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

Определим эти величины. Для любого блока как тела, покоящегося на наклонной плоскости, можно на­ писать

от поддерживаемых блоков, опирающихся на блоки в выработанном пространстве, не зависит от ширины под­ держиваемого пространства и составляет только часть собственного веса слоя непосредственной кровли.

Пригрузка со стороны зависших блоков на любой поддерживаемый блок не может превышать силу трения, приложенную к задней грани блока, которая, в свою очередь, зависит от сил распора, действующих на этой грани. Поэтому величину пригрузки определим из усло­ вий равновесия на гранях поддерживаемых блоков, об­ ращенных в сторону выработанного пространства:

126

где п — порядковый номер рассматриваемого блока, считая от забоя.

Из выражения (V.20) следует, что нагрузка на крепь, кроме мощности слоя, зависит от числа зависших бло­ ков, их длины, места установки крепи и ширины под­ держиваемого пространства. Иначе говоря, формула (V.20) позволяет учитывать не только горно-геологиче­ ские факторы, ио также и горнотехнические. Это весьма важно, так как до сих пор расчет' производился только по средним нагрузкам, без учета горнотехнической об­ становки. Определение нагрузок, действующих на крепь, установленную под любым блоком поддерживаемого пространства, позволяет дифференцировать расчетные нагрузки по ширине призабойного пространства и более глубоко разобраться в процессе взаимодействия труд­ ноуправляемых кровель с крепыо.

Анализ формулы (V.20) применительно к распреде­ лению нагрузок по ширине призабойного пространства будет сделан ниже.

Здесь же следует обратить внимание на то, что при зависании пород в выработанном пространстве (п2ф 0) нагрузка на крепь от непосредственной кровли может превысить собственный вес слоя. При отсутствии зави­

Общая нагрузка на крепь зависит как от ширины поддерживаемого пространства (п\), так и от величины зависания кровли (п2). Та же зависимость получена и при исследовании на моделях.

Принятое сопротивление крепи в модели обеспечи­ вало надежное поддержание кровли в призабойном

127

пространстве только при небольших зависаниях кровли и не обеспечивало при больших (это обусловливалось условиями эксперимента). При отсутствии зависания сопротивление крепи оказывалось даже излишним. Од­ нако для предотвращения больших проседаний блоков в призабойном пространстве сопротивление крепи долж­ но выбираться для случая максимального зависания кровли в выработанном пространстве. В период отсут­ ствия зависания или небольшой его величины сопротив­ ление крепи окажется излишним, но уменьшать его с помощью каких-либо мер или автоматических уст­ ройств нецелесообразно, так как процесс развития и проседания арочных систем вдоль лавы происходит не

блоков в выработанном пространстве. При этом также возможны несколько схем силового взаимодействия блоков. Наиболее тяжелая схема, с точки зрения под­ держания кровли в безопасном состоянии, характери­ зуется отсутствием опоры блока на обрушенные поро­ ды. Такая схема детально рассмотрена Г. Н. Кузне­ цовым [46], который показал, что необходимое сопро­ тивление крепи в этих условиях может достигать весьма значительной величины. Однако при сравнительно боль­ шой мощности и длине блока в большинстве случаев возникает опора его на ранее обрушенные породы при небольших углах отклонения. Это позволяет не учиты­ вать момент сил от собственного веса блока. Практи­ чески нет необходимости оказывать сопротивление его развороту, так как перемещения, происходящие в ре­ зультате разворота блоков в зоне установки крепи, не­ велики, а сопротивление должно быть весьма большое.

Фактором, который может увеличить нагрузку на крепь при опоре блока на ранее обрушенные породы, может явиться срыв блока в переднем шарнире. В этом

Сравнение расчетных нагрузок, возникающих при узкоблочном разрушении непосредственной кровли (V.22) и короткоблочном (V.23), показывает, что, при прочих равных условиях, нагрузка в последнем случае

128

будет больше. Поэтому при расчете паспортов крепле­ ния или размещении механизированных крепей необхо­ димо тщательно изучить горно-геологические условия и определить схему разрушения непосредственной кровли.

§ 3. Влияние осадок основной кровли

Под основной кровлей принято понимать слой или слои кровли, залегающие над непосредственной и имею­ щей шаг осадки, превышающий шаг обрушения непо­ средственной кровли. При этом имеется в виду, что непо­ средственная кровля представлена легкообрушающимися породами с небольшим шагом обрушения. При за ­ легании непосредственно над пластом мощных слоев прочных пород это определение понятия основной кровли теряет смысл, так как непосредственная кровля может иметь большой шаг обрушения. При разрушении ее на узкие блоки и образовании арочных систем могут наблю­ даться, как показано выше, вторичные осадки непосред­ ственной кровли. На практике последние могут прини­ маться за осадки основной кровли. Более того, при раз­ рушении кровли на короткие блоки, выделить непо­ средственную и основную кровли по шагу обрушения не представляется возможным. В этом случае периодиче­ ское повышение нагрузок и смещений кровли в приза­ бойном пространстве может быть вызвано изменением равновесия в системе блоков как самых нижних, так и залегающих выше слоев кровли, причем последних мо­ жет быть несколько. Однако, придерживаясь принятой терминологии, осадки вышележащих слоев будем назы­ вать осадками основной кровли. Выше было показано, что на всех пластах, с прочной и монолитной непосред­ ственной кровлей, отнесенной к трудноуправляемым, слои пород, залегающие над нею, представлены, как правило, также прочными и монолитньши породами. Разрушение их может происходить в зависимости от глубины и прочности пород как на длинные, так и на короткие блоки.

Влияние на работу крепи слоев основной кровли, разрушающихся на длинные блоки, рассмотрено в ра­ ботах многих ученых [4, 7, 17].

Это влияние, как показал Г. Н. Кузнецов, может быть двояким. В одном случае в движение приходят

1

настолько большие массы пород, что никакая реаль­ ная крепь не в состоянии удержать породы от смеще­ ния. Эти условия работы крепи отражают режим за­ данной деформации. Новое равновесие слоев разру­ шенной кровли наступает в результате взаимодействия отдельных элементов (распор, заклинивание и т. д.). Режим заданной нагрузки наблюдается тогда, когда сопротивление крепи близко по величине к нагрузке со стороны пород и равновесие наступает в результате, в основном, роста реакции крепи. В реальных условиях эти режимы могут меняться или наблюдаться одновре­ менно.

При возникновении длинных блоков, а также пре­ дельном их опускании на величину, не превосходящую мощность слоя, в их системе могут возникнуть силы распора, достаточные для образования арочной системы [46]. Силы распора Т в трехшарнирной арке, как из­ вестно [52], зависят от стрелы подъема арки.

где q — интенсивность нагрузки на арку; Lo, р — соот­ ветственно пролет и стрела подъема арки.

Зная параметры разрушения кровли, можно опре­ делить условия, при которых произойдет срез арки в переднем шарнире. На практике важно знать пригруз­ ку от слоя кровли после разрушения. С. Т. Кузнецов [4] принял пригрузку от слоя основной кровли равной по­ ловине веса блока. Очевидно, он исходил из условия, что при срыве силы распора в арке исчезают полностью. Так же считает и К. А. Ардашев [18]. Фактически же в момент срыва силы распора в арке не исчезают пол­ ностью, а только уменьшаются. Причиной этого являет­ ся то, что шарнир между блоками кровли значительно отличается от шарнира, принятого в теоретической ме­ ханике. В нем могут происходить местные разрушения, а смещение блока кровли происходит не строго по нор­ мали к напластованию. Срыв в переднем шарнире часто происходит при положительном значении стрелы подъе­ ма арки. Поэтому в процессе срыва и при установлении нового равновесия в шарнирах арки имеют место неко­ торые силы распора. Степень уменьшения их в момент срыва аналитически установить довольно трудно. Со­

130

хранение некоторых сил распора в арке может иметь место при условии, что величина проседания блока при срыве не превышает мощности слоя. Специально по­ ставленные эксперименты на моделях (глава IV книги) показали, что пригрузку можно принимать равной

При короткоблочном разрушении массив пород мо­ жет представлять собой многоярусную систему блоков, контактирующих между собой. Такую схему разруше­ ния приводят В. Т. Давидянц [3], Ж. М. Канлыбаева [42] и др. Схема подтверждается и нашими исследова­ ниями. Размеры блоков в слоях могут быть различны­ ми, что зависит, как показано выше, от прочности по­ род, глубины залегания пласта, расстояния от него обрушающихся слоев и других факторов. Наиболее тя­ желыми с точки зрения работы крепи, будут условия, когда плоскость наклонной трещины будет одной и той же для нескольких рядов блоков. Подобные условия могут возникнуть не только при одинаковых размерах блоков по простиранию, но и при различных. При этом поверхность трещины можно уподобить поверхности геологического нарушения.

Рассмотрим условия формирования нагрузок в раз­ рушенном массиве. Блоки между собой в принципе мо­

выскальзывает с трением по задней и передней граням.

Сх е м а 3. Блок под действием собственного веса и пригрузки со стороны вышележащих слоев скользит с трением по задней грани.

Сх е м а 4. То же, что и при схеме 3, но с трением по

задней и передней граням.

Исследования в шахте и на моделях дают основания считать наиболее реальной схему 4. При этом имеется в виду, что по передней грани силы распора возникают при сползании блока без его заклинивания.

Уравнение равновесия одного блока запишется в следующем виде:

5* 131