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

Некоторые авторы выделяют еще весьма труднообрушаемые кровли, при которых отработка пласта с об­ рушением затруднена или вообще невозможна из-за больших зависании.

Кровли указанных трех групп в дальнейшем мы бу­ дем называть трудноуправляемыми, имея в виду, что поддержание их в призабойном пространстве в безопас­ ном состоянии, в отличие от обычных кровель, требует применения комплекса дополнительных мер. При отра­ ботке пластов с трудноуправляемыми кровлями наблю­ даются явления, указывающие иа необходимость более глубокого изучения схем их разрушения и взаимодейст-• вия с крепыо. К этим явлениям относятся: склонность к зависанию, наличие заколов и «ступеней» в кровле длин­ ного очистного забоя; периодические или апериодические проявления повышенных нагрузок и смещений. Каждое из указанных явлений вызывает необходимость разра­ ботки дополнительных мер для удержания кровли в бе­ зопасном состоянии. Детальное изучение особенностей разрушения, перемещения и взаимодействия с крепыо таких кровель особенно важно в связи с широким внед­ рением механизированных крепей и комплексов.

§ 2. Изученность закономерностей проявлений горного давления при трудноуправляемых кровлях

В этой работе пет необходимости детально анализи­ ровать известные гипотезы горного давления. Большин­ ство их является обобщением результатов наблюдений и исследований, проведенных как в натурных, так и в лабораторных условиях советскими [7, 13, 14, 15] и за­ рубежными учеными [16, 17].

Нам представляется полезным разделить все гипоте­ зы горного давления на две основные группы. Первая группа гипотез объясняет общее состояние массива гор­ ных пород в результате воздействия очистной выра­ ботки. Авторы этих гипотез исходят из представления об определенных свойствах массива горных пород как сре­ ды (упругой, пластичной, сыпучей, дискретной и т. д.) и дают расчетные методы, не всегда учитывающие кон­ кретные условия залегания пласта и применяемые кре­ пи. Особенностью гипотез этой группы является рассмо­ трение больших пространств вокруг выработки. Сюда можно отнести гипотезу свода, гипотезу предваритель-

10

пои трещиноватости, гипотезу консольной балки в об­

разрушения пород над очистным пространством и зако­ номерности проявлений горного давления в зависимости от литологического состава и степени нарушенное™ по­ род кровли. В гипотезах, как правило, рассматривается небольшая область влияния выработки, захватывающая в основном зону разрушения пород, которая оказывает влияние на условия работы крепи в очистном забое. Сюда относятся гипотеза возможных перемещений Г. Н. Кузнецова, гипотеза ступенчатого опускания кров­ ли П. М. Цимбаревича, расчетные методы С. Т. Кузне­ цова, А. А. Борисова, В. Т. Давидянца, О. Якоби и др. В соответствии с данной группой гипотез и расчетных методов составлены различные классификации кровли пластов по строению, прочности пород, нарушенное™ трещинами и т. д., причем большинство из них основаны на многочисленных шахтных и лабораторных исследо­ ваниях и наблюдениях.

Хотя в обеих группах гипотез ставится цель опреде­ лить возможные нагрузки на крепь, в расчетных методах второй группы более полно учитываются конкретные факторы и условия, оказывающие влияние на величину нагрузок. Создание, наряду с развитием общих представ­ лений, расчетных методов определения нагрузки для конкретных схем обрушения кровли следует считать пра­ вильным, так как онипомогают шире представить все многообразие горно-геологических и горнотехнических условий и особенностей их влияния на работу крепи и способствует созданию основ общей теории проявлений горного давления. Это тем более необходимо, что по­ стоянное совершенствование средств и способов управ­ ления горным давлением выдвигает все новые и новые задачи по изучению закономерностей процесса взаимо­ действия крепей и кровель.

Такой подход позволил Г. Н. Кузнецову все многооб­ разие структурных и прочностных сочетаний условий залегания горных пород над угольными пластами свести к нескольким типовым схемам разрушения и перемеще­ ния слоев над очистной выработкой [2]. Им выделены

11

случаи, когда в непосредственной кровле залегает мощ­ ный прочный слой пород, а над ним либо легкообрушающиеся породы, либо достаточно прочные и мощные слои пород. Здесь наиболее тяжелым является первый случай, когда может произойти срез нижнего и после­ дующего слоев и передача полного их веса на крепь.

В отдельные группы выделены случаи, когда толща пород разбита трещинами и забой расположен парал­ лельно кливажу. Здесь имеют место обычно ступенчатое смещение кровли и тяжелые условия работы крепи. Для уменьшения вредного влияния ступенчатого смещения кровли и больших нагрузок на крепь рекомендуется рас­ полагать линию забоя под углом к линиям основной системы кливажа.

Ступенчатое опускание кровли по трещинам, прохо­ дящим вдоль забоя лавы, не всегда объясняется клива-

П. В. Васильев [22] и др. Известно много случаев, когда забои противоположного направления имеют трещины, параллельные линии забоя и наклоненные на забой.

Характер разрушения слоев кровли зависит от их мощности, прочностных свойств пород и общей картины напряженного поля впереди и над забоем. А. Лабасс указывает, что если мощность слоя невелика, то проис­ ходит его отслоение в средней части пролета. При боль­ шей мощности слоя разрушение его происходит под влиянием срезывающих усилий по плоскостям трещин. Те же две формы разрушения и движения непосредст­ венной кровли в лаве выделяет и В. Т. Давидянц [3].

Существование схемы разрушения непосредственной кровли на отдельные призмы или блоки с последующим их ступенчатым перемещением указывает на необходи­ мость более тщательного изучения условий возникнове­ ния данной схемы и закономерностей взаимодействия такой кровли с крепью очистного забоя. Это тем более необходимо, что ступенчатый характер смещения кровли может создать совершенно недопустимые условия для применения новых типов механизированных передвиж­ ных крепей [18].

Хотя ступенчатая форма смещения кровли в приза­ бойном пространстве имеет большое распространение, детальное исследование причин и условий этого явления

12

началось недавно. Отмечается [3, 4], что данная форма смещения кровли имеет место при прочных породах и сопровождается зависанием кровли • в выработанном пространстве. Причиной этого явления считают наличие сил бокового распора в системе элементов нарушенной кровли.

Одной из первых попыток исследовать особенности поведения таких кровель является работа Г. Н. Кузне­ цова [23], в которой приведены результаты изучения характера поведения кровли, сложенной из отдельных элементов — блоков с вертикальной трещиноватостью. В системе этих элементов возникали силы бокового рас­ пора и в кровле, несмотря на наличие трещин, образо­ вывалась арочная система.

С. Т. Кузнецов [4] на основе шахтных исследований, обращает внимание на то, что необходимо различать случаи, когда образующиеся блоки упорядоченно выпа­ дают на почву, и случаи, когда в их системе возникают силы распора, удерживающие блоки от выпадения.

Сложилось мнение, что зависание кровли в вырабо­

причин обрушения кровли в призабойном пространстве, хотя и не рассматривает механизма взаимодействия кре­ пи и кровли.

О. Якоби [24], напротив, считает необходимым спо­ собствовать образованию зависаний, так как это улуч­ шает состояние кровли в призабойном пространстве. При

Иначе говоря, существуют разные мнения относитель­ но закономерностей проявлений горного давления при труднообрушаемых кровлях.

В отношении влияния вторичных осадок кровли мне­ ния едины — они вредны. Однако проявления их в при­ забойном пространстве весьма разнообразны, что приво­ дит иногда к противоречивым рекомендациям в отноше­ нии мер борьбы с ними.

А. Лабасс, Ф. Шпрут и другие предлагают пласты с осадками основной кровли разрабатывать с примене­ нием закладки. В Советском Союзе убедительно дока-

13

заио [3, 15], что такие пласты можно с успехом отраба­ тывать с полным обрушением.

При осадках основной кровли происходят поломы и повалы призабойной крепи, резко увеличиваются смеще­ ния кровли в призабойном пространстве, непосредствен­ ная кровля разрушается и проникает в призабойное Пространство. Особо тяжелые последствия вызывают осадки основной кровли на пластах, непосредственная кровля которых представлена прочными и монолитными породами. В этих случаях наблюдаются большие смеще­ ния кровли по трещинам (ступени) при применении как индивидуальных [25, 4], так и механизированных крепей [26, 27]. В таких условиях происходят наиболее крупные и внезапные завалы лав.

А. Уинстенли [11] выделяет два класса обрушения кровель в забое. В первом обрушение пород кровли про­ исходит в основном вблизи забоя (клинообразные выва­ лы, выпадение нижних частей слоев кровли, смещение блоков и т. д.). При этом вблизи границы призабойного пространства кровля удерживается на некотором уровне без обрушения.

Во втором обрушение происходит, начиная с границы призабойного пространства, и сопровождается повышен­ ными смещениями по всей его ширине.

Эти два класса являются наиболее характерными для кровель, сложенных прочными и монолитными породами и склонными к крупноблочному разрушению. При этом область завала обычно охватывает значительные участки лавы, а иногда и всю лаву. Очевидно, что в таких слу­ чаях в движение приходят большие массы пород, удер­ жать которые применяемая крепь не в состоянии.

Здесь уместно сказать, что следует отличать завалы лав от локальных обрушений небольших масс пород или просто вывалов. Причины этих явлений различны.

В первом случае происходит нарушение равновесно­ го состояния больших масс пород, которые приходят в движение на большую высоту и на большом участке по длине лавы. Эти завалы вызывают массовый полом или повал крепи, зажатие призабойных и посадочных крепей индивидуального типа и стоек механизированных крепей, что указывает на принципиальное несоответствие приме­ няемых мер по удержанию кровли и общего характера разрушения и перемещения кровли.

14

Локальные же обрушения кровли, чаще наблюдаемые при слабых кровлях, как правило, происходят в местах нарушений, неправильной расстановки стоек или техно­ логии их переноски. Обычно па соседних с местом такого обрушения участках нет признаков повышенного давле­ ния. То же происходит и при вывалах, которые могут происходить либо в виде высыпания пород непосредст­ венной кровли, либо выпадения отдельных крупных кус­ ков из зон заколов и пересечения трещин. Такие обру­ шения (если они происходят систематически и являются результатом повышенных смещений кровли) могут так­ же свидетельствовать и о несоответствии паспорта креп­ ления условиям отработки пласта.

В. И. Кравченко, анализируя причины завалов и об­ рушений, заостряет внимание на необходимости улучше­ ния геологической службы шахт и прогнозирования изменений в составе и строении кровли. Это особенно важно в связи с значительным расширением области применения механизированных крепей.

Особое внимание улучшению геологической службы шахт уделяет С. Т. Кузнецов [28], рассматривая факто­ ры, которые оказывают влияние на работу механизиро­ ванных крепей. В этой же работе С. Т. Кузнецов расши­ ряет ранее разработанную им классификацию [4]. При этом он подчеркивает важность значения детального строения кровли для того, чтобы предсказать основные формы ее разрушения и закономерности взаимодействия с крепыо.

Автором сделан анализ работы 85 лав на пластах с прочными и монолитными непосредственными кровлями при разных паспортах крепления и управлении кровлей полным обрушением.

Результаты анализа показывают, что на склонность к зависанию кровли в выработанном пространстве ока­

зывает влияние величина отношения Кы= — > где /г и

т

т соответственно мощность прочного слоя непосредст­ венной кровли и пласта (рис. 1). Отдельные участки кривой отражают принципиальное различие в поведении непосредственной кровли: оа — зависания кровли в вы­ работанном пространстве не наблюдается; аб — зависа­ ние наблюдается систематически, причем как в приза­ бойном, так и в выработанном пространстве наблюда­

15

ются ступени в кровле; бв — зависание также имеет место, но в виде плавного опускания, без видимых сту­ пеней; наблюдается в основном на пластах малой мощ­ ности.

Заштрихованные участки соответствуют диапазону разброса фактических данных на границах перехода от одного участка к другому.

Рис. 1. Плотность распределения лавопластов в зависимости от отношения мощно­ сти непосредственной кровли к мощности пласта

К выводу о том, что прочные и монолитные породы склонны к большим зависаниям, приходит О. Якоби [24], который анализировал результаты шахтных обследова­ ний по 53 лавам и проводил исследования на моделях. Данные говорят о том, что само по себе зависание не является непосредственной причиной завала лав. Оно может только способствовать ему при неправильно выб­ ранных паспортах крепления.

Завалы лав наблюдаются медленные, происходящие иногда в течение суток, и внезапные, практически мгно­ венные. Оба типа завалов могут иметь место иа одном и том же пласте, хотя внезапные завалы более свойствен­ ны пластам с прочными монолитными кровлями. В этом отношении характерен завал лавы 29 на пласте 14 шах­ ты «Абашевская» в Кузбассе.

Завал средней части лавы произошел при переноске тумб, которая производилась после окончания выемки полосы угля. В результате внезапного смещения кровля на большом участке опустилась на 0,7—0,9 м. Призабой­ ная крепь была поломана, одна часть посадочной крепи

16

была зажата, другая — повалена в сторону забоя. Ни­ каких особых признаков повышениядавления или сме­ щения кровли перед завалом не было. Скорость смеще­ ния кровли за минуту до обрушения в зоне переноски тумб составила всего 0,18 мм/мин, т. е. была не выше, чем все зоны влияния рабочих процессов. Зависание кровли в выработанном пространстве до завалу, состав­ ляло 4—6 м, но это явление свойственно вообще кровле пласта 14.

В этой же лаве наблюдались и сравнительно медлен­ ные завалы (зажатия), происходящие в течение несколь­ ких часов.

Причина завала заключается в несоответствии пас­ порта крепления особенностям поведения кровли пла­ ста 14.

Особенности проявлений горного давления на пластах с трудноуправляемыми кровлями изучены недостаточно. Это затрудняет правильный выбор или расчет паспортов крепления и механизированных крепей. На практике используются самые различные типы паспортов [26, 27, 28, 29]. При применении деревянной крепи большое рас­ пространение имели два типа способа управления кров­ лей: частичная закладка и полное обрушение с больши­ ми шагами посадки. Применение частичной закладки обусловливалось повышенными нагрузками и вредным влиянием вторичных осадок. Данный способ управления кровлей был распространен на пологих пластах Донец­ кого бассейна, в Англии, ФРГ, Бельгии [29].

Полное обрушение с большими шагами посадки (не­ сколько выемочных циклов) широко применялось на пологих пластах Кузбасса и на пластах средней мощно­ сти Донбасса с устойчивой непосредственной кровлей и слабым влиянием осадок основной кровли. Особенностью применения данного способа управления кровлей явля­ лось то, что деревянная крепь практически не извлека­ лась из выработанного пространства. Еще до посадки большинство стоек, как правило, было разрушено. Кров­ ля как бы плавно опускалась при постепенном уменьше­ нии сопротивления крепи в выработанном пространстве- (последовательная поломка стоек).

Многорядные кусты из деревянных и металлических стоек, применяемые для поддержания призабойного про­ странства повышенной ширины, получили распростра-

библиотека CO UP ЭКЗЕМ ПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

ненне в Чистяковском районе Донбасса и Кузбассе. При двух или трех рядах кустов в период посадки перено­ сился только один последний ряд, причем кусты исполь­ зовались в качестве призабойной крепи.

Номинальное сопротивление крепи в данных условиях было значительным. При установке кустов в три ряда из 9— 12 стоек каждый, оно составляло 300—500 тс/м очи­ стного забоя. Если кровля была сложена мощными и крепкими песчаниками ряды кустов усиливались еще тумбами ОКУ или кострами.

Параметры таких паспортов крепления сложились иа основании длительного опыта отработки пластов с трудиообрушающимися кровлями в связи с стремлением из­ бежать или по крайней мере отдалить от забоя обру­ шение кровли. Эта же цель преследовалась и при ис­ пользовании деревянных и металлических костров, уста­ навливаемых также в два ряда. Костры широко при­ менялись в Донецком, Кузнецком и Карагандинском бассейнах, а также в ФРГ и Англин.

С созданием в СССР специальных передвижных по­ садочных крепей начался массовый перевод лав с управ­ ления кровлей закладкой па управление способом пол­ ного обрушения.

Одно время в технической литературе доминировала мысль перенести линию обреза прочных кровель от за­ боя за посадочную крепь. Это привело к созданию поса­ дочных стенок МОС и МОК. с жесткой характеристикой и передвижной механизированной крепи МПК. Стали применять паспорта крепления с использованием этих крепей, устанавливаемых в один ряд [15, 30]. Однако это не улучшило управления кровлей, так как происхо­ дило ее разрушение и обыгрывание крепи. Кроме того, что самое главное, применение мощных посадочных стенок не предотвращало ни обрушений кровли в при­ забойном пространстве, ни поломки призабойной дере­ вянной крепи, особенно при осадках основной кровли. От жестких посадочных крепей пришлось отказаться.

Развитие средств крепления в СССР пошло по линии одновременной разработки сравнительно легких приза­ бойных стоек (трения и гидравлических) .и мощных по­ садочных крепей. Особо широкое распространение полу­ чили стойки ОКУ, обладающие высоким рабочим сопро­ тивлением и необходимой податливостью. Имея сравни-

18