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

очистных работ, опускание пород кровли при различной плот­ ности штанговой крепи протекает аналогично, но в более ко­ роткий срок — около 2 месяцев.

Таким образом, в зоне многолетней мерзлоты и переходной зоне плотность крепи существенно влияет на величину опуска­ ния заштангованной кровли, причем граница безопасной плот­ ности для ненадработанных пластов 0,83 штг/м2, для надработанных — 1 штг/м2. Выше границы подниматься не имеет смысла, так как величины смещения пород кровли и нагрузки на крепь не превосходят критических значений при прохожде­ нии очистного забоя. Переход границы в сторону уменьшения плотности возможен, но в каждом конкретном случае в зави­ симости от назначеная и срока службы выработки должен решаться с учетом всех обстоятельств.

На подмерзлотных горизонтах влияние плотности штанго­ вой крепи па смещение пород и нагрузки на крепь изучалось в панельном штреке 201 на шахте «Кайеркан». В этой выработ­

1,04—0,83 штг/м2 средняя величина смещения 60—70 мм. При плотности крепи 0,51 штг/м2 смещение пород в момент прохо­ ждения очистных работ достигает 80 мм и более, т. е. превосхо­ дит критическую величину смещения пород кровли для усло­ вий подмерзлотных горизонтов. В процессе эксплуатации вы­ работки участок с плотностью крепи 0,51 штг/м2 при подходе очистных работ к нему на 15—20 м стал разрушаться. Нача­ лось интенсивное разрушение боков и коржение кровли выра­ ботки. Появилась необходимость в дополнительном крепле­ нии выработки. Усиление крепи осуществлялось и на участке с плотностью 0,69 штг/м2. После установки поддерживающей деревянной крепи разрушение выработки прекратилось. Сме­ щения пород кровли на участках выработки с плотностью

94

yK1MM

крепи 1,04 и 0,83 штг/м2 в течение всего периода эксплуата­ ции не превышали критической величины, эти участки на­ ходились в рабочем состоянии без дополнительного креп­ ления.

§2. Влияние натяжения штанговой крепи

итипа подхватов

на устойчивость заштангованной кровли

Нормальная работа штанговой крепи существенно зависит от начального натяжения, создаваемого в штангах. Оно препят­ ствует интенсивному расслоению пород кровли, заставляет слои последней работать совместно, в результате чего повышает­ ся несущая способность заштангованных пород. Начальное натяжение штанг не может быть больше прочности закрепле­ ния верхнего замка, а при работе штанг в комплекте с деревян­ ными подхватами не должно превышать допускаемого напря­ жения на смятие для данного рода древесины и, следователь­ но, зависит от площади опорных шайб. На шахтах широко при­ меняются металлические штанги с деревянными подхватами (доска толщиной 60 мм) и шайбами из Ст. 3 размерами 100 X X 100x8 мм. При этом часто наблюдается, что шайбы, уста­ новленные под деревянный подхват, продавливают его. Со­ стояние пород кровли в таких местах значительно ухудшается. Появляются трещины, местные вывалы нижнего слоя. В то же время увеличение натяжения штанг приводит к тому, что опорная шайба внедряется в подхват и деформирует его (Скуба и др., 1965). Для выяснения этого вопроса проведены лабо­

95

раторные исследования, сущность которых заключалась в сле­ дующем.

Подхват толщиной 60 мм в сочетании с шайбами различных размеров и металлической штангой располагался между тра­ версами 5-тонного весового пресса. В штанге динамометри­ ческим ключом создавалось натяжение, которое регистировалось шкалой пресса. Результаты лабораторных исследований

ния 2,5 т. Достичь большего значения можно только на корот­ кий момент, так как в дальнейшем это натяжение падает до своей оптимальной величины вследствие смятия подхвата в мес­ тах соприкосновения с шайбой. При медленном создании натяже­ ний после 2,5 т отмечается внедрение шайбы в подхват до образования жесткой подушки, создаваемой смятой древеси­ ной. Шайба 150\150 мм в таком же эксперименте дает возмож­ ность увеличить значение оптимальной величины до 4 т. На­ тяжение, возникшее в штанге без деревянного подхвата, практи­ чески не падает.

Таким образом, создание натяжения больше оптимального значения, установленного лабораторным путем для различного рода древесины и размеров шайб, не имеет смысла, так как, кроме разрушения подхвата, ничего не достигается. В шахтных условиях при применении клинощелевых штанг начальное на­ тяжение создается ручным ключом и практически находится в пределах 0,8—2 т, ибо создание большего натяжения тре­ бует значительных физических усилий.

Для выяснений необходимой величины начального натяже­ ния штанг п его изменения во времени, а также влияния на поведение заштангованной кровля в шахтных условиях при креплении подготовительных выработок под штанги с деревян­ ными подхватами и шайбами 100x100 мм устанавливались динамометры с резиновой прокладкой, и показания этих ди­ намометров регистрировались. Исследования проводились в вы­ работках, подверженных влиянию очистных работ для фикса­ ции наиболее характерных явлений. В результате исследова­ ний выяснено, что динамометры, установленные под деревянные

2.5—3,5 т. Натяжение штанг в 1,5—3 т оставалось таким же до начала развития прогибов кровли. Затем по мере увеличе­ ния прогиба оно доходило до 2,5—3 т (при шайбах 100x100 мм) и некоторое время оставалось постоянным, несмотря на опуска­ ние кровли. В это время шайбы внедрялись в подхват, что сразу сказывалось на состоянии кровли: она начинала растре­ скиваться и коржиться. При дальнейшем опускании кровли всегда происходило увеличение натяжения штанги до величины усилия закрепления замка штанги в породах или, если к тому

96

времени стержень штангп уже зажат сдвигающимися напласто­ ваниями кровли, до величины несущей способности штанги. Наступает момент равновесия. При последующем развитии прогибов наблюдалось протаскивание штанги по шпуру, раз­ лом и обрушение всей кровли. Это очень важное обстоятель­ ство, так как знание «критического» натяжения, равного уси­ лию закрепления штанги замка, может служить критерием безопасности работ. Знание этой величины для конкретных условий позволяет заранее прекратить работы во избежание неожиданного обрушения кровли.

Начальное натяжение штанг в 1,5—2 т вполне достаточно для нормальной работы кровли, закрепленной штангами при консолидации слоев, так как этой величины хватает для удер­ жания нижней пачки кровли от прогибов под действием соб­ ственного веса. Дальнейшие процессы протекают в основном независимо от начального натяжения штанг, что подтверждается результатами опытных работ с металлическими полосами вмес­ то деревянных подхватов. Устанавливаемые под металлические полосы штанги имели натяжение 1,-5—2 т. Нижний слой, не имея возможности опускаться за счет смятия подхватов, про­ гибался равномерно. Соседние же участки, закрепленные штан­ гами с деревянными подхватами, имели нарушениость Кровли и подхватов (местное коржение). Натяжение штанг, установ­ ленных с металлическими полосами, росло беспрерывно до критического значения. При установке штанг без подхватов шайбами 100x100 мм непосредственно под кровлю создание натяжения больше 2—3 т неблагоприятно сказывается на состоя­ нии нижнего слоя, особенно если он представлен аргиллитами вследствие малой площади опоры и образования зон повышен­ ного напряжения в породе в районе нижнего замка. При уста­ новке штанг без подхватов хорошо себя зарекомендовали шай­ бы 200x200 мм.

Результаты наблюдений за проявлением горного давления в выработках пласта I, закрепленных штанговой крепью с ме­ таллическими подхватами, показали, что при начальном натя­ жении штанг 1,5—5 т и применении металлических полос опускание пород кровли за 4 месяца составило 22—36 мм, расслоение пород кровли — 4 —5 мм и нагрузки па крепь — 4,3—5,3 т. Опускание нижнего слоя кровли на участке без крепи протекало интенсивно, и через месяц по достижении величины 43 мм слой разрушился. Опускание пород кровли при начальном натяжении штанг 1,5—5 т и применении дере­ вянных подхватов за этот же период составило 38—53 мм и было несколько выше, чем опускание пород при металлических подхватах. Кроме того, в определенные периоды времени отме­ чалась разница в величинах опускания пород кровли при на­ тяжениях штанг 1,5—2 и 3 —5 т. В начальный период (1,5 — 2 месяца) при натяжении штанг 1,5—2 т опускание пород

кровли достигло 14—17 мм и протекало интенсивнее, чем при натяжении 3 —5 т, когда за то же время опускание пород соста­ вило 8 —9 мм. Затем процесс стабилизируется.

Расслоение пород кровли при применении металлических подхватов составляет 3 —5 мм за 5 —6 месяцев. При деревянных подхватах величина расслоения за это же время 9 —12 мм, при натяжении 1,5—2 т она на 3 —5 мм выше, чем при началь­ ном натяжении штанг в 3 —5 т. Несмотря на различное натя­ жение штанг (от 1,5 до 5 т), опускание п расслоение пород кровли через 5 —6 месяцев после установки крепи имеют прак­ тически одинаковые значения для определенного типа под­ хватов.

Таким образом, смещение п расслоение пород кровли через 1,5—2 месяца после установки крепи не зависят от натяжения штанг (при условии, что оно не менее 1,5—2 т), а если и есть разница в величинах опускания, то она появляется вследствие податливости подхватов.

При изучении влияния взрывных работ на начальное натя­ жение в штангах, установленных с разными типами подхватов на различном расстоянии от забоя, создавалось определенное натяжение. После этого производился взрыв. Натяжение штанг до взрыва и после него определялось прибором ДК-1.

Результаты свидетельствуют, что на натяжение штанг, уста­ новленных без подхватов непосредственно шайбами под кровлю или с металлическими подхватами, взрывные работы практи­ чески не влияют, независимо от того, близко или далеко они произведены. Начальное натяжение штанг, установленных с деревянными подхватами, после взрыва резко падает. В тех случаях, когда взрыв производится непосредственно около штанг на расстоянии не более 1 м, натяжение их падает до нуля, что происходит вследствие смятия подхвата на контакте с шайбами от действия взрывной волны. После взрывных ра­ бот на 3 —4 ближних от забоя рядах штанг необходимо повтор­ но восстановить начальное натяжение штанг. Это предотвращает свободное отслоение нижнего слоя кровли и тем самым разру­ шение пород кровли.

§ 3. Определение оптимальной мощности заштангованных пород и плотности штанговой крепи

Сложность и разнообразие условий, влияющих на развитие и проявление горного давления, непостоянство физико-меха­ нических свойств горных пород и некоторых других факторов, изменяющих строение и прочностные свойства массива, обуслов­ ливают возможность разработки только грубо ориентировоч­ ного метода расчета параметров штанговой крепи, результаты которого каждый раз должны быть проверены и откорректиро­ ваны практикой.

98