книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Наступление каждого из них обязательно приводит к изменению условий равновесия системы «крепь-боковые породы». В связи с тем, что разрушение является, как правило, хрупким, уже при на­ ступлении предельных состояний первого рода наблюдаются дина­ мические. колебания с небольшой амплитудой. Но основные черты механизма взаимодействия крепей с породами связаны с наступ­ лением предельных состояний третьего рода (потери устойчивости в системах элементов дискретной среды). Необходимое сопротивление крепи должно выбираться, исходя из рассмотрения условий равно­ весия пород в этой стадии.

Поэтому при исследовании закономерностей взаимодействия крепей с породами следует изучать фактические картины разруше­ ния и перемещения пород над угольным пластом.

Общие положения методики комплексных исследований горного давления в очистных выработках, сводятся к следующему:

Основным методом исследований и в дальнейшем следует счи­ тать экспериментально-производственный метод. При этом главное внимание должно быть обращено на изучение закономерностей деформирования и разрушения пород, угольных целиков и крае­ вых частей массивов угля в реальных условиях. Недостатком экс.: периментально-производственных исследований, выполненных в по­ следние годы, является то, что, при исследовании проявлений гор­ ного давления при применении разных крепей и систем разработки, недостаточно проводилось изучение процессов деформирования по­ род и углей. Для устранения этого недостатка необходимо совер­ шенствовать существующие и разработать новые технические сред­ ства исследований. В настоящее время, в основном, используются глубинные реперы. Но этот метод нуждается в развитии. Исполь­ зуются также оптические [89] и ультразвуковые [7] методы (см. гл. IV).

Следует расширить объемы проведения специальных эксперимен­ тов, при которых необходимо определенным образом изменять или характеристики крепей, или параметры систем разработки.

Многие вопросы, применительно к очистным выработкам, могут быть эффективно решены путем моделирования. При этом наибо­ лее целесообразно применение метода эквивалентных материалов. Некоторые замечания о специфических задачах при использовании этого метода будут сделаны ниже. Для исследования напряженных состояний в породах в окрестности очистных выработок должен шире использоваться оптико-поляризационный метод, особенно при­ менительно к слоистым средам (гл. III).

Аналитические исследования должны развиваться по несколь­ ким направлениям.

а. Для исследования предельных состояний первого рода не­ обходимо решить методами механики сплошной среды задачи о

230

напряженном состоянии пород в окрестности очистного забоя. При­

ний главных напряжений и траекториями главных напряжений, по которым только очень приблизительно можно определять состав­ ляющие напряжений на отдельных площадках. В работе [48] напряжения определяются с учетом образования зон отжатого угля, что является существенным шагом вперед. Необходимо развить применение методов механики сплошной среды для решения задач с учетом: неоднородности (главным образом, слоистости) толщ по­ род, изменения напряженного состояния по мере образования но­ вых трещин, упруго-пластических и вязко-пластических деформаций.

Применительно к длинным очистным забоям решения имеются [И , 58], но они не доведены до численных значений. В работах [26, 56] описывается напряженное состояние только на контакте угольного пласта с породами. Интересным по своей основной идее являются решения, данные в работах [27, 28, 75], но вычисления выполнены в них лишь для некоторых частных случаев. Надо под­ черкнуть, что сейчас задача об определении напряжений в боковых породах в окрестности длинного очистного забоя является чрезвы­ чайно актуальной, т. к. только на основании ее решения можно опи­ сывать и анализировать условия наступления первых предельных состояний в горных породах.

б. Предельные состояния второго рода до последнего времени связывались только с одним видом деформации, а именно с изгибом. Исследования показали, что реальный механизм разрушения слоев сложнее. Поэтому, наряду с развитием и уточнением расчетов слоев на изгиб, необходимо производить расчеты на вторичные расслое­ ния, сдвиг по напластованию и скол поперек него. Необходимо раз­ вить теоретические исследования об условиях образования трещин давления в породах над забоем [9, 59, 60].

в. Предельные состояния в элементах дискретной среды сблизи очистных выработок исследовались в ряде работ [12,41,42,45 и др.]. В перечисленных работах теоретические исследования условий рав­ новесия и перемещения элементов дискретной среды только начаты. Исследования применительно к дискретной раздельно-блочной среде должны быть развиты и являться одним из важных направлений горной геомеханики.

г. Требуют развития аналитические методы расчета целиков с учетом неоднородности, трещиноватости. При этом необходимо ши­ ре использовать методы теории пластичности (в том числе, предель­ ного равновесия), а также методы теории ползучести (см. гл. V)..

231

§ 29. Основные положения методики шахтных исследований

Большое разнообразие условий и задач не позволяет подробно рассмотреть вопросы методики исследования проявлений горного давления в очистных выработках. Поэтому возможно высказать только основные положения, которые должны учитываться при со­ ставлении рабочих методик исследований, применительно к реше­ нию тех или иных конкретных задач. Этот параграф делится на три части: в первой рассматриваются условия длинных очистных забоев, во второй — коротких забоев и в третьей — мощных пластов.

Исследования проявлений горного давления

вдлинных очистных забоях.

Восновном здесь рассмотрены вопросы методики исследований проявлений горного давления при применении механизированных крепей. Индивидуальным крепям ранее посвящено большое число работ, поэтому применительно к ним сделаны лишь краткие заме­ чания в конце этой части параграфа.

Исследования при применении механизированных крепей долж­ ны проводиться при испытаниях опытных образцов и путем проведе­ ния массовых обстоятельных наблюдений и экспериментов при их промышленном применении во всех типичных горногеологических условиях. В комплексе исследований ведущее место должны зани­ мать шахтные наблюдения и измерения. В результате этих исследо­ ваний должен быть выявлен механизм взаимодействия различных конструкций крепей с боковыми породами для типовых горногеоло­ гических условий. Все другие вцды исследований должны прово­ диться в полной увязке с шахтными исследованиями и должны быть направлены на решение задач, возникающих при шахтных исследо­ ваниях.

Основной перспективной целью шахтных исследований является установление закономерностей взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами и определение оптимальных парамет­ ров этих крепей для различных горногеологических условий.

Для новых конструкций механизированных крепей исследова­ ниям в шахтных условиях должны предшествовать тщательные заводские и стендовые их испытания.

Заводские и стендовые испытания механизированных крепей про­ водятся с целью проверки:

качества изготовления отдельных деталей, сборки узлов и всей крепи;

работоспособности отдельных узлов и всей крепи; взаимной увязки и надежности работы отдельных узлов и всей

крепи, а также крепи в комплексе с выемочными и доставочными машинами;

232

правильности сочетаний параметров, принятых при расчете и конструировании крепи и элементов связей крепи с выемочными и доставочными машинами.

В связи с тем, что каждая крепь и связи крепи с выемочными и доставочными машинами имеют свои специфическиё особенности, в каждом случае должна составляться рабочая методика заводских испытаний.

После индивидуальных испытаний (исследований) отдельных деталей и узлов крепи производится проверка взаимной увязки и надежности работы отдельных секций крепи и всей крепи в ком­ плексе с выемочной и доставочной машинами. Испытания произ­ водятся на специальных стендах, имитирующих лаву. Стенды обо­ рудуются измерительной аппаратурой. Желательно, чтобы эти стен­ ды обеспечивали:

установку на нем всего выемочного комплекса; имитацию угла наклона;

получение действительных нагрузок на узлы крепи и в целом на крепь;

передвижение комплекса на несколько выемочных циклов. На стенде проверяются:

правильность взаимодействия узлов крепи при передвижении секции и конвейера. Передвижение секции, в случае необходимости, должно производиться с остаточным подпором и с подпором рабо­ чей жидкости в сливной магистрали;

давление рабочей жидкости в различных полостях гидросистемы; усилие передвижения секций и конвейера; направленность передвижения секций и конвейера; устойчивость секции от опрокидывания; отклонение стоек секций от нормали к плоскостям стенда;

приспосабливаемость секций крепи к неровностям кровли и поч­

вы;

потери напора на различных участках гидросистемы; утечки жидкости через различные элементы гидросистемы;

паспортные данные элементов и агрегатов гидросистемы и элек­ трооборудования крепи;

удобство управления крепью и продолжительность переключе­ ния рукояток управления при выполнении крепью различных опе­ раций;

продолжительность выполнения различных операций с крепью (разгрузка секций, передвижение секций и конвейера, распор сек­ ции и др.);

удобство и трудоемкость монтажных и демонтажных работ. При испытании крепи на стенде производится не менее трех пе­

редвижений крепи вперед1' и назад по всей возможной ширине стенда.

233

Шахтные исследования должны проводиться по обязательной и специальным программам.

А.Обязательная программа исследований предусматривает на­

копление экспериментальных данных для решения перспективных и текущих задач:

оценки работоспособности испытываемой крепи; установление степени осуществления в ней проектных характе­

ристик и параметров; оценки степени соответствия фактических и проектных парамет­

ров условиям эксплуатации; установления степени конструктивной и технологической увязки

механизированной крепи с выемочной машиной и конвейером; установления ряда специфических требований к условиям и об­

ласти рационального применения, исходя из особенностей крепи; установления фактической технико-экономической эффективно­

сти применения крепи; выявление достоинств и недостатков крепи и путей устранения

последних; разработка предложений по совершенствованию крепи.

Программа обязательного минимума исследований должна вклю­ чать следующие виды наблюдений и измерений:

1. Подробное изучение горногеологических и горнотехнических условий работы механизированных, крепей. Оно производится как по шахтной документации, так и путем наблюдений и измерений с помощью простейших приборов: рулетки, рейки, горного компаса, эклиметра и других. Прочностные свойства пород и угля опреде­ ляются путем отбора проб и испытания образцов в лабораторных условиях, а также при вдавливании в пласт и боковые породы круг­ лых штампов на различных расстояниях от забоя примерно через 1 м, на нескольких участках по длине лавы или испытания пород пробниками. Общий перечень естественно-геологических и горно­ технических факторов подробно рассмотрен ранее в [41]. Особое внимание должно быть обращено на состав и строение кровли. Для исследования склонности к расслоению должны буриться сква­ жины с отбором керна. Методы описания и испытания керна изло­ жены в работе [62]. Приемы детального изучения трещиноватости

вкровлях пластов описаны в работе [51].

2.Наблюдения за состоянием и устойчивостью кровли, а на пластах наклонного и крутого падения — за устойчивостью боковых пород, характером обрушения и перемещения кровли, проникнове­ ния пород в призабойное пространство; за характером взаимодей­ ствия обрушенных пород или закладки с оградительными элементами

234

крепей. Эти наблюдения проводятся визуально с использованием простейших инструментов, фиксацией необходимых размеров и эскизированием или фотографированием исследуемых объектов. Для изучения картин разрушения кровли необходимо бурить специаль­ ные скважины и использовать глубинные реперы [73], а также при­ боры, описанные в главе IV и работах [7, 82]. В дальнейшем жела­ тельно искать более совершенные средства для этих исследований.

3. Измерения величин и скоростей относительных смещений бо­ ковых пород. Они должны осуществляться как по нормали к пласту, так и в плоскости напластования по падению и простиранию пласта. Измерения смещений поверхностей выработки должны осущест­ вляться по реперам,' устанавливаемым в кровлю и почву у забоя непосредственно сразу вслед за проходом выемочной машины и до выхода реперов за пределы призабойного пространства. Эти изме­

с точностью до I мм. Измерения во время влияния производственных процессов должны выполняться более точно с помощью стоек с ин­ дикаторными головками. В условиях, где имеют место резкие осадки кровли, измерения опускания и скорости опускания кровли должны выполняться с помощью самописцев типа СД—2 и СД—60 [69]. В этих условиях для измерения опускания кровли и других парамет­ ров крепей целесообразно использовать также электротензометрическую аппаратуру, например, типа АИД конструкции КузНИУИ. Наряду с измерением смещения боковых пород на поверхности вы­ работки, (в характерные периоды поведения кровли при наличии и отсутствии периодических осадок) в нескольких циклах должны производиться измерения смещения пород кровли в массиве над очистной выработкой. Они осуществляются с помощью глубинных реперов. Длина скважины должна выбираться с таким расчетом, чтобы верхний репер закладывался в основную кровлю. При обра­ ботке результатов измерений по глубинным реперам необходимо оценивать возможную ошибку измерений.

4. Измерение податливости стоек. <‘но осуществляется с момента установления до момента разгрузи ?г передвижки секций крепи,

спомощью линейки или самописца, например, типа СП—65 [79].

5.Измерение сопротивления стоек. Оно производится от распора до разгрузки секций крепи с помощью показывающих или самопи­ шущих манометров типа М—66А [79] . Для измерения сопротивле­ ния оградительных элементов крепей и характера-распределения нагрузки на них при их взаимодействии с обрушенными и перепу­ щенными породами или закладкой следует использовать динамомет­

235

мой задаче. Измерительными приборами оснащаются не менее пяти рядом расположенных секций крепи. На пластах крутого падения необходимо иметь дополнительные станции для наблюдений и изме­ рений в верхней и нижней частях лавы, на которых измерительными приборами могут оснащаться 2—3 секции. По возможности про­ водятся сравнительные измерения и наблюдения в соседней лаве того же пласта с индивидуальной крепью или другой конструкцией механизированной крепи.

Б. К специальным экспериментам при применении механизиро­ ванных крепей могут быть отнесены следующие:

исследование влияния величины начального распора и после­ дующего сопротивления крепи и его распределения по ширине при­ забойного пространства на величину и скорость опускания кровли и ее состояние, путем последовательного изменения этих параметров непосредственно в шахтных условиях и параллельных измерений интересующих величин.

установление влияния особенностей механизированных крепей на проявления горного давления и их взаимодействие с боковыми породами: различной последовательностй выполнения производст­ венных процессов, ширины бесстоечного призабойного простран­ ства, различных схем передвижения секций крепи и различных схем работы комбайна (челноковая и односторонняя схемы), изменения плотности крепи в призабойном пространстве, многократного пере­ движения секций крепи и др.;

изучение влияния скорости подвигания забоя на силовой и ки­ нематический режим работы секций крепи и поведение кровли;

изучение влияния сопротивления и других параметров механи­ зированных крепей на призабойный участок зоны опорного давле­ ния и отжим угля, особенно при применении струговых установок; изучение распределения нормальных и касательных усилий на

контактах крепей с боковыми породами; исследование работы гидросистемы крепей.

При проведении любых специальных экспериментов обязательно тщательное изучение структурных особенностей, механических свойств и фактических картин разрушения горных пород.

Проведение специальных экспериментов позволит ускорить ус­ тановление закономерностей взаимодействия механизированных кре­ пей с боковыми породами и определение оптимальных исходных дан­ ных для расчета и конструирования этих крепей.

При обработке и анализе результатов исследований необходимо различать два вопроса: а) оценка работоспособности крепи и степени соответствия ее фактических параметров проектным; б) ус­ тановление закономерностей проявлений горного давления и взаи­ модействия крепи с боковыми породами. Для решения обоих воп­ росов все данные измерения должны быть сведены в таблицы и

237

представлены графически. В таблицы заносятся результаты измере­ ний податливости, начального распора, сопротивления в конце цик­ ла перед разгрузкой секции и максимального'за цикл по каждой стойке, а также опускание кровли в раду стоек за каждый цикл из­ мерений, а в конце таблицы приводятся средние, минимальные и максимальные величины, стандарт отклонения и коэффициент вариа­ ции по всем циклам измерений. Подобные же таблицы составляют­ ся по другим измеряемым параметрам.

Основными видами графических материалов являются совмещен­ ные графики опускания кровли, сопротивления стоек крепи, подвигания линий забоя и обрушения, а также хронограмма работ в лаве. На графиках подвигания линий забоя и обрушения наносится раз­ мещение реперов и измерительных секций в призабойном простарнстве на участке наблюдений; отмечается состояние кровли и крепи на этом участке, появление трещин, заколов, вывалов и их развитие, пластическое деформирование, разрушение или зажатие крепи. Анализ состояний кровли следует проводить по возможности на основании объективных оценок.

После того, как все результаты исследований сведены в таблицы и представлены графически, можно приступать к их анализу и ус­ тановлению закономерностей проявлений горного давления. При решении первого вопроса — оценке работоспособности крепи и сте­ пени соответствия ее фактических параметров проектным, достаточ­ но провести статистическую обработку полученных в процессе иссле­ дований материалов и оперировать средними величинами и коэф­ фициентами вариации по каждому параметру, минимальными и максимальными величинами. Для более детального анализа полу­ ченных величин, целесообразно построить графики их распределе­ ния. При решении указанного вопроса материал по каждому па­ раметру может рассматриваться и подвергаться статистический об­ работке весь в совокупности, если в процессе исследований не было каких-то различных периодов, существенно отличающихся друг от друга по условиям. В противном случае по каждому периоду ма­ териал должен рассматриваться отдельно.

При решении второго вопроса — установления закономерностей проявлений горного давления и взаимодействия крепи с боковыми породами, полученные результаты должны анализироваться диффе­ ренцированно по характерным периодам (основные производствен­ ные процессы и др.).

Между отдельными параметрами должна, в случае необходи­ мости, устанавливаться корреляционная зависимость.

В настоящее время изыскиваются и проверяются в производст­ венных условиях способы выемки угольных пластов без присутст­ вия людей в очистных забоях, например, технологические схемы со струговой и струготаранной выемкой, канатными пилами, комплек-

238

сами типа КБС, КМД и др. Особенно это характерно для крутого падения и, в частности, для весьма тонких пластов. Исследования проявлений горного давления в таких случаях связаны с определен­ ными трудностями.

В забоях, оборудованных дистанционно управляемыми механи­ зированными крепями и комплексами, а также при работе без креп­ ления для измерения конвергенции боковых пород и деформаций угольного пласта применяются приемы и технические средства, позволяющие производить их доставку, установку и производство измерений дистанционным путем. В условиях крутого падения эти средства измерения снабжены необходимыми защитными устройст­

и перемещения пород кровли (почвы) применяются буровые сква­ жины, пробурённые либо из выработок разрабатываемого пласта, либо из выработок смежных сближенных пластов в толщу боковых пород разрабатываемого пласта. Скважины бурятся впереди очист­ ного забоя на расстоянии 30—40 м и оборудуются глубинными ре­ перами. Типы измерительных средств для глубинных реперов и их точность определяются характером решаемых задач. Например, для измерения деформаций породного массива в зоне опорного давления предпочтительнее индикаторы часового типа, струнные дат­ чики, а в подработанной зоне—-мерные шкалы, реостатные, им­

выработок с механизированными крепями и расширяются область и условия их применения, имеется ряд условий, где в силу ряда при­ чин сохранится применение индивидуальной металлической и даже деревянной крепи, причем эти условия будут иметь место в довольно значительном числе выработок. В связи с этим вопросы проявлений горного давления, управления кровлей в очистных выработках при применении индивидуальной крепи остаются и будут оставаться актуальными. В‘ настоящее время разработан типаж и определены параметры металлической индивидуальной крепи и вряд ли в бли­ жайшее время возникнет необходимость их коренного пересмотра. Поэтому наиболее актуальным вопросом ближайшего времени для выработок с индивидуальной крепью является вопрос выбора опти­ мальных паспортов крепления. Исследования и должны быть на­ правлены на решение этого вопроса. Программа и методика иссле­ дований, в основном, сходны с таковыми при применении механизи­ рованных крепей и включают в себя измерения и наблюдения, ука­ занные в п. п. 1,2, 3, 4, 5, 10, 11, 15 изложенной выше обязательной программы исследований при применении механизированных крепей.

Приборы, в основном, используются те же; измерение сопротив­ ления стоек трения производится с помощью различных типов дина­ мометров, гидравлических стоек манометрами.

239