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