книги из ГПНТБ / Технология добычи и обогащения углей в Печорском бассейне [коллектив. моногр

ханических характеристик, так и структуры. Однако в классифика­ ционном диапазоне эти кровли возможно отнести от средней обрушаемости к труднообрушаемым. Экстремальные нагрузки на крепь очистных выработок здесь могут наблюдаться в основном при проявлении вторичных осадок основной кровли, представлен­

всех обследованных кровель относится как к прочностным и уп­ ругим свойствам, так и к структурным характеристикам. Диапазон изменения предела прочности пород на растяжение составляет 5—130 кгс/см2, на сжатие —53—1400 кгс/см2, а модуля упру­ гости— (0,62—6,2) 105 кгс/см2. Наряду с малопрочными породами (сгр менее 30 кгс/см2) в кровлях распространены также высоко­ прочные (:ор' более 80 кгс/см2) слои песчаников и песчанистых алевролитов, которые в подавляющем большинстве имеют мощ­ ность 0,3—0,8 м и более.

Наличие прочных пород во вмещающем массиве не определяет степень обрушаемости, поскольку в этом случае существенное значение имеет структура кровли. При этом классификацию кро­ вель можно производить по различным факторам.

Непосредственная кровля замещается монолитными малослоис­ тыми песчаниками средней крепости с пределом прочности на рас­

пределами прочности на растяжение 70 кгс/ см2 и более, со зна­ чениями модулей упругости (5-4-6) 105 кгс/см2, то зависание можно наблюдать и при отсутствии их непосредственного выхода в зону контакта с угольным пластом. При мощности слоя не менее 0,3 м такие породы должны располагаться в кровле пласта на расстоя­ нии, не превышающем одно — трехкратную его мощность.

Аномальные проявления горного давления возможны также при расположении достаточно мощных слоев (3 м и более) высо­ копрочных разностей пород (нр не менее 80 кгс/см2) на 3 — 15-кратном расстоянии от пластов. При этом горное давление бу-.

ожидать экстремальных динамических нагрузок на крепь очистных забоев.

Исследования показывают, что ни структура кровли, ни тем более ее прочностные и упругие характеристики нельзя считать региональными даже в пределах крыльев шахтных полей. Поэтому условия, позволяющие дифференцировать кровли по обрушаемости и соответственно оценивать возможную эффективность примене­ ния того или иного вида механизации очистных работ, должны устанавливаться локально —для каждого выемочного участка

10

конкретно. При этом появится возможность не только устанавли­ вать оптимальные объемы внедрения механизированных комплек­ сов, но и в перспективе определять способы и методы воздействия па вмещающий массив при работе очистных забоев в зонах трудиообрушаемых кровель. Последними могут быть буровзрывной способ управления кровлей, способ гидрообработки кровли в ре­

ность при зависании над выработанным пространством, т. е. зна­ чительно определяет степень их обрушаемости. Данные, необхо­ димые для выбора параметров обработки труднообрушаемых кро­ вель, можно получить при бурении прогностических скважин. Определение физико-механических и фильтрационных характе­ ристик пород может проводиться по керновому материалу сква­ жин.

Необходимо отметить, что применение прогностического буре­ ния целесообразно не только при эксплуатации механизированных комплексов, но и при индивидуальном креплении очистных забоев. При этом даже без учета возможной специальной обработки труд­ нообрушаемых кровель можно будет активно и своевременно влиять на проявление горного давления путем пересмотра пас­ портов крепления лав. Это, несомненно, снизит аварийность и потери добычи угля.

Таким образом, кровли пластов Десятого и Одиннадцатого классифицируются в диапазоне от средней обрушаемости до труд­ нообрушаемых и являются неоднородными и изменчивыми по структуре, а породы, их слагающие, значительно изменчивы по механическим характеристикам.

С точки зрения классификации кровель существенные измене­ ния параметров происходят в пределах протяженности отдельного выемочного участка. Это определяет резкое различие условий эксплуатации механизированных комплексов по горно-геологичес­ ким факторам в пределах такого участка.

Оптимальный выбор объемов внедрения механизированных комплексов целесообразно устанавливать на основании данных прогноза структуры и механических характеристик пород кровли.

11

На этой же базе возможен перспективный выбор оптимальных па­ раметров специальных методов обработки труднообрушаемых участков кровли.

§ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ТРУДНООБРУШАЕМЫМИ КРОВЛЯМИ МЕТОДОМ ГИДРООБРАБОТКИ ПОРОДНОГО МАССИВА

Управление кровлей и крепление очистных забоев является одним из основных процессов в технологическом цикле подземной добычи угля. Еще большую актуальность этот вопрос приобретает при разработке пластов с труднообрушаемыми кровлями, для ко­ торых присущи интенсивные проявления горного давления. В этих условиях серийные механизированные комплексы не могут обес­ печить безопасных условий работы и высокой, экономической эф­ фективности.

Промышленные испытания и внедрение метода гидрообработки массива труднообрушаемых кровель, разработанного ПечорНИИпроектом, позволили значительно расширить область и объем применения механизированных комплексов, улучшить условия их эксплуатации по фактору горного давления, снизить количество аварийных ситуаций, возникающих при осадках основной кровли и увеличить нагрузки на очистной забой. Однако эти показатели дают только качественную оценку эффективности применяемого ме­ тода. Количественную же оценку можно получить по критериям, характеризующим изменение величин основных показателей про­ явлений горного давления. К таким критериям относятся вели­ чины нагрузок на крепь, смещения кровли и шаг обрушения пород в увлажненных и неувлажненных зонах, рассматриваемых в со­ поставимых условиях.

Для оценки эффективности гидрообработки труднообрушаемых кровель проведены исследования проявлений горного давления в

.. шахтных и лабораторных условиях.

Шахтные исследования проявлений горного давления прово­ дились в лаве № 1 замульдового горизонта пласта Одиннадцатого шахты «Пионер», в лаве № 3 пласта Десятого шахты «Восточная» и в лаве № 17 пласта Одиннадцатого шахты «Капитальная» ком­ бината Интауголь.

Исследования проявлений горного давления в шахтных усло­ виях проводились по общепринятой методике.

На экспериментальных участках изучен состав, строение боко­ вых пород, их физико-механические и коллекторские свойства.

Характеристика горно-геологических и горнотехнических усло­ вий на экспериментальных участках приведена в табл. 2.

12

Т а б л и ц а 2

податливости гидростоек, смещений кровли, отжима угля, высоты вывалов, шага обрушения основной и непосредственной кровли, в штреках измерялись скорости и величины сближения почвы и кровли.

По данным инструментальных наблюдений в увлажненных и неувлажненных зонах, получены следующие результаты: в замульдовой лаве № 1 шахты «Пионер» в увлажненной зоне средние нагрузки на крепь в секции № 49 находились в пределах 20— 30 тс, в секции № 26—25—35 тс, в секции № 69—30—50 тс (рис. 6). При этом максимальные нагрузки на крепь соответственно до­ стигали 58—74, 65—75, 65—75 тс. Такое различие в величинах нагрузок объясняется тем, что увлажнение кровли происходило неравномерно. Кровля была более увлажнена на участке секции № 49, чем на участках секции № 26 и 69. На неравномерность увлажнения кровли повлияла незначительная длина скважин (55—

ряде случаев приводило к зажатию стоек комплекса нажестко и вызывало аварийные ситуации. Незначительная величина сред­ них нагрузок на крепь даже при аварийных состояниях обуслов­ ливалась наличием и деформацией защитной угольной пачки, оставляемой в кровле пласта.

13

Дадленае на гидростойку, тс

Рис. 6. Изменение величины нагрузок на гидростойку в лаве № 1 пласта Одиннадцатого шахты «Пионер»:.

а — неувлажненная зона; б — увлажненная зона

В увлажненной зоне первое обрушение основной кровли про­ изошло при отходе комплекса на 32 м от монтажной камеры, без значительных зависаний, консолей, заколов и вывалов из основ­ ной и непосредственной кровли. Нагрузки на крепь не превышали 75 тс. При отходе комплекса на 60 м от монтажной камеры крепь

привести данные по лаве № 3 пласта Одиннадцатого этой же шахты, где'гидрообработка кровли не производилась. Первое об­ рушение основной кровли произошло на расстоянии 47—48 м от монтажной камеры. В средней части лавы наблюдались отдельные зависающие участки кровли на протяжении 15—17 м, а такжеимели место заколы кровли и вывалы, большое количество секций было посажено нажестко и деформировано. Необходимо отметить, что в этой лаве горно-геологические условия были благоприятные: мощность непосредственной кроЕли составляла 1,5—4,5 м, мощ­ ность же песчаников не превышала 8,5—10 м.

В увлажненной зоне при скорости подвигания очистного забоя 2,5—3 м/сут просадка гидростоек не превышала 2—3 мм/цикл, а при остановке очистного забоя на двое-трое суток она снижа­ лась до 1—2 мм/сут. На неувлажненных участках просадка со­ ставляла 3—5 мм/цикл и более.

Результаты измерений величин и скоростей смещений по рель­

составляла 4.5 мм/сут, а в неувлажненной — 3 мм/сут. Однако максимальные значения скоростей смещения в увлажненной зоне достигали 7,5 мм/сут, а в неувлажненной — 11 мм/сут.

Таким образом, установлено, что на увлажненном участке про­ цесс сдвижения кровли идет более равномерно. Кроме того, на­ блюдалось более плотное подбучивание основной кровли и более равномерное нагружение крепи. Это подтверждает снижение ин­ тенсивности проявлений горного давления.

Аналогичные исследования проведены в лаве № 3 пласта Десятого шахты «Восточная» и в лаве № 17 пласта Одиннадцато­ го шахты «Капитальная».

Из графиков нагрузок на крепь в зависимости от увлажнения (рис. 8) видно, что средние значения нагрузок на секцию № 17 изменялись от 30 до 40 тс, на секцию № 34 — от 20 до 30 тс, а максимальные значения нагрузок соответственно составляли 60— 80 и 40—45 тс. Кроме этого из графика видно, что в более увлаж­ ненной зоне (скважина № 8) средние значения нагрузок на сек-

15

Пию № 17 изменялись от 35 до 45 тс, а на секцию № 34 —от 25 до 30 тс. Максимальные нагрузки соответственно достигали 60 и 42 тс. На менее увлажненном участке (скважина № 10) средние

Рис. 7. Изменение величины и скорости смещения по замерным станциям

значения нагрузок на секцию № 17 достигали 45—50 тс, на секцию № 34—35—40 тс, а максимальные их значения соответственно рав­ ны 90 и 45 тс. Большие значения нагрузок на секцию № 17 объя-

16

сняются тем, что секция № 34 находилась в зоне большего увлаж­ нения, чем секция № 17.

Об изменениях нагрузок на крепь на различных участках наи­ более характерные данные получены в лаве № 17 пласта Один­ надцатого шахты «Капитальная» (рис. 9). На выемочном участке, начиная с 180 м по простиранию от монтажной камеры, выявлен

Рис. 9. Изменение нагрузок на гидростойку в лаве № 17 пласта Одиннад­ цатого шахты «Капитальная»:

а — неувлажненная зона; 6 — увлажненная зона

размыв непосредственной кровли и установлен выход монолитных песчаников на контакте с угольным пластом.

На неувлажненном участке (вне зоны размыва) средние зна­ чения нагрузок на секцию № 59 находились в пределах 30—35 тс, а максимальные их значения изменялись от 70 до 90 тс, в то время как на увлажненном участке (в зоне размыва) средние значения нагрузок составляли 20—25 тс при максимальных зна­ чениях 45—55 тс.

Шахтные исследования позволили установить, что гидрообра­ ботка труднообрушаемых кровель значительно влияет-на измене­ ние проявлений горного давления в очистном забое.

Для определения качественных изменений процесса сдвижения подрабатываемого массива и проявлений горного давления в очистной-выработке проведены исследования на моделях из экви­ валентных материалов. Подбор эквивалентных материалов и по-

18

строение модели производились по результатам исследований прочностных свойств боковых пород пласта Одиннадцатого до и после гидрообработки труднообрушаемых кровель. При расчете модели и определении компонентного состава материалов исполь­ зованы методика ВНИМИ и результаты исследования свойств гипсовых материалов, выполненных ПечорНИИПроектом. Срав-

а

Расстояние от целима,м

Рис. 10. Изменение максимальных нагрузок (1) на стойки крепи ОМКТ

иих податливости (2) при отработке пласта Одиннадцатого:

а— увлажненный участок; б — неувлажненный участок

нение результатов наблюдений и измерений при имитации отра­ ботки пласта производилось на увлажненных и неувлажненных участках. В модели измерялись деформации и напряжения в почве пласта, нагрузки на стойки крепи и их податливость, сближения кровли и почвы в призабойном пространстве лавы.

Из результатов наблюдений видно, что на увлажненных и не­ увлажненных участках процессы обрушения пород имеют значи­ тельные различия. Так, например, на увлажненном участке первичное обрушение основной кровли произошло при отходе за­ боя от монтажной камеры на 32,5 м, что на 7,5 м меньше, чем в условиях необработанного массива; в первом случае шаг вторич­ ных осадок был меньше в 1,5—2 раза.

При установившемся сдвижении пород за счет увеличения мощности беспорядочно обрушающейся за крепью непосредствен-

2* 19