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

нового распора в тех же точках, в которых было за­

создаются в основном за счет стремления подработан­ ного блока развернуться вокруг своей оси. По мере удаления забоя блок начинает воспринимать соответ­ ствующую составляющую веса вновь подрабатываемых блоков. Область максимальных значений сил распора получается большой вследствие непостоянства числа блоков в арке и является как бы опорной зоной арки. Важным качественным выводом из результатов измере­ ния сил распора является прямолинейная зависимость их от числа блоков в арке.

Случаи, когда на передней грани первого блока отсутствуют силы распора, соответствуют тяжелым условиям для его поддержания. При посадке кровли происходили как уменьшения, так и увеличения сил бо­ кового распора. Это зависит от периода образования арки во время посадки кровли и общего числа блоков в арке.

Исследования на структурных моделях, имитирую­ щих только непосредственную кровлю, разрушающуюся на узкие и высокие наклонные блоки, подтвердили свойство таких кровель образовывать арочные системы с периодическими резкими проседаниями. Эти проседа­ ния, приводящие при недостаточном сопротивлении кре­ пи к завалам лав, по внешним признакам проявления близки к осадкам основной кровли. Иными словами, ис­ следования на моделях подтвердили наличие периоди­ ческих осадок непосредственной кровли, которые были установлены в процессе шахтных наблюдений.

§ 3. Исследование влияния осадок основной кровли

Попытки внедрить механизированные крепи огради- тельно-поддерживающего типа на пласты ■ с блочным характером разрушения непосредственной кровли ока­ зались неудачными. На это указывает опыт применения крепей Мосбасс на шахтах «Абашевская» в Кузбассе и

87

№ 6—6-бис на Артемовском месторождении [26], крепей ОМКТ на пласте Красноорловский, 30 в Кузбассе и др. Также неудачным оказался опыт внедрения кре­ пей ОМКТ на пласты с тяжелыми осадками основной кровли (пласт Байкаимскпй в Кузбассе). Это' обусло­ вило необходимость проведения исследований вопросов взаимодействия крепей этого типа с трудноуправляемы­ ми кровлями в лабораторных условиях.

Исследования были проведены на структурных мо­ делях, описанных в предыдущем параграфе. В качестве основной кровли на слой непосредственной кровли, со­ ставленный из структурных блоков, закатывался слой из эквивалентных материалов, шаг разрушения которо­ го изменялся за счет изменения прочности материала слоя.

Масштаб моделирования 1 :40 и 1 : 10, отношение мощности непосредственной кровли к мощности пласта 1,2—2.

Модель крепи ОМКТ была изготовлена из металла. В качестве измерительных элементов применялись пла­ стинки на двух опорах из фосфористой бронзы. Сопро­ тивление крепи измерялось в основных опорных точках крепи — под стойкой и в заднем шарнире. В последнем случае датчики устанавливались таким образом, чтобы получить данные ие только о величине, но и о направ­ лении усилий в шарнире. Это позволяло определить результирующую всех нагрузок, действующих на крепь со стороны кровли, место ее приложения и направле­ ние действия.

Исследования на моделях, проведенные для условий, при которых влияние осадок основной кровли на рабо­ ту крепи отсутствует, позволили установить основные закономерности взаимодействия крепей оградительноподдерживающего типа с кровлями, склонными к блоч­ ному разрушению. При зависаниях кровли в вырабо­ танном пространстве нагрузка на крепь передается че­ рез поддерживающую часть. Величина нагрузок опре­ деляется весом пород в арке, как и при крепях под­ держивающего типа, но воспринимаются они на срав­ нительно малой площади (поддерживающей частью крепи) и только вблизи забоя. Оградительная часть крепи в этот период не нагружена. При проседании ар­ ки крепь стремится к опрокидыванию в сторону забоя,

88

так как результирующая всех сил, приложенных к крепи, пересекает поверхность почвы впереди стойки, а иногда даже впереди основания крепи. Такое нагруже­ ние приводит к неустойчивому состоянию крепи.

После проседания или разрушения арочной системы зависшие блоки опускаются на оградительную часть крепи и условия ее нагружения становятся благоприят­ ными. Точка пересечения результирующей всех нагру­ зок на крепь с поверхностью почвы в этих случаях на­ ходится между опорой стойки и задним шарниром. Крепь работает в устойчивом состоянии.

При отработке моделей схемы нагружения чередова­ лись в зависимости от состояния арочной системы, в ре­ зультате чего происходило попеременное нагружение поддерживающей и оградительной частей крепи.

Еще более неблагоприятные условия нагружения крепи возникают на пластах, при отработке которых крепь испытывает сильное влияние осадок основной кровли. В первый же момент облома очередного блока основной кровли (рис. 27) пригрузка со стороны ос­ новной кровли начинает передаваться через первые от забоя блоки непосредственной кровли (чаще через один блок) на поддерживающую часть крепи (в данном слу­ чае ОМКТМ). В это же время оградительная часть крепи может оказаться непригруженной. Это вызывает опрокидывание крепи на забой и неблагоприятное рас­ пределение опорных реакций в конструкции крепи. Крепь в таких условиях работать, как показали и шахт­ ные наблюдения, не может. Происходит опускание бло­ ков вдоль забоя, образуются вывалы, из зон заколов выпадает перемятая порода. В таких случаях при пере­ движке крепь не может занять свое первоначальное по­ ложение по высоте, так как величина сил распора не­ достаточна. Точка пересечения вектора результирую­ щей нагрузок на крепь с поверхностью почвы при этом также находится впереди основания крепи.

Однако условия работы крепи не улучшаются и в периоды, когда поддерживающая часть крепи выйдет из зоны влияния осадок основной кровли. В этом слу­ чае нагрузка от основной кровли передается через бло­ ки непосредственной кровли на оградительную часть крепи в виде сосредоточенных или локально распреде­ ленных сил. Методикой расчета этих крепей восприятие

89

Установлено, что короткие блоки l < C i < 2 не обра­ зуют шарнирно-арочную систему из-за смещения их по трещинам разрушения. Состояние равновесия коротких блоков обеспечивается за счет реакции со стороны бло­ ков непосредственной кровли и трения по контактам. Естественно, что на крепь в этих случаях передается значительная пригрузка от основной кровли.

При длинных блоках (Ci = 2,5—3) основной кровли чаще образовывались шарнирно-блочные системы с возникновением больших сил распора. Срывов блока в переднем шарнире в таких случаях не наблюдалось до образования очередного блока. Крепь находилась в благоприятных для ее работы условиях, так как углы наклона длинных блоков и величина заданных переме­ щений вблизи переднего шарнира основной кровли были незначительными.

Для определения пригрузки, передаваемой слоями основной кровли на крепь, замерялись сопротивления крепи до облома консоли основной кровли, после ее облома и разворота и после срыва блока в переднем шарнире. Сопоставление этих данных позволило уточ­ нить предположения С. Т. Кузнецова [4] о том, что при расчетах сопротивления крепей следует принимать рав­ ными 50% от веса блока основной кровли. Результаты исследований показывают, что при узкоблочном харак­ тере разрушения непосредственной кровли и длинноблочном — основной кровли пригрузка от последней на крепь составляет в среднем 30% от веса блока основ­ ной кровли. Данная величина пригрузки соответствует случаям срыва блока в переднем шарнире, т. е. наибо­ лее тяжелым осадкам основной кровли. При этом наб­ людались повышенные смещения кровли у забоя (до 200 мм в пересчете на натуру).

Уже первые испытания комплексов ОМКТ в благо­ приятных условиях [26] показали, что в шарнире, соеди­ няющем основание крепи с ее оградительной частью, иногда возникали силы, направленные вверх. На пла­ стах с труднообрушающимися кровлями это явление приводило к изгибу оснований, отрыву кареток и т. д. Исследования на моделях позволили установить, что в подавляющем большинстве случаев на пластах с труд­ нообрушающимися кровлями крепь ОМКТ работает в неблагоприятных условиях нагружения.

91

порционально числу рядов блоков, а стабилизируются на определенном уровне. Этот вывод является весьма важным, так как объясняет причину практически не изменяющейся с увеличением глубины работ нагрузки на крепь очистного забоя. Они определяются кинема­ тикой взаимодействия элементов только сравнительно небольшой части разрушенных пород вблизи пласта.

При уменьшении ширины поддерживаемого прост­ ранства величина пролета арочной системы несколько

(в пересчете на натуру) число зависших блоков состав­ ляло 4—5, а при ширине 1,4 м оно уменьшилось в среднем до 4.

Кроме того, исследования на модели позволили уста­ новить, что осадки основной кровли оказывают влияние на состояние арочной системы, возникающей в непо­ средственной кровле. Во время обломов и срывов в шарнирах блоков основной кровли в непосредственной кровле возрастали силы распора. Это, естественно, уве­ личивало собственную несущую способность арки.

При передаче пригрузки от основной кровли на крепь только через один призабойный блок непосредст­ венной кровли возникают большие удельные нагрузки на крепь. Крепь проседает до тех пор, пока они не уменьшатся за счет увеличения числа опорных блоков непосредственной кровли. При увеличении ширины при­ забойного пространства удельные нагрузки на крепь уменьшались, что подтверждается результатами натур­ ных исследований.

Во время шахтных исследований было установлено, что в блоках непосредственной кровли в процессе взаи­ модействия возникают вторичные трещины, которые нами отнесены к второстепенным и местным, слабо влияющим на характер перемещения и взаимодействия блоков. Этот вывод был проверен на моделях из экви­ валентного материала с имитацией вторичных трещин по напластованию внутри блока. Оказалось, что блоки непосредственной кровли, несмотря на наличие трещин

93

по напластованию, при подработке взаимодействуют как сплошные. В процессе взаимодействия блоков непо средственной кровли между собой и под влиянием пригрузки со стороны вышележащих пород в их ниж

концы блоков в модели разрушались, так же как и в шахте, систематически. Было установлено, что неравно­ мерное нагружение секций крепи по ширине происходит даже при их горизонтальном расположении, в резуль­ тате чего возникают крутящие моменты в оградитель­ ной части и основаниях секций.

§ 4. Динамические перемещения кровли

Шахтными и лабораторными исследованиями часто отмечаются так называемые динамические смещения кровли, т. е. смещения с повышенными скоростями ти­ па толчков. Причиной их является быстрое изменение

емка угля и посадка кровли), дополнительными разру­ шениями элементов кровли в местах концентрации на­ пряжений, обрушением вышележащих слоев и т. д.

Выше говорилось о том, что измерение параметров резких перемещений кровли в шахтных условиях весь­ ма затруднительно. Измерение их в моделях также со­ пряжено с целым рядом методических трудностей, ка­ сающихся определения масштаба времени для конкрет­ ной модели и измерения величин динамических смеще­ ний. Аппаратура должна обладать высокой точностью, безынерционностыо и достаточным диапазоном изме­ рений.

В результате исследований предполагалось устано­ вить максимальные скорости смещения разрушенной кровли над призабойным и выработанным пространст­ вами, т. е. изучить процессы в которых реологические свойства пород не оказывают существенного влияния на параметры резких перемещений кровли. Для иссле­ дований были использованы многослойные структурно­ блочные модели из песчано-цементной смеси, в которых

94

имитировались условия для проявления максимальных скоростей смещения кровли.

В подработанной и разрушенной на отдельные эле­ менты толще пород все основные процессы развиваются под действием сил тяжести. Г. Н. Кузнецов показал,

'что в этом случае^ масштаб ускорений а0=1, а масштаб

времени a t= "(/" щ. Следовательно, длительность Т про­ цесса перемещения в пересчете на натуру составит

T = t y ^ . (Ш.З)

Тогда скорость смещения кровли в натуре определится из выражения

длительность смещения в модели; щ — геометрический масштаб модели.

Для записи динамических перемещений, как указы­ валось выше, были использованы индуктивные датчики типа ДП-3 совместно с шестиканальной виброизмерительной аппаратурой ВИА-5а. Участок линейной части характеристики датчика составляет'22 мм (от —11 до

+11). Измерения проводились на этом участке. Поскольку датчик ДП-3 имеет большие размеры он

устанавливался сбоку модели. Конструкция нижнего шарового кронштейна позволяла изменять начальное положение датчика относительно кронштейна, что да­ вало возможность увеличить базу измерений до 60 мм (при двухкратной перестановке). Одновременно запи­ сывались смещения кровли в трех точках призабойного и выработанного пространств.

На рис. 29 в качестве примера приведена зарисовка осциллограммы, на которой видно (по наклону кривой) характер изменения скоростей смещения при резких оседаниях кровли.

В процессе исследований определялись величина и скорость резких перемещений кровли и время, в тече­ ние которого они происходили.. При этом учитывалась только часть перемещений: а) при сложных кривых перемещений максимальная величина скорости опреде­ лялась для отдельных участков с наибольшим накло­ ном и близких к прямолинейным; б) средняя скорость

95

смещений высчитывалась для всей кривой перемеще­ ния; при определении средних величин не учитывались случаи, когда за счет снижения сопротивления произ­ водился искусственный завал призабойного пространст­ ва. Всего было обработано 74 замера резких переме­ щений кровли.

пределены по ширине призабойного пространства и ко­ леблются в широких пределах (рис. 30).

Максимальные скорости смещения кровли наблю­ даются непосредственно за границей призабойного про­ странства и составляют 360 мм/с при посадке и 290 мм/с при выемке угля в пересчете на натуру. На границе призабойного пространства они не превышают

300 мм/с.

Как отмечалось выше, общие смещения кровли в призабойном пространстве зависят (в определенных пределах) от сопротивления крепи. В данных исследо­ ваниях была поставлена задача выявить указанную зависимость применительно к динамическим перемеще­ ниям. Было установлено, что скорость перемещения кровли возрастает с уменьшением сопротивления кре­ пи (рис. 31). Полученная зависимость близка к линей­ ной. При минимальном сопротивлении крепи (около

96