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

Г л а в а II

ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С КРЕПЬЮ ТРУДНОУПРАВЛЯЕМЫХ КРОВЕЛЬ

§ 1. Краткие сведения о методике исследований

Методикой исследований предусматривалось изучение основных факторов, которые обусловливали особенности поведения трудноуправляемых кровель в призабойном пространстве. Лавы для проведения шахтных наблюде­ ний выбирались с учетом признаков, по которым труднообрушаемые кровли разделяются в классификациях, и особенностей их поведения в очистном забое. Этим обес­ печивалась представительность лав и пластов, выбран­ ных для исследований.

Методика шахтных исследований состояла из двух частей: первая — наблюдения и измерения в призабой­ ном и выработанном пространствах; вторая — наблюде­ ния и измерения в массиве пород над призабойным про­ странством лав.

В соответствии с задачами первой части методики из­ мерялись следующие величины:

смещения кровли в призабойном и выработанном пространствах;

скорости опускания кровли на различных расстояниях от забоя и под разными краями блоков;

смещения кровли в плоскости пласта; относительные проседания блоков; зависания пород в выработанном пространстве;

нагрузки на призабойную и посадочную крепь. Помимо сказанного определялось также общее со­

стояние кровли, зарисовывались и анализировались слу-

20

чаи обрушения пород, фотографировались обрушенные породы, заколы, состояние крепи и т.д.

Для выполнения этих измерений в средней части лав оборудовалась измерительная станция, состоящая из трех профильных линий реперов, устанавливаемых в кровлю и почву пласта. По ширине каждого блока уста­ навливались два репера в каждой линии с целью опре­ деления характера опускания блоков. Расстояние меж­ ду реперами фиксировалось стойкой СУИ-П несколько раз в смену, в зависимости от рабочих процессов. На­ блюдения велись круглосуточно.

Смещения кровли в плоскости пласта измерялись с помощью маркшейдерского отвеса и специального план­ шета, периодически устанавливаемого на почву пласта. Положение планшета фиксировалось с помощью четы­ рех реперов. Отвес с проушиной подвешивался к реперу.

Одновременно с измерениями по всей длине лавы проводились визуальные наблюдения за поведением кровли. Если поведение кровли в месте установки стан­ ции значительно отличалось от поведения кровли в ос­ тальной части лавы, то на новом участке оборудовалась добавочная измерительная станция.

Нагрузки на крепь измерялись по ширине призабой­ ного пространства на участке измерительной станции.

Вторая часть наблюдений включала в себя комплекс измерений внутри массива пород над призабойным про­ странством для определения формы и размеров трещин и образующихся блоков, характера контактов между ними, смещения отдельных элементов разрушенной кров­ ли и т.д. К началу исследований существовало несколь­ ко приборов для определения трещиноватости пород над выработкой: щупы А. А. Орлова и б. ВУГИ, глубинные реперы, приборы РВП, прибор КузНИУИ и т.д. Однако все они обладают рядом недостатков, основными из ко­ торых являются:

измерения производятся механическим путем на не­ видимом объекте, что неизбежно приводит к ошибкам в выборе объекта измерений в зоне нарушенных пород (местные мелкие нарушения стенок скважин принима­ ются за трещины);

характер нарушений и их пространственную ориенти­ ровку определить невозможно.

Приборы РВП не имеют указанных недостатков, но

21

они неприменимы в шахтных условиях из-за своей взры­

воопасности.

Требовался такой прибор, который бы позволял безо­ шибочно определять объект измерений, характер и ве­ личины нарушений и пространственное их положение.

Была разработана специальная методика измерений и наблюдений в массиве пород. Методикой предусматри­ валась возможность кругового осмотра стенок скважин, пробуренных из призабойного пространства лавы или передовой ниши в кровлю и измерение расстояний до видимых мест нарушений.

На участке расположения описанной выше измери­ тельной станции в кровлю пласта бурились скважины диаметром 82—ПО мм. Глубина скважин и их располо­ жение относительно забоя определялись конкретными задачами исследований. Стенки скважины осматрива­ лись с помощью специального зеркального перископа. Измерения в скважине увязывались с измерениями, про­ водимыми в призабойном пространстве лав с помощью дополнительных реперов и планшета. Таким образом, измерениями и наблюдениями охватывалось призабойное пространство п толща непосредственной кровли.

Задачи исследований можно разделить на три группы:

1) определение развития нарушений и их перемеще­ ний непосредственно над кромкой забоя;

2)изучение формы и развития трещин над приза­ бойным пространством;

3)определение максимальной зоны развития трещин. В соответствии с указанными задачами бурились три

группы скважин: непосредственно у забоя лавы; на неко­ тором расстоянии от забоя, иногда по две; у самой гра­ ницы призабойного пространства, а если позволяли усло­

щая глубина скважины; расстояния от устья скважины до кромок всех нарушений (трещин, выкрашиваний и т. д.); угол наклона трещин; относительные смещения стенок скважин в местах нарушений нормальных к пла­ сту и в плоскости пласта. Кроме того, устанавливались формы и характер трещин и направления их падения.

Все измерения в скважине привязывались к реперу, установленному в почве пласта.

22

Угол наклона трещин, пересекающих скважины, оп­ ределялся следующим образом. Сначала путем круго­ вого осмотра скважины устанавливалась непрерывность трещины, затем определялись расстояния а и а\ от устья скважины до соответственно верхней и нижней точек пересечения стенки скважины с трещиной.

Угол наклона трещины

где d — диаметр скважины.

Одновременно с указанными измерениями фиксиру­ ется и положение зеркала относительно забоя, т. е. оп­ ределяется направление линии падения трещин относи­ тельно линии забоя.

В результате устанавливается пространственное поло­ жение поверхностей трещин, возникающих в непосред­ ственной кровле пласта. Форма следа трещин определя­ лась по сопоставлению углов наклона одной и той же трещины в призабойном пространстве и во всех скважи­ нах, пересекающих ее, а также непосредственным ос­ мотром поверхностей обрушения в выработанном про­ странстве.

Относительные перемещения отдельных элементов слоя кровли в плоскости напластования по трещинам определялись с помощью клиновой насадки А. А. Ор­ лова.

Длина скважин измерялась с помощью измеритель­ ных дюралюминиевых штанг и стальной рулетки с мил­ лиметровой шкалой. Измерения позволяли установить не только факт перемещения отдельных частей непосред­ ственной и основной кровель, но и определить величину этих перемещений. Для дна скважины перемещения рас­ считывались по формуле

мени между измерениями, мм; Д/г*— то же, устья сква­ жины, мм; ДHi — изменение общей глубины скважины за тот же промежуток времени, мм.

Наличие смещений дна скважины указывало на то, что породы, расположенные выше скважины, пришли в движение. Сопоставление этого факта во времени и рас­

23

стоянии с измерениями в призабойном пространстве по­ зволяет судить о поведении пород, расположенных выше дна скважины. Такой же подход применялся и при не­ обходимости определения перемещений элементов нару­ шений. Величины перемещений в скважинах, пробурен­ ных из призабойного пространства, могут получаться неполными, так как смещения устья скважины (кровли) имеют место до окончания ее бурения. Однако это не снижает методической ценности такого подхода для изу­ чения общих закономерностей разрушения кровли.

Для бурения скважин был сконструирован перенос­ ный буровой станок, предназначенный специально для этих исследований [35]. Он имеет небольшие размеры и позволяет бурить скважины диаметром до 130 мм на глубину до 15 м. Извлечение керна пород для исследо­ ваний прочностных свойств производилось с помощью того же станка и кольцевой коронки длиной 0,5 м.

Зеркальный перископ (рис. 2), разработанный автором совместно с М. В. Смирновым, состоит из следующих основных частей: верхнего приемного зеркала в форме усеченного овала 1, осветителя 2, мерных штанг 3, ниж­ него передающего зеркала и системы питания освети­ теля.

Верхние зеркала изготовляются для перископа в комплекте для скважин диаметром 65, 82, ПО и 131 мм. Устанавливаются они иод углом 45° к оси скважины.

Осветитель устроен таким образом, что освещает только ту часть стенки скважины, которая может от­ ражаться в зеркале, причем лучи от источника света не попадают на зеркало. Отражение части стенок скважи­ ны передается по скважине вниз на зеркало и дальше к глазу наблюдателя или объективу фотоаппарата. Масса осветителя 200—300 г (в зависимости от диаметра сква­ жины) . Прибор дает достаточную освещенность стенок скважин.

Работы выполнялись в следующем порядке. Сначала

спомощью визуальных обследований выбиралась лава,

вкоторой наиболее четко проявлялись те особенности в поведении кровли, которые предполагалось изучить. Выбор производился с учетом строения кровли, поведе­ ния ее в призабойном пространстве, применяемых пас­

24

блюдательная станция. Скважины бурились уже с уче­ том первых результатов наблюдений.

Продолжительность наблюдений в каждой лаве 15— 30 дней в зависимости от скорости подвигания лавы и конкретных результатов исследований.

Нагрузки на индивидуальные крепи измерялись с

.помощью стоечных динамометров, на механизированные крепи — манометрами.

Особое внимание обращалось на внешние признаки и особенности в проявлениях горного давления, по кото­ рым можно определить тип кровли или общий характер ее поведения.

25

Наблюдения проводились на пластах с разным строе­ нием кровли мощностью от 0,65 до 2,2 м, оборудованных деревянной и металлической крепыо при разных пас­ портах крепления, а также механизированными крепями разных типов.

§ 2. Состояние кровли в призабойном пространстве лав

Состояние кровли в призабойном пространстве лавы во многом определяет эффективность п безопасность работы очистного забоя. Оно определяется в основном двумя факторами — устойчивостью ппжних слоев кров­ ли и величиной ее смещения.

При слабых неустойчивых нижних слоях . кровель применяют полную затяжку кровли, оставляют защит­ ную пачку угля, а при мощности отслаивающейся кров­ ли более 0,6 м применяют закладку. Эти“ же меры при­ меняют п на пластах, кровля которых склонна к боль­ шим ступенчатым опусканиям и образованию заколов, из которых могут выпадать значительные объемы пород.

Очевидно, что причины неудовлетворительного со­ стояния кровли в приведенных случаях принципиально различны.

Прочные непосредственные кровли пластов в одних случаях не дают вывалов и не имеют ступеней, а в дру­ гих эти явления настолько развиты, что вызывают ос­ ложнение в работе забоев и даже их остановку.

Изучение выволообразования на пластах с устойчи­ выми кровлями показало, что они приурочены в основ­ ном к плоскостям трещин давления и образуются в призабойной части поддерживаемого пространства. Та­ кие вывалы характерны для зон, в которых возникает система близко расположенных трещин.

При более прочных кровлях чаще наблюдаются кли­ нообразные вывалы, образующиеся за счет отжатия и выпадения нижних кромок блоков в зоне трещин давле­ ния. Замечено, что при трещинах с большим углом па­ дения отжимаются задние кромки блоков, а при мень­ ших — передние.

При непосредственных кровлях, сложенных прочными песчаниками, чаще наблюдаются вывалы в виде кор­ жей, отделенных от кровли трещинами, проходящими

26

часто по неослабленному массиву. Это явление наблю­ далось на пластах ki Дроновском шахты им. XVII Партсъезда, XXI шахты «Березовская, XII шахты нм. В. И. Ленина и др.

Формирование трещин в нижней части кровли и об­ разование вывалов зависит от прочности пород, слагаю­ щих непосредственную кровлю. При кровлях средней прочности объемы вывалов больше, чем при прочных.

Установить какую-либо зависимость параметров вы­ валов от типа применяемой крепи не представляется воз­ можным, так как на них оказывает влияние не только тип крепи, ее несущая способность, но и конструктивное выполнение ее верхнего строения. Чаще вывалы наблю­ даются в лавах с бесстоечным призабойным пространст­ вом и при механизированных крепях с большими зазо­ рами между секциями и подрессоренными консолями.

Ступенчатая форма смещения свойственна кровлям, сложенным алевролитами, прочными аргиллитами, сла­ быми песчаниками. Величина ступеней не остается по­ стоянной при подвигаини забоя и зависит как от состоя­ ния кровли над лавой и выработанным пространством, так и несущей способности крепи. Большая величина про­ седаний блоков (300—500 мм) наблюдается после оса­ док основной кровли, в основном же она колеблется в пределах 50—150 мм.

В лавах пласта 14, имеющих одно направление под­ вигания, в качестве усиления призабойной крепи приме­ нялись дополнительные стойки, устанавливаемые под металлический верхняк: в лаве 14—29 — стойки СДТ-IV, в лаве 14—32 — гидравлические стойки ГС. Средняя ве­ личина смещений кровли по первой от забоя трещине в лаве с гидравлическими стойками была на 30—50 мм меньше, чем в лаве со стойками СДТ-IV.

Как показали наблюдения, в лавах с разными типа­ ми и схемами крепи ступенчатая форма смещения свой­ ственна классу труднообрушаемых кровель. Молено счи­ тать установленным, что смещения кровли по трещинам (заколам) в призабойном пространстве лав зависят в

27

определенных пределах от суммарного сопротивления крепи. Однако четкой зависимости установить на основе шахтных наблюдений не удалось. Причиной этого яв ляется зависимость величины проседания кровли по за­ колам от распределения сопротивления крепи по ширине призабойного пространства, от механизма разрушения и перемещения непосредственной и основной кровель и других факторов, которые в шахтных условиях не всег­ да можно учесть или предвидеть их изменение и харак­ тер влияния.

Установлено также, что на пластах, непосредственная кровля которых сложена прочным песчаником, ступени в кровле составляют всего 10—20 мм, а иногда отсут­ ствуют совсем, хотя имеются видимые трещины давле­ ния или трещины естественного кливажа.

Расстояние между ступенями в кровле изменялось от 0,3 до 5 м, однако в большинстве случаев было равно или кратно шагу выемки пласта. Более стабильными были расстояния между ступенями в лавах, выемка угля в которых производилась с помощью комбайнов, и менее стабильными — в лавах с выемкой угля с помощью ВВ или врубовых машин.

Проведен анализ более 800 замеров расстояний меж­ ду плоскостями оседания блоков непосредственной кровли. В основу анализа было положено отношение

где I — расстояние между ступенями; b — глубина захва­ та выемочной машины. Были использованы все более или менее представительные данные при разных породах кровли, шагах выемки, применяемой крепи и глубинах разработки. Результаты анализа приведены на рис. 3, из которого видно, что на интервал значений Й5= 0,7— 1,2 приходится более 50% замеренных данных, т. е. более чем в 50% случаев расстояние между ступенями (зако­ лами) было близко к шагу выемки. Кроме того, данный анализ позволил установить относительное увеличение числа случаев в интервалах, кратных шагу выемки (при

/б= 2 до 7% и при /б = 2,8ч-3,2 до 3,5%). В процессе анализа встречались отдельные случаи, когда значение 1б достигало 4 и 5. Следует сказать, что в анализ не включены лавы, в которых работали струги. Величи­ на 1б в этих лавах достигала 8—10. Анализ показал, что

28

расстояние между отупениями в непосредственной кров­ ле пластов в основном равно или кратно шагу выемки при изменении последнего от 0,5 до 1,8 м.

Разумеется, что на величину этого расстояния оказы­ вает влияние абсолютное значение шага выемки, проч­ ность пород, их трещиноватость, глубина работ и другие факторы.

Рис. 3. Плотность распределения отно­ сительного расстояния между заколами

вкровле

Впроцессе анализа установлено, например, что при глубине вруба 0,63 м средняя величина Iq для глинистых

сланцев прочностью 450—490 кгс,/см2 при глубине работ 250 м составила 1,13; для алевролитов прочностью 350 кгс/см2 при глубине залегания 200 м 1,48; для пес­

трещиноватости в прочных породах средняя величина /б была близка к единице. Эти данные говорят о том, что в одной и той же лаве трещины могут возникать как при каждой выемке, так и через одну, две и т. д. Из анализа следует, что тип применяемой крепи не оказывает влия­ ния на величину Ц. Последнее говорит о том, что совре­ менные крепи не могут влиять на характер разрушения прочных кровель, который определяется напряженным состоянием и прочностными свойствами пород и пласта.

Следует отметить, что расстояние между ступенями в непосредственной кровле далеко не всегда равно рас­ стоянию даже между видимыми трещинами. Примером может служить характер смещения кровли на пласте 26а шахты «Абашевская», где расстояние между тре­

29