Файл: Скуба, В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты.pdf

ханических динамометров типа ДНА, ДРИ (Скуба, Чеботаев, Евстратов, 1964) и динамометрических резиновых шайб. Пока­ зания последних фиксировались штангенциркулем с точностью до 0,1 мм.

Основные исследования велись на шахтах Норильска и Якутской АССР, где за более чем 10-летний период наблюдени­ ями было охвачено 78 капитальных и подготовительных выра­ боток, расположенных в различных температурных зонах. Общая протяженность выработок составляла 32 км. В них было установлено около 1,5 тыс. реперов, 106 динамометров и про­

§2. Проявления горного давления

ввыработках зоны многолетней мерзлоты

Исследования устойчивости подготовительных выработок в зоне многолетней мерзлоты показали, что при столбовых си­ стемах разработки практически ощутимое смещение пород в вы­ работках появляется на расстоянии 18—20 м от очистных за­ боев; по мере приближения фронта очистных работ к замерным станциям величина смещения пород возрастает, достигая макси­ мума после прохождения забоя. Характер смещения пород

63

10 О 10 20 м

l>k, мм/сутки

Рис. 26. Характер смещения пород кровли в подготовительных выработ­ ках под влиянием очистных работ в зоне многолетней мерзлоты (наблюде­ ния 1961 г.).

1 — положение забоя; 2 — реперы.

в выработках относительно постоянен (рис. 26). Сопоставление величин смещения пород на различных участках одной выра­ ботки показывает, что по мере продвижения очистного забоя интенсивность проявления горного давления постоянно нара­ стает. Однако через определенные интервалы интенсивность деформации массива впереди фронта работ резко падает. Это

того как подработанная консоль основной кровли достигает критических размеров, она обрушается, и в призабойной части пласта происходит разгрузка.

Наиболее интенсивное смещение пород в выработках отме­ чается впереди очистного забоя на расстоянии 2,5—3,5 м от него. При продвигающемся фронте очистных работ волна давле­ ния перемещается вместе с ним, при остановке очистного забоя

64

интенсивность смещения пород в выработках сразу дже резко уменьшается, что объясняется обрушением непосрественной кровли в очистном забое (рис. 27).

Инструментальными наблюдениями в выработках шести пластов установлено, что зона распространения опорного дав­ ления от очистных работ по пласту колеблется в пределах 8— 20 м. Максимальная скорость смещения 3—4 мм/сутки. Макси­ мум скоростей фиксируется на реперах, находящихся в не­ посредственной близости от линии очистных работ. Максималь­ ные величины смещения пород кровли без влияния опорного давления от отработки вышележащих столбов и надработки

20—30 мм.

5 0 5 10 15 20 25 м

Рис, 27, Величина и скорость опускания пород кровли в подготовительных выработках непосредственно у линии очистных работ в зоне многолетней мерзлоты (наблюдения 1962 г.). Уел. обозн. см. рис. 26.

Характеристики смещения пород кровли для всех указан­ ных пластов тождественны, параметры волн давления от дви­ жущегося очистного забоя подобны и зависят в основном от мощности непосредственной кровли, которая для рассмотрен­ ных условий находится в пределах 1,8—4,5 м. Это подтвержда­ ется тем, что при остановке очистного забоя смещение пород, в выработке стабилизируется. Однако через 2—3 месяца после остановки очистного забоя на его границе начинает форми­ роваться медленно нарастающее опорное давление. Интенсив­ ность его значительно меньше, нежели при движущемся забое, но продолжительность процесса измеряется месяцами. В этом случае граница зоны визуально ощутимого опорпого давления проходит на расстоянии около 30 м от контура очистных работ. В таких пределах раздавливание целика и деформация крепи фиксировались не только инструментально, но и визуально. Величина смещения пород кровли достигала 80—90 мм.

Визуальными и инструментальными наблюдениями уста­ новлено, что после остановки забоев опорное давление рас­ пространяется в глубь массива в две стадии. В первой стадии давление в основном обусловлено динамикой непосредственной кровли. Этот процесс отличается кратковременностью, но срав­ нительно большой интенсивностью. Через некоторое время при определенных параметрах начинается перераспределение на­ пряжений в основной кровле и покрывающем массиве. При этом в призабойной части угольного пласта формируется усиленноеопорное давление, сказывающееся на состоянии прилегаю­ щих подготовительных выработок.

Таким образом, при отработке пластов в зоне многолетней мерзлоты перед фронтом очистных работ образуется зона опор­ ного давления, максимум которой опережает фронт работ на 2,5—3 м, однако выработки сохраняют свое рабочее состоя­ ние и при деревянной и при штанговой крепи. При остановив­ шемся забое через 2 —3 месяца проявляется опорное давление, возникающее в результате перераспределения напряжений во всем массиве покрывающих пород. Зона давления распрост­ раняется в этом случае на 20—30 м в глубь массива. Усилен­ ное опорное давление на контурах выемочного поля продол­ жается в течение 1 —1,5 года и иногда приводит к деформаци­ ям крепи и выработок.

§3. Проявления горного давления

ввыработках переходной зоны

Об устойчивости горных выработок в переходной зоне можно судить по результатам исследований, которые прово­ дились на наблюдательных станциях, заложенных в двух параллельных (транспортерном и вентиляционном) штреках

66

пласта III па уклопе 6 шахты «Кайеркан». Расстояние между штреками 22 м. Верхний транспортерный штрек крепился де­ ревянной рамной крепью с расстоянием между рамами 0,5 м, нижний вентиляционный штрек — штанговой крепью с дере­ вянными подхватами. Глубина штангования 1,8 м, расстояние „ между штангами 1 м. Практически выработки находились в абсолютно одинаковых геологических условиях.

Наблюдательные станции в каждой выработке состояли из 46 пар рабочих реперов. Расстояние между реперами по длине выработки 2 м. Нагрузки на стоечную крепь транспор­ терного штрека измерялись в 8 точках. Нагрузки на штанги в вентиляционном штреке определялись в 9 точках, равно­ мерно расположенных по всей длине (90 м) выработки. Резуль­ таты наблюдений по замерной станции, расположенной в на­ иболее характерных условиях, графически изображены на рис. 28.

Анализ результатов исследований показывает, что при деревянной крепи практически ощутимое смещение пород кровли началось при приближении очистного забоя к замер­ ной станции на 25—30 м, величина смещения нижней пачки составляла 7 мм. По мере приближения очистных работ к за­ мерным станциям опускание пород кровли возрастало и в момент прохождения очистного забоя достигло 56 мм. Если до приближения очистных работ к замерной станции на 30 м опускание пород кровли составило 7 мм, то при приближении очистных работ на 10 м опускание пород кровли достигло 40 мм.

Рис. 28. Опускание, скорость опускания, расслоенио пород кровли и нагрузки на различную крепь в подготовительных выработках переход­ ной зоны в зависимости от расстояния до линии очистных работ:

I — опускание пород кровли; I I — расслоение пород кровли; I I I — нагрузка на крепь; IV — скорость опускания пород кровли; V —-расстояние до очистного забоя.

В этот период началось интенсивное коржение кровли и раз­ рушение деревянной крепи. Для сохранения выработки при прохождении очистного забоя на расстоянии 8 —10 м от его груди пришлось устанавливать дополнительное деревянное крепление. При штанговой крепи опускание пород кровли составляет 3 —4 мм после приближения очистных работ к за­ мерной станции на 25—30 м. На период прохождения очист­ ного забоя оно достигает 110—120 мм. При этом разрушение пород кровли незначительное (трещины, частичное коржение).

Интенсивное опускание пород кровли при приближении очистных работ хорошо видно при рассмотрении кривой ско­ ростей опускания пород кровли. При приближении очистных работ к наблюдаемым участкам на 25—30 м скорость опуска­ ния пород кровли резко возрастает. При деревянной крепи породы кровли разрушались, когда скорость их опускания до­ стигала 2 мм/сутки. При штанговой крепи скорость опускания пород кровли в момент прохождения очистных работ достигла 4,5 мм/сутки. При этом разрушения крепи и пород кровли не отмечалось.

Практически ощутимое расслоение пород кровли начина­ ется при приближении фронта очистных работ к наблюдаемому участку на 25—30 м и во время прохождения очистного забоя достигает 12 мм при деревянной крепи. При таком расслоении уже происходит разрушение деревянной крепи и пород кровли. При штанговой крепи расслоение пород кровли до 46 мм не вы­ зывало их разрушения. Нагрузка на крепь в этом случае при деревянной крепи составляет около 2 т, при штанговой — до 5 т.

Аналогичные результаты были получены при проведении исследований в выработках пласта I. В обрезном штреке 202 шахты «Кайеркан» на участках, закрепленных штанговой и деревянной крепью, наблюдения велись в течение 2 лет до по­ гашения выработки очистными работами. На протяжении 20 месяцев до подхода очистных работ к наблюдаемому участку на 25—30 м опускания и расслоения пород кровли не отмеча­ лось, установочные показания динамометров не изменялись. При прохождении очистных работ проявления горного давле­ ния протекали практически так же, как и в выработках пла­ ста III.

Установлено, что в переходной зоне породы кровли наи­ более интенсивно опускаются и расслаиваются под влиянием опорного давления от очистных работ. Волна его идет впереди забоя на расстоянии 25—30 м. Величина и скорость опускания пород непосредственной кровли в этот период таковы, что деревянная крепь становится непригодной. Практически все выработки, закрепленные деревянной крепью, несколько раз перекреплялись в процессе прохождения фронта очистных работ. Штанговая крепь улучшает условия поддержания выработок. Выработки, закрепленные ею, не перекреплялись.

68

§4. Проявления горного давления

ввыработках на подмерзлотных горизонтах

Исследования проявления горного давления в подготови­ тельных выработках на подмерзлотных горизонтах проводились в основном на шахтах «Кайеркан», «Западная-Коксовая» и «Центральная». Всего под наблюдением находилось около 1600 пог. м подготовительных выработок, в которых было установлено около 400 реперов и 3 станции глубинных реперов. Усредненные результаты маркшейдерских наблюдений за сме­ щением пород кровли в подготовительных выработках столбов 201—203 показаны на рис. 29.

Анализ результатов исследований показывает, что в под­ готовительных выработках, закрепленных деревянной рамной или штанговой крепью, практически ощутимое смещение и рас­ слоение пород кровли происходит только после приближения фронта очистных работ на 50—75 м. Реперы, установленные 1,5—2 года назад, до подхода к ним очистных работ на такое расстояние оставались без смещения. Исходя из этого, в даль­ нейшем при анализе проявлений горного давления в подгото­ вительных выработках сроком службы до 2 лет фактор времени опускается и рассмотрение ведется только в аспекте влияния очистных работ.

Смещение пород кровли в выработках, закрепленных дере­ вянной крепью, начинается при подходе горных работ на рас­ стояние около 75 м. Как правило, деревянная крепь начинает деформироваться при смещении пород кровли на 40—60 мм, что имеет место на расстоянии 10—15 м от очистного забоя, расслоение пород кровли при этом 30—35 мм. На расстоянии 5 м и менее деревянная рамная крепь полностью разрушается; смещение пород кровли 60—70 мм,

69