книги из ГПНТБ / Глушихин, Ф. П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях

периодическое резкое снижение несущей способности крепи в очистном забое. Обычно это снижение приуро­ чено к процессу посадки кровли, когда производится разгрузка посадочной и части призабойной крепи, ока­ зывающих, как правило, основное сопротивление сме­ щающейся кровле. Общее сопротивление крепи умень­ шается. Однако, как было установлено, в этот же пе­ риод может произойти резкое повышение нагрузок на крепь. Если оставшаяся часть призабойной крепи и вновь установленная (обычно с небольшим начальным распором) посадочная крепь будут не способны вос­ принять дополнительные нагрузки, то станут возмож­ ными большие смещения кровли, вплоть до завала лавы. Стойки трения, как известно, при больших скоростях смещения кровли склонны к саморазгрузке. Это же от­ носится к стойкам ОКУ. Следовательно, период по­ садки является наиболее вероятным периодом в работе лавы, когда может произойти ее завал.

Наблюдениями установлено, что хотя резкие под­ вижки кровли наблюдаются и в период выемки угля, однако завалы, как правило, приурочены к посадкам кровли. Именно тяжелыми условиями поддержания кровли в период посадки и было вызвано широкое при­ менение способа частичной или полной закладки. Мно­ гие попытки перевода части пластов с закладки на об­ рушение были неудачными из-за неправильного построения паспорта крепления и применения индиви­ дуальной крепи с характеристиками, не соответствую­ щими основным закономерностям появлений горного давления.

Рассмотрим паспорт крепления, применявшийся на пласте 14 шахты «Абашевская» (рис. 48). Представим, что система крепь-кровля перед очередной посадкой достигла предельного равновесия. Во время посадки кровли ряд посадочных стоек (ОКУ) переносится из по­ ложения I в положение II. Стойки ряда I извлекаются. Сопротивление крепи в призабойном пространстве резко уменьшается, так как и стойки ОКУ, и стойки при­ забойной крепи к концу цикла оказывали смещению кровли большое сопротивление. В этот период повыше­ ния общих и удельных нагрузок в призабойном про­ странстве остаются только ряды стоек а, б и в. При этом ряды а и б, установленные после прохода ком­

150

байна, не успевают, как правило, развить значительное сопротивление, особенно если стоики установлены под распил. Стойки ОКУ в новом положении также не мо­ гут оказать значительного сопротивления, так как распор их невелик, а для выхода на рабочее сопротивле­ ние необходима большая податливость. Таким образом,

Рис. 48. Паспорт крепления лавы пласта 14 шахты «Абашевская»

в период посадки происходит искусственное снижение сопротивления крепи в то время, когда его необходимо увеличивать. Это и является одной из главных причин завалов лав. Дополнительными причинами являются резкая неравномерность фактической реакции стоек ОКУ, скачкообразные характеристики стоек трения, большая податливость системы крепь —• боковые по­ роды.

Мер борьбы с ростом нагрузок на крепь в период посадки может быть несколько. При управлении кров­ лей обрушением можно изменить паспорт крепления с таким расчетом, чтобы в период посадки в призабойном пространстве оставалось бы достаточно крепи для вос­ приятия повышенных нагрузок. Это достигается либо увеличением плотности призабойной крепи, либо уста­ новкой нескольких рядов посадочной крепи.

151

В качестве примера можно привести паспорт, при­ менявшийся на пласте k2 в Донбассе (рис. 49). Вновь установленная призабойная крепь и ряд кустов А к концу выемки цикла только начинают оказывать сопро­ тивление. Ряд кустов Б и призабойная крепь преды­ дущего цикла ко времени выемки цикла оказывают уже существенное сопротивление. То же относится и к ку-

Рис. 49. Паспорт крепления лавы пла­ ста k2

стам ряда В. Если теперь изъять кусты ряда В (посадка кровли), то произойдет, как показано выше, перерас­ пределение нагрузки на кусты рядов Б и Л, а также на призабойную крепь; нагрузка увеличится. Однако ряды кустов, установленные ранее, способны в момент посад­ ки оказать большое сопротивление и тем самым предот­ вратить значительное смещение кровли в призабойном пространстве. Иначе говоря, этот тип паспорта креп­ ления с многорядной установкой посадочной крепи бо­ лее отвечает основным закономерностям блочного раз­ рушения и перемещения кровли и ее взаимодействия с крепыо, чем паспорт с однорядной установкой. Завалы лав при таких паспортах крепления весьма редки.

152

Той же цели можно добиваться и применением поса­

будут восприниматься рядом ОКУ, проработавших уже некоторое время (продолжительность выемки цикла). Вновь устанавливаемые стойки ОКУ будут уже не ос­ новной несущей крепыо, а только вспомогательной. Установка двух рядов стоек ОКУ приведет к увеличе­ нию ширины призабойного пространства, однако в ус­ ловиях блочного разрушения кровли это способствует снижению удельной нагрузки на крепь каждого ряда. Такое влияние наблюдается на практике и подтверж­ дается теоретическими расчетами. Установка даже та­ кой несовершенной крепи, как ОКУ, в два ряда с поо­ чередной их передвижкой повышает общее сопротив­ ление крепи в призабойном пространстве и одновремен­ но уменьшает удельные нагрузки [58].

Весьма важным для изучаемых условий является также вопрос о порядке посадочных работ в лаве. Рас­ сматриваемые кровли довольно устойчивы в призабой­ ном пространстве. Поэтому на практике часто применя­ ют многоточечную схему посадки, когда бригада посад­ чиков разделяется на несколько звеньев (по два-три человека) и посадка начинается одновременно в не­ скольких точках по длине лавы с расстоянием между ними 10—20 м. Однако эти же кровли склонны и к боль­ шим зависаниям в выработанном пространстве. Длина блоков вдоль лавы колеблется в широких пределах и может достигать 15—25 м. Теперь представим, что по­ садка кровли идет одновременно на нескольких участках в последовательном порядке, т. е. фронт посадки на всех участках движется в одну сторону (рис. 50, а). По мере его подвигания происходит перераспределение сопро­ тивления между стойками ОКУ и наступает такой мо­ мент, когда оставшиеся тумбы (одна-две) начинают вос­ принимать чрезмерную нагрузку. Стойки могут резко просесть и вызвать резкое смещение кровли не только на своем участке, но и на соседних. Это способствует завалу лавы, особенно при однорядной установке поса­ дочных стоек. К такому же результату приводит и по­ садка кровли, когда фронты посадки сходятся в одной точке (рис. 50, б). При такой схеме посадки произошли

153

завалы лавы на ряде пластов (14-м, 5-м, Андреевском и других). Особая опасность таких завалов обусловли­ вается тем, что они происходят на больших участках лавы и внезапно.

Применение схем посадки, показанных на рис. 50, а и б, крайне нежелательно на пластах с тяжелыми кров­ лями, так как данные схемы способствуют перераспре­ делению сопротивления крепи в призабойном простран-

установки с поочередной передвижкой рядов (рис. 50, в). Передвижка посадочной крепи должна произво­ диться в одной точке лавы, т. е. в одном направлении и одним фронтом. При установке двух рядов посадочной крепи допускается одновременная передвижка двух­ трех единиц посадочной крепи, но при разгрузке в каж­ дый момент только одной стойки. Другими словами, для увеличения скорости перемещения фронта разгрузки на посадке кровли могут работать две-три пары посад­ чиков, производящих посадку в одной точке лавы с по­

очередной разгрузкой крепи.

В особо тяжелых случаях нагружения крепей целе­ сообразно применять закладку, позволяющую вообще ликвидировать процесс посадки кровли.

154

Не рассматривая далее детально всех особенностей управления кровлей полным обрушением на пластах с трудноуправляемыми кровлями, укажем те из них, ко­ торые имеют принципиальное значение:

1) вблизи забоя периодически возникают большие удельные нагрузки, приводящие к большим смещениям кровли по заколам; 2) по ширине призабойного про­ странства нагрузки распределяются с резкой нерав­ номерностью, что вызывает (особенно при несовершен­ ной конструкции крепи) большие проседания кровли по заколам; 3) нагрузки как общие, так и удельные, име­ ют большой диапазон изменения от цикла к циклу; 4) удельные нагрузки зависят от ширины поддерживае­ мого пространства; 5) в выработанном пространстве на больших участках происходят зависания кровли; 6) про­ исходят резкие смещения кровли (динамические явле­ ния); 7) отмечаются значительные смещения кровли в плоскости пласта в сторону забоя.

Большинство из этих особенностей до последнего времени не учитывалось при проектировании паспортов крепления для лав на пластах с тяжелыми кровлями. Например, расчетные нагрузки принимались одинако­ выми по всей ширине призабойного пространства, а со­ противление линии посадочных стоек усиливалось за счет установки специальной крепи или большего числа стоек. При этом не учитывались ни ширина призабой­ ного пространства, ни особенности разрушения и пере­ мещения кровли, ни увеличение нагрузок на крепь во время посадки, ни другие подобные факторы. Этим и объясняется то, что до сих пор, несмотря на большой опыт отработки пластов длинными забоями, имеются случаи завалов лав.

Для обоснованного проектирования паспортов креп­ ления и выбора типа крепи необходимо знать: 1) под­ робное строение боковых пород пласта (ложной, непо­ средственной и основной кровель на высоту, равную 10-кратной мощности пласта, строение почвы на глубину, равную мощности пласта); 2) прочность пород кровли на сжатие и пород почвы на вдавливание штампа пло­ щадью 100 см2; 3) устойчивость нижних слоев кровли (если нет количественных данных, то качественные); 4) мощность пласта,-колебания мощности по длине выемочного участка, строение, прочность угля, склон­

155

ность пласта к отжиму угля; 5) расчетные нагрузки (максимальные и минимальные); 6) глубину работ;

7)технологическое оборудование лавы.

§3. Условия работы механизированных крепей

Современные механизированные крепи обладают це­ лым рядом особенностей и свойств, которые вносят существенные изменения в закономерности взаимодей­ ствия крепи и кровли. Перечислим основные особен­ ности:

1.Большая ширина бесстоечного призабойного про­ странства, несмотря на применение различных консолей верхняков, не позволяет оказывать существенное сопро­ тивление смещению кровли вблизи забоя.

2.Передвижка крепей в большинстве случаев произ­ водится в зоне повышенных скоростей смещения кровли, вызванных проходом выемочной машины.

3.Разгрузка большинства механизированных крепей,

вотличие от индивидуальных, при каждой посадке про­ изводится полностью. Иначе говоря, во .время передвиж­ ки крепи вдоль лавы проходит фронт полного снятия сопротивления по всей ширине призабойного простран­ ства.

4.Рабочее сопротивление крепей определяется на­ стройкой предохранительных клапанов стоек, срабаты­ вание которых может происходить при разном давлении

вцилиндрах стоек.

5.Механизированная крепь находится в контакте с боковыми породами от установки до разгрузки значи­ тельно меньшее время, чем индивидуальная.

6.Большой начальный распор гидростоек позволяет

уменьшать начальное смещение кровли до выхода стоек на рабочее сопротивление.

7.В процессе передвижки механизированной крепи могут происходить смещения кровли, которые не могут быть компенсированы податливостью гидростоек.

8.Оперативно увеличить сопротивление механизиро­ ванной крепи более сложно и не всегда возможно.

9.Существует необходимость разгрузки крепи по

технологическим причинам (выправка отклонившихся секций, замена деталей и т. д.), что также способствует смещению кровли.

156

10.Возможность снижения сопротивления крепи изза невидимых утечек рабочей жидкости может привести

кзажатию секций.

11.Местное выпадение пород кровли в механизиро­

ванной крепи может вызывать более продолжительные простои забоя, чем при индивидуальной.

Рассмотрим некоторые из них более подробно. Ис­ следования смещений кровли впереди забоев в лавах Кузбасса показали, что эти смещения могут достигать 30 мм. В призабойном бесстоечном пространстве они резко возрастают до 60 и иногда 70 мм, вследствие чего практически не компенсируются податливостью гидро­ стоек. Вместе с тем, как показали исследования, на пластах с тяжелыми кровлями, в период влияния осадок основной кровли происходят большие смещения по ли­ нии закола у забоя и рост дополнительных смещений кровли в период передвижки крепи. Последние также не компенсируются или почти не компенсируются по­ датливостью крепи. Все это приводит к тому, что, не­ смотря на низкую податливость гидростоек, общие сме­ щения кровли за цикл на границе призабойного прост­ ранства с выработанным при механизированных крепях могут быть значительно больше, чем при индивидуаль­ ных. Большие смещения кровли в сочетании с много­ кратными передвижками крепи способствуют разруше­ нию нижних слоев кровли и выпадению их в призабой­ ное пространство.

Разгрузка и передвижка секций крепи происходит, как правило, в зоне действия выемки угля, т. е. в зоне повышенных скоростей смещения кровли. Скачкообраз­ ные смещения кровли, вызванные выемкой полоски угля, сопровождаются значительными динамическими нагруз­ ками, воспринимаемыми крепью. Это отрицательно ска­ зывается на состоянии кровли, особенно в случаях, когда между пластом и прочными породами залегают слои слабых пород. Многократное повторение указанных процессов на одних и тех же участках кровли приводят к ее разрушению, чему способствует также и то, что у большинства современных крепей начальный распор не превышает 40—50% номинального сопротивления. В результате в зоне передвинутых секций общее сопро­ тивление крепи-значительно уменьшается. На это обра­ щал внимание В. Н. Хорин [59].

157

Наблюдениями установлено, что при разгрузке сек­ ции крепи происходит дополнительное (от 20 до 40 мм) смещение кровли в зоне передвижки. При распоре сек­ ций восстановить первоначальную высоту призабойного пространства, естественно, не удается главным обра­ зом из-за того, что снятие сопротивления крепи при разгрузке секции происходит по всей ширине призабой­ ного пространства одновременно.

Все рассмотренные факторы способствуют тому, что при податливости механизированной крепи 10— 15 мм или при суммарной ее величине 60—80 мм по ширине призабойного пространства смещения кровли в течение цикла достигают 300—400 мм, а иногда и больше.

Рабочее сопротивление механизированных гидравли­ ческих крепей определяется сопротивлением, при кото­ ром срабатывают предохранительные клапаны. Клапа­ ны, как правило, настраиваются на заводе-изготовителе на номинальное сопротивление, которое в процессе экс­ плуатации может быть изменено (уменьшено, увеличе­ но) перестройкой клапанов. Однако из-за различных при­ чин (засорения рабочей жидкости, износа рабочих поверхностей клапанов и др.) фактическое сопротивле­ ние, при котором срабатывают клапаны, может значи­ тельно отличаться как от номинального, так и от рабо­ чего. Приведем в качестве примера результаты измере­ ний нагрузок на крепь и сопротивлений срабатывания клапанов гидростоек комплекса МК на пласте 5 шахты «Чертинская» (рис. 51). На графиках сплошной линией показана плотность распределения фактического сопро­ тивления крепи при рабочем сопротивлении гидростоек 80, 50 и 40 тс, а пунктирной — плотность распределения срабатывания клапанов гидростоек соответственно в тот же период наблюдений. При этом стойки, которые в конце цикла имели сопротивление менее 5 тс, не учи­ тывались, так как они были явно неисправны. Таких стоек при настройке на 80 тс оказалось около 15%, при настройке на 50 тс — около 10%, а при настройке на 40 тс таких случаев не наблюдалось совсем.

Из графиков видно, что сопротивление срабатывания клапанов гидростоек было как ниже, так и выше со­ противления настройки, причем частота срабатывания в обоих случаях была примерно одинаковой. При на­ стройке клапанов на сопротивление 80 тс на стойку их

158

срабатывание наблюдалось при минимальном сопротив­ лении 16 тс и при максимальном 92 тс.

Большой разброс сопротивлений срабатывания кла­ панов приводит к большому разбросу фактического со­ противления крепи. Состояние кровли при настройке клапанов на сопротивление 80 тс было хорошим, сред-

ияя податливость гидростоек за цикл составила 5 мм, максимальная — 20 мм. Из рис. 51 видно, что при на­ стройке клапанов на сопротивление 50 тс общий ха­ рактер кривых остался таким же, что и при 80 тс, изменились лишь пределы срабатывания клапанов (ми­ нимальный 32 и максимальный 64 тс); податливость

56 тс, 66,2 и 249,5 мм. Кривые плотности распределения как фактического сопротивления стоек, так и сопротив­ ления срабатывания клапанов близки к нормальному закону распределения.

Ниже приведены величины средней и максимальной податливости стоек в зависимости от разницы между сопротивлением срабатывания клапанов и фактическим при максимальной плотности их распределения.

159