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

1

мощности слоя непосредственной кровли к мощности пласта меньше двух.

Особенности вариантов схемы I заключаются в том, что основная кровля может разрушаться на короткие н длинные блоки. В первом случае в системе блоков ос­ новной кровли возможно возникновение больших сил распора, способных удерживать блок от срыва в перед­ нем шарнире и тем самым предотвращать вредное влия­ ние осадок основной кровли на крепь. Второй случай характерен тем, что возникновение сил распора в си­ стеме коротких блоков основной кровли, способных удержать их от перемещения в зоне призабойного про­ странства менее вероятно. Блоки будут выскальзывать по наклонным трещинам.

лав. Отношение мощности слоя непосредственной кров­ ли к мощности пласта для этой схемы больше двух. Ос­ новная кровля в этих условиях обычно разрушается на короткие блоки, так как узкоблочное разрушение срав­

они обычно на блоки, длина которых может превышать ширину поддерживаемого пространства. Блоки при вы­ ходе в выработанное пространство обрушаются сразу, не образуя арочной системы.

Очевидно, что крепь должна обеспечить поддержа­ ние кровли во всех случаях на уровне, обеспечивающем нормальную эксплуатацию очистного забоя и безопас­ ность людей и машин. Рассмотрение условий формиро­ вания нагрузок на крепь удобнее провести отдельно для непосредственной и основной кровель.

§ 2. Нагрузки от непосредственной кровли

Общее состояние системы узких блоков непосредст венной кровли определяется силами распора, возникаю щими в системе и пригрузкой со стороны основной кровли.

120

Силы распора в системе блоков зависят от формы блоков, угла наклона трещин в кровле и сил трения меж­ ду блоками. В процессе перемещения отдельных блоков и взаимодействия их с другими и крепью могут возни­ кать различные схемы распределения сил распора. Од­ нако подробно рассматривать их нет необходимости, так как для практических целей наибольший интерес пред­ ставляет такая схема, при которой на крепь будут пе­ редаваться максимальные нагрузки.

Рассмотрим силы, действующие в системе узких бло­ ков непосредственной кровли. Очевидно, что силы рас­ пора в системе при наклонной форме блоков будут воз­

Расчетная схема распора блоков непосредственной кровли приведена на рис. 39. Вследствие отклонения бло­ ка в сторону выработанного пространства возникает до­ полнительная сила распора, приложенная вблизи точ­ ки А. Условия для возникновения дайной силы обеспечи­ ваются, как показано выше, кинематикой перемещения блоков. Блок в этот период находится в состоянии рав­ новесия за счет сил распора. Дополнительные силы распора удерживают блоки в выработанном пространст­

блоками, образовании блоков такой формы, которые не способствуют возникновению дополнительных сил рас­ пора, или при недостаточном сопротивлении крепи и большом проседании первого блока силы распора в точке А могут исчезнуть. Вследствие этого равновесие системы нарушится.

Поэтому в состоянии арочной системы мы выделяем две принципиально различающиеся стадии. В первой

(рис. 39, б), т. е. силы распора в системе блоков опре­ деляются только соответствующими составляющими собственного веса.

Для определения дополнительных сил распора в си­ стеме блоков при их развороте приняты следующие до-

121

1

пущения: в состоянии разворота находится только один, первый от забоя блок: призабойная крепь, установлен­ ная под ним (а иногда ее вообще нет), не препятствует его развороту; вновь образующийся блок не имеет внут-

а

Р и с . 39. Р а с ч е т н а я с х е м а р а с п о р а б л о ­ к о в н е п о с р е д с т в е н н о й к р о в л и

ренних трещин по напластованию; наклонные трещины имеют плоскую поверхность, силы дополнительного рас­ пора сохраняют свою .величину и после разворота блока, Условия равновесия для момента разворота первого

блока характеризуются уравнениями:

Решая уравнение (V.3) относительно сил распора, получим:

Анализ выражений (V.4) и (V.5) показывает, что силы распора в системе при определенных соотношениях

122 -

t

размеров блоков могут достигать значительных величин. После разворота блоки прилегают друг к другу гра­ нями, передавая часть своего веса на последующие бло­ ки в системе. Величина сил распора, возникающих под действием собственного веса непосредственной кровли на передней грани любого блока, при условии равенст­

ва их геометрических размеров, составит

где n — порядковый номер рассматриваемого блока. Максимальная сила распора в арочной системе с учетом формул (V.2) и (V.4) определится из выраже­

ния

В выражении (V.7) принято условие, что блок раз­ ворачивается на небольшой угол (как это установлено

внатуре и в модели). Учитывая, что зависание блоков

ввыработанном пространстве может произойти только за счет сил распора в системе, из выражения (V.7) можно определить максимальное число зависающих

блоков или величину зависания кровли. Предположим, что поддерживаемые блоки над призабойным про­ странством находятся в состоянии равновесия. При­ грузка на крепь со стороны зависших блоков передается через заднюю грань последнего поддерживаемого блока. Величина этой пригрузки равна половине общего веса зависших блоков. Уравнение равновесия по задней гра­ ни блока запишется в виде

/ s i n 2 a

где Mi, n2 — соответственно число поддерживаемых и за­ висших блоков.

Анализ выражения (V.9) показывает, что на число зависших в выработанном пространстве блоков большое влияние оказывает их высота. Это подтверждается и ре­

123

зультатами наблюдений. На практике наблюдались слу­ чаи, когда при большой высоте блоков и большом за­ висании кровли в выработанном пространстве крепь оказывалась ненагруженной, а смещения ее были весьма малы. Арочная система практически полностью удержи­ вала сама себя, но это свойственно только весьма проч­ ным породам.

При исследовании на моделях проводились экспери­ менты по снижению сопротивления крепи до нуля. Про­ лет арочной системы уменьшался за счет обрушения задних блоков. Некоторое число блоков зависало при

I s in 2 а

Плавное опускание кровли, наблюдаемое при одно­ родных породах большой мощности, разбитых наклон­ ными трещинами, является убедительным подтвержде­ нием наличия болыпих сил распора. Важным условием для зависания кровли является возможность возникно­ вения сил распора в системе, т. е. наличие сравнитель­ но прочных пород.

Очевидно, что возникновение дополнительных сил распора в цепи блоков возможно при определенных соотношениях их размеров и формы. Для определения критических величин достаточно принять условие, при

Принимая отношение длины блока I к его высоте h за характеристику его параметров, получим

Из выражения (V.12) следует, что для возникнове­ ния дополнительных сил распора в цепи блоков необхо­ димо определенное соотношение сторон блока и углов наклона его граней.

124

Если в выражении (V.12) значения входящих вели­ чин принять равными средним, полученным в шахтных условиях, то увидим, что возникновение арочной систе­ мы возможно при значении С <1.

Случаи разрушения арочной системы на практике на­ блюдались при среднем значении С = 1,47, а устойчивое ее состояние при С—0,5.

При условии Fa —0 силы распора в системе опре­

и будет зависеть только от ширины поддерживаемого пространства, коэффициента трения и угла наклона гра­ ней.

Зависание блоков за крепыо в этом случае будет значительно меньше, чем при наличии дополнительных сил распора.

Таким образом, установлено, что между рассмотрен­ ными стадиями состояния арочной системы существуют принципиальные различия. Наиболее опасным для со­ стояния кровли в призабойном пространстве и крепи является переход из одной стадии в другую, тем более что он может протекать, как показали исследования, в короткие отрезки времени, т. е. с большими скоростями. Поэтому нагрузки на крепь следует определять именно для случая перехода арочной системы из одной стадии в другую, а именно число зависших блоков вычислять для первой стадии, а силы распора при определении на­ грузок принимать для второй. Такой подход наиболее полно отражает те процессы, которые периодически происходят в цепи узких и высоких наклонных блоков непосредственной кровли при подвигании очистного забоя.

Нагрузка на крепь под каким-либо блоком слагается из двух величин: нагрузки от поддерживаемой части не­ посредственной кровли Р 1 и пригрузки со стороны части кровли, зависшей в выработанном пространстве Рп,

125

Определим эти величины. Для любого блока как тела, покоящегося на наклонной плоскости, можно на­ писать

от поддерживаемых блоков, опирающихся на блоки в выработанном пространстве, не зависит от ширины под­ держиваемого пространства и составляет только часть собственного веса слоя непосредственной кровли.

Пригрузка со стороны зависших блоков на любой поддерживаемый блок не может превышать силу трения, приложенную к задней грани блока, которая, в свою очередь, зависит от сил распора, действующих на этой грани. Поэтому величину пригрузки определим из усло­ вий равновесия на гранях поддерживаемых блоков, об­ ращенных в сторону выработанного пространства:

126

где п — порядковый номер рассматриваемого блока, считая от забоя.

Из выражения (V.20) следует, что нагрузка на крепь, кроме мощности слоя, зависит от числа зависших бло­ ков, их длины, места установки крепи и ширины под­ держиваемого пространства. Иначе говоря, формула (V.20) позволяет учитывать не только горно-геологиче­ ские факторы, ио также и горнотехнические. Это весьма важно, так как до сих пор расчет' производился только по средним нагрузкам, без учета горнотехнической об­ становки. Определение нагрузок, действующих на крепь, установленную под любым блоком поддерживаемого пространства, позволяет дифференцировать расчетные нагрузки по ширине призабойного пространства и более глубоко разобраться в процессе взаимодействия труд­ ноуправляемых кровель с крепыо.

Анализ формулы (V.20) применительно к распреде­ лению нагрузок по ширине призабойного пространства будет сделан ниже.

Здесь же следует обратить внимание на то, что при зависании пород в выработанном пространстве (п2ф 0) нагрузка на крепь от непосредственной кровли может превысить собственный вес слоя. При отсутствии зави­

Общая нагрузка на крепь зависит как от ширины поддерживаемого пространства (п\), так и от величины зависания кровли (п2). Та же зависимость получена и при исследовании на моделях.

Принятое сопротивление крепи в модели обеспечи­ вало надежное поддержание кровли в призабойном

127

пространстве только при небольших зависаниях кровли и не обеспечивало при больших (это обусловливалось условиями эксперимента). При отсутствии зависания сопротивление крепи оказывалось даже излишним. Од­ нако для предотвращения больших проседаний блоков в призабойном пространстве сопротивление крепи долж­ но выбираться для случая максимального зависания кровли в выработанном пространстве. В период отсут­ ствия зависания или небольшой его величины сопротив­ ление крепи окажется излишним, но уменьшать его с помощью каких-либо мер или автоматических уст­ ройств нецелесообразно, так как процесс развития и проседания арочных систем вдоль лавы происходит не

блоков в выработанном пространстве. При этом также возможны несколько схем силового взаимодействия блоков. Наиболее тяжелая схема, с точки зрения под­ держания кровли в безопасном состоянии, характери­ зуется отсутствием опоры блока на обрушенные поро­ ды. Такая схема детально рассмотрена Г. Н. Кузне­ цовым [46], который показал, что необходимое сопро­ тивление крепи в этих условиях может достигать весьма значительной величины. Однако при сравнительно боль­ шой мощности и длине блока в большинстве случаев возникает опора его на ранее обрушенные породы при небольших углах отклонения. Это позволяет не учиты­ вать момент сил от собственного веса блока. Практи­ чески нет необходимости оказывать сопротивление его развороту, так как перемещения, происходящие в ре­ зультате разворота блоков в зоне установки крепи, не­ велики, а сопротивление должно быть весьма большое.

Фактором, который может увеличить нагрузку на крепь при опоре блока на ранее обрушенные породы, может явиться срыв блока в переднем шарнире. В этом

Сравнение расчетных нагрузок, возникающих при узкоблочном разрушении непосредственной кровли (V.22) и короткоблочном (V.23), показывает, что, при прочих равных условиях, нагрузка в последнем случае

128

будет больше. Поэтому при расчете паспортов крепле­ ния или размещении механизированных крепей необхо­ димо тщательно изучить горно-геологические условия и определить схему разрушения непосредственной кровли.

§ 3. Влияние осадок основной кровли

Под основной кровлей принято понимать слой или слои кровли, залегающие над непосредственной и имею­ щей шаг осадки, превышающий шаг обрушения непо­ средственной кровли. При этом имеется в виду, что непо­ средственная кровля представлена легкообрушающимися породами с небольшим шагом обрушения. При за ­ легании непосредственно над пластом мощных слоев прочных пород это определение понятия основной кровли теряет смысл, так как непосредственная кровля может иметь большой шаг обрушения. При разрушении ее на узкие блоки и образовании арочных систем могут наблю­ даться, как показано выше, вторичные осадки непосред­ ственной кровли. На практике последние могут прини­ маться за осадки основной кровли. Более того, при раз­ рушении кровли на короткие блоки, выделить непо­ средственную и основную кровли по шагу обрушения не представляется возможным. В этом случае периодиче­ ское повышение нагрузок и смещений кровли в приза­ бойном пространстве может быть вызвано изменением равновесия в системе блоков как самых нижних, так и залегающих выше слоев кровли, причем последних мо­ жет быть несколько. Однако, придерживаясь принятой терминологии, осадки вышележащих слоев будем назы­ вать осадками основной кровли. Выше было показано, что на всех пластах, с прочной и монолитной непосред­ ственной кровлей, отнесенной к трудноуправляемым, слои пород, залегающие над нею, представлены, как правило, также прочными и монолитньши породами. Разрушение их может происходить в зависимости от глубины и прочности пород как на длинные, так и на короткие блоки.

Влияние на работу крепи слоев основной кровли, разрушающихся на длинные блоки, рассмотрено в ра­ ботах многих ученых [4, 7, 17].

Это влияние, как показал Г. Н. Кузнецов, может быть двояким. В одном случае в движение приходят