40

2. УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

   ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

2.1. Геомеханические процессы в подготовительных выработках вне зоны влияния очистных работ

В соответствии с требованиями технологического проектирования схемы расположения и тип крепи вскрывающих и основных подготовительных горных выработок должны обеспечивать минимальные затраты на проведение и поддержание выработок, а также минимальные потери угля в целиках.

Поэтому, основные требования к проектированию вскрывающих и подготовительных выработок состоят в следующем:

• основные выработки следует располагать вне зон тектонических нарушений (пересекать выработкой нарушение следует под прямым углом, а выработки, параллельные геологическому нарушению, следует располагать дальше от них);

• ширина угольных целиков для охраны выработок, проводимых по разрабатываемому пласту или в непосредственной близости от него, должна быть не менее размеров зон вредного воздействия опорного давления;

• подготовительные выработки допускается проводить по пласту только при разработке одиночных тонких и средней мощности пластов, а также в свитах пластов, не опасных по горным ударам, внезапным выбросам угля и газа, взрывам пыли;

• выработки с большим сроком службы следует, по возможности, располагать в зонах разгрузки под или над выработанным пространством соседнего пласта (расстояние до вышележащего выработанного пространства должно быть не менее 5 м, до нижележащего - не менее 6 m, где m - мощность отработанного пласта);

• не рекомендуется располагать подготовительные выработки в зонах, подверженных в будущем влиянию очистных работ на разрабатываемом пласте или на соседних пластах.

Основные подготовительные выработки должны поддерживаться в эксплуатационном состоянии в течение всего срока существования шахты. Для того, чтобы провести правильный выбор параметров и типа крепи при проектировании подготовительных горных выработок, необходимо знать величину ожидаемой конвергенции.

Конвергенцией называются суммарные вертикальные или горизонтальные смещения подготовительной выработки.

Конвергенция горных выработок зависит от 4 основных факторов, к которым относятся:

• глубина разработки;

• прочностные свойства пород кровли и почвы;

• способ охраны выработки;

• мощность пласта.

С увеличением глубины ведения горных работ возрастает величина горного давления, соответственно увеличиваются смещения кровли, почвы и боков подготовительных выработок. Как показали исследования на шахтах Германии, с увеличением глубины разработки на 100 м вертикальная конвергенция увеличивается приблизительно на 17 см.

В выработках с более прочными породами почвы наблюдаются меньшие вертикальные смещения.

При охране выработок с использованием крепей, допускающих незначительные смещения пород, конвергенция уменьшается.

С увеличением мощности пластов конвергенция подготовительных выработок увеличивается, что обусловлено меньшей прочностью угля по сравнению с вмещающими породами.

При большой глубине разработки значительное влияние на конвергенцию оказывает фактор времени - чем больше срок службы выработки, тем меньше остаточная площадь поперечного сечения.

При разработке шахтой свиты угольных пластов основные подготовительные выработки могут попадать в зоны влияния очистных работ на соседних выше или нижележащих пластах. В этом случае необходимо помнить, что смещения кровли, почвы и боков подготовительной выработки увеличиваются прямо пропорционально обусловленному очистными работами приросту горного давления.

Поэтому, в зоне влияния очистных работ на соседних пластах на конвергенцию подготовительной выработки не оказывают существенного влияния тип используемой крепи и плотность ее установки. Не компенсирует вертикальную конвергенцию и увеличение сечения выработки, так как абсолютные смещения кровли и почвы возрастают пропорционально увеличению исходной высоты выработки (эта закономерность особенно проявляется на больших глубинах).

Основным направлением уменьшения конвергенции подготовительных выработок, попавших в зону влияния очистных работ, является снижение воздействия на выработку повышенного горного давления. Для этого применяются следующие меры:

• проведение предварительной защитной надработки пласта;

• предотвращение расслоения пород вокруг выработок за счет нагнетания полимерных смол или установки анкеров;

• упрочнение пород почвы выработок;

• проведение плановых подрывок пород почвы.

2. Управление геомеханическими процессами вокруг подготовительных выработок крепями

При выборе типа крепи подготовительных выработок необходимо учитывать следующее:

• крепь выработки не должна допускать расслоения пород кровли, поскольку в этом случае снижаются прочность и несущая способность кровли и при увеличении горного давления резко возрастают деформации кровли и крепи;

• плохое заполнение закрепного пространства приводит к разрушению пород на контуре выработки и снижению несущей способности крепи вследствие неравномерного приложения нагрузки.

Деформации и разрушение пород по контуру выработки зависят от вида крепи (с замедленным или быстрым восприятием нагрузки) и от величины её несущей способности.

К основным типам крепи относятся:

• рамные (арочные, кольцевые, трапециевидные, прямоугольные) крепи;

• сплошные (монолитные и сборные) крепи;

• анкерные крепи.

По способу восприятия нагрузки рамные и сплошные крепи делятся на жесткие (испытывающие под действием нагрузки только упругие деформации) и податливые (допускающие смещения и деформации за пределами упругости при сохранении своей несущей способности).

Материалы и тип крепи подготовительных выработок следует выбирать исходя из срока службы, горно-геологических условий залегания и горнотехнических условий эксплуатации выработки.

Бетонные и железобетонные крепи применяются в основном для крепления стволов и выработок околоствольных дворов.

Деревянные рамные крепи применяются в выработках с небольшим сроком службы (до 3-х лет) и при небольшой глубине разработки (до 200 м) в условиях небольших смещений пород (до 150-200 мм). Сопротивление рамы деревянной крепи составляет 60-100 кН, деревянной стойки - до 200 кН.

Смешанные рамные крепи (металлический верхняк и деревянные стойки) применяются в участковых выработках со сроком службы до 3 лет, при смещениях кровли до 200 мм и отсутствии пучения.

Металлические рамные податливые крепи используются при глубине горных работ более 200 м и могут быть арочной, трапециевидной (прямоугольной) и кольцевой формы.

К арочным крепям относятся:

• трехзвенные крепи КМП-А3 (применяются в породах любой прочности, при смещениях кровли до 300-400 мм, в выработках с продолжительным сроком службы (более 2 лет) и углами падения до 35^о);

• четырехзвенные крепи КМП-А4 (применяются в двухпутевых выработках со сроком службы более 2 лет и смещениями кровли - до 600 мм, боков - до 400 мм);

• пятизвенные крепи КМП-А5 (применяются в выработках со смещениями кровли до 1000 мм, подверженных влиянию очистных работ).

К трапециевидным (прямоугольным) крепям относятся:

• КМП-Т(П) (применяются в зоне активного влияния очистных работ, при ожидаемых смещениях кровли до 600 мм и отсутствии бокового давления и пучения, при углах падения пласта до 18 ^о);

• КМПТ(П) (применяются в тех же условиях, что и крепь КМП-Т(П), отличаются установкой для усиления крепи средней стойки).

К кольцевым крепям относятся:

• четырехзвенные крепи КМП-К4 (применяются при значительном всестороннем горном давлении или пучащих породах в выработках со сроком службы более 2 лет);

• шестизвенные крепи КМП-К6 (применяются в тех же условиях, что и крепь КМП-К4).

Анкерные крепи могут быть нескольких видов:

• с механическим замковым закреплением (ШК и др. конструкции);

• с химическим закреплением при помощи ампул с полимерной смолой (анкеры АСП и др.);

• с закреплением по всей длине при помощи цементного раствора (канатные анкеры);

• с закреплением в шпуре за счет сил трения (применяются для крепления пород с коэффициентом крепости более 8).

Сталеполимерное анкерное крепление является наиболее перспективным способом крепления подготовительных выработок. Установка анкеров в кровле и боках выработок с химическим закреплением позволяет уменьшить вертикальную конвергенцию и предотвратить отжим угля со стороны боков выработок.

По сравнению с другими типами крепей анкерное крепление практически не уменьшает поперечное сечение выработок в свету и является самым быстрым, с точки зрения современной технологии установки, способом крепления.

Комбинированные крепи (сочетание анкерной и различных типов крепей) применяются в выработках с недостаточно устойчивыми породами, где использование одного вида крепи не обеспечивает поддержания выработок в эксплуатационном состоянии.

К средствам усиления крепи относятся специальные виды крепи для уменьшения смещений пород кровли выработок в зонах высокого горного давления. Такие зоны возникают при воздействии на выработку опорного давления при ведении очистных работ.

На шахтах применяются следующие средства усиления крепи:

• гидростойки ГВУ, ГКУ - имеют сопротивление 300 кН, к недостаткам относятся недостаточная просадка при большой конвергенции, повреждения при боковой нагрузке;

• стойки трения постоянного сопротивления Т - имеют сопротивление 250 кН, к недостаткам относятся малое усилие начального распора, скачкообразная просадка, высокая трудоемкость установки;

• специальные крепи усиления (КПО-4, КПО-5 и КШО конструкции КузНИУИ; КПШ, КШУ и КПВ конструкции ПНИУИ) - устанавливаются в зоне активного проявления горного давления позади очистного забоя в сохраняемых выработках. Извлекаются за пределами зоны активных смещений пород и переносятся в створ с лавой, а на их месте возводятся обычные рамные крепи, соответствующие конфигурации выработки и горнотехническим условиям эксплуатации. Опыт использования на шахтах Кузбасса показал, что применение специальных крепей усиления в большинстве случаев дает положительные результаты. Однако, данные крепи, несмотря на наличие высоких силовых параметров и средств механизации монтажно-демонтажных работ, из-за сложности конструкции и большой трудоемкости работ распространения на шахтах не получили.