина пучения уменьшается в 3,6 раза.
Научное значение работы состоит в экспериментальном и теоретическом обосновании способов борьбы с пучением подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ на угольных шахтах.
Обоснованность и достоверность научных положений
подтверждается представленным объёмом исследований, выполненных в натурных условиях на шахтах в условиях ОАО «СУЭК-Кузбасс» и лабораторных условиях на моделях из эквивалентных материалов (было отработано 6 моделей), хорошей сходимостью расчётных и фактических параметров зон разгрузки, аналитическими исследованиями.
Практическое значение работы заключается в:
разработке рекомендаций по способам и параметрам уменьшения пучения пород почвы в выработках за счёт изменения напряжённо-деформированного состояния породного массива для конкретных условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс: им. А.Д. Рубана, им. СМ. Кирова, «Талдинская-Западная-2»»;
разработке методики определения прогнозной величины уменьшения пучения почвы в выработках при её разгрузке от горного давления с помощью изменения формы поперечного сечения и щелей, выполненных в боках выработок;
разработке методики определения параметров анкерной крепи для укрепления пород почвы, склонных к пучению.
Реализация работы. Результаты работы будут использованы при внедрении рекомендаций на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»:
им. А.Д. Рубана, им. СМ. Кирова, «Талдинская-Западная-2», в проектных и конструкторских организациях при проектировании горных работ, а также при составлении нормативно-методических документов, регламентирующих мероприятия по борьбе с пучением пород почвы в горных выработках.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на конференции «Неделя горняка» (Москва, 2015 г.), VII Международной научной конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2015 г.), на технических совещаниях компании ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2012-2015 гг.).
Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методики исследований в натурных и лабораторных условиях, обработке материалов экспериментов и получении научных результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатных работы, все - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из общей характеристики работы, пяти глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 44 рисунка, список литературы из 80 наименований.
Изученность вопроса
При разработке угольных месторождений довольно часто встречаются деформации вмещающих выработки пород в виде выдавливания их внутрь выработки – пучение. Обычно пучение наиболее интенсивно проявляется со стороны почвы угольного пласта в подготовительных выработках.
Многочисленные наблюдения в горных выработках показали [1-18], что интенсивность и абсолютная величина перемещений при пучении связаны с большим количеством горно-геологических и производственных факторов. Приведём наиболее значимые из них:
1. Влияние типов пород. Пучение происходит в выработках, пройденных в глинах, глинистых, песчано-глинистых и песчанистых сланцах. Пучение песчаников наблюдается редко, а известняки вообще не подвержены этому явлению. Пучение происходит только при наличии в пределах контура выработки пород с резко различными механическими свойствами. Наиболее часто пучение наблюдается в почве выработок, пройденных по пласту.
2. Влияние воды. Обводнённость горных выработок в значительной степени влияет на интенсивность пучения почвы. Плотные глины и глинистые сланцы при полном водонасыщении снижают свою прочность в 2-10 раз.
3. Влияние глубины разработки. С глубиной увеличивается интенсивность пучения горных пород, причём эта закономерность особенно чётко прослеживается на относительно больших глубинах разработки. Установлено, что с глубины 1000 м зависимость между глубиной и пучением линейная. Для вмещающих пород каждого шахтопласта существует предельная критическая глубина, с которой начинает проявляться пучение пород.
4. Влияние мощности пучащего слоя. Основываясь на имеющихся наблюдениях можно полагать, что мощность породного пучащего слоя соизмерима с шириной выработки, в которой происходит пучение. Отдельными наблюдениями установлено, что породные слои почвы, захваченные пучением, простираются на глубину 2-5 м. Чем мощнее слои слабых пород, тем интенсивнее процесс пучения.
5. Влияние очистных работ. В подготовительных выработках, находящихся в зоне влияния очистных работ, по мере приближения лавы к наблюдаемому участку рост интенсивности пучения отмечается до определённого максимума. По мере отхода лавы от наблюдаемого участка интенсивность пучения постепенно уменьшается, асимптотически приближаясь к некоторой постоянной величине. В одиночных выработках интенсивность пучения во времени носит, как правило, монотонный характер и интенсивность пучения затухает со временем.
6. Влияние способов охраны подготовительных выработок. По отдельным наблюдениям установлено, что размеры оставленных целиков угля существенно влияют на величину пучения: чем меньше целик, тем выше интенсивность пучения пород. Опыт показывает, что охрана подготовительных выработок породными полосами снижает интенсивность пучения, но длительность этого периода составляет всего 1-3 месяца.
7. Влияние ширины выработки. Натурными наблюдениями установлено, что увеличение ширины выработки снижает интенсивность пучения. Эта закономерность широко используется при проведении выработок широким ходом с односторонней или двухсторонней раскоской.
Классификационные критерии пучения основаны на показателях величины или интенсивности его проявления. Качественное разделение этих показателей затруднено, так как максимум одних условий может быть таковым и для других и т.п. Поэтому на практике оценка пучения производится такими категориями, как «среднее», «сильное», «слабое», т.е. достаточно субъективно. В то же время многофакторность этого явления не позволяет классифицировать его для реальных условий более определенно. 1.2 Изученность вопроса
Вопросам пучения горных пород посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных учёных. Во многих случаях эти исследования касаются качественной стороны процесса пучения пород. В отдельных публикациях представлены попытки определения величины давления пучащей породы на крепь выработки на основе некоторых теоретических предпосылок или наблюдений явления пучения в шахтных условиях. Различные авторы по-разному подходят к проблеме пучения: одни представляют пучение как процесс выдавливания в полость выработки пород, перешедших в пластическое состояние; другие – как объёмное расширение пород.
Одной из первых научных работ, в которой приводится большой фактический материал и делается попытка всестороннего объяснения пучения горных пород, была книга А.В. Гурдуса [1]. Он указывает на две возможные причины пучения пород: 1. Пучение является следствием способности некоторых глинистых пород под влиянием увлажнения увеличивать свой объём. 2. Процесс пучения является следствием давления вышележащих пород, и, по мнению автора, оно имеет первостепенное значение. Проблемам набухания горных пород в горных выработках посвящены исследования В.И. Белова [2] и Н.М. Покровского [3].
С.С. Мемисетов [4] высказывается предположение, что пучение почвы в подготовительных выработках является результатом давления вышележащих пород на нижележащие слои почвы, способные в течение более или менее продолжительного времени деформироваться от действия возникающих в них напряжений.
Шахта им. А. Д. Рубана
Шахта «Талдинская-Западная-2» расположена на территории Прокопьев-ского района Кемеровской области, в пределах юго-западного крыла Талдинского месторождения.
В структурном отношении геологический участок Талдинский-Западный приурочен к восточному крылу и призамковой части Караканской синклинали с углами падения пластов до 9-12. Участок недр Талдинский-Западный-2 сложен отложениями верхней части грамотеинской свиты кольчугинской серии еруна-ковской подсерии верхнепермского возраста. Вмещающие породы примерно в равном соотношении представлены песчаниками различной зернистости (42%) и алевролитами (40%), содержание аргиллитов не превышает 2%. Содержание углей равно 16%. Как правило, песчаники слагают кровлю угольных пластов, а алевролиты - почву. По сложности геологического строения участок недр относится к первой группе классификации ГКЗ.
В границы участка входят три угольных пласта и пачки угля: 73-72, 71 и 70. Пласт 72 (отщеплённая пачка пласта 73-72) со средней мощностью 3,1 м приурочен к южной части участка и не принят к шахтной отработке из-за сложных горно-геологических условий. Пласты 71 и 70 распространены на всей площади участка, пласт 71 имеет среднюю мощность 2,03 м и преимущественно простое строение, в пределах участка уголь пласта практически полностью окислен. Запасы по нему утверждены, в основном, как забалансовые.
Пласты угля метаноносные (на горизонте 0 м до 0,5 м3/т с.б.м), склонны к самовозгоранию, угольная пыль взрывоопасная, вмещающие породы селикозо-опасные. Угли энергетические, марки Д. Средняя зольность угля 12,7%, выход летучих веществ от 36 до 38,5%, содержание серы в среднем составляет 0,29-0,34%. Максимальный приток подземных вод составляет до 50 м3/ч, средний 40 м3/ч.
К разработке в настоящее время принят один пласт 70 мощностью 5,04 м, который характеризуется сложным строением - повсеместно отмечаются пород 44 ные прослои в количестве 1-6 мощностью 0,03-0,1 м. Угол падения пласта от 0 до 15. Крепость угля пласта 70 составляет= 1,1. Глубина залегания пласта в пределах горного отвода шахты «Талдинская-Западная-2» от 20 до 550 м в оси Талдинской брахисинклинали. Пласт 70 опасен по взрыву угольной пыли, не опасен по внезапным выбросам угля и газа, весьма склонен к самовозгоранию.
Непосредственная кровля пласта мощностью 5-10 м представлена мелкозернистым алевролитом крепостью/=2-3, слабоустойчивым.
Основная кровля пласта мощностью от 10 до 30 м представлена преимущественно песчаниками крепостью/=4-5, по обрушаемости - среднеобрушаемая.
Почва пласта представлена преимущественно мелкозернистым алевролитом крепостью /=2-3. При увлажнении почва способна к размоканию, склонна к пучению.
Геологическая структура шахтного поля - асимметричная складка - соколовская синклиналь, замыкающаяся в районе 1 Талдинской р.л. и открывающаяся в северо-западном направлении. Ось складки в данном направлении погружается. Углы падения пластов юго-западного крыла изменяются от 50 до 30 на верхних горизонтах. Северо-восточное крыло имеет пологое падение, до гор. +100 м углы падения составляют от 20 до 10. Ниже гор. +100 м угол падения уменьшается до 8-6, а в мульде - до 3. Проводимой детальной разведкой шахтного поля не выявлены тектонические нарушения.
В настоящее время шахта ведет горные работы по пласту 52. Пласт залегает на глубине от 20 до 355 м (по створу фланговых уклонов). Мощность пласта от 2,18 до 5,86 м, средняя 4,67 м; /=1,8; строение пласта сложное (таблица 2.4). Уголь разрабатываемого пласта - энергетический, марки ДГ, склонный к самовозгоранию. Шахта опасна по взрыву угольной пыли, II категория по газообильно 45 сти. С глубины 150 м пласт угрожаем по горным ударам, а с глубины 300 м – опасен по горным ударам.
Ложная кровля, представленная мелкозернистыми трещиноватыми алевролитами или углистыми породами, имеет широкое распространение. Её мощность колеблется от 0,1 до 0,5 м.
Непосредственная кровля сложена мелкозернистыми алевролитами мощностью до 17 м, средней прочности, классифицируется как среднеустойчивая, /=5,1. В районах, где мелкозернистые алевролиты интенсивно трещиноваты, следует ожидать неустойчивую непосредственную кровлю.
В основной кровле залегают алевролиты мелко- и крупнозернистые, а также переслаивание алевролита с песчаником, прогнозируемые как среднеобрушаемые. Когда в основной кровле залегают только песчаники, её следует ожидать трудно-обрушаемой.
В почве пласта залегают углистые алевролиты или точнее переслаивание мелкозернистых и углистых алевролитов с включениями линз угля. Насыщенность углистым материалом падает с удалением от пласта. Мощность переслаивания колеблется от 0,6 до 3,0 м. Почва пласта прогнозируется несклонной к пучению. Однако следует ожидать низкую несущую способность почвы.
Исследования в условиях шахты «Талдинская-Западная-2»
Основная кровля пласта – песчаник мелкозернистый, слаботрещиноватый, устойчивый f=3,4-6,3, мощность 3,5-25,0 м; толща переслаивающихся, взаимопереходящих пород (песчаник и алевролит) средней устойчивости f=2,l-5,3; мощность 19,2- 6,0 м.
Непосредственная кровля пласта – алевролит мелкозернистый, трещиноватый, от слабоустойчивого до неустойчивого f=l,0-4,9, при увлажнении размокает, при обнажении обрушается, мощность 2,0-5,0 м.
Местами имеется ложная кровля, представленная углистым аргиллитом, слабым, неустойчивым f=l,2, мощность 0,1-0,5 м.
Непосредственная почва пласта – алевролит мелкозернистый, трещиноватый, слабоустойчивый, склонный к пучению, при увлажнении размокает, имеет низкую несущую способность f=l,0-4,9, мощность 6,7-29,0 м.
Ложная почва распространена почти по всей площади, представлена углистым аргиллитом, слабым, склонным к пучению f=l,5; мощность 0,3-0,5 м.
При ведении очистных работ в лаве 7008 возможно появление размывов кровли угольного пласта. В зоне замещения уголь пласта и боковые породы повышенной трещиноватости, пониженной прочности; находятся в крайне неустойчивом состоянии, весьма склонны к отслоению и вывалам.
На поверхности над выемочным столбом лавы 7008, угольными разрезами «Заречный» и «Талдинский» ведутся горные работы по добыче каменного угля открытым способом; расположены технологические дороги, линии электропередач 6 кВ и р. Тагарыш.
Гидрогеологические условия выемочного поля ожидаются сложными, прогнозный водоприток в лаву составит в среднем 90-120 м3/ч, повышение водопро-явления до 250-300 м3/ч возможно в паводковый период, в зонах повышенной трещиноватости горных пород и угольных пластов, где интенсивно развита тре-щиноватость открытого типа и сопутствующая ей высокая фильтрационная способность, а также при обрушении пород основной кровли. Прогнозный максимальный приток воды в лаву 7008 ожидается в паводковый период, при обрушении пород основной кровли и поступлении воды из отработанного пространства лавы 7007 и составит порядка 550-600 м3/ч.
Выемочный столб лавы 7008, согласно геологическому отчету ФГУГП «За-псибгеолсъёмка», находится в зоне газового выветривания, где прогнозная мета-ноносность угольного пласта составит 1-5 м3/т. Скопление воды, газов возможно при ведении очистных работ в осевой части Талдинской брахисинклинали. Также в осевой части синклинали – углепородный массив повышенной трещиноватости и пониженной устойчивости. Пласт с глубины 210 м – угрожаемый по горным ударам. Пласт опасен по взрыву угольной пыли. Весьма склонен к самовозгоранию. Породы силикозоопасные. Вмещающие породы опасны по фрикционному искрению. Пласт опасен по внезапным выбросам угля, породы и газа с глубины 550 м.
Отработка выемочного столба осуществляется обратным ходом. Способ и средства проведения вышеперечисленных выработок – комбайновый (JOY). Тип крепи подготовительных выработок: вентиляционный штрек 7008 – в кровле анкер сталеполимерный, d=22 мм, L=2400 мм; целиковый борт – анкер КРА-16, d=16 мм, L=1800 мм, лавный борт КРА-16, d=16 мм, L=1800 мм; затяжка кровли – металлическая решётка, бортов – сетка «Рабица» (см. рисунок 2.10), дополнительно кровля усилена канатными анкерами АК-01, d=18 мм, L=6000 мм, лавный борт КРА-16, d=16 мм, L=1800 мм (рисунок 2.14); конвейерный штрек 7008 – в кровле анкер сталеполимерный, d=20 мм, L=2750 мм, лавный борт КРА-16 (анкер стеклопластиковый), d=16 мм, L=1800 мм, целиковый борт – анкер сталеполимер-ный, d=20 мм, L=1800 мм, затяжка кровли – металлическая решётка, бортов – сетка «Рабица» (см. рисунок 2.11); вентиляционный штрек 7009 – в кровле анкер сталеполимерный, d=22 мм, L=2400 мм, целиковый борт – анкер КРА-16 d=16 мм, L=1800 мм, лавный борт – анкер КРА-16, d=16 мм, L=1800 мм, затяжка кровли – металлическая решётка, бортов – сетка «Рабица» (см. рисунок 2.12).
Схема поддержания выработок – с помощью охранного целика шириной 30-40 м. Рисунок 2.14 – Паспорт на усиления вентиляционного штрека 7008 с ПК 210 в сторону флангового путевого уклона и путевого ствола пласта 70
При проходке подготовительных выработок: вентиляционного штрека 7008, конвейерного штрека 7008 и вентиляционного штрека 7009 оставлялась угольная пачка высотой 30-40 см, при этом пучение пород почвы незначительное.
Почва выработок представлена углистым аргиллитом, при контакте с водой образуется глиняная смесь. Но после попадания воды и действия лавы, процесс начинает интенсивно проявляться.
На данный момент шахта отрабатывает столб 7008, длина 2600 м (рисунок 2.15). Лава 7008 длиной 300 м продвинулась на 500-600 м от монтажной камеры и находится на границе горного отвода двух угольных разрезов, где ведутся взрывные работы. Глубина ведения горных работ 370-380 м без учёта открытых работ. Состояние выработок представлено на рисунках 2.16-2.20. Перед лавой и позади в среднем на расстоянии 80-100 м величина пучения пород почвы достигает 1,5 м.
Исследование влияния параметров разгрузочных скважин в боках выработок на величину пучения почвы
Данные методика и рекомендации разработаны на основе проведённых исследований величины и характера пучения в горных выработках шахт ОАО «СУ-ЭК-Кузбасс», результатов моделирования процесса пучения в лабораторных условиях на моделях из эквивалентных материалов, а также имеющегося опыта борьбы с пучением почвы за рубежом и на шахтах России в условиях, аналогичных рассматриваемым.
Пучение почвы в горных выработках по характеру можно условно разделить на три группы: пучение вследствие размокания и разбухания пород в почве выработки; пучение вследствие развития горного давления; пучение, вызванное этими двумя причинами вследствие горного давления и размокания пород почвы.
При этом анализ показывает, что основной причиной пучения пород почвы в рассматриваемых условиях (около 80% случаев), является горное давление. Проведённые исследования, направленные на изыскание новых перспективных способов борьбы с пучением пород почвы, ставили своей целью ликвидацию или минимизацию причин проявления пучения почвы в выработках, этому посвящены и разработанные способы и рекомендации по их осуществлению. При этом здесь не рассматривались известные способы, которые широко применяются на шахтах и, в основном, направлены на устранение последствий проявления пучения.
На основании проведённых исследований разработаны три способа борьбы с пучением пород почвы, два из которых основаны на уменьшении или изменении характера распределения напряжений в приконтурном массиве и один направлен на недопущение развития деформаций пучения пород путём применения сталепо-лимерной анкерной крепи. При этом последний способ отличается от известных, применяемых на шахтах тем, что в данных рекомендациях приведена разработанная впервые методика расчёта параметров анкерной крепи, основанная на прогнозных параметрах развития пучения, которые получены путём экспериментально-аналитических исследований этого процесса.
Ниже приведена предлагаемая методика борьбы с пучением путём применения вышеупомянутых способов и технология её осуществления.
Предлагаемая методика борьбы с пучением пород почвы в горных выработках: 1. Оценка склонности пород к пучению. За основу принят подход, разработанный Ю.З. Заславским [69], который разделил породы почвы на три класса - устойчивые, средней устойчивости и неустойчивые. Под устойчивыми следует считать породы, деформации которых не выходят за пределы упругости. Почвы средней устойчивости не требуют специальных мер борьбы с пучением и их смещения не превышают 200 мм. Неустойчивые почвы разрушаются и подвергаются значительным ( 200 мм) смещениям. Отнесение пород к тому или иному классу осуществляется с помощью критерия yH/Rс. Этот критерий для устойчивых почв не превышает 0,25; для почв средней устойчивости - изменяется от 0,25 до 0,4 и для неустойчивых - превышает 0,04. 2. Определение максимальной прогнозной высоты пучения. Определение осуществляют путём экспериментальных измерений в действующих выработках, но если на данной шахте такие измерения отсутствуют - путём привлечения данных, имеющихся в результате наблюдений в условиях, аналогичных рассматриваемым. 3. Определение прогнозной величины уменьшения пучения за счёт приме нения рекомендованных мероприятий. Связь между параметрами выполняемого способа и уменьшением прогнозной величины пучения принимается на основании проведённых исследований. 4. Разработка технологии осуществления принятого способа борьбы с пучением для конкретных шахт.
Ниже, на примере трёх шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс», показано осуществление предлагаемых рекомендаций для конкретных шахт. Горная выработка - вентиляционная печь 2594. Выработка пройдена по пласту Поленовский, мощность пласта 1,7 м. Вентиляционная печь 2594 пройдена с подрывкой пород кровли на высоту 1,7 м; угол падения пласта по лаве 2-3; крепление кровли анкерами длиной 2,5 м. Глубина ведения горных работ 290-460 м. Почва пласта - аргиллит тёмно-серый трещин-ватый, местами слоистый. Выработка отделена от конвейерной печи 2593 целиком угля шириной 30 м.
Согласно маркшейдерской съёмке по вентиляционной печи 2594 высота пучения почвы 0,8-0,9 м. Характер проявления пучения является следствием проявления горного давления.
В настоящее время при необходимости доведения размеров выработки до первоначальных требуется подрывка почвы. В дальнейшем при подготовке следующих столбов разгрузку слоёв почвы от напряжений можно осуществлять одним из предложенных способов в боках выработки. Благодаря устройству щелей, максимум опорного давления перемещается вглубь массива.
Как показали исследования (см. гл. 3), безопасной величиной пучения почвы, при которой практически не нарушается эксплуатационная функция выработки, является величина пучения 250-300 мм. При этом прогнозная величина пучения в этой выработке составляет 0,8-0,9 м. Следовательно, для нормальной экс 93 плуатации этой выработки прогнозную величину пучения за счёт прорезания щелей в её боках необходимо уменьшить на 550-600 мм. Как показали исследования, в этом случае длина щелей l, выполняемых в боках выработки (см. рис. 3.17), находится по формуле: I — 0,6В, (5.1) где B - ширина выработки (м), равная в рассматриваемых условиях 3,5 м. Тогда I — 0,6 3,5 = 2,1 м. Рисунок 5.1 – Машина врубовая, баровая МВБ-140 Прорезание боковых щелей в горной выработке может осуществляться, например, с помощью баровой врубовой машины МВБ-140 (рисунок 5.1). Машина предназначена для нарезки компенсационных щелей под любым углом по периметру горизонтальных и наклонных (до ±15) горных выработок высотой 2,6-3,0 м, проветриваемых свежей струёй при сопротивлении пород резанию до А р=450 Н/мм (таблица 5.1).