книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Исследования проявлений горного давления при системах разработки с короткими забоями

Особенности управления горным давлением при разработке пла­ стовых месторождений (уголь, горючие сланцы; каменная и калий­

ная соли и др.) системами с короткими забоями заключаются в том, что управление кровлей осуществляется временными или навсегда оставляемыми целиками, а крепление очистных забоев производится легкими видами крепи или вовсе не предусматривается. В связи с этим необходимая безопасность* работ должна быть обеспечена пу­ тем соответствующего выбора размеров целиков и пролетов выра­ боток, устойчивость которых определяется их прочностью и харак­ тером работы.

Исследования при испытании различных вариантов систем разра­ ботки должны проводиться с целью уточнения принятых решений и приближения их к оптимальным в конкретных горногеологических условиях, а также с целью установления общих закономерностей работы целиков, условий устойчивости обнажений кровли в зависи­ мости от основных горногеологических факторов; создания методов определения основных Параметров систем разработки в типовых горногеологических условиях и определения области рационального применения способа управления кровлей целиками.

Проект каждого промышленного опыта по испытанию любого варианта системы разработки с короткими забоями должен вклю­ чать расчет размеров выработок, который может производиться по известным методикам [39, 64, 77, 80]. Однако, поскольку сущест­ вующие методы расчета являются весьма приближенными, а исход­ ные данные о свойствах пласта и пород во многих случаях проекти­ рования приходится принимать по аналогии, то расчетные парамет­ ры управления горным давлением следует уточнять в процессе про­ мышленных испытаний вариантов систем;

Исследования должны включать; получение исходных данных о свойствах породного массива;

изучение характера устойчивости обнажений кровли и почвы; изучение характера работы целиков и поведения нетронутого

угольного массива и боковых пород вблизи очистных работ; изучение закономерностей сдвижения и обрушения пород подра­

батываемой толщи.

Ниже излагаются общие методические указания по исследованию перечисленных вопросов, которые необходимо учитывать при состав­ лении Частных методик исследования горного давления в каждом конкретном случае.

1. Для получения исходных данных о свойствах массива сле­ дует предусматривать; а) изучение строения пласта и боковых по­ род, их петрографического состава, слоистости, неоднородности,

240

трещиноватости, влажности; б) исследование физико-механических свойств пород в лабораторных и натурных условиях; в) установле­ ние несущей способности целиков и условий устойчивости обнаже­ ний кровли.

Изучение особенностей геологического строения пласта и боковых пород производится известными методами, применяемыми в шахт­ ной геологии и маркшейдерии.

Исследование физико-механических свойств пород осуществляет­ ся на образцах в лабораторных условиях с полнотой, необходимой для того, чтобы получить паспорт прочности пород и их деформа­ ционные характеристики. Однако, как правило, следует стремиться механические свойства определять по натурным испытаниям, поль­ зуясь для этого рекомендациями главы II и методикой [64], посколь­ ку эти данные могут непосредственно быть использованы для прак­ тических целей (например, при расчете целиков). Если физико-ме­ ханические свойства определялись лабораторными методами, то для установления свойств массива необходимо вносить соответствующие коррективы, пользуясь указаниями тех же источников или [46, 47].

В зависимости от длительности работы элемента массива (це­ лика или обнаженной кровли и т. л.) необходимо выполнять лабо­ раторные и шахтные исследования по установлению длительной прочности и ползучести горных пород в соответствии с рекоменда­ циями гл. II.

2. Изучение устойчивости обнажений пород кровли почвы дол­ жно предусматривать: а) установление размеров устойчивых обна­ жений кровли; б) определение напряженного состояния обнажений, запаса устойчивости и допустимого отставания крепи от забоя; в) изучение состояния и устойчивости пород почвы.

Для установления размеров предельных устойчивых обнаже­ ний кровли необходимо стремиться к постановке специальных опыт­ ных работ по отработке камер, заходок и проведению выработок различной ширины и длины с типичными конфигурациями обна­ жений. С аналогичными целями должны ставиться наблюдения за устойчивостью обнажений кровли в различных выработках. Изу­ чение производится с помощью фиксирования и съемок обнаженной площади боковых пород выработок. В выработках без крепления применяются методика и средства дистанционных измерений и съе­ мок, например, светодальномер ВНИМИ [67].

Целесообразно при наблюдении за устойчивостью кровли в выра­ ботках производить измерения величин смещения боковых пород от начала проведения выработок до наступления предельного со­ стояния. Такие измерения могут служить исходным материалом для установления эмпирических зависимостей между характером и величинами сближения боковых пород и предельным состоянием обнажения и могут быть использованы для разработки методики

241

пронозирования устойчивости обнажений. Измерения величин сбли­ жения боковых пород производятся с помощью парных контурных реперов, рулеток ВНИМИ или телескопических стоек СУ—2 в соче­ тании с самописцами. В выработках без крепления может быть ис­ пользована методика дистанционных измерений, изложенная в ра­ ботах [22].

Поскольку оседание подрабатываемой толщи пород на значи­ тельную высоту будет оказывать существенное влияние на устой­ чивость непосредственной кровли, то наблюдения за устойчивостью обнажений пород в выработках должны осуществляться в период отработки до наступления первого обрушения основной кровли и при трех-четырех последующих обрушениях кровли. По возможно­ сти, во всех случаях необходимо устанавливать время сохранения кровлей устойчивости от момента обнажения до наступления обру­ шения.

Материалы таких съемок и наблюдений оказываются в первом приближении достаточными для назначения, с некоторым запасом, размеров заходок и устойчивых пролетов выработок при выемке пластов с полным обрушением пород. Обобщение данных наблю­ дений по устойчивости кровли различных пластов, параллельно с изучением состава и строения пород, можно осуществлять, исполь­ зуя существующую классификацию кровель пластов.

Для выработок с относительно длительным сроком службы (штре­ ки, камеры), помимо сказанного, необходима постановка инструмен­ тальных наблюдений с помощью глубинных реперов, сейсмоакустическими методами и др. с целью определения состояния вышележа­ щих пород кровли на высоту, равную, как минимум, одномудвум пролетам выработки. Эти наблюдения должны дать картину расслоения пород и их напряженного состояния. На основе этого должны решаться вопросы о необходимости крепления выработок, типах крепи, ее жесткости и т.д. Параллельно с этими наблюде­ ниями должна проводиться работа по изучению прочности связей между слоями и пачками слоев по контактам между ними в соответ­ ствии с указаниями [62]. Такие материалы позволяют выявить характер работы слоев кровли и ориентировочно определить запас устойчивости.

Основная задача изучения свойств пород почвы заключается в установлении их несущей способности на вдавливание в зависимо­ сти от петрографического состава пород и их влажности, что не­ обходимо для формулирования требований к оборудованию в отно­ шении допустимого удельного давления на почву выработок.

3. Изучение работы целиков и состояния нетронутого угольного массива вблизи выработанного пространства производится с по­ мощью измерений деформаций и напряжений в угольном массиве на стенках выработок и в его глубине, а также в боковых породах.

242

Измерения деформаций сжатия и расширения угольного массива и боковых пород необходимо производить как в направлении нормаль­ ном к напластованию, так и вдоль напластования. Измерения про­ изводятся с помощью измерительных стоек и рулеток ВНИМИ по закладываемым реперам в стенки выработок, в почву и кровлю [16, 18, 43], а также по глубинным реперам. Для этих целей могут быть также использованы различные деформометры, в частности конструкции ВНИМИ и других организаций (гл. IV).

Определение напряжений в целиках и в глубине массива в на­ стоящее время производится, как правило, с помощью метода раз­ грузки. Для оценки изменений напряженного состояния нужно поль­ зоваться соответствующими приемами и средствами (гл. IV).

Кроме того, необходимо применять сейсмоакустические, звуко­ метрические, электрометрические и другие физические методы, по­ зволяющие без проведения выработок приближенно оценивать на­ пряженное состояние массива и его изменение (см. гл. IV).

Для изучения устойчивости угольных целиков следует, также как и при изучении устойчивости обнажений боковых пород, при­ бегать, по возможности, к проведению производственных экспери­ ментов, особенно для целиков с кратковременным сроком службы (камерно-столбовые системы, шнекобуровая выемка и др.).

Наблюдения за состоянием целиков, предназначенных для умень­ шения сдвижений земной поверхности, должны вестись в течение значительного времени с задачей установления их длительной не­ сущей способности.

Изучение состояния целиков, угольного и породного массивов вблизи выработанного пространства должно преследовать две ос­ новные цели: оценить устойчивость целиков и установить характер распределения напряжений и деформаций в угольном массиве и боковых породах в направлении от выработанного пространства вглубь массива. Исходя из этого, закладка наблюдательных станций для измерения деформаций и напряжений должна производиться с таким расчетом, чтобы учесть влиянйе не только зависания и об­ рушения непосредственной и основной кровли, но и сдвижения всей подрабатываемой толщи пород до земной поверхности. Измерения в выработках, находящихся в почве пласта, желательно осущест­ влять на расстоянии от пласта, по возможности, не менее двух­ трехкратной ширины целиков, а под краевой частью угольного мас­ сива — на расстоянии, не менее двух шагов последующего обруше­ ния основной кровли. Наблюдательные станции для изучения влия­ ния опорного давления от очистного забоя в погашаемом столбе, должны закладываться на расстоянии не менее полутора-двух про­ летов первоначального шага обрушения основной кровли.

Данные о распределении напряжений в угольном массиве, а также результаты изучения закономерностей сдвижения подраба­

243

тываемой толщи пород позволяют составить более близкое к действительности представление о характере нагружения целиков различного назначения и о распределении напряжений по их ши­ рине, а также установить размеры зон влияния целиков в боковых породах.

Обработка и обобщение результатов наблюдений обеспечивают получение материалов, необходимых для оценки работы целиков, распределения напряжений в них и запаса прочности, а также уточ­ няющих представления о распределении зон повышенного давления пород и позволяющих, следовательно, более рационально распо­ лагать выработки и рационализировать последовательность горных пород на смежных участках и пластах.

4. Изучение закономерностей обрушения и сдвижения пород подрабатываемой толщи имеет целью установление в каждом кон­ кретном случае шагов первоначального и последующего обрушений непосредственной и основной кровли, необходимых для выбора па­ раметров целиков и выработок. За исключением нижних слоев кров­ ли, поведение которых может изучасться при производстве очистных и подготовительных работ, характер поведения непосредственной и основной кровли необходимо изучать с помощью глубинных ре­ перов, закладываемых на соответствующую глубину в скважины, пробуриваемые из подземных выработок или с земной поверхности. Методика закладки и измерений по глубинным реперам изложена

в гл. IV, а также в работе [73]. При глубинах работ, не превышаю­ щих первоначальный шаг обрушения основной кровли более, чем в полтора-два раза, обычные наблюдения за сдвижением земной по­ верхности (гл. X) дают достаточные сведения о шаге первоначаль­ ного и последующих обрушений основной кровли. Поэтому при уме­ ренных глубинах работ этот последний метод можно рекомендо­ вать к широкому применению, поскольку наблюдения с помощью глубинных реперов обладают значительной трудоемкостью.

В случаях частичной выемки запасов с оставлением целиков для сохранения объектов на земной поверхности, наблюдения за сдви­ жением последней должны выявить закономерности сдвижения в течение многих лет. Продолжительность таких наблюдений может составлять десятки лет, в зависимости от времени наступления ста­ билизации движения. Подобные наблюдения, параллельно с дли­ тельными измерениями деформирования целиков в подземных усло­ виях и лабораторными исследованиями реологических свойств пород, позволяют установить истинные закономерности ползучести и дли­ тельной несущей способности породного массива.

Исследования проявлений горного давления при разработке мощных пластов

В связи со сложностью и многообразием горногеологических условий и решаемых горнотехнических проблем, характерной

244

отличительной особенностью при разработке мощных пластов яв­ ляется необходимость применения большого количества различных систем разработки, вариантов способов управления горным давлени­ ем и крепления выработок.

Системы разработки и способы управления горным давлением на мощных пластах, в отличие от таковых на пластах тонких и средней мощности, значительно более сложны в конструктивном отношении и принципиально отличаются друг от друга: по коли­ честву, параметрам, конфигурации и расположению во времени и пространстве очистных забоев; способам охраны и креплению не­ обходимых для каждой данной системы нарезных и подготовитель­ ных выработок в пласте, в боковых породах и в закладке; по коли­ честву оставляемых в выработанном пространстве целиков различ­ ных размеров и назначения.

Принципиальные конструктивные отличия различных систем разработки и способов управления горным давлением, в свою оче­ редь, обуславливают специфические и также принципиальные осо­ бенности в изменении напряженно-деформированного состояния массива горных пород и в проявлениях горного давления, которые требуют разработки в каждом случае специальной частной методи­ ки исследований, сущность которой (необходимый объем, места из­ мерений, частота, точность и способы их производства) определя­ ются поставленными задачами, спецификой системы и способа уп­ равления горным давлением.

Для вскрытия присущих данной системе основных закономерно­ стей сложных и взаимозависимых проявлений горного давления, а, следовательно, и разработки обоснованных выводов о ее работо­ способности, параметрах и области применения, необходимо прове­ дение разносторонних шахтных исследований с постановкой соответ­ ствующих измерений и наблюдений во всех основных очистных и подготовительных (нарезных) выработках. В этом смысле методика шахтных исследований горного давления при разработке мощных пластов представляет своеобразный синтез изложенных выше ме­ тодик исследований горного давления в длинных очистных угольных забоях, при камерно-столбовых системах и в подготовительных выработках, степень использования которых здесь определяется решаемой горнотехнической проблемой и вытекающими из нее це­ лями и задачами исследований, а также спецификой исследуемых систем разработки и способа управления горным давлением.

Кроме отмеченного выше, при постановке шахтных исследований на мощных пластах должно быть обращено особое внимание на следующие вопросы:

1. При разработке мощных пластов с обрушением проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках оп­ ределяются характером деформаций и сдвижения значительной

245

толщи пород, т. е. зоны интенсивных разрушений и перемещений на мощных пластах существенно больше, чем на пластах тонких и средней мощности. При работе с закладкой выработанного простран­ ства сдвижение толщи пород происходит более упорядоченно, од­ нако и в этом случае величины сдвижений толщи и земной поверх­ ности очень большие. Поэтому, при постановке исследований на мощных пластах, особенно с целью выемки запасов под охраняе­ мыми сооружениями и природными объектами на поверхности, не­ обходимо детальное изучение сдвижения всей толщи пород и поверх­ ности. Методика этих исследований изложена в главе X.

2.Интенсивность деформаций и разрушений краевых частей пласта в очистных забоях и в целиках усиливается в связи со зна­ чительной мощностью пласта. Поэтому в методике исследований должно предусматриваться детальное изучение физико-механиче­ ских и макроструктурных свойств пласта; характера и величин его деформирования, разрушения и перемещения в окрестности очистных забоев и подготовительных выработок.

3.При разработке мощных пластов с закладкой выработанного пространства одним из основных элементов системы, определяющих интенсивность проявлений горного давления, а следовательно и выбор параметров системы и область ее применения, является за­ кладочный массив. Поэтому в методике должны предусматриваться специальные исследования прочностных и деформационных свойств

закладочного массива (слеживаемости, прочности на вдавливание и на сдвиг, компрессионных свойств), а также, характера и величин его усадки в выработанном пространстве под давлением сдвигаю­ щейся толщи пород.

Основываясь на изложенных выше принципиальных положе­ ниях методики шахтных исследований при разработке мощных пла­ стов, ВНИМИ были разработаны рабочие методики шахтных иссле­ дований горного давления применительно: а) к щитовой системе разработки мощных крутых пластов с обрушением кровли [5, 76]; б) к разработке мощных пологих пластов комбинированной систе­ мой с комплексами КТУ [17, 63]; в) к разработке мощных наклон­ ных и крутых пластов слоевыми системами с закладкой выработан­ ного пространства [6, 54, 84]. Аналогичные рабочие методики так­ же разработаны ИГД СО АН СССР применительно к разработке мощных крутых пластов щитовой и камерной системами разработ­ ки с закладкой [57, 68] и КузНИУИ, применительно к комбиниро­ ванной системе разработки мощных наклонных и крутых пластов с гибкими перекрытиями [33, 35]. Значительный интерес представ­ ляет разработанная ИГД СО АН СССР методика шахтных иссле­ дований и аналитических расчетов напряженного состояния пласта и вмещающих пород в зонах перемещающегося и остаточного опор­ ного давления и их изменений с глубиной, основанная на исполь­

246

зовании натурных замеров смещений в качестве граничных условий задачи [27, 68]. Ознакомление с указанными выше работами по­ может более правильно определить необходимый объем предстоя­ щих исследований, выбрать наиболее рациональные методы, при­ боры и аппаратуру, т. е. обеспечить более полное соответствие част­ ных рабочих методик изложенным выше принципиальным поло­ жениям методики шахтных исследований при разработке мощных пластов.

§ 30. Основные положения методики лабораторных исследований

При проведении шахтных исследований проявлений горного дав­ ления в очистных выработках возникают очень большие трудности изучения характера и величин деформаций, разрушения и сдвиже­ ния в глубине массива пород и в выработанном пространстве. Труд­ но установить зависимость проявлений горного давления от отдель­ ных горногеологических и горнотехнических факторов и определить их роль и значение. Поэтому при решении задач научного обосно­ вания рациональных систем разработки, способов и средств управ­ ления горным давлением и крепления очистных выработок, их оп­ тимальных параметров и области применения необходима постанов­ ка разносторонних экспериментальных исследований, в которых, наряду с шахтными, важное значение должно быть уделено лабора­ торным методам.

Выше в III главе, показано, что в качестве лабораторных ме­ тодов исследований горного давления могут быть использованы методы моделирования эквивалентным и оптически активными ма­ териалами и метод центробежного моделирования. Применительно к очистным выработкам для решения большинства задач необхо­ димо воспроизведение на моделях большого участка массива и за­ дачами исследований является установление закономерностей его перехода в запредельное (разрушенное) состояние и определение характера и величин последующего деформирования, разрушения и сдвижения массива как дискретной среды и его взаимодействия с крепью, закладкой и обрушенными породами. Поэтому здесь ос­ новным методом лабораторных исследований является моделирова­ ние с помощью эквивалентных материалов.

Для изучения, напряженно-деформированного состояния цели­ ков, потолочин и краевых частей угольного массива целесообразно развивать также моделирование на оптически активных материа­ лах [83].

Основные принципы исследований на моделях из эквивалентных материалов изложены в III главе данной работы, а также в ряде опубликованных работ. Поэтому ниже рассмотрена только специфика

247

методики исследований на моделях из эквивалентных материалов применительно к решению актуальных горногеомеханических за­ дач в длинных очистных забоях, при камерно-столбовых системах и при разработке мощных пластов.

Применительно к длинным очистным выработкам в методическом отношении общие задачи лабораторных исследований могут быть сведены к следующим: 1) установление основных закономерностей

иусловий образования принципиально отличающихся друг от друга типов разрушения пород кровли (расслоение по поверхносятм на­ пластования; блочное разрушение по наклонным к напластованию поверхностям); 2) установление при определенном типе разрушения пород кровли основных закономерностей ее перемещения в приза­ бойном и выработанном пространстве и взаимодействие с крепью; 3) установление закономерностей взаимодействия поддерживающих

иоградительных элементов различных принципиальных схем кре­ пей с кровлейГобрушенными породами и с закладкой.

При решении первой задачи обязателен учет основных горно­ геологических факторов (свойства и строение пород, слоистость, трещиноватость, глубина работ и др.). На моделях должна воспро­ изводиться значительная область толщ пород над пластом с имита­ цией глубины до 1000—1200 м. В то же время на моделях необхо­ димо воспроизведение в различных сочетаниях, пласта и пород по прочностным, деформационным и макроструктурным свойствам.

Поскольку надлежащее воспроизведение подобия свойств пласта и пород технически осуществимо лишь при достаточно крупных масштабах моделирования, то при проведении исследований воз­ никает необходимость замены части толщи пород до поверхности соответствующей пригрузкой. Во избежание существенного искаже­

ния напряженно-деформированного состояния массива вблизи пла­ ста высота толщи пород кровли из эквивалентных материалов при моделировании слоевой выемки должна быть не менее 20—25-крат­ ной мощности пласта. Исследования могут проводиться не только на объемных, но и на плоских моделях. В последнем случае для предотвращения разрушения моделей в сторону открытых ее боко­ вых сторон необходима установка «стяжек» [8], которые прибли­ жают условия испытания этих моделей к условиям объемного на­ пряженного состояния, исключая деформацию модели в стороны в то же время не препятствуя деформациям пород в выработку.

При решении второй задачи принципиальный тип разрушения пород кровли может быть воспроизведен искусственно путем созда­ ния на модели поверхностей ослабления в пласте и в породах не­ посредственной и основной кровли. Поэтому здесь нет необходи­ мости создания компенсирующей пригрузки, а высота толщи пород кровли из эквивалентных материалов может быть уменьшена до 12— 15-кратной мощности пласта. В то же время исследования

248

закономерностей взаимодействия крепей с боковыми и обрушен­ ными породами с целью установления их необходимой несущей способности и податливости требуют воспроизведения выемки зна­ чительного участка пласта с работой крепи в нескольких режимах, т. е. подвигания крепи не менее 100— 120 м. Наиболее рациональным масштабом моделирования следует считать 1 : 40— 1 : 50, так как при более мелком масштабе технически очень трудно воспроизвести подобие силового взаимодействия крепей с боковыми и обрушен­ ными породами (или закладкой), а также особенности состава и строения пород и типа их разрушения. Для пластов пологого паде­ ния (и для пластов наклонного и крутого падения с выемкой их по падению или восстанию) в большинстве случаев исследования могут проводиться на плоских моделях. Для пластов же наклонного и крутого падения с выемкой по простиранию исследования должны проводиться на объемных моделях с воспроизведением на них также и части верхнего отработанного этажа. Некоторые методические указания по исследованиям на объемных моделях изложены в ра­ ботах [5, 8].

При решении третьей задачи модель крепи должна обеспечи­ вать силовое и кинематическое подобие исследуемой конструкции крепи, с возможностью измерения усилий и деформаций в ее от­ дельных элементах и узлах при различных режимах работы. Сле­ довательно, здесь исследования должны проводиться в крупном масштабе порядка 1:10— 1:20. Естественно, что в таком масшта­ бе на моделях отсутствует возможность воспроизведения из экви­ валентных материалов значительного участка массива пород. Поэ­ тому исследования должны проводиться после установления на моделях мелких масштабов основных закономерностей поведения непосредственно прилегающих к выработке боковых и обрушенных пород (или закладки), которые должны быть тем или иным спо­ собом воспроизведены при исследовании конструкций крепей. Осо­ бое внимание должно быть уделено воспроизведению на моделях наиболее тяжелых случаев взаимодействия крепей с окружающими выработку породами (например, осадок основной кровли). В ряде случаев в условиях крутого падения при решении третьей задачи допустимо исследования проводить вообще без воспроизведения кровли из эквивалентных материалов в бункере с сыпучими поро­ дами, но с обязательным изучением влияния на работу крепи оса­ док кровли. В качестве примера исследований конструкций крепей могут быть приведены работы [4, 66, 74].

Применительно к камерно-столбовым системам разработки мо­ гут быть указаны следующие группы задач: 1) установление распре­ деления нагрузки на целики от веса толщи пород (особенно с уче­ том различной степени разрушения целиков); 2) установление зако­ номерностей разрушения и потери устойчивости кровли в камерах (в узких столбах); 3) установление закономерностей изменения

249