Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности проблемы 16
1.1. Горно-геологическая характеристика и особенности угольных месторождений антрацитов 16
1.1.1 Промышленное освоение и геолого-экономическая оценка месторождений антрацитов Восточного Донбасса 21
1.1.2 Технологические схемы подготовки, вскрытия и отработки шахтных полей 25
1.2. Охрана горных выработок с помощью «жестких» целиков и искусственных опор 29
1.3. Охрана горных выработок с помощью податливых целиков 38
1.4 Управление неустойчивой кровлей в очистных забоях тонких пластов 44
2 Исследование физико-механических свойств антрацита 47
2.1. Влияние регионального метаморфизма на изменение физических свойств антрацитов 48
2.2 Исследование влияния масштабного эффекта на прочность антрацита при одноосном сжатии 54
2.3. Определение запредельных характеристик антрацита при трехосном нагружении 61
2.4. Натурные испытания антрацитовых пластов на сжатие 65
3. Исследование влияния параметров "жестких" целиков на устойчивость охраняемых выработок 70
3.1. Методика исследований 71
3.2 Результаты исследований устойчивости горных выработок, охраняемых «жесткими» целиками 72
4 Исследования несущей способности, закономерностей и форм деформирования и разрушения "жестких" и податливых целиков 98
4.1 Методика исследований 98
4.2 Результаты испытаний «жестких» целиков 103
4.3 Результаты испытаний податливых целиков 117
4.4 Исследования в натурных условиях устойчивости горных выработок, охраняемых податливыми целиками 158
4.4.1 Результаты исследований устойчивости горных выработок, охраняемых податливыми целиками 158
5. Исследования работоспособности механизированных комплексов в условиях отработки тонких антрациторых пластов с тяжелыми неустойчивыми кровлями 171
5.1 Особенности работы механизированных комплексов в условиях антрацитовых пластов 171
5.2. Исследование влияния основных производственных процессов на характер взаимодействия крепи с кровлей 176
5.3. Определение необходимого сопротивления механизированной крепи. 185
5.4. Исследование влияния ширины захвата комбайна на эффективность поддержания кровли в призабойном пространстве лавы 192
6. Пути повышения эффективной и безопасной отработки антрацитовых пластов и методические разработки для их реализации 197
6.1 Основные принципы эффективной отработки антрацитовых пластов... 197
6.2 Рекомендации и технические требования к мехкрепи комплекса 198
6.3 Методика расчета параметров податливых целиков 199
6.4. Методика расчета крепи параллельных выработок, разделенных податливыми целиками 204
Заключение 216
Литература 223
Приложение
- Охрана горных выработок с помощью «жестких» целиков и искусственных опор
- Исследование влияния масштабного эффекта на прочность антрацита при одноосном сжатии
- Результаты исследований устойчивости горных выработок, охраняемых «жесткими» целиками
- Исследования в натурных условиях устойчивости горных выработок, охраняемых податливыми целиками
Введение к работе
Актуальность проблемы Разработка тонких пологих пластов антрацита на территории РФ в настоящее время ведется в основном на шахтах Восточного Донбасса Применяемые системы разработки — длинные столбы по простиранию, падению или восстанию пласта Охрана основных транспортных и магистральных выработок осуществляется с помощью угольных целиков различных размеров, а подготовительных - с помощью бутовых полос, жестких опор с ограниченной податливостью и различных сочетаний этих элементов Подготовка выемочных столбов производится одинарными выработками с повторным использованием конвейерного штрека в качестве вентиляционного для нижележащего столба Крепление выработок в основном производится арочной металлической крепью Добыча угля осуществляется комплексно-механизированными очистными забоями с использованием в основном отечественных механизированных комплексов Длина очистных забоев, как правило, составляет 150-200 м Несмотря на то что в последние два-три года отмечается некоторое увеличение нагрузок на очистные забои, все они остаются, по меркам передовых угледобывающих стран, на катастрофически низком уровне
Одной из основных причин снижения производительности очистных забоев является несоответствие конструкций отечественных механизированных крепей фактическим условиям их эксплуатации С глубиной возрастает степень нарушенности пород непосредственной кровли, вследствие чего увеличивается интенсивность обрушения пород в призабойном пространстве, а из-за недостаточного сопротивления крепи имеют место случаи зажатия и повреждения секций при обрушении кровли
С увеличением глубины разработки ухудшаются условия поддержания капитальных наклонных выработок Увеличение размеров охранных целиков не предотвращает этого процесса и, кроме того, ведет к неоправданному увеличению потерь подготовленных запасов угля Применяемые способы охраны выемочных штреков не обеспечивают их безремонтного повторного использования и существенно влияют на повышение уровня дефектности выработок Вследствие повышенной хрупкости антрацита отмечаются увеличенные в 1,5-3 раза по сравнению с имеющими место при отработке каменных углей зоны повышенной трещиноватости и разрушения угля в груди забоя и стенах выработок
Следует отметить, что к началу реструктуризации угольной отрасли в Восточном Донбассе из 42 работающих шахт 38 работали без реконструкции 20 лет и более, что привело к многоступенчатости транспорта, большой протяженности поддерживаемых откаточных и вентиляционных выработок и, как следствие этого, к появлению «узких» звеньев в существующих схемах угледобычи
Опыт показывает, что результат работы группы шахт, компаний, производственных объединений напрямую зависят от эффективности очистных работ,
критерием которой является нагрузка на очистной забой Опыт высокопроизводительной работы (3-10 тыс т/сутки) очистных забоев передовых угледобывающих стран позволил определить ряд основных принципов ведения горных работ, при выполнении которых обеспечивается максимальная эффективность и производительность очистных забоев В основном они сводятся к следующему В пределах шахтного поля, как правило, отрабатывают один пласт Система разработки - длинные столбы по простиранию пласта Длина выемочных столбов 3,5-4,5 км, длина лав 250-300 м Лавы подготавливают группой из трех-четырех штреков, проводимых с каждой стороны лавы, разделенных между собой неизвлекаемыми целиками угля, несущая способность которых определяется в зависимости от глубины работ. Выработки с целью повышения их устойчивости проводят с учетом существующего поля напряжений с таким расчетом, чтобы направление главных горизонтальных напряжений совпадало с направлением проведения выработок
Выработки проводят по углю прямоугольным сечением с применением анкерного крепления, что при ширине выработки 5,0-5,5 м позволяет выносить в нее привод лавного конвейера, упростить передвижение привода конвейера и крепление сопряжений, при этом примыкающая к лаве выработка погашается вслед за лавой Многоштрековая подготовка обеспечивает решение вопросов вентиляции, доставки материалов, транспортировки угля, свободного размещения силового оборудования
К сожалению, горно-геологические условия угольных шахт России и, в частности, шахт, разрабатывающих антрацитовые пласты, не позволяют в полной мере придерживаться этих положений
В последнее время в связи с закрытием ряда шахт с особо тяжелыми условиями появилась реальная возможность воплощения в жизнь этих принципов и на шахтах России, разрабатывающих антрацитовые пласты В частности, это касается вопросов, связанных с подготовкой выемочных столбов парными штреками, охраняемыми податливыми целиками, применения в качестве основной для крепления выработок анкерной крепи, применения очистных механизированных комплексов при длине лав 250—300 м и соответствующей длине выемочных столбов, доведение нагрузок на очистной забой до 2,5—3,5 тыс т/сут за счет устранения таких сдерживающих факторов как ликвидация вывалов пород и упрощение концевых операций
Таким образом, основными причинами неудовлетворительной работы шахт, разрабатывающих антрацитовые пласты Восточного Донбасса, являются плохое состояние подготовительных и капитальных выработок, сдерживающих работу лав, отсутствие механизированных комплексов, соответствующих рассматриваемым условиям, несоответствие применяемых схем подготовки требованиям высокопроизводительной отработки
Решению этих проблем посвящена данная диссертация
Целью работы является обоснование элементов эффективной и безопасной технологии отработки антрацитовых пластов на основе совершен-
ствования технических решений по охране и креплению подготовительных выработок, повышению производительности очистных забоев и применению прогрессивных схем подготовки
Идея работы заключается в комплексном учете особенностей горногеологических условий залегания и физико-механических свойств антрацитовых пластов, характеризующихся небольшой мощностью, развитой мелкоамплитудной нарушенностью, склонностью к хрупкому разрушению, труднооб-рушаемой основной и неустойчивой непосредственной кровлей, при разработке технических решений, обеспечивающих их эффективную отработку
Методы исследований. При выполнении работы использовался комплексный метод, включающий анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных, фондовых и патентных источниках, при этом в материале анализа использовались данные, полученные на шахтах б СССР, в том числе на антрацитовых шахтах Украинского Донбасса, натурные эксперименты, моделирование с помощью эквивалентных материалов, исследования физико-механических свойств антрацитов, выполненные в лабораторных и натурных условиях, статистическую и аналитическую обработку результатов исследований
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи
-
Выполнить анализ методических подходов к определению прочностных и физико-механических свойств антрацита и определить закономерности их изменения при запредельном трехосном длительном нагружении
-
Исследовать влияние параметров «жестких» предохранительных целиков на устойчивость охраняемых выработок
-
Исследовать несущую способность, закономерности и формы деформирования и разрушения «жестких» и податливых предохранительных целиков
-
Обосновать методологию расчета параметров «жестких» и податливых предохранительных целиков с учетом обеспечения устойчивости охраняемых ими выработок
-
Исследовать работоспособность механизированных крепей при отработке тонких антрацитовых пластов с тяжелыми неустойчивыми кровлями
-
Разработать рекомендации по повышению эффективности и безопасности отработки антрацитовых пластов
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается
— результатами многочисленных (на 70 шахтах более чем в 80 подготовительных забоях) натурных исследований по оценке влияния размеров целиков на характер проявления горного давления в подготовительных выработках, исследованиями способов задания податливости угольным целикам и влияния податливости целиков на характер проявления горного
давления в охраняемых выработках, исследованиями работоспособности механизированных комплексов при отработке антрацитовых пластов,
-результатами экспериментов на моделях из эквивалентных материалов характера проявлений горного давления в выработках, охраняемых податливыми целиками (отработана 21 модель),
-результатами лабораторных исследований физико-механических свойств антрацитов при плоском и объемном нагружении, выполненных более чем на 200 образцах,
положительными результатами внедрения технологических решений и рекомендаций по охране выработок с помощью жестких и податливых целиков, способов задания податливости целикам и управления скоростью смещения кровли в механизированных забоях,
внедрением рекомендаций автора в нормативно-методических документах,
результатами использования методических разработок и приемов в работах других исследователей
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Антрацит обладает особыми свойствами, отличающими его от остальных углей К ним относятся характер изменения прочности в зависимости от площади испытуемого образца (увеличение, стабилизация, уменьшение), зависимость густоты трещин от их размеров, почти полное отсутствие площадки пластичности Антрациты в состоянии остаточной прочности при испытании их в условиях трехосного сжатия приобретают свойства сыпучих материалов
-
Величина смещений кровли в выработках, охраняемых «жесткими» целиками, при прочих равных условиях определяется величиной отношения между шириной охранного целика и его высотой, при этом для каждого значения прочности вмещающих выработку пород существует предельная величина этого отношения, превышение которой (за счет увеличения ширины целика) не будет сказываться на величине смещений и не приведет к улучшению состояния выработки
-
Охрана выработок податливыми целиками при ведении горных работ на глубине, на которой действующие вблизи контура выработок напряжения в пласте сопоставимы с прочностью антрацита на сжатие, более эффективна, чем «жесткими» При этом в силу специфики физико-механических свойств антрацита применение податливых целиков для охраны горных выработок, пройденных по антрацитовым пластам, возможно только при заданной им искусственной податливости
-
При действии на «жесткие» и податливые целики нагрузок, превышающих прочность материала целика при одноосном сжатии, в них при определенном соотношении ширины и высоты формируется «ядро», которое обладает большей несущей способностью, чем материал целика При этом такой целик обеспечивает поддержание подработанной толщи при
общей ширине, меньшей, чем целик, параметры которого определены по значению прочности его материала
5 Степень нарушенное кровли вывалами можно уменьшить путем снижения скорости и величины ее опускания в зоне работы комбайна за счет совмещения во времени и пространстве процессов выемки угля и передвижки секций крепи
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлены особенности деформирования антрацитов при испытании их в условиях одноосного и трехосного сжатия в лабораторных и натурных условиях, которые заключаются в том, что в антрацитах (в отличие от обычных углей, у которых прочность уменьшается с увеличением площади испытуемых образцов) при увеличении площади испытываемого образца прочность вначале увеличивается, затем происходит ее стабилизация и последующее уменьшение, поэтому для получения достоверных характеристик прочности антрацита минимальная площадь образцов для лабораторных и натурных испытаний должна быть соответственно 50 и 1600 см , при испытании образцов в условиях трехосного сжатия в состоянии остаточной прочности они могут деформироваться без дополнительного разрыхления, имеют малую величину сцепления и независимый от напряжений угол внутреннего трения, т е антрацит приобретает свойства, характерные для сыпучих материалов, при испытании образцов на одноосное и трехосное сжатие практически отсутствует площадка пластичности (доля пластической части при разной величине бокового давления не превышает 0,06-0,17 от полной деформации), что характерно для весьма хрупкого материала
-
Установлены закономерности изменения величин смещений кровли в выработках в зависимости от ширины «жестких» охранных целиков для выработок, пройденных в породах различной прочности в диапазоне глубины 100-1000 м При этом в выработках, пройденных в породах прочностью на сжатие 40-80 МПа, величины смещений кровли примерно в два раза меньше, чем при прочности пород 20-25 МПа при одной и той же ширине охранного целика Влияние размеров охранных целиков на величину смещений кровли в выработках сказывается в зависимости от соотношения ширины охранных целиков (В) к их высоте (й) При этом предельные значения этих соотношений, при которых проявляется это влияние, для выработок, пройденных в породах 40-80 МПа составляет 25-35 и для пород 20-25 МПа — 50-55 Дальнейшее увеличение этого соотношения за счет увеличения ширины целика практически не сказывается на состоянии выработок Получены номограммы для определения величин смещений кровли в выработках для различного типа пород в диапазоне глубин 100-1000 м, пользуясь которыми можно рассчитывать крепь выработок с учетом защитного действия охранного целика
-
Получены закономерности уменьшения абсолютных величин смещений кровли в выработках, охраняемых податливыми целиками, при этом
величины смещений на 35-40 % меньше, чем в случаях их охраны «жесткими» целиками, кроме того, в них сохраняется целостность стенок и практически отсутствует пучение почвы Получен коэффициент влияния Ки податливого целика на устойчивость охраняемой выработки, составляющий 0,6-0,7, который следует учитывать при расчете паспортов крепления выработок, охраняемых податливыми целиками
4 Установлены закономерности деформирования целиков под действи
ем нагрузок, превышающих их прочность на сжатие, определены размеры
разрушения его краевых частей, которые составляют 0,70-0,85/г и условия
формирования в целике «ядра», которое находится в трехосном напряжен
ном состоянии Образование ядра в целике происходит при соотношении
— > 3,5, при этом несущая способность податливого целика, разбуренного
скважинами на всю его ширину и на 1/3 ширины примерно одинакова
5 Установлены закономерности изменения количественных величин
обрушений пород в очистном забое от интенсивности опускания кровли в
зоне влияния процессов выемки и передвижки крепи, при этом наиболее
опасными являются участки кровли, которые последовательно испытывают
влияние этих процессов При совмещении основных производственных
процессов обеспечивается минршальная площадь обнажения кровли,
вследствие чего в 1,3—1,4 раза снижается скорость ее смещения, а вероят
ность вывалов не будет превышать 1,5-2 %, что практически не влияет на
работу очистного забоя
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1 Разработана методология по определению достоверных физико-
механических характеристик антрацита в лабораторных и натурных условиях
-
Разработаны способы задания податливости охранным целикам и методика расчета их параметров
-
Разработана методика расчета крепи выработок, охраняемых податливыми целиками
-
Получены номограммы для определения смещения кровли в выработках, охраняемых целиками различной ширины
-
Сформулированы требования к механизированной крепи для отработки тонких антрацитовых пластов и разработаны рекомендации по управлению горным давлением в условиях тяжелой основной и неустойчивой непосредственной кровли
Внедрение резул ьтатов работ ы.
Основные положения разработок автора вошли
— в отраслевые нормативно-методические документы «Дополнения ВНИМИ к Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России», 2006 г, «Крепи механизированные для лав, ГОСТ Р 52-152 - 2003, Госстандарт России, М »
- в технические решения и практические рекомендации по охране и
поддержанию выработок с помощью «жестких» и податливых целиков,
способам и параметрам управления горным давлением в очистных и подго
товительных выработках, внедрены на шахтах ОАО «Ростовуголь» и ОАО
«Гуковуголь», а также Украинского Донбасса, разрабатывающих антраци
товые пласты
Личный вклад автора заключается:
в постановке проблемы и в организации проведения длительных исследований проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках при различных способах их охраны и крепления при отработке антрацитовых пластов практически на всех шахтах бывшего СССР,
в организации и проведении экспериментальных работ по изучению физико-механических свойств антрацитов в лабораторных и шахтных условиях,
в постановке задач и разработке методики исследований на моделях из эквивалентных материалов,
- в выборе объектов исследований, руководстве опытно-промышлен
ными испытаниями,
- в получении основных научных результатов диссертации
Апробация. Основные результаты исследований рассматривались на Ученых советах во ВНИМИ и ИГД им А А Скочинского, в Департаменте угольной промышленности России, на Международной конференции по геомеханике 17—21 июня в Санкт-Петербурге, 1996 г, на Технических советах ОАО «Ростовуголь», ОАО «Гуковуголь», ПО «Антрацит» (Украина), ГХК «Свердловскантрацит» (Украина)
Публикации. Докторант имеет 80 опубликованных работ, в том числе по теме диссертации 27, общий объем которых составляет 57,2 п л , вклад соискателя 28,99 п л
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 142 наименований и 5 приложений, изложена на 245 страницах машинописного текста
Охрана горных выработок с помощью «жестких» целиков и искусственных опор
Внедрение бесцеликовой технологии подготовки и отработки угольных пластов значительно сократило объем выработок, охраняемых с помощью целиков, что в основном коснулось подготовительных выработок. Однако досих пор, несмотря на практически повсеместный переход на бесцеликовую технологию, около 80% наклонных транспортных магистральных выработок, главных откаточных и вентиляционных штреков охраняется с помощью целиков. Перечисленные выработки, как правило, относятся к общешахтным, блоковым или панельным, и от их состояния в значительной мере зависит эффективная работа всей шахты или существенной ее части, поэтому очевидно значение этих выработок и их влияние на эффективность работы угледобывающего предприятия.
Одним из первых методов оценки прочных размеров целиков является метод Турнера, предложенный в работе [142]. Он основан на предположении, что опорные целики несут нагрузку от веса всей покрывающей толщи пород и поэтому в качестве критерия прочности целиков в этом методе использовано условие прочности целиков где Si - суммарная площадь опорных целиков; асж - предел прочности породы на одноосное сжатие; у - объемный вес горной породы; Н - глубина ведения горных работ.
К. Кегель в работе [139], основываясь на гипотезе (методе) Турнера, предложил для расчета целиков формулу, учитывающую угол падения залежи а:
Дальнейшее развитие гипотеза Турнера получила в работе Л. Д. Шевякова [131], который в условие прочности целиков кроме коэффициента запаса прочности к3 ввел коэффициент формы, зависящий от отношения высоты целика h к его ширине а.
Расчетный метод Л.Д. Шевякова основан на следующих предположениях: максимальная нагрузка на опорные целики равна весу толщи пород до земной поверхности; вертикальные напряжения в горизонтальных сечениях целиков считаются равномерно распределенными, а фактическая неравномерность компенсируется вводимым в расчет запасом прочности; в расчет вводятся величины сопротивления горных пород целиков сжатию с поправками на форму целиков; не учитывается некоторое увеличение прочности при двухосном сжатии по сравнению с одноосным, что приводит к увеличению реального запаса прочности. Кроме того, целики не всегда воспринимают нагрузку от веса столба налегающих пород. Л. Д. Шевяков считает, что это имеет место при L/H = 2 + 3, а в отличие от него С. Г. Авершин в своей работе [1] считает, это условие возникает при соотношении L/H 1.
В ряде работ для расчета целиков используют положения теории балок. Примером такого расчета является метод, предложенный В. Д. Слесаревым [117], который основан на учете взаимодействия вертикальной нагрузки Р, бокового распора Р0 и сил сцепления С. При этом считается, что элементы целика находятся под действием равномерно распределенных нагрузок интенсивностью Р и Р0, действующих соответственно со стороны кровли и от сил бокового распора, а также реакции со стороны почвы. В расчетах учтены размеры отрабатываемого участка и наличие податливых опор (слоя или целика), а решение объемной задачи сведено через эквивалентный пролет к плоской. Однако в методе Слесарева недостаточно обоснована гипотеза кривой давления. Предложенная им формула для определения сил бокового рас пора имеет вид Р0 = Ptg 71 ф и предназначена для расчета активного дав ления сыпучих тел. Кроме того, для расчета размеров целиков используется формула теории сопротивления материалов для сжатия балок, в то время как у целиков все размеры являются, примерно, величинами одного порядка.
В работах Ф. П. Бублика, Г. А. Иванова, А. В Плахова [26, 27, 54] рассмотрены вопросы определения несущей способности неоднородных целиков, при этом для определения размеров целиков использовалось значение длительной прочности угля. К. И. Иванов в работе [53], основываясь на определении проф. Г. Н. Кузнецова для крепей, рассматривает две схемы работы опорных угольных целиков - в режиме заданных нагрузок и в режиме заданной деформации. При этом в зависимости от технологии ведения очистных работ им предложены и различные схемы нагружения целиков.
Интересные схемы нагружения целиков различного назначения разработаны А. В. Плаховым [100], при этом им впервые предпринята попытка путем анализа и измерений в натурных условиях определить фактические напряжения, действующие в целиках в момент их разрушения.
Исследование влияния масштабного эффекта на прочность антрацита при одноосном сжатии
Изучению влияния размеров образцов горных пород на их прочностные свойства уделялось довольно много внимания, и в этом направлении выполнен большой объем работ.
Применительно к антрацитам этому вопросу частично уделено внимание лишь в некоторых известных работах [104, 122]. В работе [104] влияние масштабного фактора на прочностные характеристики антрацита исследовалось при испытании образцов различных размеров на одноосное сжатие и при вдавливании цилиндрических штампов плоским основанием различного диаметра в шлифованную поверхность антрацита на приборе УМГП-3. Для испытания на одноосное сжатие образцы диаметром 9, 17, 30, 40, 50, 60, 75, 95 и ПО мм выбуривались из глыб антрацита на токарном станке. Отношение высоты образца к его диаметру сохранялось равным 1:1. Для каждого диаметра изготавливалось не менее семи образцов. Данные о прочности антрацита характеризуются средним коэффициентом вариации 30 %.Результаты исследований представлены в табл. 2.5.
По результатам испытаний образцов построены зависимости предела прочности на сжатие от размеров образцов, которые представлены рис. 2.1. Эта зависимость для всех проб имеет одинаковый вид и носит сложный ха рактер. Действительно, для образцов размерами 7 - 20 см предел прочности возрастает с увеличением их размеров; в то же время для образцов с размерами 0,65 - 7 и 20 - 50 см2 прочность снижается с возрастанием их размеров. Для образцов сечением более 50 см наступает стабилизация предела прочности.
Такой сложный характер связи между стсж и размерами образцов при испытаниях на одноосное сжатие можно объяснить, основываясь на том, что изменение прочности горных пород в зависимости от величины образцов определяется не одним, а суммарным действием двух, чаще всего противоположно действующих масштабных факторов - объемного и поверхностного. Под влиянием объемного масштабного фактора прочность при одноосном сжатии с увеличением размеров образца уменьшается, а под влиянием поверхностного в горных породах большей частью возрастает. Влияние объемного фактора определяется внутренним несовершенством строения (трещиноватостью, порами и другими дефектами структуры), а также неоднородностью вещественного состава, текстуры и структуры горных пород.
Влияние поверхностного фактора определяется качеством механической обработки поверхности образца, а также влиянием физико-химических факторов (влаги и др.) на поверхность. По мере уменьшения размеров образцов соотношение между объемом ослабленного «приповерхностного» слоя и ненарушенной внутренней частью уменьшается. В этом одна из причин снижения прочности при сжатии малых образцов. Уменьшение прочности при испытаниях на сжатие малых образцов может быть связано также с существенными отклонениями образцов от правильной геометрической формы.
Результаты исследований подтверждают правильность этой гипотезы и в применении к антрацитам. Для объяснения возрастания прочности при уменьшении размеров весьма малых образцов (0,65 - 2,26 см) необходимо учесть, что антрацитам свойственны физико-механические свойства, в значительной степени отличные от свойств каменных углей и тем более вмещающих пород. Исследователи неизменно отмечают чрезвычайно интенсивную трещиноватость антрацита, когда расстояние между трещинами колеблются в пределах нескольких миллиметров. Поэтому при исследовании антрацита мы имеем дело с материалом, включающим огромное количество не только макро-, но и микротрещин.
Результаты исследований устойчивости горных выработок, охраняемых «жесткими» целиками
Исследования влияния параметров жестких целиков на устойчивость горных выработок антрацитовых шахт проводились на специально оборудованных замерных станциях.
Замерная станция состояла из двух пар реперов «почва-кровля» и «бок-бок». Исследования проводились в соответствии с требованиями стандартных методик [9, 48, 81]. В качестве критерия проявления горного давления принимались смещения, определяемые путем замера расстояний между парами контурных реперов и фиксации их изменений в зависимости от времени. При этом каждая замерная станция устанавливалась в выработке, охраняемой «жесткими» целиками определенных размеров. Кроме того, при установке замерной станции учитывались: глубина расположения выработки, вид крепи, характеристика вмещающих пород, сечение выработки, а при проведении замеров отмечались: состояние выработки и целика, виды разрушения и деформаций крепи, выработки, целика и вмещающих пород.
Исследования были проведены на 70 шахтах, в 80 подготовительных выработках, охватывали различные горно-геологические условия и глубину работ, при этом ширина целиков, оставляемых для охраны выработок, изменялась от 20 до 80 м.
Известно, что интенсивность смещения пород в выработку под действием горного давления зависит от свойств вмещающих выработку пород. Различие деформируемости боковых пород наблюдалось как в отдельных выработках с разными свойствами окружающих выработку пород, так и в одной и той же выработке, но на разных участках, на которых породы отличались по строению и физико-механическим свойствам.
В б. СССР трестом «Артемгеология» была проведена большая работа по исследованию механических свойств пород на шахтах Донбасса.
Материалы этих исследований были использованы для классификации вмещающих выработки пород. Эта классификация приведена в табл. 3.1.
При проведении исследований и размещении замерных участков автором были охвачены все горно-геологические условия проведения и поддержания выработок в соответствии с приведенной табл. 3.1.
Ниже приведены наиболее важные результаты исследований, полученные на шахтах, разрабатывающих антрацитовые пласты. 1. Шахта № 20 треста «Шахтерскантрацит» Наблюдения проводились во вспомогательном уклоне и на участке откаточного штрека между 16 западной и 16 восточной лавами пласта Л8. Вы-копировка из плана горных работ и основные результаты шахтных наблюдений приведены в табл. 3.2 и рис. 3.1, 3.2.
Из результатов наблюдений, представленных на рис. 3.1, видно, что скорости смещений боковых пород на участке уклона А-Б были примерно такими же, как и на участке уклона Б-В, несмотря на то, что участок уклона А-Б охраняется целиком размером 50 м, а участок уклона Б-В - целиком 85 м. Наблюдения проводились на участке уклона А-Б спустя 6 лет после отхода лавы, а на участке уклона Б-В спустя 2 года.
Как видно из рис. 3.1, за более чем четыре года наблюдений практически не отмечено разницы между величинами смещений боков и кровли выработки при ширине охранных целиков 50 и 85 м.
Были отмечены следующие скорости смещений боковых пород : Участок А-Б: по сближению боков - от по опусканию кровли - от 1 до 46 мм/мес; по пучению подошвы - от 17 до 52 мм/мес;
Участок Б-В: по сближению боков - от 19 до 45 мм/мес; по опусканию кровли - от 5 до 28 мм/мес; по пучению подошвы - от 19 до 59 мм/мес;
Из графика (рис. 3.16) видно, что максимальные скорости смещений боковых пород зафиксированы на замерном пункте № 19, величины их следующие: по сближению боков - 46 мм/мес; по опусканию кровли - 30 мм/мес; по пучению подошвы - 65 мм/мес. Минимальные скорости смещений боковых пород были отмечены на замерном пункте № 14, который наиболее удален от границы очистных работ. Величина этих скоростей: по сближению боков - 28 мм/мес; по опусканию кровли - 28 мм/мес; по пучению подошвы - 28 мм/мес. Объем перекрепления по вспомогательному уклону на участке А-Б за 4 года составил 375 м при его протяженности 180 м. Объем перекрепления на участке Б-В за 2 года и 9 месяцев составил 125 м при протяженности участка уклона, равной 190 м. Из графика также видно, что этот участок уклона начали перекреплять спустя 6 месяцев после отхода 16 восточной лавы.
Исследования в натурных условиях устойчивости горных выработок, охраняемых податливыми целиками
Основным критерием мероприятий по обеспечению податливости целиков является их экономическая целесообразность. Рассмотрим, какие преимущества будут получены в результате увеличения допустимых деформаций целика. Их можно свести к следующему: обеспечение эксплуатационного состояния выработок, уменьшение потерь полезного ископаемого, уменьшение пучения почвы за счет перераспределения нагрузок в системе «целик - массив - выработанное пространство», уменьшение воздействия на нижележащие пласты, уменьшение удароопасности оставляемых целиков и т.п.
Основной особенностью работы податливых целиков является то, что фактические его деформации должны превышать допустимые упругие деформации при обеспечении требуемой несущей способности целика таким образом: где Alt- деформация целика, мм; А1іупр- допустимые упругие деформации целика, мм; Рф- фактическая нагрузка на целик; Р$оп - допустимая нагрузка на целик.
К активным способам задания податливости целиков относятся способы, базирующиеся на уменьшении их несущей способности различными механическими приемами. К ним относятся: бурение скважин, устройство щелей, торпедирование, гидрообработка, гидромикроторпедирование, камуф-летное взрывание, проведение разгрузочных печей в целиках угля.
Исследования влияния податливости целиков на устойчивость охраняемых выработок проводились на шахтах «Южная» и «Майская» при отра ботке пласта I J. На шахте «Майская» замерные станции оборудовались в вентиляционном штреке № 119 лавы № 120 и в конвейерном штреке № 120 лавы № 121. Ширина охранных целиков между выработанным пространством лав № 119 и № 120 и, соответственно, вентиляционным и конвейерным штреками составляла на различных участках от 10 до 15 м.
Горнотехническая обстановка в районе конвейерного штрека следующая. Выше оставленного целика пласт отработан. Ниже конвейерного штрека № 120 находится нетронутый массив, который отрабатывается лавой № 121. Структура пласта на рассматриваемом участке сложная. В пределах экспериментального участка протяженностью 600 м пласт состоит из двух примерно равных по мощности пачек антрацита и крепкого породного прослоя. Мощность породного прослоя - 0,58 -г 0,65 м. Мощность каждой из антрацитовых пачек изменяется примерно в тех же пределах. Общая вынимаемая мощность пласта в среднем равна 1,8 м.
Горнотехническая ситуация на вентиляционном штреке № 119 и структура пласта на экспериментальном участке примерно такие же, как и в конвейерном штреке № 120. Протяженность экспериментального участка - около 180 м.
Участок шахтного поля по пласту I" отрабатывался длинными столбами по простиранию. Длина очистных забоев 200 -г- 220 м, глубина работ -800 м. Выемка антрацита в очистных забоях осуществлялась механизированными комплексами КМ87УМС с применением стругов УСБ-2.
Исследования на шахте «Южная» проводились на экспериментальных участках при отработке лав № 1520 и № 1522, а также на участках целика около уклона № 15 между штреками № 1513 и № 1518. Общая протяженность экспериментального участка на шахте «Южная» составляла около 1800 м.
Для исследования проявлений горного давления в сечении выработки оборудовались замерные станции, состоящие из пары реперов «кровля почва». Замерные станции оборудовались в 60 - 80 м впереди забоя, и наблюдения проводились до тех пор, пока замерная станция не оказывалась позади лавы на 40 - 60 м. Измерения расстояния между реперами осуществлялись индикаторной стойкой СУИ-2, точность измерения ± 0,10 мм. Измерения до попадания замерной станции в зону опорного давления производились один раз в неделю, а после попадания - ежесуточно.
На рис. 4.38 показана типичная замерная станция. Податливость целиков на экспериментальных участках задавалась путем бурения скважин, ка-муфлетного взрывания, проведения разгрузочных печей.
Бурение скважин осуществлялось легким буровым станком типа Р-200Е с дистанционным управлением. Станок позволяет бурить скважины при любой степени напряженности угольного массива. В проводимом эксперименте диаметр скважин составлял 300 мм, расстояние между скважинами 0,9-1,8 м;
Камуфлетное взрывание производилось в исследуемом целике и заключалось во взрывании заряда в шпурах, пробуренных в целик из охраняемой выработки. Глубина шпуров при проведении камуфлетного взрывания составляла 4 м, расстояние между шпурами - 2,0 м. Вес заряда - 1,2 кг. Шпуры располагались в верхней и нижней пачке антрацита в шахматном порядке.
Схема расположения камуфлетных скважин в разгрузочных печах приведена на рис. 4.39.
