Файл: Глушихин, Ф. П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях.pdf

эти фактора указывают на то, что искривление в сто­ рону забоя наклонных трещин в нижней части непо­ средственной кровли наблюдается в условиях, где могут возникать значительные силы распора в системе блоков.

На гиперболическую форму наклонных трещин ука­ зывали немецкие исследователи [21], которые объяс­ няют искривление трещим действием сил трения, возни­ кающих на контакте между пластом и непосредственной кровлей.

По времени возникновения все трещины можно раз­ делить на первичные и вторичные. К первичным отно­ сятся наклонные, ступенчатые и трещины по напласто­ ванию, отделяющие блок от вышележащего песчаника, ко вторичным — все остальные трещины. Очевидно, что на образование первичных трещин крепь, установлен­ ная в лаве, влияния не оказывает.

Взаимное перемещение блоков во всех лавах проис­ ходило в основном по наклонным трещинам, которые являлись как бы направляющими в кинематике разру­ шенного массива пород. Трещины по напластованию, возникающие обычно позднее наклонных, оказывают меньшее влияние на схему перемещения блоков. В про­ цессе кинематического и силового взаимодействия бло­ ков происходят дополнительные мелкие нарушения, вы­ крашивания и т. д., которые оказывают незначительное влияние на общую картину перемещения блоков.

Таким образом, все виды нарушений в кровле по сте­ пени влияния их на кинематику перемещений блоков можно представить в виде схемы, состоящей из трех групп: 1) главные; 2) второстепенные и 3) местные.

К первой группе схемы относятся первичные трещины, ко второй — вторичные трещины по напластованию, к третьей — нарушения местного характера.

При других схемах разрушения непосредственной кровли группы трещин могут меняться местами или две группы объединяться в одну; угол наклона трещин из­ меняться от 37 до 80°, составляя в среднем 65—67°. Меньшие значения утла наклона отмечались на контуре непосредственной кровли, максимальные — вблизи гра­ ницы с основной кровлей.

Вторичные трещины по напластованию, как было указано выше, возникают позднее наклонных и имеют распространение в пределах одного, редко двух блоков,

70

т. е. плоскости расслоения соседних блоков, как правило, не совпадают. Трещины, расположенные внутри блока и не оказывающие большого влияния на характер пере­ мещений блоков, мы отнесли к второстепенным. Однако при изменении схемы обрушения кровли вследствие ка­ ких-либо причин эти трещины могут приобретать свой­ ства главных, т. е. по ним могут происходить смещения отдельных частей блоков.

Местные нарушения, возникающие обычно в местах контактирования блоков между собой, имеют различное направление, небольшую протяженность и иногда зна­ чительную густоту. Они не оказывают существенного влияния на схему перемещения кровли и взаимодействия

еес крепью, но существенно ухудшают состояние кровли

впризабойном пространстве, так как приурочены в ос­ новном к нижней части кровли и способствуют образо­ ванию вывалов.

Блочная схема разрушения кровли с образованием арочных систем, склонных к периодическим проседа­ ниям, создает своеобразные условия работы крепи. На­ блюдения в шахте показали, что во время образования арки при небольшом количестве зависших блоков сме­

щения кровли незначительны, крепь нагружена слабо (деревянные верхняки не раздавлены, тумбы ОКУ легко разгружаются), посадки кровли не происходит, блоки зависают в выработанном пространстве. По мере уве­ личения пролета арки смещения кровли нарастают мед­ ленно. При достижении пролетом предельного размера вся система блоков способна проседать на значитель­ ную величину, что приводит к резкому повышению на­ грузок на крепь. Деревянные верхняки раздавливаются в течение 15—30 мин, увеличиваются ступени в кровле, приводящие к разрыву верхняков и т. д.

Проседания арок сопровождаются резкими, почти мгновенными смещениями кровли, носящими характер удара. Иногда такие удары приводят к завалу лав (большим смещениям кровли), сопровождающемуся поломами деревянной крепи, и изгибом металлических стоек. Тумбы ОКУ либо проседают нажестко, либо наклоняются в сторону забоя, иногда падают. Как пра­ вило, такие периоды сопровождаются большими смеще­ ниями кровли вдоль линии забоя лавы.

Трудности управления кровлей способом полного

71

обрушения на таких пластах отмечали Г. Н. Кузнецов,

Эти трудности имели место и при попытках внедрить на таких пластах современные механизированные крепи. Хотя они и позволили предотвратить внезапные завалы лав, однако большие смещения кровли, вывалы породы кровли, зажатие секций нажестко и деформирование от­ дельных элементов крепи указывают на необходимость совершенствования существующих механизированных крепей, применяемых на пластах с трудноуправляемыми кровлями.

Результаты исследований позволили уточнить и кон­ кретизировать схемы разрушения пород непосредствен­ ной и основной кровель над призабойным пространством длинного очистного забоя. Но прежде чем расматривать возможные схемы разрушения, необходимо оговорить понимание некоторых терминов, так как на практике они часто имеют различное толкование.

О б р у ш а е м о с т ь к р о в е л ь — наиболее широко применяемый термин, характеризующий склонность по­ род непосредственной кровли к обрушению. Известны несколько классификаций кровель по обрушаемости, среди которых широко известны классификации б. ВУГИ

[1] и ВНИМИ [4].

Исследования последних лет показали, что обрушае­ мость кровель еще не определяет способов управления кровлей и крепления призабойного пространства.

У с т о й ч и в о с т ь к р о в л и следует понимать только как устойчивость самых нижних слоев кровли. Этот термин неприменим к характеристике обрушае­ мости кровель, как это иногда имеет место на практике и в литературе.

Устойчивость кровли отражает свойство нижних слоев кровли не обрушаться при отсутствии крепи. Характе­ ристикой устойчивости кровли являются площадь ее обнажения и время, в течение которого она способна не обрушаться. Устойчивость кровли оказывает сущест­ венное влияние на успешную отработку пласта, выбор типа и конструкции крепи и способ управления кровлей. Классификация кровель по их устойчивости разработана ВНИМИ [4] применительно к наиболее типовым техно­ логическим схемам выемки угля в длинных очистных

72

забоях. Совершенствование способов выемки и средств крепления требует разработки более совершенных коли­

ство кровель подвергаться воздействию комплекса при­ меняемых мероприятий по управлению и креплению. На это свойство оказывают влияние целый ряд факто­ ров, среди которых доминирующее место занимают обрушаемость и устойчивость кровель и характер раз­ рушения и перемещения пород над призабойным и вы­ работанным пространствами.

Комплекс мероприятий, необходимый для поддержа­ ния кровли очистного забоя в состоянии, обеспечиваю­ щем безопасность труда и нормальную работу машин и механизмов, определяет степень управляемости кровли. Известно, что в зависимости от конкретных условий отработки пласта комплекс мероприятий включает в себя больший или меньший объем работ даже при одном классе пород по обрушаемости.

Термин «управляемость кровель» уже получил широ­ кое применение, однако толкование его весьма различно, а иногда под этим термином понимают обрушаемость. Исходя из принятого определения, все кровли пологих пластов по степени их управляемости можно разделить на три типа.

I. Л е г к о у п р а в л я е м ы е к р о в л и (рис. 23,а). К ним относятся легкообрушающиеся мелкокусковатые кровли без влияния осадок основной кровли, без не­ устойчивых слоев (ложных кровель), сложенные поро­ дами средней прочности. Управление кровлей — полное обрушение без применения специальной крепи. Плот­ ность призабойной индивидуальной крепи до 1 стойки на 1 м2. Применимы все типы механизированных крепей. К легкоуправляемым кровлям относится часть легко-

мелко- и среднекусковатые, сложенные породами сред­ ней прочности, устойчивые и средней устойчивости. Управление кровлей — полное обрушение с применением специальной однорядной крепи, плотность призабойной

73

крепи 1—2 стойки на 1 м2. Применимы все типы механи­

относятся кровли, для поддержания которых необходимо

б

применение специальных мер усиления крепи и спе­ циальных способов управления; разделяются на три под­ группы.

Ша. Легкообрушающиеся (рис. 23, б) с резкими про­ явлениями осадок основной кровли средне- и крупнокусковатые, с неустойчивыми нижними слоями, для поддержания которых требуется полная затяжка кровли, усиленная призабойная и посадочная крепи (плотность гфизабойной крепи 3,5—4 стойки на 1 м2). Способ управления — полное обрушение, закладка. Применимы механизированные крепи поддерживающего и поддер- живающе-оградительного типа с надежной защитой призабойного пространства. По классификации обру­ шаемости ВНИМИ относятся к классу IB.

с влиянием осадок основной кровли. Эти кровли требуют усиления призабойной и посадочной крепи (применение многорядной органки, кустов, тумб). Способ управле­

74

механизированные крепи поддерживающего и поддер- живаюше-оградительного типа. По классификации обру-

прочные, образующие большие консоли, превышающие ширину призабойного пространства, обрушающиеся на больших площадях. Управление кровлей принудительное обрушение, обрушение на угольные «ножи», закладка, удержание на целиках и др. В классификации обрушаемости ВНИМИ не выделены.

На характер взаимодействия крепи и кровли влияет целый ряд других, не отмеченных в предложенной типи­ зации факторов, однако это влияние менее значительно и сами факторы более изменчивы. Полный учет влияния этих факторов может быть произведен при конкретном рассмотрении каждого подтипа в отдельности. Учет же их в типизации значительно усложнил и затруднил бы ее практическое использование.

Трудность управления кровлями, отнесенными к под­ типу Ша, заключается в том, что под влиянием осадок основной кровли непосредственная кровля, представлен-

■ная легкообрушающимися породами небольшой мощ­ ности, обычно легко разрушается. Крепь «обыгры­ вается» и не может развить достаточного сопротивления. В этих условиях необходимо полностью затягивать кров­ лю и обеспечить высокую плотность крепи.

Особую трудность для управления представляют тяжелые кровли, отнесенные к подтипу III6. Анализ наблюдений ВНИМИ и других институтов, показал, что трудноуправляемые тяжелые кровли имеют место на пластах со следующими горно-геологическими условиями:

а) непосредственные кровли представлены, как пра­ вило, монолитными и мощными слоями сравнительно прочных (250—800 кгс/см2 на сжатие) пород;

б) основные кровли представлены мощными слоями прочных пород;

в) глубина залегания пласта более"150 м. Естественно, что далеко не всегда в указанных ус­

ловиях проявления горного давления будут тяжелыми, так как на эффективность поддержания кровель влияют и другие факторы. Трудность поддержания таких кро-

75

вель в очистном забое вызывается разрушением непо­ средственной и основной кровли на узкие блоки. В зависимости от соотношения мощности разрушающе­ гося слоя непосредственной кровли и мощности пласта нами в подтипе тяжелых кровель выделяются четыре основные группы (рис. 24). Коэффициент Км, характе­ ризующий отношение мощности слоя кровлей и пласта т является количественным определителем групп.

Рис. 24. Основные группы тяжелых кро­ вель

Для группы I (Км<2) свойственно выпадение бло­ ков непосредственной кровли сразу за крепью. Основная кровля оказывает влияние на работу крепи передачей на нее дополнительных нагрузок и перемещения через блоки непосредственной кровли.

Группа II (2 < К М< 5 ) характеризуется значитель­ ными ступенчатыми зависаниями системы блоков в вы­ работанном пространстве с периодическими резкими проседаниями, сопровождающимися увеличением нагру­ зок на крепь. Влияние осадок основной кровли здесь также имеет большое значение.

ной кровли на работу призабойной крепи оказывают незначительное влияние.

В группе IV непосредственные кровли представлены прочными породами (типа песчаников и известняков), обрушающимися в виде блоков, длина которых превы­ шает ширину призабойного пространства. Для этой группы характерно отсутствие арочной системы из не­ скольких блоков.

76

Схема взаимодействия крепи и кровли при примене­ нии закладки здесь не приводится, так как условия ра­ боты крепи в этом случае значительно облегчаются. Использование же способа управления кровлей заклад­ кой может быть вызвано несколькими причинами, основ­ ными из которых являются: весьма тяжелые условия нагружения крепей, наличие ложной кровли и весьма слабой почвы, отсутствие крепей с достаточной несущей способностью, необходимость охраны поверхности и др. Поэтому вопрос о целесообразности применения за ­ кладки следует рассматривать в каждом конкретном случае.

Границы блоков четко наблюдаются на пластах, сло­ женных прочными углями. При слабых углях и почвах, выемке угля с помощью ВВ или при наличии ложной кровли границы между блоками (наклонные трещины) могут проявляться менее четко.

В процессе наблюдений установлено, что на возник­ новение арочной системы в цепи наклонных блоков

средственной кровле отсутствовала. Следует сказать, что при больших значениях С, т. е. при длинных бло­ ках, арочная система начинает возникать снова при определенных соотношениях мощности слоя и пласта [23].

Особенностью крупноблочного разрушения непосред­ ственных кровель являются смещения контура кровли в плоскости пласта в сторону забоя, достигающее 25% от смещений по нормали к пласту.

Указанные особенности разрушения, перемещения и взаимодействия с крепью кровель, представленных слоями прочных и монолитных пород, существенно отли­ чаются от сложившихся представлений о данных про­ цессах. В связи с этим необходим новый подход к ре­ шению вопроса об установлении параметров крепи. Часть из них может быть уточнена исследованиями на моделях.

77

Г л а в а III

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ БЛОКОВ РАЗРУШЕННОЙ КРОВЛИ

ИВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИХ С КРЕПЬЮ

§1. Методика исследований

Врезультате шахтных исследований установлены характер разрушения и перемещения трудноуправляе­ мых кровель, общие закономерности взаимодействия их

скрепью и ряд других принципиальных особенностей,

характеризующих условия поддержания таких кровель в очистных забоях.

Вместе с тем целый ряд важных вопросов взаимо­ действия блоков с крепыо не мог быть решен в шахте из-за влияния различных факторов: наличия ложной кровли, непостоянства условий контактирования блоков кровли, местных нарушений пород кровли, изменчивости фактических характеристик системы крепь — боковые породы и т. д. Исключить влияние этих факторов в про­ цессе исследований можно только в моделях.

Для лабораторных исследований был использован метод структурных моделей, предложенный Г. Н. Куз­ нецовым [44]. В основу этого метода положено представ­ ление о породах кровли над очистным забоем как. о массиве, составленном из отдельных структурных эле­ ментов, связанных между собой силами сцепления и тре­ ния. Форма этих элементов может быть различна и зависеть от строения и схем разрушения кровли. Приме­ нительно к пластам с трудноуправляемыми кровлями форма этих элементов в непосредственной и основной кровлях близка, как показано в предыдущей главе, к форме параллелепипеда. Размеры их для конкретных условий являются более или менее стабильными. Пере-

78

мещение таких элементов в пространстве происходит согласно законам механики кинематических цепей, воз­ никающих в системе этих элементов. Режим и схемы перемещений систем блоков определяются их силовым полем, на которое оказывает влияние целый ряд факто­ ров, в том числе и реакция крепи.

Метод структурного моделирования позволяет выде­ лить образующиеся кинематические цепи из общей сово­ купности условий и детально их исследовать. Это значи­ тельно упрощает решение вопросов, связанных с работой самой кинематической цепи. При этом имеется в виду непременное соблюдение общих граничных условий и самой схемы разрушения. Метод позволяет достаточно полно имитировать процессы, происходящие в любой блочной схеме при ее перемещениях, измерять стати­ ческие и динамические усилия и соответствующие им перемещения в любой точке имитируемой схемы. Метод структурного моделирования исключает влияние случай­ ных факторов, упомянутых выше. Кроме того, он позво­ ляет решать и ряд теоретических задач. Изготовление моделей и их отработка намного упрощается по сравне­ нию с другими способами моделирования, возможно неоднократное использование материала модели.

Сущность структурного метода моделирования за­ ключается в следующем. Из общей схемы разрушения пород выделяется система, подлежащая изучению.

Вмасштабе модели из искусственного материала

(оргстекло, пластмасса, эквивалентные материалы и т. д.) изготовляются блоки по форме и размерам соот­ ветствующие натурным с учетом масштаба моделиро­ вания. Затем они укладываются вплотную в один или несколько рядов, имитируя слои пород, и основную систему возникающих или уже существующих трещин.

Соответствующим подбором блоков можно имитиро­ вать широкий круг схем разрушения слоев, существую­ щий на практике.

Метод структурного моделирования рассматривается как вспомогательный для изучения конкретных вопросов и может применяться наряду с другими методами лабо­ раторных исследований. Он получил широкое распрост­ ранение при исследовании вопросов, связанных с пове­ дением массива пород под воздействием различных факторов. В Польше он применяется для изучения по­

79