книги из ГПНТБ / Глушихин, Ф. П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях
.pdfУстановлено, 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
не |
все слои |
разрушенной |
толщи кровли, а только |
|
часть их. |
|
|
|
|
Исследования на многослойных структурных |
моде |
|||
лях |
показали, |
что нагрузки |
на крепь не растут |
про |
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
сокращается. При прочих равных условиях |
в моделях |
с шириной поддерживаемого пространства |
2,8—4,2 м |
(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
ней |
части возникают |
местные трещины, такие |
же, как |
и в |
сплошных блоках |
(см. рис. 27). Нижние |
передние |
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
состояния равновесия |
в системе крепь — кровля, а |
||
иногда только в кровле. |
Это |
изменение может |
быть |
вызвано рабочими процессами |
в очистном забое |
(вы |
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
0a = ^ L V ^ , |
(Ш-4) |
где Дhq— величина смещения кровли |
в модели; t — |
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.
|
|
|
Рис. |
29. |
Осциллограмма |
|
|
|
|
резких |
смещении кровли: |
||
|
|
|
1, 2, 3— |
запись |
датчиков; |
|
|
|
|
|
4 —отметка |
времени |
|
0,04 |
0,12 |
0,19 |
0,4 |
|
|
|
|
|
Время,с |
|
|
|
|
Результаты исследований показали, что величины и |
||||||
скорости резких |
смещений кровли |
неравномерно рас |
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
г
[■
|
|
|
|
|
w |
16 тс/м2) |
среднемакси |
|
|||
мальная скорость смеще- |
ми |
||||
н.ия |
кровли на |
границе |
|
||
■ поддерживаемого |
прост- |
зоо |
|||
ранства при посадке со- ^ |
|||||
ставила |
около |
270 мм/с, |
1 250 |
||
а |
при |
сопротивлении |
- |
||
68 тс/см2— 175 |
мм/с (дан- |
%200 |
|||
ные приведены в пере- |
£ |
||||
счете на натуру). Таким |
ч ,f5g |
||||
образом, |
увеличение со- |
* |
противления более |
|
чем ^ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
в |
четыре |
раза |
привело |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
к |
уменьшению |
скорости |
с |
|
|
|
|
|
|
||||||
смещения на 35%. Вели- |
50 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
чина динамического пере |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
мещения |
кровли |
в |
сред |
I |
п |
in IV |
V |
|
VI |
VII |
|||||
нем составила 20 мм. |
|
|
|||||||||||||
|
|
Номера блоков |
I |
I |
|||||||||||
|
Результаты |
|
исследо |
I___I_1___I___ 1__I |
|
||||||||||
|
|
1,5 3,0 6,5 6,0 7,5 9,0 10,5 |
|||||||||||||
ваний на структурных мо |
Расстояние о т точки измере- |
||||||||||||||
делях близки к измерен |
■ |
ния до забоя, м |
|
|
|
||||||||||
ным в шахте |
и |
расчет |
Рис. 30. |
Изменение |
среднемакси- |
||||||||||
ным. Более того, они |
|||||||||||||||
мальных |
скоростей |
перемещения |
|||||||||||||
показали, |
что |
|
величина |
кровли в зависимости от расстоя |
|||||||||||
и |
скорость |
смещения |
ния точки |
замера |
от |
|
забоя: |
||||||||
кровли |
(даже |
в заведомо |
/ — при посадке кровли: 2— при выем |
||||||||||||
тяжелых |
условиях) |
вряд |
ке угля; |
3— граница призабойного про |
|||||||||||
|
странства |
|
|
|
|
||||||||||
ли будут больше соот |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ветственно |
20 |
мм |
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
||||
250 мм/с при |
работе |
за |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
боя после |
первой осадки |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
кровли. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Для |
определения |
ха |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
рактеристик |
проходных |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
каналов гидростоек |
мож |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
но |
ориентироваться |
на |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
величины и скорости сме |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
щения кровли, установ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ленные на основе измере |
Рис. 31. Влияние сопротивления |
||||||||||||||
ний. При этом представ |
крепи на среднемаксимальные ве |
||||||||||||||
ляется |
возможным |
опре |
личины |
скоростей |
перемещения |
||||||||||
делить |
объем |
рабочей |
|
кровли: |
2— |
|
|
|
|||||||
/ — при посадке |
кровли: |
при |
выем |
||||||||||||
жидкости, |
который |
необ- |
|
|
ке угля |
|
|
|
|
4 Зак. 643 |
97 |
ходимо устранить из поршневой полости гидростоек и время, в течение которого это необходимо осуществить.
Все данные о динамике смещения кровли приведены для условий, когда в очистном забое уже произошла первая осадка основной кровли. Динамическое смеще ние кровли при первой осадке характеризуется больши ми величинами (200—250 мм) и скоростями (400— 600 мм/с) перемещений кровли. Большие перемещения кровли могут явиться причиной зажатия гидростоек. Поэтому нет оснований предполагать, что создание специальных клапанов позволит избежать аварий меха низированных крепей при первых осадках основной кровли. Представляется целесообразным создать сна чала механизированные крепи и индивидуальные гидро стойки с клапанными механизмами, обеспечивающими восприятие динамических смещений кровли, имеющими
место при отходе лав от разрезных |
печей за пределы |
|
первого |
шага обрушения основной |
кровли, т. е. когда |
Д//д=20 |
мм и Од=250 мм/с. Создание крепей с такими |
клапанами и повышенной несущей способностью облег чит проведение исследований в условиях первых отхо дов лав с большими зависаниями кровли.
Глава IV
ПАРАМЕТРЫ РАЗРУШЕНИЯ КРОВЛИ
§ 1. Методы определения шага обрушения кровли
Шаг осадки основной кровли имеет большое влия ние на характер и величину нагрузок, передающихся от нее на крепь. Поэтому учеными разных стран уде ляется значительное внимание вопросам предрасчета шага осадки основной кровли как в начальный период работы лав, так и после первого обрушения.
Работы, посвященные расчетным методам установ ления шага обрушения основной кровли, достаточно подробно рассмотрены в технической литературе [7, 15], поэтому на данном вопросе нет необходимости останав ливаться еще раз. Отметим лишь, что В. Д. Слесарев [20] шаг периодического обрушения кровли предлагал определять, принимая в расчет только собственный вес кровли для трех предельных ее состояний. Г. Н. Куз нецов [46] при этом учитывал пригрузку со стороны ра нее обрушенного блока и. вышележащих пород. На ос новании исследований на объемных моделях А. А. Бо рисов [7] установил, что отношение шага обрушения основной кровли при первой осадке L0 к шагу после дующих осадок L\ составляет не 3—4, как считалось ранее, а, в зависимости от конкретных условий, колеб лется от 2 до 10 иногда более. На основе этого он пред ложил учитывать влияние закрепляющей нагрузки в зо не опоры балки и производить расчет слоя основной кровли как балки, покоящейся на упругом основании. А. А. Борисов произвел сравнительные подсчеты по формулам Г. Н. Кузнецова и своей. Получены близкие результаты, особенно при мощности слоя более 6 м.
4* 99