Механизм взаимодействия механизированных крепей с кровлями угольных пластов

© Г.Д. Буялич, Ю.А. Антонов, В.И. Шейнин, 2012

Г.Д. Буялич, Ю.А. Антонов, В.И. Шейнин

МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ С КРОВЛЯМИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Приведено описание процессов, протекающих в кровле при взаимодействии с ней механизированной крепи при различном уровне её сопротивления и характере его распределения по ширине поддерживаемого пространства.

Ключевые слова: крепь, кровля, опускание , слои, прижатие, балка, сопротивление, закол.

Несмотря на исключительную сложность процессов, протекающих при взаимодействии механизированной крепи с боковыми породами, представляется возможным описать их в первом приближении следующим образом.

После выемки угля кровля в очистном забое под воздействием вышележащих слоёв прогибается. Прогиб консоли над очистным пространством сопровождается расслоением пород кровли под воздействием тангенциальных напряжений на отдельные слои, которые в процессе опускания и изгиба кровли скользят один относительно другого. При распоре механизированной крепи с определённым усилием происходит поднятие опустившихся слоёв кровли и прижатие их одного к другому с определённым усилием, величина которого зависит от расстояния этого слоя до поверхности приложения сопротивления крепи.

Таким образом, при установке в очистном забое крепи с определённым начальным распором консоль кровли, состоящая из множества слоёв пород, работающих на изгиб раздельно, превращается в единую монолитную балку большой толщины, момент инерции которой находится в кубической зависимости от её толщины. Иными словами, путём приложения к поверхности кровли незначительных по сравнению с действующими в массиве горных пород усилий, осуществляется удержание кровли с помощью самих же пород, из которых она сложена.

После распора крепи опускание сжатых крепью слоёв прекращается, а вышележащие слои продолжают двигаться с

прежней скоростью и поочерёдно ложатся на приостановленные сжатые слои. Общий вес сжатых слоёв увеличивается и становится больше веса слоёв, который может уравновесить начальный распор, в результате чего балка начинает двигаться. При этом стойки механизированной крепи упруго сокращаются и их сопротивление возрастает. В момент равенства веса пород и сопротивления стоек крепи движение консоли останавливается, но только до тех пор, пока следующий слой пород не ляжет на ранее сжатые слои и не начнётся новый цикл движения консоли до уравновешивания крепью нового её веса. И так до тех пор, пока крепь не выйдет на рабочее сопротивление. После этого сопротивление крепи будет постоянным и кровля станет непрерывно опускаться со скоростью, соответствующей этому сопротивлению.

Известно, что чем больше опускание кровли, оцениваемое обычно на границе поддерживаемого пространства, тем её состояние хуже. Для каждой совокупности горно-геологических и горнотехнических условий существует определённая максимально допустимая величина опускания кровли, при которой кровля в очистном забое ещё сохраняет удовлетворительное состояние: отсутствуют вывалы кровли, трещины и заколы, ступенчатые опускания, потеря связности. При превышении этой допустимой величины состояние кровли становится неудовлетворительным. Нельзя не учитывать то обстоятельство, что состояние кровли, степень обжатия её нижних слоёв и в целом механизм взаимодействия крепи с кровлей существенно зависит от положения равнодействующей сопротивления секций крепи как при начальном их распоре, так и при рабочем сопротивлении. Практически при любом схемном решении секции крепи равнодействующая её сопротивления расположена ближе к завальной части верхнего строения крепи. Соответственно и максимальные значения эпюры распределения сопротивления по ширине призабойного пространства находятся в зоне расположения гидростоек и тяготеют к завальной части секций крепи, в то время как в призабойной зоне сопротивление крепи зачастую оказывается недостаточным для эффективного поддержания кровли и надёжного обжатия её нижних слоёв. При таком характере распределения сопротивления в совокупности с образованием зависающих консолей пород непосредственной и основной кровель возрастает веро-

ятность появления закола впереди забоя и вероятность резкой осадки кровли. Смешение положения равнодействующей сопротивления в сторону забоя позволит более равномерно распределить сопротивление при увеличении его доли на забойных консолях. Этого можно добиться путём изменения соотношения сопротивления стоек переднего и заднего рядов в двухрядных крепях, расположением стоек, созданием дополнительного усилия на консолях за счёт применения активных противоотжимных устройств и т.д.

В наиболее общем случае взаимодействующие с крепью породы можно представить в виде консольной, защемлённой с одной стороны балки, нагруженной сосредоточенной реакцией крепи и равномерно распределённой нагрузкой, складываю-шейся из пригрузки со стороны вышележащих пород и веса самой балки.

После достижения напряжениями изгиба критической величины происходит хрупкое разрушение пород консоли в заделке и упругое восстановление деформированной нейтральной оси. При этом равномерно распределённая нагрузка действует только от собственного веса, а начальная деформация соответствует деформации блока перед разрушением.

Закон движения балки может быть описан системой дифференциальных уравнений, например, для двухопорной балки:

да

у = D(х) • + B(t) + £ A sin (knx) • cos(pnt);

n=l

f = - S Pn An sin (knx ) • sin ( pnt );

ду = ^Bt1 - S рП An sin (knX) • cos (Pnt),

_ dt дt n=i

где D(x), B(t), An, kn, pn - коэффициенты, зависящие от размеров обрушаемого блока, его физико-механических свойств, а также от силовых и геометрических параметров крепи.

Анализ полученных уравнений показывает, что в периоды интенсивных осадок кровли крепь подвержена динамическому нагружению со стороны упруго-деформированных пород, которое носит колебательный характер и зависит от параметров крепи, параметров обрушения и физико-механических свойств пород кровли.

В описанном механизме взаимодействия механизированной крепи с кровлей учтены не все определяющие его факторы. Схемы разрушения даже одного класса кровли могут быть весьма разнообразными и зависят не только от параметров крепи. Поведение кровли по мере подвигания забоя неоднородно, имеют место регулярные и периодические, вторичные осадки, приводящие к резкому повышению нагрузки на крепь, ухудшению состояния кровли и деформации элементов крепи.

Для эффективного управления кровлей в таких условиях возможно произвести ослабление кровли до её соответствия параметрам применяемой крепи, используя такие методы как принудительная первая посадка кровли, передовое торпедирование, гидрообработка, взрывогидрообработка или увязать параметры крепи с параметрами горного давления, ггщ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Буялич Геннадий Даниилович — доктор технических наук, профессор Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, Кузбасский государственный технический университет, e-mail: gdb@kuzstu.ru,

Антонов Юрий Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, Кузбасский государственный технический университет,

Шейкин Владимир Иванович — генеральный директор Кемеровского завода геологоразведочного оборудования.

д