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

Г Л А В А VII

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОБЛАСТЬ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

ШТАНГОВОЙ КРЕПИ

§ 1. Влияние плотности штанговой крепи на смещенце пород в горных выработках

Для выяснения влияния плотности штанговой крепи на проявление горного давления в подготовительных выработках на шахте «Кайеркан» были проведены исследования, сущность которых заключалась в следующем.

В вентиляционном штреке ненадработанного пласта I (столб 202), пять участков длиной 10—15 м крепились штанго­ вой крепью при глубине штангования 1,8 и расстоянии между штангами 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4 м; плотность крепи соответствен­ но составляла 1; 0,92; 0,83; 0,77; 0,71 штг/м2. На каждом участке выработки, закрепленном штанговой крепью с опре­ деленной плотностью, были установлены замерные станции для определения смещения и расслоения пород и динамометры для определения нагрузок на крепь. С момента установки крепи до погашения выработки очистными работами за опуска­ нием и расслоением пород кровли на этих участках велось маркшейдерское наблюдение.

Анализ результатов исследований (рис. 40) показывает, что при плотности штанговой крепи 1; 0,92; 0,83 штг/м2 опускание пород кровли в течение 7 месяцев протекало равномерно и среднемесячная величина его составляла 4 —7 мм. С прибли­ жением фронта очистных работ на 25—30 м и началом влияния их на проявления горного давления опускание пород кровли резко возросло и за 2 месяца на момент прохождения очистных работ участков с указанной плотностью крепи достигло 70 — 90 мм. При плотности крепи 0,77 и 0,72 штг/м2 опускание по­ род кровли в течение 1,5 месяца после установки крепи про­ текало относительно равномерно и составляло 25—30 мм, затем резко возросло и за 3 месяца достигло 70—75 мм. При приближении очистных работ на 8 —10 м величина опускания пород крбвли превзошла критическое значение. Кровля выра­ ботки и деревянные подхваты интенсивно разрушались. При постановке опытных работ участки с плотностью штанговой крепи 0,77 и 0,7 штг/м2 во время прохождения очистных работ дополнительно подкреплялись деревянной рамной крепыо. Рас­ слоение заштангованной кровли шло идентично опусканию пород и при плотности крепи 1; 0,92; 0,83 штг/м2 на период прохождения фронта очистных работ составило 21 —28 мм, а

92

нагрузка на крепь в первом случае (рис. 41) — 3,9—4,6 т, во втором — 6,4—7,1 т.

Таким образом, в подготовительных выработках ненадработанного пласта смещение, расслоение пород кровли и нагруз­ ки на крепь при плотности 1; 0,92; 0,83 штг/м2 имеют практи­ чески одинаковые значения и резко возрастают при уменьше­ нии плотности до 0,77 и 0,71 штг/м2.

Аналогичные результаты были получены при исследованиях в подготовительных выработках надработанного пласта III. В транспортерном штреке 2 па уклоне 6 шахты «Кайеркан» четыре участка длиной по 20 —25 м были закреплены штанговой крепью при глубине штангования 1,8 м и расстоянии между штангами 0,8; 0,9; 1; 1,1 м, т. е. при плотности крепи соответ­ ственно 1,2; 1,1; 1; 0,92 штг/м2.

Исследованиями, проведенными в подготовительных выра­ ботках пластов I и III, определено, что смещение пород кровли за 1,5—2 месяца после установки крепи независимо от плот­ ности крепи (но не менее 0,83 штг/м2) имело практически оди­ наковые величины (9—14 мм), при этом расслоение составляло

опускания кровли, скорости опускания, нагрузки на крепь имели различные значения. Причем при плотности крепи па пласте I в 1; 0,92; 0,83 штг/м2 и па пласте III в 1,25; 1,1; 1 штг/м2 на протяжении 1,5—2 лет перечисленные величины не превышали критических значений, а при плотности крепи 0,77 и 0,71 штг/м2 на пласте I и 0,92 и 0,83 штг/м2 на пласте

93

очистных работ, опускание пород кровли при различной плот­ ности штанговой крепи протекает аналогично, но в более ко­ роткий срок — около 2 месяцев.

Таким образом, в зоне многолетней мерзлоты и переходной зоне плотность крепи существенно влияет на величину опуска­ ния заштангованной кровли, причем граница безопасной плот­ ности для ненадработанных пластов 0,83 штг/м2, для надработанных — 1 штг/м2. Выше границы подниматься не имеет смысла, так как величины смещения пород кровли и нагрузки на крепь не превосходят критических значений при прохожде­ нии очистного забоя. Переход границы в сторону уменьшения плотности возможен, но в каждом конкретном случае в зави­ симости от назначеная и срока службы выработки должен решаться с учетом всех обстоятельств.

На подмерзлотных горизонтах влияние плотности штанго­ вой крепи па смещение пород и нагрузки на крепь изучалось в панельном штреке 201 на шахте «Кайеркан». В этой выработ­

1,04—0,83 штг/м2 средняя величина смещения 60—70 мм. При плотности крепи 0,51 штг/м2 смещение пород в момент прохо­ ждения очистных работ достигает 80 мм и более, т. е. превосхо­ дит критическую величину смещения пород кровли для усло­ вий подмерзлотных горизонтов. В процессе эксплуатации вы­ работки участок с плотностью крепи 0,51 штг/м2 при подходе очистных работ к нему на 15—20 м стал разрушаться. Нача­ лось интенсивное разрушение боков и коржение кровли выра­ ботки. Появилась необходимость в дополнительном крепле­ нии выработки. Усиление крепи осуществлялось и на участке с плотностью 0,69 штг/м2. После установки поддерживающей деревянной крепи разрушение выработки прекратилось. Сме­ щения пород кровли на участках выработки с плотностью

94

yK1MM

крепи 1,04 и 0,83 штг/м2 в течение всего периода эксплуата­ ции не превышали критической величины, эти участки на­ ходились в рабочем состоянии без дополнительного креп­ ления.

§2. Влияние натяжения штанговой крепи

итипа подхватов

на устойчивость заштангованной кровли

Нормальная работа штанговой крепи существенно зависит от начального натяжения, создаваемого в штангах. Оно препят­ ствует интенсивному расслоению пород кровли, заставляет слои последней работать совместно, в результате чего повышает­ ся несущая способность заштангованных пород. Начальное натяжение штанг не может быть больше прочности закрепле­ ния верхнего замка, а при работе штанг в комплекте с деревян­ ными подхватами не должно превышать допускаемого напря­ жения на смятие для данного рода древесины и, следователь­ но, зависит от площади опорных шайб. На шахтах широко при­ меняются металлические штанги с деревянными подхватами (доска толщиной 60 мм) и шайбами из Ст. 3 размерами 100 X X 100x8 мм. При этом часто наблюдается, что шайбы, уста­ новленные под деревянный подхват, продавливают его. Со­ стояние пород кровли в таких местах значительно ухудшается. Появляются трещины, местные вывалы нижнего слоя. В то же время увеличение натяжения штанг приводит к тому, что опорная шайба внедряется в подхват и деформирует его (Скуба и др., 1965). Для выяснения этого вопроса проведены лабо­

95

раторные исследования, сущность которых заключалась в сле­ дующем.

Подхват толщиной 60 мм в сочетании с шайбами различных размеров и металлической штангой располагался между тра­ версами 5-тонного весового пресса. В штанге динамометри­ ческим ключом создавалось натяжение, которое регистировалось шкалой пресса. Результаты лабораторных исследований

ния 2,5 т. Достичь большего значения можно только на корот­ кий момент, так как в дальнейшем это натяжение падает до своей оптимальной величины вследствие смятия подхвата в мес­ тах соприкосновения с шайбой. При медленном создании натяже­ ний после 2,5 т отмечается внедрение шайбы в подхват до образования жесткой подушки, создаваемой смятой древеси­ ной. Шайба 150\150 мм в таком же эксперименте дает возмож­ ность увеличить значение оптимальной величины до 4 т. На­ тяжение, возникшее в штанге без деревянного подхвата, практи­ чески не падает.

Таким образом, создание натяжения больше оптимального значения, установленного лабораторным путем для различного рода древесины и размеров шайб, не имеет смысла, так как, кроме разрушения подхвата, ничего не достигается. В шахтных условиях при применении клинощелевых штанг начальное на­ тяжение создается ручным ключом и практически находится в пределах 0,8—2 т, ибо создание большего натяжения тре­ бует значительных физических усилий.

Для выяснений необходимой величины начального натяже­ ния штанг п его изменения во времени, а также влияния на поведение заштангованной кровля в шахтных условиях при креплении подготовительных выработок под штанги с деревян­ ными подхватами и шайбами 100x100 мм устанавливались динамометры с резиновой прокладкой, и показания этих ди­ намометров регистрировались. Исследования проводились в вы­ работках, подверженных влиянию очистных работ для фикса­ ции наиболее характерных явлений. В результате исследова­ ний выяснено, что динамометры, установленные под деревянные

2.5—3,5 т. Натяжение штанг в 1,5—3 т оставалось таким же до начала развития прогибов кровли. Затем по мере увеличе­ ния прогиба оно доходило до 2,5—3 т (при шайбах 100x100 мм) и некоторое время оставалось постоянным, несмотря на опуска­ ние кровли. В это время шайбы внедрялись в подхват, что сразу сказывалось на состоянии кровли: она начинала растре­ скиваться и коржиться. При дальнейшем опускании кровли всегда происходило увеличение натяжения штанги до величины усилия закрепления замка штанги в породах или, если к тому

96

времени стержень штангп уже зажат сдвигающимися напласто­ ваниями кровли, до величины несущей способности штанги. Наступает момент равновесия. При последующем развитии прогибов наблюдалось протаскивание штанги по шпуру, раз­ лом и обрушение всей кровли. Это очень важное обстоятель­ ство, так как знание «критического» натяжения, равного уси­ лию закрепления штанги замка, может служить критерием безопасности работ. Знание этой величины для конкретных условий позволяет заранее прекратить работы во избежание неожиданного обрушения кровли.

Начальное натяжение штанг в 1,5—2 т вполне достаточно для нормальной работы кровли, закрепленной штангами при консолидации слоев, так как этой величины хватает для удер­ жания нижней пачки кровли от прогибов под действием соб­ ственного веса. Дальнейшие процессы протекают в основном независимо от начального натяжения штанг, что подтверждается результатами опытных работ с металлическими полосами вмес­ то деревянных подхватов. Устанавливаемые под металлические полосы штанги имели натяжение 1,-5—2 т. Нижний слой, не имея возможности опускаться за счет смятия подхватов, про­ гибался равномерно. Соседние же участки, закрепленные штан­ гами с деревянными подхватами, имели нарушениость Кровли и подхватов (местное коржение). Натяжение штанг, установ­ ленных с металлическими полосами, росло беспрерывно до критического значения. При установке штанг без подхватов шайбами 100x100 мм непосредственно под кровлю создание натяжения больше 2—3 т неблагоприятно сказывается на состоя­ нии нижнего слоя, особенно если он представлен аргиллитами вследствие малой площади опоры и образования зон повышен­ ного напряжения в породе в районе нижнего замка. При уста­ новке штанг без подхватов хорошо себя зарекомендовали шай­ бы 200x200 мм.

Результаты наблюдений за проявлением горного давления в выработках пласта I, закрепленных штанговой крепью с ме­ таллическими подхватами, показали, что при начальном натя­ жении штанг 1,5—5 т и применении металлических полос опускание пород кровли за 4 месяца составило 22—36 мм, расслоение пород кровли — 4 —5 мм и нагрузки па крепь — 4,3—5,3 т. Опускание нижнего слоя кровли на участке без крепи протекало интенсивно, и через месяц по достижении величины 43 мм слой разрушился. Опускание пород кровли при начальном натяжении штанг 1,5—5 т и применении дере­ вянных подхватов за этот же период составило 38—53 мм и было несколько выше, чем опускание пород при металлических подхватах. Кроме того, в определенные периоды времени отме­ чалась разница в величинах опускания пород кровли при на­ тяжениях штанг 1,5—2 и 3 —5 т. В начальный период (1,5 — 2 месяца) при натяжении штанг 1,5—2 т опускание пород

кровли достигло 14—17 мм и протекало интенсивнее, чем при натяжении 3 —5 т, когда за то же время опускание пород соста­ вило 8 —9 мм. Затем процесс стабилизируется.

Расслоение пород кровли при применении металлических подхватов составляет 3 —5 мм за 5 —6 месяцев. При деревянных подхватах величина расслоения за это же время 9 —12 мм, при натяжении 1,5—2 т она на 3 —5 мм выше, чем при началь­ ном натяжении штанг в 3 —5 т. Несмотря на различное натя­ жение штанг (от 1,5 до 5 т), опускание п расслоение пород кровли через 5 —6 месяцев после установки крепи имеют прак­ тически одинаковые значения для определенного типа под­ хватов.

Таким образом, смещение п расслоение пород кровли через 1,5—2 месяца после установки крепи не зависят от натяжения штанг (при условии, что оно не менее 1,5—2 т), а если и есть разница в величинах опускания, то она появляется вследствие податливости подхватов.

При изучении влияния взрывных работ на начальное натя­ жение в штангах, установленных с разными типами подхватов на различном расстоянии от забоя, создавалось определенное натяжение. После этого производился взрыв. Натяжение штанг до взрыва и после него определялось прибором ДК-1.

Результаты свидетельствуют, что на натяжение штанг, уста­ новленных без подхватов непосредственно шайбами под кровлю или с металлическими подхватами, взрывные работы практи­ чески не влияют, независимо от того, близко или далеко они произведены. Начальное натяжение штанг, установленных с деревянными подхватами, после взрыва резко падает. В тех случаях, когда взрыв производится непосредственно около штанг на расстоянии не более 1 м, натяжение их падает до нуля, что происходит вследствие смятия подхвата на контакте с шайбами от действия взрывной волны. После взрывных ра­ бот на 3 —4 ближних от забоя рядах штанг необходимо повтор­ но восстановить начальное натяжение штанг. Это предотвращает свободное отслоение нижнего слоя кровли и тем самым разру­ шение пород кровли.

§ 3. Определение оптимальной мощности заштангованных пород и плотности штанговой крепи

Сложность и разнообразие условий, влияющих на развитие и проявление горного давления, непостоянство физико-меха­ нических свойств горных пород и некоторых других факторов, изменяющих строение и прочностные свойства массива, обуслов­ ливают возможность разработки только грубо ориентировоч­ ного метода расчета параметров штанговой крепи, результаты которого каждый раз должны быть проверены и откорректиро­ ваны практикой.

98

Предлагаемый метод расчета параметров штанговой крепи для подготовительных выработок основывается на результатах наблюдений за устойчивостью закрепленных деревом и штан­ гами выработок угольных шахт в области многолетней мерз­ лоты, на изучении структуры и физико-механических свойств пород кровли, особенно нижней пачки, работающей на растя­ жение в заштангованной кровле, характера деформации и отслое­ ний (коржения) кровли в условиях незакрепленной выработки, а также на учете характеристики, назначения и срока службы выработки.

В тех случаях, когда штанговая крепь соединяет (связывает) слои кроили, В. Н. Семевский предлагает рассматривать заштангованную кровлю как плиту, жестко защемленную у бортов выработки (Семевский, 1956; Семевский и др., 1965). Тогда необходимая мощность заштангованных пород, исходя из мак­ симально растягивающих напряжений от изгиба нижнего слоя кровли и принимая во внимание коэффициент запаса, вводи­ мый на основе длительных натурных исследований и учитываю­ щий оттаивание пород, определяем по формуле

(VII.1)

Допускамое расстояние между штангами зависит от мощно­ сти заштангованной кровли, ибо каждая штанга воспринимает растягивающую нагрузку от веса поддерживаемой ею породы, при этом чем больше мощность схваченных штанговой крепью пород кровли, тем больше их вес и, следовательно, тем мень­ ше допустимое расстояние между соседними штангами.

Отслоение нижнего слоя кровли, обрушающегося в первую очередь (в условиях незакрепленной кровли), должно быть предотвращено установкой штанговой крепя. Чем тоньше пер­ воначально обрушающийся слой и больше расстояние между штангами, тем легче отслаивается и обрушается этот нижний слой кровли, следовательно, для предотвращения его отслое­ ния, прогиба и обрушения надо уменьшить расстояние между штангами.

При слоистой кровле расстояние между штангами следует определять исходя из допустимой растягивающей штангу на­ грузки (под действием веса поддерживаемых штангой пород кровли) и несущей способности нижнего слоя кровли, отслаи­ вающегося в условиях незаштангованной кровли в первую очередь. В этом случае нижний слой представляет собой равно­ мерно нагруженную пластинку с точечными опорами в виде штанг (Махно, 1959).

Расстояние между штангами может быть определено по формуле

не только в результате веса самого этого слоя, но и под дейст­ вием вышележащего слоя, который несколько прогибается и давит на нижпии слой, хотя сам не обрушается даже после обрушения нижнего слоя, рассчитаем допустимое расстояние

При креплении подготовительных выработок из чисто кон­ структивных соображений расстояние между штангами в ряду и рядами штанговой крепи приходится принимать различным.

т. е. по осп выработки, необходимо придерживаться расчетного расстояния, а расстояние между штангами можно изменить, но так, чтобы не превышать его расчетного значения. Рас­ стояние от крайних штанг до бортов выработки не следует принимать более 0,3—0,35 м.

По формулам (VII.1) и (VII.2) разработана номограмма для определения ориентировочных параметров штанговой крепи (рис. 44). Глубина штангования определяется исходя из ши­ рины выработки. Расстояние между штангами находится в за­ висимости от глубины штангования и мощности первоначально отслаивающегося слоя. При мощности первоначально обру-

100

шающейся пачки hL<^15 см рас­

штанговой крепи, что позволило рекомендовать применение формул (VII.1) п (VII.2) и разработанной номограммы для практического использования.

§ 4. Рациональная область и экономическая эффективность применения штанговой крепи

Наличие слоистой малоустойчивой непосредственной кров­ ли мощностью 2,5—4,5 м и относительно прочной и устойчивой мерзлой основной кровли делает малоэффективным примене­ ние поддерживающей стоечной крепи, которая препятствует плавному опусканию пород непосредственной кровли и приво­ дит их к разлому и обрушению, в то время как скрепление слоев штангами резко увеличивает устойчивость кровли за счет создания монолитной плиты, обладающей значительной несущей способностью. В различных температурных зонах, там, где выработки, закрепленные деревом, длительное время не деформируются, применение штанговой крепи тем более эффек­ тивно. Там, где деревянная крепь не создает необходимых условий для сохранения выработок, штанговая крепь улучшает состояние выработок и увеличивает срок их службы в 2 —3 раза.

В процессе исследований установлена возможность эффек­ тивного применения штанговой крепи в следующих случаях: в выработках, проходимых по нижней пачке пластов с закреп­

101