2.3 Строение вмещающих угольные пласты пород и их классификация по устойчивости и обрушаемости
Структурно-прочностные свойства вмещающих пласт пород в своей совокупности потенциально отражают их способность под влиянием проявлений горного давления при выемки пласта противостоять деформациям и разрушению вокруг очистной выработки.
Кровля и почва представлена чередующимися слоями пород различной толщины (мощности) и прочности. К этим породам относятся аргиллит (глинистый сланец), алевролит (песчаноглинистый сланец), песчаник (песчаный сланец), известняк и углистые аргиллит или алевролит.
Мощность, прочность и природная трещиноватость породных слоев их удаление от угольного пласта потенциально определяют устойчивость кровли и почвы, при обнажении очистной выработкой, а также обрушаемость массива кровли и склонность почвы к сползанию (при выемке крутых пластов).
Под устойчивостью кровли подразумевается сохранение после обнажения выработкой целостности слагающих ее нижних породных слоев, удерживаться не обрушаясь, при отсутствии крепи. Категория устойчивости кровли оценивается продолжительностью времени сохранения естественного состояния этих пород.
Под обрушаемостью массива кровли понимается склонность слагающих его слоев к зависанию над выработанным пространством.
Таблица 2.1- Обобщенная качественна характеристика расслоения углевмещающих пород
|
Класс по расслоению |
Тип контактов и прослоев |
Характеристика поверхности контактов и прослоев |
Степень расслоения |
|
I |
Зеркало скольжения |
Зеркальная, ровная |
Легкорасслаи- вающиеся |
|
|
Углистые в аргилли-ах и алевролитах |
Слабошероховатая, гладкая |
|
|
II |
Углистые в песчаниках |
Шероховатая, зернистая, ровная |
Средняя степень расслоения |
|
|
Растительные остат-ки в аргиллитах и алевролитах |
Шероховатая, зернистая, неровная |
|
|
III |
Растительные остат-и в песчаниках |
Шероховатая, зернистая, неровная |
Труднорасслаива-ющаяся или расслаивающаяся |
|
|
Мелкий раститель-ый детрит |
Шероховатая, волнистая |
|
Под устойчивостью почвы подразумевается способность слагающих ее верхнего слоя пород сопротивляться вдавливанию опорным элементом крепи. Сползание почвы это смещение его верхнего слоя по плоскости напластования.
Слоистость массива, ослабляет его прочность в зависимости от склон-ности контактов слагающих пород к расслоению в направлении, перпендику-лярном плоскости напластования (табл. 2.1) [7]. Количественная прочностная характеристика контактов породных слоев приведена в таблице 2.2 [8].
Отраслевые классификации вмещающих пологонаклонные угольные пласты пород по устойчивости и обрушаемости представлены в таблице 2.3 [9], крутонаклонных и крутых - в таблицах 2.4 и 2.5, включая классификацию их почвы по сползаемости (табл. 2.6) [10].
Таблица 2.2 - Количественная прочностная характеристика контактов
породных слоев
|
Характеристика контакта |
σρ , МПа |
К, МПа |
ρ, градус |
|
Зеркало скольжения |
0,002-0,015 |
0,004-0,050 |
9-12 |
|
Углистый |
0,002-0,200 |
0,005-0,300 |
18-20 |
|
Растительные остатки |
0,002-0,300 |
0,015-0,200 |
20-25 |
|
Мелкий растительный детрит |
0,300-1,500 |
1,200-5,000 |
25-30 |
Примечание: σρ - предел прочности на растяжение;
К - сила сцепления; ρ - угол внутреннего трения.
Таблица 2.3 - Классификация вмещающих пологонаклонный угольный пласт пород по обрушаемости (управляемости) и устойчивости слоев: нижнего кровли и верхнего почвы в очистном забое
|
Категория |
Геомеханические критерии |
Литологический состав для прогнозирования категории пород по коэффициенту их крепости ( fi ) |
||||
|
Индекс |
Качественная характеристика |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||
|
Обрушаемость массива пород кровли над пластом |
||||||
|
А1 |
Легко обрушаемый |
α1 ≈ 0,04 Ш01 ≤ 10 м ШП1 – не отмечен |
Массив пород из чередующихся слоев аргиллита, углистых прослойков, сланцев, алевролита, расслаивающихся песчаников ( f1А <4 ) |
|||
|
А2 |
Средне обрушаемый |
α2 ≈ 0,025 Ш02 = 25 м ШП2 ≤ 15 м |
Массив пород из чередующихся слоев прочных сланцев, алевролита, сланца, известняка, песчаника (4 ≤ f2А ≤ 6 ) |
|||
|
А3 |
Трудно обрушаемый |
α3 ≈ 0,015 25 < Ш03 ≤ 10 м 15 < ШП3 ≤ 30 м |
Достаточно однородный массив прочных сланцев (6 ≤ f3А ≤ 10), сланцев, алевролитов, песчаников, известняков
|
|||
|
А4 |
Весьма трудно обрушаемый |
α4 ≈ 0,015 Ш04 > 50 м ШП3 > 30 м |
В основном однородный массив монолитных сланцев, песчаников или известняков ( f4А > 10 )
|
|||
|
А41 |
Склонный к плавному прогибу |
α41 ≈ 0,05 Шсх ≤ 10 – 30 м
|
Массив, представленный главным образом, хорошо прогибающимися слоями известняков или сланца (реже песчаника) (6 ≤ f 14А ≤ 12)
|
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||
|
Устойчивость нижнего слоя непосредственной кровли |
||||||
|
Б1 |
Весьма неустойчивая |
В1=0,01- 0,2 м Г1=0,005-0,1 м Д1= 0 м |
Чаще всего слой глинистого аргиллита или сланца с характерными плоскостями ослабления, обрушающиеся при выемке угля («ложная» кровля) ( f1Б < 2) |
|||
|
Б2 |
Неустойчивая |
В2 =0,05 -0,3 м Г2=0,1-0,4 м Д2>0м |
Чаще всего тонкий слой трещиноватого, непрочного углистоглинистого, глинистого или песчано-глинистого сланца (аргиллита, алевролита), реже -песчаника или известняка, не способные образовывать устойчивые обнажения (2 < f3Б < 3) |
|||
|
Б3 |
Малоустой-чивая |
В3 = 0,1-0,5 м Г3=0,3-0,6 м Д3<2 м |
Обычно слой сланца (аргиллита, алевролита), реже песчаника или известняка, способный образовывать относительно устойчивое обнажение на небольшой площади ( 3 < f3Б < 5 ) |
|||
|
Б4 |
Средней устойчивости |
В4 =0,2-0,7 м Г4=0,5-1 м Д4<5 м |
Как правило слой прочного сланца или песчаника, реже известняка, образующий устойчивое обнажение (5<f4Б<7) |
|||
|
Б5 |
Устойчивая |
В5=0,5-2 м Г5 >1 м Д5 >5 м |
Почти всегда монолитный слой прочного песчаника, известняка, реже — песчаного сланца ( f5Б > 7 ) |
|||
|
|
|
Устойчивость непосредственной почвы |
||||
|
П1 |
Весьма неустойчивая |
σвд1<10MПa |
Как правило, непрочные сланцы (аргиллиты, алевролиты) «кучерявой» текстуры с зеркалами скольжения («ложная» почва) |
|||
|
П2 |
Малоустой-чивая |
10 ΜΠα <σвд2< 25 МПа |
Обычно сланцы (аргиллиты, алевролиты), реже песчаники «кучерявой» текстуры |
|||
|
П3 |
Устойчивая |
Σвд3 > 25 МПа |
Однородный массив из прочного сланца или песчаника |
|||
Условные обозначения:
αi - средняя величина относительного приращения конвергенции кровли и почвы на 1 м ширины приза-эйного пространства в долях мощности пласта в м;
Шoi и Шпі - шаги соответственно первичной и последующих осадок массива кровли;
Шсх - шаг схождения кровли и почвы в выработанном пространстве;
Βί - мощность нижнего слоя непосредственной кровли;
Гі - расстояние между трещинами основной системы природной трещиноватости слагающих слой пород;
Ді - шаг свободного зависания нижнего слоя кровли в выработанном пространстве после извлечения крепи;
σвді ~ сопротивление почвы на вдавливание.
Категории кровли и почвы по устойчивости, а также сползаемости последней, в том числе и категории обрушаемости массива кровли являетсмя определяющими исходными факторами для обоснования параметров управ-ления горным давлением в очистных выработках.
