Общие положения
Подготовительные выработки являются артериями, через кото- рые осуществляется непосредственное обслуживание очистных работ. Их состояние во многом определяет эффективность работы участков и шахты, культуру и безопасность горных работ.
Выработки должны быть такого сечения, чтобы обеспечить тре- буемые зазоры между стенками и подвижным составом, иметь доста- точную высоту, быть в нормальном эксплуатационном состоянии, т.е. устойчивыми.
Под устойчивостью шахтной выработки подразумевается ее способность находиться в течение определенного промежутка времени в нормальном эксплуатационном состоянии.
В период эксплуатации устойчивость выработки обеспечивается ее перекреплением, ремонтом крепи, подрывкой пород почвы и др., т.е. путем поддержания.
Поддержание выработки – комплекс работ по содержанию выработки в состоянии, указанном в паспорте проведения и крепления выработки.
На поддержание выработок затрачиваются огромные средства. Имеются районы, где протяженность ремонтируемых выработок пре-
вышает 50-60 % от общей их длины. При ремонте выработок основном применяется ручной труд, а стоимость ремонта нередко превышает стоимость проведения и удельный вес в себестоимости 1 т угля со- ставляет 10–20%.
Проблемы снижения ручного труда по ремонту подготовитель- ных выработок в основном решаются путем выбора: наиболее рацио- нального места их расположения относительно границ очистных выра- боток; рациональных способов и средств охраны от горного давления.
Охрана выработок– совокупность мероприятий по обеспече- нию устойчивости выработок.
Эти решения в сочетании с крепью повышенной податливости обеспечивают устойчивость выработок вплоть до безремонтного их поддержания, т.е. без сплошного перекрепления и подрывки почвы. При этом текущий ремонт в порядке профилактики и надзора за со- стоянием остается.
Охрана выработок целиками считается нерациональной из-за больших потерь угля в целиках и необеспечения устойчивости выра- боток на больших глубинах. При применении бутовых полос наблюда- ется большое и, главное, неравномерное по сечению выработки, пуче- ние почвы. Поэтому эти способы охраны выработок считаются не про- грессивными.
На рисунке 16.1 показано, где рационально располагать выра- ботки относительно границ очистных забоев:
1 – на значительном расстоянии от границы лавы (за пределом зоны вредного влияния опорного давления);
2 – в зоне разгрузки;
3 – в зоне консольного прогиба пород;
3'– при проведении выработки позади лавы и охране с двух сто- рон бутовыми полосами.
a)
б)
I-I
3 I
I 3'
Рисунок 16.1 – Схема расположения выработок относительно границ лав
Такое расположение выработок позволяет избежать влияния опорного давления.
Принципы выбора способа и параметров охраны выработок следующие.
1. Бесцеликовая охрана или целиками таких размеров, при ко- торых можно эффективно вынимать уголь при погашении выработок.
2. Безремонтное поддержание.
3. Если возможны различные способы, то принимаемый способ обосновывается технико-экономическим расчетом.
4. Возможные способы и параметры охраны определяются на основе инженерных расчетов смещений окружающих выра- ботку пород.
В настоящее время прогрессивной является бесцеликовая охра- на выработок.
16.2 Формирование смещения пород в выработку
Проведение выработки приводит к нарушению напряженного состояния в нетронутом горном массиве, в результате чего породы деформируются и смещаются в сторону выработки. Непосредственно у забоя на контуре выработки происходит упругое восстановление раз- груженных пород, которое заканчивается при удалении выработки на 12–I5 м. Затем, по мере удаления проходческого забоя, смещение по- родного контура возрастает за счет концентрации напряжений в окру- жающих выработку породах, что приводит к пластическим деформа- циям и разрушению пород на некоторую глубину от контура выработ- ки. Наиболее интенсивно породы смещаются в первые 1–3 месяца. Формирование смещения пород в выработке показано на рисунке 16.2. Смещение пород, вызванное ее проведением, с удалением от забоя постепенно уменьшается до величин, определяемых условиями работы выработки как одиночной.
|
U2
|
U1
|
Uпр
перваялава вторая лава t
Рисунок 16.2 – Схема формирования смещений пород в выработке
Большое влияние на условия поддержания оказывает ведение очистных работ, в результате которых в значительных областях масси- ва, примыкающего к очистному забою, происходит интенсивное сдви- жение пород. В течение 1–2 месяцев после прохода очистного забоя кровля интенсивно опускается в зоне динамического опорного давле- ния, затем скорости смещения выравниваются и наблюдаются в тече- ние длительного времени (до 5 лет), когда сказывается влияние ста- ционарного опорного давления.
Если выработка используется в качестве вентиляционной для ниже расположенной лавы, она вновь испытывает влияние передней зоны опорного давления второй лавы, а если поддерживается и позади второй лавы, то испытывает и влияние стационарного опорного давле- ния второй лавы.
Таким образом, суммарное смещение пород в выработке можно описать следующей структурной формулой
' ост
ост
U = Uпр+ U0+ U1+ U1
+ U2 + U2
, (16.1)
где Uпр– смещение пород под влиянием проведения выработки;
|
| |
интенсивного смещения;
U1– смещение пород под влиянием передней зоны опорно- го давления первой лавы;
| |
U2– смещение пород под влиянием передней зоны опорно-
го давления второй лавы;
|
– смещение пород в зоне стационарного опорного
давления второй лавы.
В зависимости от способа охраны в формулу могут входить только некоторые ее составляющие.
В зависимости от соотношения действующих напряжений и прочности пород, различают 3 типа деформаций.
I тип.При напряжениях на контуре меньше предела длительной прочности в массиве вокруг выработки образуется зона упруговязких деформаций. Деформационный процесс протекает без нарушения сплошности пород и затухает (см. рис. 16.3). Смещение обычно 50–60 мм. Здесь можно не применять рамную крепь, а для предотвращения вывалов применять анкерную крепь.
II тип.Напряжения на контуре превышают предел длительной прочности пород, но они меньше мгновенной прочности. Упруго- вязкие деформации с течением времени в части зоны приводят к раз-
рушению пород, образуется зона длительного разрушения пород высо- той 1,5–3 м. Смещение пород в выработке до 200 мм.
U,
мм
III II
I
0 t
Рисунок 16.3 – Характер смещений пород при различных типах деформаций
III тип.Напряжения на контуре больше мгновенной прочности пород. Разрушение пород на контуре происходит сразу после проведе- ния выработки, образуются зоны разрушенных пород и далее упруго- вязких деформаций. Смещения превышают 200 мм (см. рис. 16.3).
16.3 Влияние факторов на смещение породного контура выработки
Первопричиной всех проявлений горного давления является на- пряженное состояние горных пород на контуре выработки и в массиве. До проведения выработок напряженное состояние массива определя- ется в первую очередь глубиной от поверхности, т.е. гидростатическим
давлением. Для бассейнов, расположенных в районах современных тектонических процессов, на участках под склонами гор, в замковых частях складок и в области крупных тектонических нарушений гори- зонтальная составляющая напряжений В 1,5 раза больше вертикальной. Основные факторы: глубина разработки; тип и характеристика крепи; способ охраны выработки; наличие очистных работ и место выработки относительно их границ; сечение выработки; способ прове-
дения выработки; срок службы; угол падения пласта.
Наиболее сильно влияющий фактор – глубина разработки. В не- сколько раз увеличивается пучение почвы при увеличении глубины разработки от малых (200 м) до больших глубин (800 м и более).
С уменьшением прочности пород увеличивается смещение кровли и пучение почвы. В качестве характеристики среды принят расчетный предел прочности пород на сжатие (σ), как среднее значе- ние из величин приведенных прочностей кровли и почвы (рис. 16.4)
|
o = , (16.2)
где σ – расчетная прочность пород;
σк – приведенная прочность кровли, которая определяется
σк=σк1 при hк1>2 м;
|
|
<2 м; (16.3)
hk1
+ hk2
+ × × × × +hkn
σki– предел прочности на сжатие i-гo слоя кровли;
hki– мощность i-гo слоя кровли;
i – 1,2…..n;
σn– приведенная прочность почвы, которая определяется при hn1<2 м по формуле
o n1hn1+ o n2hn2+ × × × × + o nnhnn
|
hn1
+ hn2
+ × × × × +hnn
σni– предел прочности на сжатие i-гo слоя почвы;
hni– мощность i-гo слоя почвы;
σn=σn1 при hп1>2 м.
|
σк3
|
σк2
|
σк1
|
В σп1
|
σп2
|
σп3
|
σп4
Рисунок 16.4 – Схема для расчёта σ
На рисунке 16.4 показаны размеры учитываемых областей в кровле и в почве пласта.
При определении приведенных прочностей кровли и почвы сле- дует учитывать следующее.
1. Учитываются слои мощностью более 0,5 м.
2. Прочность пород на высоту: в кровле, равную 1,5 ширины, в почве на высоту, равную одной ширине выработки.
3. Если прочности слоев породы различаются не более чем на 20%, расчет ведется по минимальному значению, если более 20%,то вычисляется средневзвешенное значение.
4. Если в кровле или в почве имеется слой более 2 м непосред- ственно над или под пластом, то учитывать только этот слой.
5. Если в сечении выработки более прочные породы, чем в поч- ве и в кровле (в 2 и более раза), то их не учитывают.
Прочность обводненных пород составляет 0,8 от прочности су- хих пород.
Обрушаемость кровли оказывает на смещение пород влияние. По обрушаемости кровли разделены на 3 типа: легкообрушаемые – меньше 50,0 МПа;
средней обрушаемости – 50,0–80,0 МПа; труднообрушаемые больше 80,0 МПа.
По степени пучения почвы разделены на: непучащие К=12;
малопучащие К=12-20;
пучащие К=20-40;
сильно пучащие К>40,
где К – коэффициент степени пучения почвы
К = Н
o п
, (16.5)
Н – глубина разработки, м.
Для пластовых выемочных выработок степень пучения опреде- ляется по формуле
НК Д
К = , (16.6)
o п
мости:
где КД – коэффициент, учитывающий тип кровли по обрушае-
для легкообрушающейся кровли Кд= 2;
для среднеобрушающейся кровли Кд= 2,5;
для труднообрушающихся пород Кд= 3.
При увеличении плотности установки рам крепи В выработке
смещение уменьшается на величину, определяемую коэффициентом Р ,
Р – плотность установки рам, рам/м.
Сечение выработки учитывается коэффициентом Кs
Кs= 0,32
где S –сечение выработки, м2.
S , (16.7)
При проведении выработок комбайном Uпруменьшается в 1,25
раза, коэффициент Кпр=0,8.
С увеличением угла падения пласта смещение пород уменьша-
ется.
Значительное влияние на смещение оказывает способ охраны
| |
Лекция 17