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

1

и колебалось от 2 до 6 м, иногда и более. Во всех случаях на контактах слоев наблюдалось повсеместное распространение растительных остатков.

Выпадение нижних слоев кровли мощностью до 1 м происходило беспорядочно, при большей мощности — упорядоченно в виде блоков. Следует сказать, что в выработанном пространстве часто раскрывались естест-

Рис. 20. Следы трещин давления в скважинах на пласте XXVII

венные трещины, направленные под углом 60—90° к за­ бою, ограничивая длину блоков вдоль лавы до 0,5—-1 м.

Вследствие того что блоки кровли в выработанном пространстве смещались по наклонным линиям, в ниж­ ней части кровли возникали большие силы распора. На рис. 20, а и б показано положение скважин и обнаружен­ ных в них трещин, пунктиром обозначено начальное положение скважин, сплошной линией — последующее. На рис. 20,s приведена типичная форма трещин вблизи контура кровли.

Скважина I была пройдена на глубину 6,54 м на расстоянии 0,2 м от забоя. В ней вначале было обна­ ружено три трещины расслоения на высоте 1637, 4547 и 4567 мм, толщиной соответственно 0,5, 1 и 2 мм и одна наклонная трещина толщиной 6 —7 мм на высоте 2003 мм, пересекающая скважину под углом 64°.

После прохода комбайна и передвижки крепи к за ­ бою толщина нижней трещины по напластованию увели­ чилась до 5 мм и на высоте 2597 мм появилась новая

60

трещина — слабо наклонная, с рваными краями, тол­

щиной 7 —8 мм.

В период прохода комбайна и передвижки крепи из стенок скважины выпадали куски песчаника длиной от 15 до 200 мм. Они образовывались в зонах пересечения скважины с трещинами давления и кливажа.

Скважина 2 пробурена на расстоянии 0,6 м от забоя на глубину 8065 мм. При первом осмотре в ней на глубине 1035 мм обнаружена трещина по напластова­ нию толщиной 3 мм и на глубине 1855 мм — наклонная трещина толщиной 0,5 мм. После двухкратного прохода комбайна при расстоянии от забоя 1,87 м в ней на высоте 5740 мм появилась еще одна трещина толщиной 10 мм по напластованию, приуроченная к пропластку угля, и одна слабонаклоиная на глубине 162 мм. По трещине на высоте 5740 мм произошло смещение кровли на величину 10 мм по напластованию верхней границы блока в сторону выработанного пространства.

Общая длина скважины в результате расслоения увеличилась на 30 мм. При удалении забоя от сква­ жины на расстояние 2,45 м в ней образовалась только одна трещина толщиной 2—3 мм по напластованию на высоте 705 мм.

Анализ картины разрушения кровли над выработ­ кой показал, что расстояние между трещинами по про­ стиранию пласта составляло 1,2—1,8 м. Трещины пере­ секали всю мощность непосредственной кровли до про­ пластков угля. Форма трещин криволинейная. Наблю­ далось смещение вышележащих слоев кровли, однако шаг их обрушения установить не удалось. Приближенно он может быть определен по пикам смещений кровли, расстояние между которыми составило 7—9 м. Следует указать, что первые трещины давления пересекали пло­ скость контактирования кровли с углем впереди забоя. Вследствие большой прочности пород в системе блоков возникли большие силы распора, которые не допускали взаимного проседания блоков в призабойном простран­ стве. Арочная система, образовавшаяся в непосредствен­ ной кровле, обладала значительной собственной несущей способностью.

Блочная схема разрушения непосредственной кровли наблюдалась и на многих других пластах, отрабаты­ ваемых с применением механизированных крепей:

61

Красиоорловский (шахта «Грамотеинская», комплекс ОМКТ) и т. д.

Результаты исследований характера и параметров разрушения трудноуправляемых кровель с помощью скважин позволили установить, что такие кровли разру­ шаются наклонными трещинами на отдельные эле­ менты— блоки. На размеры этих элементов оказывают влияние строение и прочность кровли, технология вы­ емки угля (глубина захвата выемочной машины), глу­ бина работ и т. д. От типа и несущей способности крепи параметры разрушений непосредственной кровли не за­ висят.

§ 5. Сопротивление крепи

Исследованиями установлено, что нагрузки на крепи очистных забоев могут колебаться в значительных пре­ делах. На ряде пластов максимальные нагрузки на крепь вообще превышали несущую способность крепи и не могли быть замерены. Причем появление значи­ тельных нагрузок на крепь необязательно связано с ее работой в условиях заданной деформации, установлен­ ной Г. Н. Кузнецовым. Например, по данным измерений, в Донбассе [30] на пласте k2 нагрузки на 1 м простран­ ства, поддерживаемого с помощью стоек СДТ и тумб ОКУ, составили 99— 170 тс и 104— 171 тс при применении стоек ГС и тумб ОКУ. Нагрузки на крепь при управ­ лении кровлей с помощью кустов из стоек СДТ дости­ гали 300 тс и более (увеличенная ширина призабойного пространства). Состояние кровли в последнем случае было лучше чем в двух предыдущих. Попытка приме­ нить жесткую крепь МПК на этом пласте оказалась неудачной, так как за один месяц она была деформи­ рована.

На пласте 14 в лаве № 14—29 сопротивление стоек изменялось от 3—4 тс до полного их излома, а тумб ОКУ — от 18—20 до 90 тс даже до полного проседания при неоднократных завалах лавы. При этом во многих случаях происходили разрывы замков тумб.

62

Аналогичный характер изменения сопротивления крепи наблюдался и при работе механизированных крепей. Например, на шахте «Чертинская» сопротив­ ление крепи КМ-87 изменялось от 15,8 до 30,4 тс/м2, на шахте «Украина» — от 11,1 до 25,8 тс/м2, на шахте «Березовская» — от 15,8 до 39 тс/м2. На шахте «Чер­ тинская» при работе комплекса ПМК сопротивление крепи изменялось от 12,6 до 38,3 тс/м2 (сопротивление срабатывания клапанов стоек было повышено). На шахте «Бутовская» (пласт Конгломератовый) нагрузки иа крепь ПМКЭ колебались от 40 до 210 тс на секцию [39]. При этом установлено, что проседание блоков по трещинам зависит от сопротивления крепи: при на­ стройке секций крепи на 160 и 100 тс проседание соот­ ветственно равно 20 и 70 мм. Следует отметить, что при низком сопротивлении крепи состояние кровли было неудовлетворительным: большие проседания по трещи­ нам, вывалы, зажатия крепи и т. д.

До настоящего времени сравнение условий работы крепи и выбор исходных данных для расчета механи­ зированных крепей производили на основе средних вели­ чин, установленных при продолжительных исследова­ ниях. При этом сопротивление крепи относили к 1 м2 поддерживаемой площади без учета ширины поддержи­ ваемого пространства и приходящегося на него числа стоек или секций крепи, частоты передвижки посадочной крепи, степени «разгрузки» кровли при посадках и т. д., хотя все эти факторы оказывают существенное влияние на состояние кровли и сопротивление крепи.

Фактические условия нагружения крепи как вдоль очистного забоя, так и в направлении его подвигания изменяются постоянно. В одном и том же цикле разные единицы крепи развивают разное сопротивление. Неко­ торые из них даже деформируются в то время, когда другие значительно недогружены. Предполагалось, что выравиить сопротивление крепи можно при использо­ вании гидравлических стоек. Однако на практике ока­ залось, что стойки механизированных гидравлических крепей развивают сопротивление еще более неравно­ мерно, чем стойки трения. Это объясняется более жест­ кой, чем у стоек трения, характеристикой гидравличе­ ских стоек до выхода их на рабочее сопротивление. При небольшой разнице в величине податливости гидрав-

63

лические стойки могут развивать сопротивление, резко отличающееся от сопротивления стоек трения. Сопро­ тивление крепи не остается постоянным, а изменяется в зависимости от величины смещения кровли за период работы крепи.

Величина отношения максимального сопротивления единицы крепи в цикле РтаХц к средней величине со­ противления единицы крепи в этом же цикле РСр. ц ха­

Необходимо, чтобы нагрузки на крепь не превышали ее прочности. Для этого обычно увеличивают суммарное сопротивление крепи за счет большей плотности при­ забойных стоек и посадочных крепей.

Поскольку максимальное сопротивление единицы крепи, развиваемое в цикле, зависит от множества фак­ торов, в том числе и случайных, для характеристики неравномерности развития сопротивления удобнее поль­ зоваться коэффициентом

64

До последнего времени было принято считать, что слои основной кровли разрушаются от напряженийиз­ гиба под действием собственного веса, а также при­ грузки со стороны вышележащих пород [4, 7, 12]. Однако результаты наблюдений указывают на то, что шаги разрушения слоев основной кровли часто бывают значительно меньшими, чем рассчитанные по формулам изгиба балок. На пласте 5 шахты «Чертинская» при мощности основной кровли 7 м шаг ее разрушения составил 6—8 м, на шахте «Абашевская» на пласте 14 при мощности основной кровли 7 м шаг разрушения был 6—9 м и т. д. Подобная закономерность наблюда­ лась и на других пластах Кузбасса.

В табл. 3 приведены данные шага осадки основной кровли для пологих пластов Кузбасса и величины

глубина залегания, наличие трещин и т. д. К сожалению,

глубины со 160 до 400 м соответствует изменение вели­ чины Ci от 2 до 0,7. Величина Cj = 1 при средней глубине около 200 м. Такой же характер зависимости Сi от Н получен по результатам исследований, проведенных в

66

”

Челябинском и Карагандинском [42, 43] бассейнах, а также за рубежом [11, 12]. На основании сказанного молено сделать вывод, что глубина залегания и проч­ ность пород оказывают существенное влияние на шаг обрушения основной кровли.

По данным зарубежных исследований [12], значе­ ние Сь определенное на основе изгиба балки, для раз­ ных условий отработки пластов колеблется от 5 до 20. Эти величины не соответствуют результатам натурных наблюдений и значительно превышают их. Особен­ ностью влияния осадок основной кровли на пластах с

3* 67

блочным разрушением непосредственной кровли яв­ ляется возникновение больших смещений вдоль линии забоя, повышение нагрузки на крепь и динамические явления. Ранее описывались случаи, когда проседание по первому от забоя заколу достигало 200 и даже 500 мм. Такому проявлению осадок основной кровли способст­ вует прочная непосредственная кровля, при которой со­ здаются благоприятные условия для среза краевой ча­ сти пласта.

Одним из наиболее показательных случаев резкого проявления осадки основной кровли является завал

Рис. 22. Состояние кровли в лаве после внезапного обрушения

21-й южной лавы пласта Нижнего шахты № 1—5 руд­ ника Баренцбург (данные треста «Арктикуголь»). Мощ­ ность пласта 0,8-—1 м, угол падения 8— 10°. Непосред­ ственная кровля-— алевролит слабоокварцованмый мощ­ ностью 1,7—3,5 м, основная кровля — песчаник окварцованный мощностью 5,8 м. Выше залегают переслаи­ вающиеся песчаники и алевролиты общей мощностью 13 м. Длина лавы 140 м, шаг выемки 0,8 м. Призабойная

ОКУ-ОЗ и ОКУ-04, располагаемые в одни ряд; посадка производилась после каждого цикла.

Непосредственная кровля зависала на 8—10 м. Об­ рушение кровли, вызвавшее завал лавы на протяжении 20 м и повал крепи на 14—20 м вверх и вниз от завала, произошло внезапно. Состояние кровли в лаве после обрушения показано на рис. 22. Обращает внимание, что непосредственная, кровля как и в большинстве ра­ нее описанных случаев, была разбита трещинами дав­ ления с шагом около 0,8 м, т. е. равным шагу выемки. В момент завала произошел срез верхней краевой

68

части пласта на глубину 0,4 м. Если даже эта часть пласта была нарушена опорным давлением, то и в этом случае должны были действовать огромные нагрузки для среза и раздавливания. Данный факт свидетельствует о том, что через первый от забоя блок на пласт пере­ давалась большая дополнительная нагрузка от основной кровли. Смещение кровли произошло под углом 70—80° в сторону забоя, что и способствовало повалу призабой­ ной крепи.

Как показывает опыт, подобные осадки основной кровли можно легко предотвратить, если правильно вы­ брать и распределить по ширине призабойного простран­ ства сопротивление крепи,

§ 7. Анализ результатов шахтных исследований

Визуальные наблюдения за развитием трещин в мас­ сиве пород и перемещением кровли над призабойным пространством очистного забоя на пластах, непосредст­ венная кровля которых представлена сравнительно прочными и монолитными породами, позволили устано­ вить основные закономерности разрушения и перемеще­ ния таких кровель. Осмотр мест разрушения кровли и измерения в скважинах показали, что основная часть перемещений контура кровли происходит за счет сме­ щения отдельных ее частей относительно друг друга по наклонным трещинам давления, а не расслоения. Тре­ щины давления возникают в непосредственной кровле систематически, в основном через один или кратное число интервалов, равных величине захвата выемочной машины, и распространяются до следующей разновид­ ности пород с большей прочностью или до ослабленных контактов между слоями. Периодически они пересекают и вышележащие прочные и монолитные слои основной кровли, вызывая ее осадки. Максимальная высота рас­ пространения наклонных трещин в кровле не установ­ лена, однако имеются отдельные замеры, которые ука­ зывают, что она может достигать 35 м [42J.

Форма наклонных трещин не всегда бывает прямо­ линейной. Установлено, что, чем прочнее породы, тем более искривлены трещины в нижней части непосред­ ственной кровли. Искривление наблюдалось на пластах, где кровля зависала в выработанном пространстве. Оба

69