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

1

ведения кровель, сложенных прочными и массивными породами [45], во Франции для определения взаимо­ действия подпорных стенок с массивом пород, в СССР

при решении задач по устойчивости насыпей и основа­ ний плотин гидроэлектростанций. Структурное модели­ рование имитирует взаимодействие элементов уже раз­ рушенных пород, не рассматривая сам процесс образо­ вания этих элементов.

Величина коэффициента бокового распора в моделях изменялась от 0,08 до 0,5. Граничные условия начала отработки модели имитировались вертикальным смеще­ нием торцевого клина, так как при первом обрушении кровля смещается по нормали к пласту. В модели ими­ тируется полупролет первого обрушения кровли еще до образования блоков. Крепь нарастающего сопротивле­ ния имитировалась стальными пластинками определен­ ной жесткости, которые оснащались тензометрическими датчиками. Крепь постоянного сопротивления изготовля­ лась в виде рычажной системы. Смещение блоков изме­ рялось методом фотофнксации с последующей обработ­ кой пластинок на стереокомпараторе.

Большие скорости смещения кровли измерялись индуктивными датчиками перемещения ДП-3 и виброизмерительной аппаратурой ВИА-5а. Чувствительность датчиков 1,8 мА/мм. Показания датчиков записывались осциллографом К-24 на фотобумагу шириной 100' мм. Скорость перемещения ленты осциллографа от 10 до 200 мм/с. Одновременно на ленту записывались пока­ зания отметчика времени, что позволяло уверенно про­ изводить отсчет времени с точностью 0,005 с (при ско­ рости ленты 200 мм/с расстояние между «пиками» отме­ ток составляло 2 мм при времени 0,01 с).

Датчики устанавливались на наружной стороне мо­ дели с помощью специальных шаровых кронштейнов, один из которых закреплялся на стенде, а второй вблизи нижнего контура непосредственной кровли.

Пласт вынимался выпиливанием слоя эквивалентного материала. Шаг выемки соответствовал длине блока по простиранию. Последовательность рабочих операций соответствовала натурным условиям.

Методикой предусматривалось: изменение отношения мощности слоя непосредственной кровли к мощности пласта в пределах от 1,2 до 5, изменение коэффициента

80

трения по плоскостям трещин от 0,27 до 0,75, использо­ вание крепи поддерживающего и оградительио-поддер- живающего типа нарастающего и постоянного сопротив­ лений с влиянием осадок основной кровли и без них. При этом особое внимание обращалось на условия 'образования арочных систем и их проседания, на вели­ чину смещений и реакцию крепи. Угол наклона «трещин давления» в моделях был принят 65°.

§ 2. Результаты исследований механизма перемещения и взаимодействия с крепью непосредственной кровли

Зависание в выработанном пространстве блоков кровли наблюдалось в натурных условиях при значе­ ниях 2 < К М< 5 .

Общий характер перемещения блоков над призабой­ ным и выработанным пространствами во всех моделях был одинаковым. По мере удаления угольного забоя от целика происходило обрушение торцевого клина и при­ легающих к нему одного-двух блоков, которые отклоня­ лись в сторону выработанного пространства. После этого начиналось постепенное зависание блоков за крепью, т. е. образование арочной системы.

По мере подвигания забоя угол разворота блоков постепенно уменьшался. Это происходило из-за того, что развернувшиеся блоки при опускании на почву не полностью, восстанавливали свое первоначальное поло­ жение. Угол отклонения блоков при образовании арок

его разрушением смещения кровли в призабойном про­ странстве нарастали медленно. Кровля как бы оставалась на верхнем уровне. При достижении предельного про­ лета происходило ее резкое перемещение и кровля за­ нимала нижний уровень.

Подобную же картину перемещения непосредствен­ ной кровли, составленной из отдельных прямоугольных блоков, наблюдал Г. Н. Кузнецов [23] на моделях и в шахте. -

Для выяснения влияния сопротивления крепи на ха­ рактер смещения кровли в моделях изменялась несу-

81

щая способность крепи. Результаты исследований, про­ веденных на двух моделях, приведены на рис. 25. Верх­ ний уровень кровли (кривая 1) соответствует состоя-

Рис. 25. Влияние сопротивления крепи на про­ филь кровли

нию кровли перед проседанием арки, нижний (кривая 2) — после проседания. Точками на линиях обозначены средние величины перемещения передних концов бло­ ков. Буквы Ru R2, R3 обозначают места установки кре­ пи. Расстояния между верхним и нижним профилем соответствует средней величине относительного переме­ щения кровли в точках

82

Характер кривых во втором случае другой. Верх­

ний профиль не имеет излома. При большем сопротив­ лении крепи смещения кровли в момент проседания арок в призабойном пространстве уменьшаются. При уменьшении относительного сопротивления крепи с 1,17 до 0,82 смещения кровли в призабойном пространстве увеличились более чем в два раза. Это указывает на то, что сопротивление крепи и ее распределение по ширине призабойного пространства оказывает существенное влияние на перераспределение смещений арочной систе­ мы в призабойном пространстве. Такой же характер влияния сопротивления крепи наблюдался и в других моделях.

способствовало увеличению средней величины пролета арки. При проседании арочной системы в моделях с большим коэффициентом трения случаи полного обру­ шения всех зависших блоков наблюдались реже.

Сложный характер перемещения блоков в процессе их опускания на почву можно разделить на два пе­ риода.

I п е р и о д — медленный, иногда небольшими толч­ ками, рост перемещений всей системы арки в процессе подвигания забоя. Опускание блоков на почву в этот период происходит редко и сравнительно спокойно. Пролет арки увеличивается, а профиль ее становится изогнутым кверху.

II п е р и о д — резкое смещение блоков всей арки на значительные величины обычно при величине пролетов арок, близкой к предельной. При этом непременно про­

83

исходит опускание части (одного — трех) зависших блоков на почву. Данный период смещения кровли яв­ ляется наиболее опасным с точки зрения работы крепи и сохранения необходимой высоты рабочего простран­ ства.

За время полного опускания блоков на почву оба эти периода повторяются неоднократно, т. е. блоки смещаются как бы толчками. Резкие проседания всех или части арки происходят и между предельными со­ стояниями кровли, но они сопровождаются меньшей ве­ личиной смещений и выражены более , слабо. Поэтому дальнейший анализ результатов отработки моделей произведен для предельных состояний кровли.

С точки зрения работы крепи наиболее важно бы­ ло выявить зависимость смещений кровли от реакции крепи на границе призабойного пространства. С этой целью были отобраны данные по всем случаям просе­ дания арок при посадках по всем моделям и построен общий эмпирический график для второго, считая от забоя блока. Выбор блока обусловлен технологией вы­ емки и объектом исследований. Ширина призабойного пространства в натуре изменялась от 2,8 до 4,2 м. Из под третьего от забоя блока крепь выбивалась после каждого цикла подвигания. Постоянно поддерживалось два блока.

Первый блок обычно проседает на значительно мень­ шие величины как в первом, так и во втором периоде их перемещения.

щий вес арки; N — число блоков в арке; q — удельная пригрузка со стороны вышележащих пород; I — длина блока по простиранию пласта.

84

Точками на графике отмечены случаи, когда в мо­ менты проседаний арочной системы резких смещений кровли не происходило. Кружками отмечены случаи с резкими смещениями кровли при проседаниях системы. Для получения величины смещений, превышающих тех­ нологически допустимые, производились медленные раз­ грузки крепи в призабойном пространстве и искусст­ венные завалы.

Рис. 26. Влияние сопротивления крепи на перемещения кровли: пунктирные линии — границы разброса точек

Характер кривой указывает на принципиальную возможность уменьшения величины резких смещений кровли в призабойном пространстве лав при проседа­ нии (разрушении) арочных систем. Но для этого необ­ ходимо обеспечить сопротивление крепи в любой мо­ мент ее работы равным не менее 60% от общего веса пород в арке (поддерживаемое и выработанное прост­ ранства). Данное положение иллюстрируется зоной перехода от кружков к точкам. Естественно, что она относится к результатам исследований на моделях. Однако в моделях основные факторы, влияющие на ве­ личину смещений кровли (сопротивление крепи, трение между блоками, величина распора крепи и т. д.), изме­ нялись в широких пределах. Это подтверждает, что арочная система способна возникать при широком диа­ пазоне изменения относительной величины сопротивле­

85

ния крепи. Иными словами, сопротивление крепи не оказывает существенного влияния на условия возник­ новения арочной системы. Они определяются другими факторами, одним из которых является соотношение высоты блока и мощности разрабатываемого пласта.

Влияние сопротивления крепи на смещение кровли сказывается главным образом в том, что с увеличением сопротивления уменьшаются взаимные проскальзыва­ ния блоков в призабойном пространстве. Это весьма важный вывод, указывающий на то, что каждый раз с увеличением пролета арочной системы должно повы­ шаться и сопротивление призабойной крепи, что в шахтных условиях сделать практически невозможно. Следовательно, при выборе крепи необходимо ориенти­ роваться сразу на максимальное сопротивление. Другим фактором, влияющим на величину относительного про­ скальзывания блоков и воздействие которого поддается регулированию, является распределение реакции крепи по ширине призабойного пространства. При отсутствии или недостаточной величине сопротивления крепи вбли­ зи забоя происходит известное на практике «клевание» кровли на забой. В этом случае, конечно, возрастает и общее смещение кровли в призабойном пространстве.

В предыдущем параграфе было отмечено, что в про­ цессе отработки моделей измерялись усилия распора крепи, действующие по нормали к плоскостям трещин. Отработка моделей показала, что при коэффициенте первоначально задаваемого бокового распора от 0,08 до 0,5 существенного влияния величины распора на харак­ тер перемещения и взаимодействия блоков над при­ забойным и выработанными пространствами не наблю­ далось. Арочная система образовывалась во всех мо­ делях.

Заметное снижение (в натуре) величины распора начиналось на 5,6—7 м впереди очистного забоя. При подработке блока величина распора уменьшалась, а затем снова возрастала по мере удаления от забоя. На расстоянии 5,6—8,4 м позади забоя усилие распора до­ стигало

где Fmax — максимальное усилие, направленное по нор­ мали к плоскостям трещин; F0 — начальное усилие бо­

86

нового распора в тех же точках, в которых было за­

создаются в основном за счет стремления подработан­ ного блока развернуться вокруг своей оси. По мере удаления забоя блок начинает воспринимать соответ­ ствующую составляющую веса вновь подрабатываемых блоков. Область максимальных значений сил распора получается большой вследствие непостоянства числа блоков в арке и является как бы опорной зоной арки. Важным качественным выводом из результатов измере­ ния сил распора является прямолинейная зависимость их от числа блоков в арке.

Случаи, когда на передней грани первого блока отсутствуют силы распора, соответствуют тяжелым условиям для его поддержания. При посадке кровли происходили как уменьшения, так и увеличения сил бо­ кового распора. Это зависит от периода образования арки во время посадки кровли и общего числа блоков в арке.

Исследования на структурных моделях, имитирую­ щих только непосредственную кровлю, разрушающуюся на узкие и высокие наклонные блоки, подтвердили свойство таких кровель образовывать арочные системы с периодическими резкими проседаниями. Эти проседа­ ния, приводящие при недостаточном сопротивлении кре­ пи к завалам лав, по внешним признакам проявления близки к осадкам основной кровли. Иными словами, ис­ следования на моделях подтвердили наличие периоди­ ческих осадок непосредственной кровли, которые были установлены в процессе шахтных наблюдений.

§ 3. Исследование влияния осадок основной кровли

Попытки внедрить механизированные крепи огради- тельно-поддерживающего типа на пласты ■ с блочным характером разрушения непосредственной кровли ока­ зались неудачными. На это указывает опыт применения крепей Мосбасс на шахтах «Абашевская» в Кузбассе и

87

№ 6—6-бис на Артемовском месторождении [26], крепей ОМКТ на пласте Красноорловский, 30 в Кузбассе и др. Также неудачным оказался опыт внедрения кре­ пей ОМКТ на пласты с тяжелыми осадками основной кровли (пласт Байкаимскпй в Кузбассе). Это' обусло­ вило необходимость проведения исследований вопросов взаимодействия крепей этого типа с трудноуправляемы­ ми кровлями в лабораторных условиях.

Исследования были проведены на структурных мо­ делях, описанных в предыдущем параграфе. В качестве основной кровли на слой непосредственной кровли, со­ ставленный из структурных блоков, закатывался слой из эквивалентных материалов, шаг разрушения которо­ го изменялся за счет изменения прочности материала слоя.

Масштаб моделирования 1 :40 и 1 : 10, отношение мощности непосредственной кровли к мощности пласта 1,2—2.

Модель крепи ОМКТ была изготовлена из металла. В качестве измерительных элементов применялись пла­ стинки на двух опорах из фосфористой бронзы. Сопро­ тивление крепи измерялось в основных опорных точках крепи — под стойкой и в заднем шарнире. В последнем случае датчики устанавливались таким образом, чтобы получить данные ие только о величине, но и о направ­ лении усилий в шарнире. Это позволяло определить результирующую всех нагрузок, действующих на крепь со стороны кровли, место ее приложения и направле­ ние действия.

Исследования на моделях, проведенные для условий, при которых влияние осадок основной кровли на рабо­ ту крепи отсутствует, позволили установить основные закономерности взаимодействия крепей оградительноподдерживающего типа с кровлями, склонными к блоч­ ному разрушению. При зависаниях кровли в вырабо­ танном пространстве нагрузка на крепь передается че­ рез поддерживающую часть. Величина нагрузок опре­ деляется весом пород в арке, как и при крепях под­ держивающего типа, но воспринимаются они на срав­ нительно малой площади (поддерживающей частью крепи) и только вблизи забоя. Оградительная часть крепи в этот период не нагружена. При проседании ар­ ки крепь стремится к опрокидыванию в сторону забоя,

88

так как результирующая всех сил, приложенных к крепи, пересекает поверхность почвы впереди стойки, а иногда даже впереди основания крепи. Такое нагруже­ ние приводит к неустойчивому состоянию крепи.

После проседания или разрушения арочной системы зависшие блоки опускаются на оградительную часть крепи и условия ее нагружения становятся благоприят­ ными. Точка пересечения результирующей всех нагру­ зок на крепь с поверхностью почвы в этих случаях на­ ходится между опорой стойки и задним шарниром. Крепь работает в устойчивом состоянии.

При отработке моделей схемы нагружения чередова­ лись в зависимости от состояния арочной системы, в ре­ зультате чего происходило попеременное нагружение поддерживающей и оградительной частей крепи.

Еще более неблагоприятные условия нагружения крепи возникают на пластах, при отработке которых крепь испытывает сильное влияние осадок основной кровли. В первый же момент облома очередного блока основной кровли (рис. 27) пригрузка со стороны ос­ новной кровли начинает передаваться через первые от забоя блоки непосредственной кровли (чаще через один блок) на поддерживающую часть крепи (в данном слу­ чае ОМКТМ). В это же время оградительная часть крепи может оказаться непригруженной. Это вызывает опрокидывание крепи на забой и неблагоприятное рас­ пределение опорных реакций в конструкции крепи. Крепь в таких условиях работать, как показали и шахт­ ные наблюдения, не может. Происходит опускание бло­ ков вдоль забоя, образуются вывалы, из зон заколов выпадает перемятая порода. В таких случаях при пере­ движке крепь не может занять свое первоначальное по­ ложение по высоте, так как величина сил распора не­ достаточна. Точка пересечения вектора результирую­ щей нагрузок на крепь с поверхностью почвы при этом также находится впереди основания крепи.

Однако условия работы крепи не улучшаются и в периоды, когда поддерживающая часть крепи выйдет из зоны влияния осадок основной кровли. В этом слу­ чае нагрузка от основной кровли передается через бло­ ки непосредственной кровли на оградительную часть крепи в виде сосредоточенных или локально распреде­ ленных сил. Методикой расчета этих крепей восприятие

89