книги из ГПНТБ / Скуба, В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты

’ТД.ЛЬИОГС ЗАЛА

В монографии рассмотрены условия эксплуатации гор­ ных выработок в области многолетней мерзлоты. Оценено влияние положительного теплового режима шахт на устой­ чивость горных выработок в различных мерзлотных условиях. Предложены методы анализа теплового взаимодействия воз­ душного потока и мерзлых пород и расчета нагрузок на крепь при оттаивании горных пород. Установлены рациональные ти­ пы штанговой крепи и дан метод расчета ее параметров. Опре­ делены область и экономическая эффективность применения штанговой крепи на шахтах Севера.

Монография рассчитана на широкий круг сотрудников исследовательских и проектных учреждений и работников шахт, а также может быть полезна студентам горных техни­ кумов и институтов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Перспектива развития угольной промышленности на Севере и Северо-Востоке нашей страны настоятельно требует научного обоснования и внедрения современных передовых методов разработки, базирующихся на применении высокопроизводи­ тельных угледобывающих агрегатов, новых прогрессивных ти­ пов крепи и всего арсенала технических средств, повышающих эффективность и комфортность труда горнорабочих.

Одной из первоочередных задач является совершенствова­ ние способов крепления горных выработок в условиях много­ летней мерзлоты. Особую актуальность это приобретает в связи с необходимостью строительства крупных шахт, работающих с подогревом поступающего в горные выработки воздуха в зим­ ний период до положительных температур.

В монографии изложены результаты более чем десятилет­ них исследований автора, выполненных на шахтах Воркуты, Норильска, Якутии и Магаданской области совместно с науч­ ными работниками ЛГИ им. Г. В. Плеханова, ИГД им. А. А. Скочинского, опытно-исследовательского цеха Норильского горнометаллургического комбината им. А. П. Завенягина, Инсти­ тута физико-технических проблем Севера Якутского филиала СО АН СССР и производственниками.

Главы I, IV—VII написаны с И. И. Первенцевым, §3 и 4 главы II — с Ю. А. Буденным, § 1 главы IV — с Ю. В. Шу­ валовым, § 3 главы IV — с Б. А. Красовицким и М. М. Дуби­ ной; § 2 и частично § 5 главы V написаны по результатам иссле­ дований Ю. А. Махонько; §2 и 3 главы III изложены Э. А. Бон­ даревым и Б. А. Красовицким по просьбе и при участии автора.

3

Т а б л и ц а 2

мышленности Северо-Востока в хозяйственной ж и зн и этого района чрезвычайно велико, так как она почти полностью обес­ печивает энергетическим сырьем различные отрасли промыш­ ленности и топливом жилые поселки и города.

Угольные предприятия рассредоточены на обширной терри­ тории и разрабатывают месторождения Магаданской области (Анадырское, Аркагалинское, Галимовское и Бухты Угольной), Якутской АССР (Сангарское, Джебарики-Хайское, Чульманское, Зырянское, Кангаласское и Согинское) и севера Красно­ ярского края (Норильское, Кайерканское).

Характерная особенность разработки угольных месторожде­ ний Северо7Востока СССР — их относительная удаленность от крупных железнодорожных и шоссейных магистралей, суровые климатические условия (табл. 3) и наличие толщи многолетней мерзлоты, которая распространена на всей территории рассмат­ риваемого района.

К природным особенностям области вечной мерзлоты, в той или иной степени оказывающим влияние на разработку уголь-

Т1а б л и ц а 3

5

ных месторождении, относят (Дядькин, Зпльберборд, Чабан, 1968) низкую температуру воздуха в зимние месяцы, предопре­ деляющую отрицательную среднюю годовую температуру воз­ духа, отрицательную температуру пород, наличие в их составе льда, заполняющего пустоты, и мерзлотные процессы, обра­ зующие подземные наледи.

Естественно, что различные климатические условия в тех или иных районах обусловливают определенные закономер­ ности в развитии мерзлых толщ. Поэтому большой научный и практический интерес с точки зрения горного дела представ­ ляет районирование мерзлотных условий по площадям и глу­ бине. Из работ, дающих общее представление о мерзлотных ус­ ловиях на территории СССР, необходимо выделить труды В. А. Кудрявцева (1954) и А. И. Калабина (1960). В. А. Куд­ рявцев освещает специфические особенности каждого района, дает количественную оценку влияния на температуру, мощ­ ность и распространение мерзлых горных пород различных природных факторов. И. Я. Баранов предпринял попытку учесть геологическое строение, литологический состав и тексту­ ру мерзлых горных пород. Однако эти работы не содержат необходимых сведений для проектирования и разработки от­ дельных месторождений.

Имеющиеся данные (Некрасов, 1971) позволили выделить наиболее крупные интересующие нас районы многолетней мерзлоты, различающиеся по морфологии: побережье Охотского моря полосой до 200 км, мощность островной мерзлоты до 50 м; температура пород без учета деятельного слоя не ниже —1° С; побережье Ледовитого океана, мощность мерзлоты 1,5 км, температура пород —12°; внутриконтинетальные горные рай­ оны, температура пород у подножия гор и на равнинах минус 3—7°, а на вершинах гор высотой до 1000 м минус 6—9°; бассейн р. Индигирки, мощность мерзлых пород 230 м, температура пород минус 3—5°; п-ов Таймыр, мощность мерзлых пород 300 м, температура пород минус 3—6°.

Для мерзлых пород характерно непостоянство температур­ ного градпента: на побережье Ледовитого океана он изменяется от 1,5 до 2,4° на 100 м; во внутриконтинентальных районах— от 0,5 до 2°; на территории Норильского угленосного района — от 0,5 до 4°; в бассейне р. Индигирки — от 0,1 до 2,5°. Это опре­ деляет различную мощность мерзлых пород при одинаковой их естественной температуре ниже деятельного слоя. На пло­ щади Норильского -угленосного района мощность мерзлых пород изменяется от 300 м на возвышенностях до 40 м в доли­ нах рек; в Якутии — от 1500 до 120 м. На всей территории Северо-Востока встречаются крупные таликовые зоны: Талнах (Таймыр), Тэнкели, Маркова впадина (Якутская АССР) и др. Чаще всего они приурочены к днищам долин и подрусловым частям рек.

6

Гидрогеологическая сеть области многолетней мерзлоты пред­ ставлена многочисленными реками, ручьями и озерами, однако надмерзлотные грунтовые воды носят сезонный характер и не приводят к серьезным осложнениям при производстве горных работ. Высоконапорные подмерзлотные воды (до 20 атм) на­ чинают появляться при температуре пород — 2,5° и проникают в выработки по крупным трещинам и геологическим наруше­ ниям, однако дебит их в выработке редко превышает 2—3 м3/сутки. При температуре пород — 1,2° и выше притоки воды значительны, удельный дебит составляет 200—250 м3/сутки, и для нормальной работы шахт необходима организация во­ доотлива.

Газовыделение в зоне многолетней мерзлоты наблюдается редко, как правило, оно приурочено к крупным тектоническим нарушениям, и дебит газа на отдельных шахтах не превышает 2—3 м3/т суточной добычи. При температуре пород выше —2,5° газ выделяется из крупных трещин и геологических нарушений пластов. Дебит его на шахтах различный и составляет 4—12 м3/т суточной добычи. На горизонтах, где температура пород выше —1,2°, выделение метана происходит повсеместно, в среднем сос­ тавляя 20—35 м3/т и достигая в отдельных случаях 70 м3/т су­ точной добычи.

С повышением температуры горных пород изменяются их свойства. Талые горные породы отличаются от мерзлых зна­ чительно большей газопроницаемостью и повышенной скоростью газоотдачи. При низкой отрицательной температуре углей газопроницаемость их близка к нулю (Лидин, 1959). При отта­ ивании угля она равна 3,1 мл/мин через 1 см3. Газоотдача угля при температуре минус 1,5° за первые сутки составляет 250— 350 см3 с 1 м2 поверхности, а при температуре минус 1°—800— 1200 см3. В шахтных условиях при температуре пород ниже ми­ нус 2,5— 3° дегазация угольного массива на глубину 0,5—0,7 м происходит через 7 месяцев, на глубину 2 м лишь через 3 года. Газовыделение из массива при температуре —1,2° и выше резко возрастает и достигает 0,17 м3/сутки с 1 м2 поверхности.

Исследования особенностей строения мерзлых горных по­ род (Достовалов, 1952; Сумгин, 1937; Тютюнов, 1960; Шуйский, 1957) показали, что у мерзлых четвертичных отложений наблю­ даются текстуры: массивная, слоистая и сетчатая (Дядькин, 1968). Криогенное строение мерзлых коренных пород, типичных для угольных месторождений, определяется в основном их при­ родной трещиноватостью. При этом промерзание коренных по­ род и особенно их многократное промерзание и оттаивание (режеляция) сопровождаются интенсивным дополнительным трещинообразованием.

Применительно к грунтам Н. А. Цытович (1952) разработал основы теории прочности и реологии мерзлых дисперсных пород, связанность которых почти целиком определяется цементи­

7

висимостей между температурой пород, их влажностью и фи­ зико-механическими свойствами не установлено.

С понижением температуры горных пород кубиковая проч­ ность их увеличивается: при условии 0>!Ге^> минус 7° резуль­ таты лабораторных испытаний (рис. 1) удовлетворительно ап­ проксимируются кривыми, рассчитанными по предлагаемой

Изучение физико-механических свойств пород по образцам, отобранным в различных температурных зонах, позволило уста­ новить, что после приобретения образцами комнатной темпе­ ратуры пределы прочности их при wn< 6% имеют обычные для осадочных пород значения (табл. 4), при 6 % < ^ п^ 2 5 % угли и осадочные породы теряют прочность на 50—70% и очень

месторождений и эксплуатации горных выработок в области распространения многолетней мерзлоты необходимо исходить

8

Т а б л и ц а 4

из температурного состояния массива пород, в которых распо­ ложено полезное ископаемое, поскольку этим в значительной мере определяются прочностные свойства массива, его гидро­ геологическая характеристика и газовая обстановка. Примени­ тельно к угольным месторождениям нами выделяются три тем­ пературные зоны, специфические особенности каждой из кото­ рых существенно влияют на ведение горных работ и устойчи­ вость горных выработок:

1) зона многолетней мерзлоты — температура пород ниже

— 2,5°, наблюдается высокая устойчивость обнажений горных

пород выше —1,2°, определяется обычная для коренных оса­ дочных пород устойчивость обнажений, большой приток под­ земных вод с выделением метана в выработке.

§ 2. Анализ опыта крепления горных выработок

Крепление и поддержание горных выработок при подземной разработке месторождений каменного угля до настоящего времени является одним из трудоемких и дорогостоящих про-

9