Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние охраны основных подготовительных выработок на глубоких горизонтах 16
1.1. Особенности разработки пологих пластов на больших глубинах 16
1.2. Существующие представления об охране выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пластов
1.3. Анализ выполненных исследований применительно к охране основных полевых подготовительных выработок 30
1.4. Анализ опыта охраны основных подготовительных выработок на больших глубинах 36
1.5. Современные схемы механизма сдвижения и давления толщи пород при ведении очистных работ 42
2. шахтные исследования давления подработанной толщи пород на почву пласта в выработанном пространствелав 58
2.1. Исходные положения 58
2.2. Формирование давления пород на почву пласта относительно движущейся лавы
2.3. Определение времени активного оседания пород над выработанным пространством лавы 76
2.4. Давление подработанной толщи пород на почву пласта вдоль очистного забоя 89
2.5. Исследование высоты распространения области пол ных сдвижений в подработанной толще горного массива 96
2.6. Определение времени проведения выработок в обрушенных породах вблизи неподвижных границ очистных работ 102
2.7. Исследования структуры обрушенных и уплотненных пород кровли пластов 108
3. Исследования влияния основных факторов на устойчи вость выработок, охраняемых в обрушенных породах 125
3.1. Выбор расстояния от неподвижной границы массива или целика угля до проводимой в обрушенных породах выработки 125
3.2. Влияние развития очистных работ на смещения пород контура подготовительных выработок 130
3.3. Влияние влажности и мощности пород мелкодробленого слоя на устойчивость выработок
4. Шахтные инструментальные наблодения сдвижений пород надрабатываемой толщи 159
4.1. Цель и методика инструментальных наблюдений 159
4.2. Сдвижения пород надрабатываемой толщи впереди и позади забоя разгрузочной лавы 163
4.3. Сдвижения пород надрабатываемой толщи в параллельном забою разгрузочной лавы сечении 177
4.4. Сдвижения пород в зоне разгрузки при отработке смежных столбов по восстанию или падению пласта.. 185
4.5. Сдвижения пород в зонах разгрузки при отработке смежных лав по простиранию пласта 202
4.6. Механизм сдвижений пород надрабатываемой толщи при ведении очистных работ 211
5. Инструментальные наблкщения смещений пород контура надрабатываемых выработок 222
5.1. Задачи и методика наблюдений 222
5.2. Смещения пород контура надрабатываемых основных полевых подготовительных выработок 223
5.3. Структурные изменения вмещающих пород при надработке выработок 232
6. Исследование распределения напряжений в плоскости пласта при развитии очистных работ 240
6.1. Модели формирования зон разгрузки и проявле ний опорного давления при развитии очистных работ 240
6.2. Расчет напряжений в плоскости пласта при выемке угля одиночной разгрузочной лавой 246
6.3. Расчет напряжений в плоскости пласта при развитии очистных работ 265
6.4. Сравнение результатов математического моделирования с данными шахтных инструментальных наблюдений 272
7. Направления и способы повышения устойчивости основ ных подготовительных выработок в зонах разгрузки 287
7.1. Основные положения ведения горных работ при охране выработок в зонах разгрузки 287
7.2. Управление устойчивостью системы крепь - окружающие породы и способы охраны выработок 294
7.2.1. Способы использования естественной прочности вмещающей слоистой толщи 295
7.2.2. Способы ограничения крепью смещений пород контура выработок 297
7.2.3. Способы снижения напряженного состояния вмещающих выработку пород 300
7.2.4. Способы повышения прочности вмещающих выработку пород 301
7.3.Управление устойчивостью системы породы зоны разгрузки - окружающий массив и способы охраны выработок 306
7.3.1. Способы снижения проявлений опорного давления в надрабатываемой толще пород.. 308
7.3.2. Способы сохранения зон разгрузки при развитии очистных работ 311
7.3.7. Способы создания зон многократной раз грузки при отработке разгрузочных лав... 315
8 Промышленные испытания и внедрение способов охра ны основных подготовительных выработок в зонах разгрузки 321
8.1. Охрана выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта 321
8.2. Предварительная надработка полевых магистральных штреков 338
8.3. Последующая фронтальная надработка наклонных выработок 345
8.4. Последующая осевая надработка полевых магистральных штреков 356
Заключение 3
Список литературы 378
Приложения 394
- Существующие представления об охране выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пластов
- Формирование давления пород на почву пласта относительно движущейся лавы
- Влияние развития очистных работ на смещения пород контура подготовительных выработок
- Сдвижения пород надрабатываемой толщи в параллельном забою разгрузочной лавы сечении
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной задачей угольной промышленности в одиннадцатой пятилетке является увеличение добычи угля до 770...800 млн. т с одновременным улучшением всех технико-экономических показателей, условий труда, техники безопасности и качества добываемого угля. При этом прирост добычи угля в отрасли намечено обеспечить в основном за счет повышения производительности труда.
Одно из главных мест в решении этой задачи занимает проблема обеспечения надлежащей устойчивости подготовительных выработок. Для шахт Донецкого бассейна эта проблема с каждым годом приобретает все большую актуальность в связи с быстрым углублением горных работ, ухудшением горно-геологических условий и ростом общей протяженности выработок. Уже сейчас 153 шахты ведут разработку на глубинах более 600 м, из них 23 на глубинах более 1000 м, осуществляется подготовка новых горизонтов на глубинах 1000...1500 м. С увеличением глубины разработки ухудшается эксплуатационное состояние горных выработок. В настоящее время средняя по бассейну трудоемкость поддержания выработок на 1000 т добываемого угля достигает 72 человекосмены, при этом около 1Ь% протяженности выработок имеют неудовлетворительные площади поперечных сечений. На ряде глубоких шахт приходится ежегодно ремонтировать до 30...40$ выработок. Работы по поддержанию выработок выполняются вручную, их весьма трудно механизировать и они представляют опасность для людей.
Для действующих глубоких шахт усиление концентрации и интенсификации горных работ немыслимо без ухудшения устойчивости горных выработок. Для шахт с глубиной разработки 1000...1500 м и бо-
лее эта проблема становится еще актуальней, так как нужно исключить или свести к минимуму трудоемкие ручные работы по поддержанию выработок. Такой подход к решению проблемы необходим еще и потому, что обеспечение хорошей устойчивости выработок влечет за собой существенное повышение безопасности работ в шахте.
Устойчивость подготовительных выработок зависит в основном от способов их проведения, охраны и расположения относительно границ очистных работ, а также от типа, конструкции и работоспособности установленных в них крепей. Не умаляя роли и значения крепи, следует отметить, что решающее влияние на состояние подготовительной выработки оказывает принятый способ защиты ее от вредных проявлений горного давления при ведении очистных работ. На глубоких горизонтах шахт все еще применяются традиционные способы охраны основных подготовительных выработок главным образом целиками угля и изредка бутовыми полосами. Оставляемые со стороны очистных работ целики угля шириной 60...80 м во многих случаях не могут противостоять развивающемуся горному давлению и обеспечить достаточную устойчивость выработок. Дальнейшее увеличение ширины целиков связано с неоправданными потерями подготовительных запасов угля.
Цель работы. Создание теоретических основ технологий управления вмещающим выработки массивом пород и на базе этих основ разработка и внедрение новых и эффективных способов охраны и поддержания в зонах разгрузки основных наклонных выработок и штреков главного направления (магистральных) при отработке пологих пластов на больших глубинах.
Идея работы заключается в использовании образующихся зон разгрузки в толще горного массива при выемке угля длинными очистными забоями (150...250 м) и сохранении этих зон в течение всего срока службы основных подготовительных выработок.
Основные научные положения и их новизна.
Экспериментально в шахтных условиях подтверждены, глубже раскрыты и теоретически обоснованы закономерности образования и видоизменения зон разгрузки в толще горного массива при выемке угля разгрузочными лавами и последующем развитии очистных работ, отличающиеся установлением существенного влияния на эти зоны формы и площади выработанного пространства и глубины разработки ; при этом определены параметры зон разгрузки.
Установлены особенности структуры и свойств пород зон разгрузки в области наиболее частого расположения основных подготовительных выработок, отличающиеся наличием в толще обрушенных и уплотненных пород кровли пласта двух зон с разными характеристиками тре-щиноватости пород и поведением под нагрузкой пород надрабатывае-мой толщи аналогично дискретной среде, обладающей малой распределительной способностью.
Раскрыта и обоснована природа механизма смещений пород контура подготовительных выработок, расположенных и поддерживаемых в обрушенной и уплотненной толще, отличающаяся тем, что решающая роль в этом механизме принадлежит породам мелкодробленого слоя, предопределяющим при прочих равных условиях значительно большую величину горизонтальных смещений контура по сравнению с вертикальными.
Установлены особенности механизма смещений пород контура основных полевых подготовительных выработок при их последующей надработке разгрузочными лавами, заключающиеся в одинаковом направлении смещений в сторону полости выработки независимо от характера изменения напряженного состояния вмещающей толщи (пригрузка или разгрузка ее) ; при этом наибольшие смещения контура проявляются
на участке резкого изменения напряжений в породах вмещающей толщи.
5. Разработан и доведен до численной реализации аналитический
метод расчета нормальных напряжений в плоскости пласта, основанный на фундаментальных положениях теории тонких плит, отличающийся универсальностью учета горнотехнической обстановки и позволяющий в единстве прогнозировать сложный механизм перераспределения горного давления в связи с отработкой подготовленных запасов крыла горизонта, панели, блока.
6. Обоснованы пути обеспечения и повышения устойчивости основных подготовительных выработок в зонах разгрузки в связи с разви* тием очистных работ в крыле горизонта, панели, блока, отличающиеся учетом постоянного взаимодействия двух систем: малой "крепь -окружающие породы" и большой "породы зоны разгрузки - окружающий массив".
Таким образом, выносимые на защиту научные положения определяют основы теории и принципы управления вмещающим выработки массивом пород, использование которых позволяет обеспечить эффективную охрану и поддержание в зонах разгрузки основных подготовительных выработок пологих пластов на больших глубинах.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. В экспериментальных исследованиях это доказано проведенным в типовых условиях глубоких шахт и достаточным объемом следующих инструментальных наблюдений: давления подработанной толщи пород на почву отработанного пласта (6 специальных станций в лавах 5 шахт) ; сдвижений пород надрабатываемой толщи (4 комплексные станции, включающие 25 скважин и около 100 контурных замерных сечений) ; смещений пород контура подготовительных выработок (в 27 выработках было оборудовано 196 замерных сечений) ; структуры обрушенных и уплотненных, а также надработанных пород (в 36 выработках проведено около 3000 измерений элементов залегания и характеристик трещин). Кроме того, применялись современные и хорошо апробирован-
ныв методы натурных наблюдений и обработки экспериментальных данных, использовались результаты промышленных испытаний способов охраны выработок в зонах разгрузки и их широкого внедрения при разработке пологих пластов на больших глубинах.
В теоретических исследованиях достоверность научных положений доказана обоснованностью принятых в расчетной схеме исходных положений, базирующихся на результатах шахтных инструментальных наблюдений, использованием фундаментальных положений теории тонких плит в аналитических исследованиях распределения напряжений в плоскости пласта, применением современного и корректного метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния трещиноватых пород в зонах разгрузки, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными шахтных инструментальных наблюдений и опыта ведения горных работ на больших глубинах.
Научное значение работы заключается в том, что экспериментально в шахтных условиях полнее и глубже раскрыты природные закономерности и особенности протекания геомеханических процессов в подработанной и надработанной толще пород при ведении очистных работ на больших глубинах. Эти закономерности являются исходной научной основой выбора расчетных схем в целом или их параметров в аналитических исследованиях, а также принятия инженерных решений рационального ведения горных работ в сложных условиях больших глубин.
Экспериментально установленное наличие двух зон в толще обрушенных и уплотненных пород кровли пласта вносит принципиально новое представление о вмещающей горные выработки среде, особенности которой должны учитываться в теоретических исследованиях. Обоснованный механизм деформирования обрушенных и уплотненных пород на контуре выработок может быть использован для выбора расчетных
схем определения нагрузок на крепь.
Выявленные особенности структуры и поведения под нагрузкой пород надрабатываемой толщи являются доказательством тому, что в теоретических исследованиях такая среда должна приниматься не упругой, а дискретной. Установленные особенности механизма смещений пород контура основных полевых подготовительных выработок при их надработке дополняют и расширяют круг представлений о природе проявлений горного давления в выработках при отработке пологих пластов на больших глубинах.
Разработанный аналитический метод расчета нормальных напряжений в плоскости пласта позволяет вести прогноз и оценивать планируемые варианты развития очистных работ в крыле горизонта, панели, блока с учетом ожидаемых проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках глубоких шахт.
Практическое значение работы заключается в том, что на базе созданных теоретических основ технологий управления вмещающим массивом и устойчивостью выработок обоснованы новые и эффективные способы охраны основных подготовительных выработок в зонах разгрузки, а именно: расположение и поддержание выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта, расположение и проведение полевых выработок в предварительно разгруженной подстилающей толще пород (так называемый способ предварительной надработки выработок), способ последующей надработки полевых выработок разгрузочными лавами. Дано обоснование принципам выбора рациональных параметров расположения выработок в зонах разгрузки с учетом развития очистных работ (отработки смежных лав). Разработаны и обоснованы способы повышения устойчивости выработок в зонах разгрузки в связи с развитием очистных работ в крыле горизонта, панели, блока, заключающиеся в повышении работоспособности малой системы "крепь -
окружающие породы" и управлении состоянием и поведением большой системы "породы зоны разгрузки - окружающий массив1*. Предложен метод прогноза распределения напряжений в плоскости пласта при развитии очистных работ, который позволяет на стадии проектирования или текущего планирования принимать лучшие инженерные решения по обеспечению устойчивости подготовительных выработок. Новизна способов охраны выработок в зонах разгрузки защищена 12 авторскими свидетельствами на изобретения.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Обоснованные автором новые способы охраны в зонах разгрузки основных наклонных выработок и штреков главного направления (магистральных) прошли промышленные испытания и в настоящее время сравнительно широко внед-" рены на глубоких горизонтах шахт Донецкого бассейна: способ расположения и подцержания выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пластов уже применяется на 25 шахтах, способы предварительной и последующей надработки основных полевых выработок исполь-зуготся соответственно на 13 и 7 шахтах. Фактический годовой экономический эффект в конкретных условиях одной крупной глубокой шахты зависит от применяемых способов охраны, протяженности выра-- боток, поддерживаемых в зонах разгрузки, и составляет 0,3...0,9 млн. рублей.
Результаты исследований использованы в отраслевых нормативных документах, утвержденных Минуглепромом СССР: "Основные положения по разработке проектов новых и реконструкции действующих угольных шахт Донецкого бассейна", М.: Центрогипрошахт, 1971 ; "Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок на угольных шахтах СССР", Л.: ВНИМИ, 1978.
Научные и практические результаты работы, опубликованные в учебном пособии и 2 монографиях, используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля.
Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение на: республиканской научно-технической конференции по вопросам охраны и крепления капитальных и подготовительных выработок на угольных шахтах Украины (Донецк, 1968) ; Всесоюзной научной конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1969) ; республиканской начуно-техниче-ской конференции по способам защиты вертикальных стволов, горизонтальных и наклонных горных выработок на больших глубинах (Енакие-во, 1975) ;У, УІ, УП и УШ Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и способам охраны капитальных и подготовительных выработок (Ткибули, 1976 ; Новосибирск, 1978 ; Владивосток, 1980; Якутск, 1982) ; УІ и УП Всесоюзных научных конференциях по косплекс-ным исследованиям физических свойств горных пород и процессов (Москва, 1977 и 1981) ; республиканской научно-технической конференции по совершенствованию способов охраны и средств крепления горных выработок глубоких шахт Донбасса (Киев, 1979) ; Ш и ІУ Всесоюзных семинарах по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск, I960 и 1982) ; УП Всесоюзной конференции по механике горных пород (Днепропетровск, 1981) ; П Всесоюзной научной конференции по проблемам механики подземных сооружений (Тула, 1982).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 научных работ, в том числе 3 монографии и 12 авторских свидетельств на изобретения.
Связь темы диссертации с планом основных работ института. В течение почти трех последних десятилетий одним из главных научных направлений Донецкого политехнического института является изыскание новых и совершенствование существующих способов охраны и поддержания капитальных и подготовительных выработок глубоких шахт. Диссертация является составной частью этих исследова-
ний (номера госрегистрации тем 68075038 ; 72044436 ; 73061092 ; 76038290 ; 0І8І7010495), которые выполнены по планам важнейших заданий Минуглепрома УССР. В проведенных исследованиях автор принимал непосредственное участие с 1962 г. в качестве ответственного исполнителя и с 1972 г. в качестве научного руководителя.
Автор выражает глубокую благодарность проф., докт. техн. наук С.М.Липковичу за консультативную помощь в процессе выполнения диссертации, а также всем сотрудникам института и инженерно-техническим работникам объединений и шахт за оказанную помощь при выполнении инструментальных наблюдений и внедрении результатов исследований в промышленность.
Существующие представления об охране выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пластов
Применительно к разработке пологих пластов на больших глубинах предположение о необходимости перехода на проведение наклонных выработок в выработанном пространстве впервые в общем плане было высказано в 1953 г. проф. В.Т.Давидянцем fl] , который при этом не упомянул о возможности проведения выработок в обрушенных породах кровли пластов. Спустя десять лет Казахским филиалом ВНИМИ были опубликованы [2] весьма краткие результаты исследований устойчивости проведенных по обрушенным породам наклонных выработок на одном из пластов Карагандинского бассейна. Условия разработки плас та аналогичны условиям Донецко-Макеевского района Донбасса: мощность пласта - 1,2...1,3 м, непосредственная почва и кровля -неустойчивые глинистые сланцы (3...8 м), основная почва и кровля -песчаники, угол падения пласта - 8...10. Выемка угля велась лавами 180...310 м. Цель исследований заключалась в определении такой величины отхода лавы, при которой можно начинать проведение наклонных выработок по обрушенным породам, исходя из соображений минимума затрат на их поддержание. Было установлено, что решающим является параметр глубины разработки, поэтому в работе рекомендуется проводить выработки при отходе лавы на расстояние, приблизительно равное глубине разработки, или равное 50...60% глубины разработки (наблюдения проведены на глубинах 200...300 м). Такие рекомендации, естественно, неприемлемы для глубоких шахт Донбасса, где по технологическим причинам и по времени выработки нужно проводить значительно раньше времени отхода лавы на рекомендуемую длину по простиранию. На больших глубинах, очевидно, нужно учитывать развитие очистных работ в шахтном поле или панели (блоке). В работе ВНИМИ также нет упоминания, что проведение выработок по обрушенным породам следует рассматривать как один из способов их охраны в угольных шахтах.
В Донецком политехническом институте (ДОИ) с начала шестидесятых годов автором начаты систематические исследования вопросов охраны выработок в обрушенных и уплотненных породах при разработке пологих угольных пластов на больших глубинах. Новизна подхода в данном случае заключалась в том, что впервые расположение выработок в обрушенных и уплотненных породах начали рассматривать не как способ их проведения, а как способ их охраны в зонах разгрузки на больших глубинах при разработке пологих пластов с неустойчивыми вмещающими породами. В это время были также сформулированы основ ные преимущества данного способа охраны по сравнению с применяемыми на шахтах способами охраны выработок целиками угля или бутовыми полосами:
Теоретически и экспериментально было установлено, что в об рушенных породах давление на крепь выработки может быть воспринято применяемыми конструкциями крепей из спецпрофиля и потому нет необходимости создавать крепи с большей грузонесущей способностью. Область применения способа охраны выработок в обрушенных породах в основном аналогична области применения полевых выработок: пласты мощностью I м и более, боковые породы которых имеют большую мощность, весьма слабые, трещиноватые и склонны к интенсивному выдавливанию в выработки, т.е. когда технически весьма трудно и экономически невыгодно вести разработку на пластовые выработки. Вышеуказанные и другие результаты исследований автора в течение шестидесятых годов по вопросам охраны выработок в обрушенных породах достаточно полно освещены в работах [3, 18, 69J .
В более поздней работе ВНИМИ [4] лишь отмечалось, что на шахтах Донецкого и Карагандинского бассейнов имеются наклонные выработки, пройденные по выработанному пространству ранее отработанных пластов, и они находятся в хорошем состоянии. При этом резюмируется, что для практического применения данного способа поддержания выработок необходимо только, чтобы обрушившиеся породы кровли в очистном пространстве к моменту проведения выработки были достаточно уплотнившимися. Уплотнение пород наступает за пределами зоны интенсивного влияния очистных работ, т.е. после окончания активных сдвижений пород подработанной толщи при удалении забоя лавы на НО...200 м и более.
Необходимо оговориться, что до 1971 г. включительно в изданных нормативных документах [5, 6, 7J вообще не было каких-либо рекомендаций по вопросам расположения и охраны наклонных и горизонтальных выработок в обрушенных породах кровли пластов.
Впервые в нормативном документе f8j способ охраны выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта отмечен в 1972 г.
В нем, в частности, говорится, что в практике горных работ находит применение и способ охраны выработок путем их проведения в выработанном пространстве. При этом способе создаются условия для улучшения устойчивости выработок, так как они проходятся в массиве, разгруженном от повышенного горного давления. Ожидаемые величины смещений пород в выработках в этом случае примерно в 1,5... 2,0 раза меньше или равны тем, которые развиваются при проходке их в нетронутом массиве. С увеличением глубины разработки эффективность этого способа охраны выработок увеличивается. Такой способ по геомеханическим показателям представляет большой интерес, однако пока он мало распространен по причине трудностей проходки выработок по обрушенным породам. Проведение выработок по обрушенным и уплотненным породам кровли пласта, как известно, не вызывает в технологическом плане каких-либо дополнительных трудностей по сравнению с проходкой выработок в нетронутом горном массиве.
В 1974 г. вышли в свет Временные указания [9 по охране выработок без целиков, позже основные их положения были отражены в работе ВНИМИ [iOj . В новом нормативном документе подчеркнуто, что применение способа охраны путем проведения выработок по выработанному пространству вызвано стремлением располагать последние в облегченных условиях, при которых устраняется влияние на выработки не только временного, но и остаточного опорного давления. Кроме того, признается факт сравнительно широкого распространения в практике работы шахт способа проведения выработок по обрушенным породам выработанного пространства. Основное отличие этого способа охраны от поддержания выработок в массиве усматривается в том, что определенное время после отработки лавы слежавшиеся породы являются разгруженными.Во Временных указаниях способ охраны выработок в обрушенных
Формирование давления пород на почву пласта относительно движущейся лавы
Экспериментальные исследования по изучению давления оседающих пород на почву пласта относительно забоя движущейся лавы проведены нами в типовых условиях ряда шахт.
Шахта "Трудовская" объединения "Донецкуголь". В условиях этой шахты при разработке пласта К. сплошной системой (вариант "лава-этаж") в околоштрековые бутовые полосы были заложены динамометрические площадки [71] . Мощность пласта 1,0...1,15 м, угол падения 14. Непосредственная кровля - трещиноватый известняк 3 м. Вышележащая толща пород кровли в основном представлена перемежающимися слоями глинистых и песчаных сланцев с включением шести угольных пластов и большого количества пропластков. Глубина разработки 650 м. На момент проведения исследований 4-я восточная лава отошла от разрезной печи по простиранию на 1060 м и была нижней в шахтном поле по падению. Длина лавы 210...220 м. Способ управления кровлей - плавное опускание.
Конвейерный штрек, вблизи которого были заложены динамометрические площадки, пройден с подрывкой песчаных сланцев почвы площадью сечения в свету 8,5 м2. Крепление штрека - деревянные рамы с увеличенной податливостью через 0,8 м. С нижней стороны штрек охраняли бутовой полосой шириной 14...16 м, над штреком выкладывали две полосы, каждая шириной 5 м, расстояние между ними по падению было равно 4 м. Место расположения наблюдательной станции в лаве и схема установки измерительной аппаратуры в околоштрековых бутовых полосах показаны на рис.2Л.
Давление на бутовые полосы и почву пласта измеряли струнны ми динамометрами ДСР конструкции ВНИМИ [72J . В шахтных условиях струнный метод измерения нагрузки является наиболее надежным и стабильным, так как результаты измерений не зависят от изменения омического сопротивления соединительного кабеля, его индуктивности и емкости. Чтобы исключить погрешности показаний приборов, при изготовлении аппаратуры и установке ее в шахте были выдержаны следующие условия.
В бутовые полосы закладывали не отдельные динамометры, а динамометрические площадки, представляющие собой круглую металлическую коробку диаметром 380 мм (толщина листового железа 5 мм).
В коробку помещали три струнных динамометра, допустимая нагрузкаона площадку 15 ffla. Увеличение площади площадки до 0,11 м позволило исключить погрешности в измерениях величин давления на бутовые полосы за счет несоответствия поперечного сечения динамометра размером закладочного материала. При выкладке бутовых полос динамометрические площадки засыпали толстым слоем породы, площадь кусков которой в поперечнике была в 20-30 раз меньше площади динамометрической площадки.
Площадки высотой 140 мм устанавливали в лунки, пробуренные специальной коронкой в породах почвы пласта. В лунке тщательно выравнивали подошву и укладывали площадку так, чтобы крышка ее располагалась на уровне поверхности почвы пласта. Это позволило устранить возможные погрешности в измерениях за счет нерациональных размеров динамометрических площадок по высоте.
На результаты замеров не влияла возможная неравномерность деформаций верхней крышки площадки, поскольку в конструкции площадки передача давления от крышки на струнные динамометры осуществлялась с помощью шариков. Изготовление динамометров из стали 45 позволило довести отношение модуля упругости динамометра к модулю деформаций пород до 15, что дало возможность устранить ошибки измерений от различия в характеристиках деформируемости динамометра и горных пород [73j . При изготовлении датчиков были выполнены также требования водонепроницаемости конструкции, постосн-ство тарировочной кривой и др. Тарировку датчиков производили на прессе и определяли их индивидуальные характеристики "давление -частота колебаний струны". Частоту колебаний струны измеряли переносной станцией ВЧС-2 конструкции ВНИМИ. От трех динамометрических площадок, заложенных в нижней бутовой полосе, измерительный кабель был протянут по специально проложенному трубопроводу. Кабель от двух верхних площадок не был защищен металлическим трубопроводом и располагался непосредственно на почве пласта. Щит замерной станции находился на конвейерном штреке.
Первое время после установки площадок показания динамометров снимали через 2...3 дня. Рост нагрузки на них протекал очень медленно, в связи с чем интервал времени между замерами позже составлял 15...30 сут. Через 18 суток связь с динамометрическими площадками ІУ и У была потеряна из-за повреждения измерительного кабеля. Площадка I не действовала, так как при закладке породы в раскоску, очевидно, были смещены с мест установки шарики, передающие давление крышки на динамометры. Площадки П и Ш в течение двух лет хорошо фиксировали изменения давления на почву пласта.
На рис.2.2,а приведены кривые роста нагрузки на почву пласта в зависимости от изменения расстояния по простиранию между забоем 4-й восточной лавы и местом установки динамометрических площадок. Особенно интенсивный рост нагрузки наблюдается при отходе лавы на 120...140 м. Из данных эксперимента следует, что давление на бутовые полосы также увеличивается по мере удаления от кромки массива угля по падению в сторону выработанного простран ства. Так, при расстоянии до забоя лавы по простиранию 600 м нагрузка на динамометрическую площадку П, отнесенную от кромки массива угля на 8,25 м, достигла 6,8 МПа, а на площадку Ш, удаленную на 4,5 м, только 1,6 МПа.
Закономерность изменения скорости нагрузки на бутовую полосу и почву пласта во времени характеризуется кривыми рис.2.2,б. Наибольшей величины (0,07 МПа/сут) скорость изменения нагрузки достигла на расстоянии 65 м от забоя лавы. По данным визуальных наблюдений заметное спрессование околоштрековых бутовых полос наблюдалось на расстоянии 60...70 м позади лавы. На этом участке деревянная крепь исчерпала свою податливость и приходилось вести работы по перекреплению штрека. При подрывке песчаных сланцев почвы были видны трещины разлома, ориентированные вдоль оси штрека.
Существенное изменение суточной скорости давления на почву пласта прослеживалось на участке протяженностью 120...140 м. Дальше наступало резкое затухание ее и даже полная стабилизация. Так, на расстоянии 200 м и более скорость нагрузки на почву практически оставалась постоянной, равной 0,0075 МПа/сут по данным площадки П и снижалась до нуля по данным площадки Ш. Это свидетельствует о том, что на расстоянии 120...140 м от лавы над выработанным пространством в вышележащей толще в основном заканчивается активный процесс образования области полных сдвижений пород, включающий зоны обрушения и собственно полных сдвижений (шарнир-но-блокового перемещения пород). Здесь фактически и заканчивается основное уплотнение бутовых полос и обрушенных пород. Следовательно, за пределами участка (по простиранию) активного оседания слоев вышележащей толщи и уплотнения обрушенных пород вполне можно проводить наклонные и горизонтальные выработки.В качестве определяющего параметра для выбора места проведе
Влияние развития очистных работ на смещения пород контура подготовительных выработок
При развитии очистных работ увеличиваются напряжения в обрушенных породах, в результате чего возрастают деформации контура выработок. В качественном плане этот процесс, очевидно, не изменит механизм деформирования обрушенных пород на контуре выработки.
Однако отработка смежных лав должна оказать влияние на параметры расположения основных подготовительных выработок в зонах разгрузки. Для изучения данного вопроса были отобраны наиболее типовые шахтопласты: "10 шахты им. Калинина, УЦ шахты им. Абакумова и /7?з шахты им. Бажанова. Мощность пластов колеблется в пределах 1,0...1,6 м. Вмещающие породы низкой степени метаморфизации (марки углей Г, Ж, К) с высоким содержанием глинистых минералов.
Шахта им. Калинина. Разработку пласта П10 вели системой парных штреков (рис.3.1). Вначале лавы отрабатывали прямым ходом по простиранию, при этом откаточные штреки проходили с двусторонней раскоской. При отработке столбов бывшие вентиляционные штреки использовали повторно участками в качестве конвейерных. Конвейерный штрек через 320...350 м соединяли с основным откаточным с помощью конвейерных бремсбергов, проводимых по обрушенным и уплотненным породам кровли пласта. Такая система хорошо апробирована и широко применяется в условиях шахты.
Бремсберги № 2 и 3 длиной 80...85 м были пройдены в 1975 г.,т.е. спустя б лет после отработки 4 восточной лавы. Крепь - трех р звенные арки из спецпрофиля, площадь сечения в свету 8,5 м , расстояние между арками I м. Проходку вели с помощью буровзрывных работ так, что подошва выработки совпадала с почвой отработанного пласта.
Глубина расположения бремсбергов 630...660 м. Мощность пласта 1,2...1,3 м, угол его падения 19...21. Пласт сверхкатегорный по выделению метана, марка угля К, опасен по пыли и склонен к внезапным выбросам угля и газа. Непосредственная почва представлена крепким песчаным сланцем мощностью 1,0...1,5 м, ниже расположен крепкий песчаник большой мощности. В непосредственной кровле залегает глинистый сланец средней устойчивости мощностью до 3 м, выше песчаный сланец мощностью 4,5...5,5 м и крепостью J = 4...5 ; основная кровля - песчаники.
В каждом бремсберге было заложено по восемь наблюдательных секций, которые располагались на расстоянии до 50 м от устья выработки (рис.3.2 и 3.3). Измерения вертикальных и горизонтальных сближений контура выработок вели систематически по мере приближения и отхода 3 восточной лавы. В бремсберге № 3 начали вести замеры смещений контура, когда лава приблизилась к выработке на расстояние 278 м; при этом наблюдения закончили при отходе лавы на 155 м. Следовательно, наблюдениями был охвачен весь участок влияния примыкающей 3 восточной лавы. По секциям бремсберга № 2 изучали главным образом сближения контура в период подхода к нему смежной лавы. На графиках рис.3.2; 3.3 и 3.4 даны результаты замеров сближений контура по двум выработкам, что увеличивает объем выборки исходной информации, повышает достоверность данных и устраняет влияние случайных факторов.
Основная доля вредного влияния развития очистных работ проявляется после отхода смежной лавы от бремсберга. До подхода лавы к стволу выработки сближения контура не превышают 200 мм, т.е. практически они компенсируются податливостью крепи. Скорости горизонтальных и вертикальных сближений контура бремсберга равны соответственно 0,17 и 0,37 мм/сут. Влияние отработки смежной лавы начинает сказываться при подходе ее к бремсбергу на 10...20 м. Скорости сближений контура выработки начинают активизироваться и достигают 10...20 мм/сут, что обусловлено влиянием опорного давления 3 восточной лавы. Особенно возрастают сближения контура на тех секциях, которые близко расположены к границе смежной лавы. Наибольшая скорость сближений наблюдается после отхода смежной лавы от бремсберга на 5...25 м и достигает 10...12 мм/сут. В целом же сближения пород контура бремсберга практически прекращаются при отходе от него смежной лавы на 100 м и более.
Максимальные сближения контура испытывает участок бремсберга, который примыкает к границе выработанного пространтсва (расположен у границы смежной лавы). Некоторое уменьшение здесь уровня сближений обусловлено тем, что в устье бремсберга пробивали ремонтины (деревянные стойки) для уменьшения влияния очистных работ смежной лавы. Характерно, что на границе перехода от бутовой полосы к обрушенным породам имеется резкое уменьшение сближений контура выработки. Бутовая полоса воспринимает давление части веса толщи пород, зависающих над выработанным пространством. Из графиков видно, что для устранения вредного влияния смежной лавы на устойчивость выработок, охраняемых в обрушенных породах, достаточно относить их от границы выработанного пространства на расстояние 20 м и более. В этом случае максимальные сближения контура выработки не будут превышать 300 мм, т.е. запаса податливости арочной трехзвенной крепи из спецпрофиля.
Итак, отработка смежной лавы оказывает вредное влияние на устойчивость участка бремсберга длиной 15...20 м (начиная от границы выработанного пространства) и сказывается в основном после отхода лавы. Если у границы выработанного пространства ранее была возведена бутовая полоса, то подготовительную выработку лучше выносить за ее пределы, т.е. располагать выработку в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта.
Шахта им. Абакумова. В качестве объекта для инструментальных наблюдений был выбран охраняемый в обрушенных породах вентиляционный штрек 16 западной лавы пласта шахты им. Абакумова (рис. 3.5). Мощность отработанного пласта 1,5...1,6 м, угол его падения 8...14, пласт опасен по пыли и выделению метана, уголь его имеет ІО со О К весьма низкую степень метаморфизации (марка Г ).
Вентиляционный штрек пройден в 1974 г. с применением буровзрывных работ по выработанному пространству 15 западной лавы, отработанной в 1972-1973 гг. При его проведении в подошве выработки оставляли, как правило, слой мелкодробленных пород мощностью 0,2...0,8 м (общая мощность слоя составляла 1,0...1,5 м). Оставление слоя было обусловлено не стремлением улучшить устойчивость штрека, а исключительно желанием проходческой бригады облегчить выполнение отдельных технологических процессов: установку арочной крепи, настилку рельсового пути и соблюдение его заданного уклона и т.д. Глубина расположения штрека 720 м, площадь его сечения в свету II м , крепь - трехзвенные арки из спецпрофиля через 0,8 м. Расстояние по падению от охраняемого в обрушенных породах вентиляционного штрека до границы выработанного пространства изменялось от 7 до 34 м, что обусловлено проведением штрека по изогипсе в связи с необходимостью соблюдения заданного уклона. Наличие большого колебания расстояния от выработки до нижней границы очистных работ послужило основой для выбора 16 западного вентиляционного штрека в качестве объекта для производства в нем инструментальных наблюдений при отработке запасов смежной 16 западной лавой.
Непосредственная кровля пласта - неустойчивые глинистые сланцы мощностью до Юм, основная кровля - песчаные сланцы или песчаники мощностью 4...7 м. Непосредственная почва- глинистые сланцы мощностью 4...10 м, склонные к интенсивному выдавливанию в подготовительные выработки. Выемку угля в лаве длиной 150... 220 м вели механизированным комплексом КМ-87, способ управления кровлей - полное обрушение. Отрабатывали запасы 16 западной лавы по столбовой системе с погашением конвейерного и вентиляционного штреков. На вентиляционном горизонте вслед за лавой вприсеч-ку к
Сдвижения пород надрабатываемой толщи в параллельном забою разгрузочной лавы сечении
Изучение сдвижений пород надрабатываемой толщи вдоль фронта очистных работ разгрузочной лавы проведено на комплексной наблюдательной станции № 2 (см.рис.4.2 и 4.3), скважины которой расположены в сбойке № 7 между магистральными полевыми штреками. Длинар сбойки 47 м, площадь сечения 9 м , крепь - арочная трехзвеннаяиз спецпрофиля с применением сплошной железобетонной затяжки. Расстояние по нормали от сбойки до пласта изменяется от 14 до 30 м.
В сбойке № 7 было оборудовано три замерных пункта УШ, IX и X, из которых пробурено 8 скважин длиной 30 м каждая и диаметром 75 мм. В скважине закладывали 9 или 10 глубинных реперов. На замерном пункте IX пробурено б скважин: по нормали к напластованию по одной в кровле и почве выработки; в плоскости напластования 4 шт., из них две по простиранию пласта (на восток и запад) и по одной в сторону восстания и падения пласта. В плоскости напластования реперы имели жесткие связи. В пунктах УШ и X пробурено по одной скважине в сторону пласта по нормали к напластованию. Возле каждого замерного пункта была заложена одна секция контурных реперов. В каждом полевом откаточном штреке гор. 915 м была оборудована наблюдательная станция из 26 секций для определения сближений боковых стенок, кровли и почвы выработки. В западном полевом откаточном штреке 6 вблизи секции 14 были пробурены по нормали к напластованию шпуры длиной до 5 м и установлены глубинные реперы для определения сдвижений пород в пределах зоны неупругих деформаций.
Цель наблюдений на комплексной станции № 2 включала: определение картины вертикальных сдвижений пород надрабатываемой толщи в сечении, параллельном плоскости забоя разгрузочной лавы ; оценку величин деформаций пород в плоскости напластования в направлениях по простиранию, восстанию и падению пласта; изучение влияния фактора времени на сдвижения пород надработанной толщи вблизи остановленного забоя разгрузочной лавы.
В сбойке № 7 замеры сближений пород контура начали вести, когда забой разгрузочной лавы находился на расстоянии более 100 м от сбойки, а наблюдения за сдвижениями реперов в толще - при приближении лавы к скважинам на 50...60 м.
По трем скважинам характер вертикальных сдвижений пород толщи впереди и позади забоя надрабатывающей лавы (в перпендикулярных ее забою сечениях) оставался аналогичным установленному при производстве наблюдений на комплексной станции № I (см. рис.4.4). 8 параллельном плоскости забоя лавы сечении (по падению пласта) величины вертикальных сдвижений пород в слоях уменьшаются по мере удаления в глубину надрабатываемой толщи. В каждом слое отмечается одинаковая закономерность, а именно: чем дальше от границы массива угля по падению располагается скважина, тем больше величины сжатий или поднятий пород слоя. На рис.4.8 в изолиниях показана картина сдвижений слоя пород непосредственной почвы мощностью до б м на участке, длина которого по простиранию НО м и ширина по восстанию 50 м. Наибольшие сдвижения пород надрабатываемой толщи имеют место в средней части разгрузочной лавы. Существенное влияние краевой части массива угля по падению на величины деформаций сжатия и поднятия пород сказывается на расстоянии до 40 м. Следовательно, позади лавы степень разгрузки пород надработанной толщи уменьшается по мере приближения от середины лавы (длина ее 200...210 м) к кромке массива угля по падению. Если со стороны восстания лава будет примыкать также к массиву угля, то в ее верхней части в силу симметрии закономерности разгрузки пород останутся аналогичными.
В рассматриваемых условиях 2-я восточная лава примыкает со стороны восстания к выработанному пространству 1-й восточной, поэтому картина деформаций сжатия и поднятия пород почвы в верхней ее части будет иной, особенно в сечении по падению пласта. Это обусловлено восприятием краевой частью массива угля опорного давления, сформировавшегося после отработки запасов 1-й восточной лавой. Вполне очевидно, что величины сжатий и поднятий пород надрабатыва-емой толщи будут здесь намного большими,чем на участке, примыкающем к массиву угля по падению пласта.
Впереди лавы область наибольших деформаций сжатия пород располагается тем ближе к забою лавы (имеется ввиду по простиранию), чем меньше расстояние до кутка лавы по падению. Это значит, что уже на расстоянии менее 30...40 м от кутка лавы по восстанию область наибольших сжатий пород находится позади лавы. За лавой в сечении, параллельном плоскости забоя, породы почвы находятся в качественно разном состоянии: вблизи массива угля они испытывают повышенные напряжения (деформации сжатия), в средней части лавы породы толщи разгружены от горного давления. Кроме того, величина разгрузки пород почвы вдоль фронта очистных работ неодинаковая. Чем дольше за лавой расположено сечение по падению пласта, тем больше разгрузка слоя пород и меньше ширина неразгруженного участка вблизи кромки массива угля.
Наблюдениями на комплексной станции № 2 также зафиксировано незначительное опускание кондукторов скважин вблизи забоя разгрузочной лавы на фоне общего интенсивного поднятия надрабатываемой толщи. Величина опусканий была разной, поскольку устья скважин УШ,
