Исследование смещений кровли на пластах пологого падения

УДК 622.284.

М.С. Вагапов, В.Н. Хомченко

ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕЩЕНИЙ КРОВЛИ НА ПЛАСТАХ ПОЛОГОГО ПАДЕНИЯ

Несмотря на обширные работы в области изучения проявлений горного давления, остается еще много неизученных вопросов. Как известно, на режим работы крепей и условия их взаимодействия с боковыми породами оказывает существенное влияние характер сдвижения и разрушения пород кровли. Процесс разрушения кровли достаточно полно исследован для очистных забоев и совершенно недостаточны подобные исследования в самых сложных участках горных работ

- сопряжениях очистных забоев с примыкающими штреками. Кроме того, практика Кузбасса свидетельствует, что существующие способы охраны и поддержания подготовительных выработок (особенно при переходе к бесцеликовым схемам) далеко не всегда удовлетворяют условиям безопасности и экономичности работ.

Характер работы системы "крепь - вмещающие породы" в подготовительных выработках, находящийся в зоне влияния очистных работ, предопределяется двумя группами факторов: горно-геологическими и горнотехническими.

К первой группе факторов относятся, прежде всего, прочностные и деформационные свойства угля и боковых пород. Эта группа факторов изучается главным образом в лабораторных условиях по специальной методике.

Вторая группа факторов учитывается непосредственно при натурных наблюдениях, имеющих свои особенности.

Крепь подготовительных выработок, находящаяся в зоне влияния очистного забоя, работает в очень тяжелых условиях. Сразу же в момент проходки выработки происходит перерас-

пределение напряжений, горные породы либо деформируются упруго, либо переходят в упруго-пластическое состояние, либо разрушаются. Следовательно, уже к моменту установки крепи и началу ее работы происходит некоторое перемещение контура выработки. После установки крепи вся система "крепь - боковые породы" работает совместно. Наибольший интерес представляет выявле-

ние особенностей работы этой системы в наиболее сложных условиях - в зоне влияния очистного забоя и, особенно на сопряжениях лавы со штреками.

Общие теоретические рассуждения при этом можно свести к следующему. По мере отхода очистного забоя от разрезной печи (монтажной камеры) соотношение сторон прямоугольника площади обнажения кровли Ь/а уменьшается вплоть до первого обрушения кровли

(рис. 1).

В краевой зоне у неподвижных границ очистного забоя (в местах сопряжения лавы с вентиляционным и конвейерным штреками) происходит консольное зависание пород, что приводит к формированию опорного давления (рис. 2).

Над опорными контурами очистной выработки образуется зона 11-консольного прогиба пород. На угольный пласт и

крепи на сопряжениях в этой зоне оказывают давление силы тяжести зависших пород, лежащих выше зоны сдвижений. Под действием этих сил край угольного пласта раздавливается и давление, передаваемое на пласт, распределяется так, как показано на рис. 2. Максимум опорного давления будет расположен в месте опоры зависших породных слоев.

Ширина зоны консольного прогиба и характер распределе-

Ґ Ґ / Г / Г '

\/ / / / / ////// // / і | /

/ / / //У /////////У/ 1 / / '/ /

/

/ / ////}}// *////''////' * —- а

Рис 1. Схема формирования выработанного пространства

ния напряжений в кровле зависит от горно-геологических и горнотехнических факторов (прочностные характеристики угля и пород, глубина залегания, вид крепи и т.д.).

Размер зоны опорного давления увязывается с процессом уплотнения обрушенных пород, (т.е., смещения пород в выработанном пространстве могут прекратиться только после того как после уплотнения обрушенных пород слои кровли изгибаются и получают надежную опору со стороны выработанного пространства). После этого формирование зоны разрушенного угля затухает. Поэтому, если с момента обрушения кровли прошло достаточно времени, можно полагать, что сдвижения в породах кровли и в обрушенных породах прктически прекратились. При этом максимум опорного давления переместился вглубь массива. Именно из этих рассуждений было сделано заключение о целесообразности расположения подготовительных выработок в зоне пласта, разгруженной от повышенных напряжений - проведение штреков на контакте с обрушенными породами ранее отработанной лавы ("бесцеликовая подготовка").

Процесс разрушения кровли над примыкающими к лаве штреками начинается, как правило, впереди очистного забоя. Благодаря наличию в осадочных породах ослабленных межслое-вых контактов под действием касательных напряжении происходит их разрушение (расслоение пород). В процессе расслоения пород в зоне опорного давления часто начинают образовываться наклонные трещины давления.

Характер разрушения непосредственной кровли предопределяет состояние системы "крепь - боковые породы" и режим нагружения отдельных элементов крепи (особенно на пластах с тяжелыми кровлями). На режим нагружения крепи сопряжений оказывает влияние

также осадки основной кровли. Это влияние зависит, прежде всего от параметров обрушаю-щихся блоков, которые наиболее точно могут быть установлены шахтными наблюдениями.

Известно, что интенсивность конвергенции в подготовительных выработках в условиях установившегося горного давления изменяется несущественно и может быть охарактеризована условно постоянной величиной. Поэтому, зная срок существования штрека с момента его проведения и среднюю скорость смещения кровли можно с достаточной степенью

ному забою на участках длиной 40-50 м - зоне опорного давления. Именно процессы сдвижений пород в этой зоне, в конечном счете предопределяют характер работы системы "крепь-боковые породы".

Исходя из этого, замерные станции на штреках оборудуются с опережением очистного забоя на 60-100 м.

С целью экономии времени на выполнение полного цикла наблюдений (из расчета примерно две недели на один полный цикл) замерные станции оборудуются с интервалом 10 м друг от друга (рис. 3).

иа(Ш/<({((((.

Рис. 3. Схема расположения замерных станций на штреке

Многолетними исследованиями кафедры РМПИ установлено, что влияние очистных работ на смещения пород в оконтуривающих выработках не превышает 40-50 м. Поэтому

достоверности установить величину полной конвергенции за любой отрезок времени. В исследованиях наибольший интерес представляют конвергенции в зонах, прилегающих к очист-

Рис. 4. Схема оборудования замерной станции на штреке

пять станций с интервалом 10 м полностью охватывают интересующую нас зону. Станция № 6 оборудуется в 100 м впереди забоя лавы и служит для выявления интенсивности

конвергенции вне зоны влияния очистных работ,

С целью установления характера деформации массива в краевой части штрека со стороны вынимаемого столба при различных крепях оборудуется замерная станция № 7 в специально проводимой нише глубиной до 2 м и шириной не более 1 м.

Многочисленными исследованиями в различных горногеологических условиях влияние ниши такой ширины на характер деформаций вмещающих пород не установлено. Это позволяет результаты инструментальных наблюдений в нише с достаточной степенью достоверности отождествлять с процессами, протекающими в массиве.

В большинстве случаев наибольшие значения конвергенции кровли и почвы наблюдаются в средней части пролета верхняка.

Поэтому реперы Яг и Я': (рис. 4) устанавливаются по осевой линии штрека. Горизонтальные смещения массива замеряются между парными реперами Я2 и Я’2, которые размещаются примерно в середине пласта по мощности.

Для корректировки на возможное пучение почвы производятся замеры по отвесу между репером в почве пласта Я’} и точкой пересечения отвеса Яг Я’: с полотном рулетки ВНИМИ Я2-Я’2 (т.е. размер 0-Я’:).

В случае необходимости принимается решение о замерах отдельно величин Я2-0 и 0- Я’2 (это дает возможность оценить интенсивность отжима с обеих бортов штрека).

Замерная станция в нише состоит из двух пар реперов, устанавливаемых на расстоянии

0,5 и 1,5 м от борта штрека (рис.

5).

Замеры смещений между парными реперами в нише Ян1 и

Общее руководство организацией шахтных наблюдений и обработка их результатов осуществляет научный руководитель работы. С участием всех членов научного коллектива составляется график выезда ка-

1Т7ТП ТРТП ) > ) > ТТТТТТТ77ТТТТТГТТТТТ1ТГТТТ7ТТТТТТТТГПт

Рис. 5. Схема оборудования замерной станции в нише

Ян2 производятся рулетками ВНИМИ или измерительными стойками СУ-II, а с момента, когда до линии забоя лавы остается 3 м замеры ведутся непрерывно с помощью стоек СУ-11 с самописцем С-11.

Для оценки работы крепи сопряжения в тех случаях, когда такие наблюдение необходимы, следует фиксировать:

а) начальный распор крепи;

б) характер изменения реакции крепи от момента установки до новой передвижки;

в) характерные особенности взаимодействия крепи сопряжений с кровлей (состояние кровли на сопряжении, оценка безопасности работ и т.д.).

Учитывая, что крепь сопряжения работает в резко переменном режиме (частые передвижки), наилучшим способом измерений любых изучаемых параметров (реакция крепи, а именно, просадки выдвижных частей) является применение самопишущей аппаратуры. Это и предусматривается настоящей методикой.

Детализация производства замеров для каждого исследуемого сопряжения производится индивидуально.

ждого работника на шахту и распределяются функции. Замеры производятся непрерывно в течение двух-трех недель в условиях прошедшей первой посадки и первичной осадки основной кровли. В условиях установившегося режима обрушения кровли замеры производить не реже одного раза в смену на штреках за пределами зоны опорного давления. В зоне интенсивных сдвижений под влиянием производственных процессов, наблюдения необходимо проводить непрерывно с помощью самопишущих приборов различного типа. В передовых нишах желательно производить наблюдения при помощи самописцев, работающих в круглосуточном режиме.

Нашими исследованиями было установлено, что интенсивность и величины смещении кровли резко возрастают начиная с 0,5-1,0 м впереди лавы и оказывают существенное влияние на состояние кровли и массива угля в призабойной зоне. Правомерно предположить, что этот вывод может быть применен и к сопряжению лавы.

С целью проверки этого предположения в нише в 0,5-1,0

Таблица 1

Результаты натурных измерений

Расстояние между репе м а и, м а о.

Яі-Я’і Я2-Я 2 Я3-Я’3 К4-Я’4 Я5-Я’5

Номер

станций

Расстояние до лавы, м

скважин должна быть такой, чтобы пересечь толщу непосредственной кровли и не менее, чем на 0,5 м захватить основную кровлю (рис. 6).

Самый дальний от устья скважины глубинный репер Я1 закрепляется в породах основной кровли. Реперы Я2 и Я3 фиксируются в породах непо-

позволяет установить возможность применения следующих технологий подготовки вы-

емочных столбов на пологих пластах:

1. Сохранение и повторное

использование оконтуриваю-

щих горных выработок.

2. Отработка выемочных столбов многоштрековой подго-

м впереди лавы производится несколько серий замеров скоростей смещения кровли индикаторами часового типа с необходимым интервалом времени (560 сек.).

Результаты измерений заносятся в специальный "Журнал наблюдений" по следующему образцу (табл. 1).

Исследованиями на шахтах Кузбасса установлено, что расслоение пород кровли начинаются уже впереди очистного забоя над угольным массивом. Это опережение обычно не превышает 3-4 м, хотя и бывают отклонения в большую сторону до 5-6 м. Высота зоны расслоения кровли в призабойной зоне обычно ограничивается мощностью пород непосредственной кровли.

Следует отметить, что расслоение пород кровли в горных выработках, формируемых в выработанном пространстве очистного забоя, изучалось недостаточно. Поэтому методикой предусматривается исследование и этого вопроса.

С целью установления влияния способа охраны штрека на расслоение кровли предусматривается провести наблюдения при следующих условиях.

1. Конвейерный штрек лавы охраняется по схеме массив -массив.

2. Вентиляционный штрек охраняется по схемам:

а) целик с переменной шириной от 15 до 6 м - выработанное пространство;

б) с обеих сторон штрека обрушенные породы.

Для изучения характера расслоения кровли на штреках бурятся по нормали к кровле специальные скважины. Длина

Авторы статьи:

Вагапов

Мидахат Сайфутдинович

- канд. техн. наук, доц. каф.

"Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом"

средственной кровли, разделяя ее на примерно три равные по высоте части. Нижний репер Я4 фиксируется у кровли штрека. В почве штрека в створе со скважиной устанавливается базовый репер Яп. Конструкция глубинных реперов Я], Я2, Я3 и Я4 полностью исключает их "проскальзывание" по скважине.

Перемещение реперов Я:, Я2, Я3 и Я4 относительно репера Яп фиксируется рулеткой ВНИМИ с точностью до 0,5 мм.

Результаты замеров заносятся в "Журнал наблюдений" по специально разработанной форме.

Данная методика исследования проявлений горного давления в выработках, примыкающих к очистному забою,

Хомченко Валерий Николаевич

- канд. техн. наук, доц. каф. "Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом"

товкой или спаренными лавами.

3. Отработка выемочных столбов с формированием одного из оконтуривающих штреков.

При этом появляется возможность делать следующие выводы.

1. Определять состояние штрека на экспериментальном участке.

2. Устанавливать интенсивность проявления горного давления в штреках.

3. Способность крепей предотвращать интенсивное расслоение и разрушение непосредственной кровли.

4. Устанавливать скорость опускания кровли при различных технологиях подготовки и отработки выемочных столбов.