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

цессов, совершенствование которого имеет первоочередную необходимость для повышения экономики угольной промыш­ ленности СССР (Гелескул, Усан-Подгорнов, 1961). Особое зна­ чение этот вопрос приобретает для шахт Крайнего Севера и Северо-Востока нашей страны, горные работы в которых ведутся в условиях многолетней мерзлоты и подмерзлотных горизон­ тов. Основным крепежным материалом здесь служит лес. Помимо высокой стоимости деревянная крепь к тому же не всегда обеспечивает эффективное поддержание горных выра­ боток в этих условиях. Выработки, закрепленные ею, тре­ буют ремонта, стоимость которого зачастую превышает сто­ имость первоначального возведения крепи.

с учетом состояния мерзлых пород и теплового режима шахт про­ водились Ю. Д. Дядькиным, А. Ф. Зильбербордом, Ю. А. Бу­ денным, Ю. В. Шуваловым, С. И. Шаховым, П. Д. Чабаном, В. И. Андриенко, С. А. Израителем, Л. А. Рабиновичем и др.

Практически все исследователи рассматривали влияние теплового режима шахт на устойчивость обнажений горных пород. Многие из них отмечают высокую устойчивость обна­ жений горных пород (Андреев, 1961; Андрушкевич, 1965; Войтковский, 1963; Зильберборд, 1963; Модестов, 1961; Радзиевский, 1946; Дядькин, Андрушкевич, Шувалов, 1965) при

позволяет в определенных условиях эксплуатировать подзем­ ные выработки без крепления и применять камерные и камер­ но-столбовые системы разработки.

Некоторые авторы (Андриенко, 1965; Дядькин, 1963; Зильберборд, 1960; Чабан, 1965) указывают на вредное влияние оттаивания пород и ухудшение в результате этого устойчи­ вости их обнажений при поступлении в шахту теплого воздуха летом или после подогрева его до положительных значений в хо­ лодное время года. На шахтах со знакопеременным тепловым режимом (зимой — отрицательным, летом — положительным) глубина оттаивания за летний период достигает 1,5 — 2 м. При положительном тепловом режиме шахты в течение всего календарного года наблюдается прогрессирующее оттаивание пород — ореол огтайки увеличивается. В выработках, закреп­ ленных деревянной рамной крепью, отмечаются случаи ее раз­ рушения и обрушения пород кровли на отдельных участках.

10

Как правило, это явление фиксировалось в воздухоподающих выработках на расстоянии 600—800 м от устья ствола.

В результате проведенных исследований разработаны от­ дельные рекомендации по выбору способов поддержания горных выработок и управлению горным давлением. Положено начало изучению особенностей поддержания горных выработок уголь­ ных шахт, которые в зоне многолетней мерзлоты в результате работы калориферов (например, шахты Норильского угленос­ ного района) имеют положительную температуру шахтной ат­ мосферы в течение всего года. Однако рекомендации практи­ ческого характера отсутствуют. Сложилось необоснованное мнение, что при положительном тепловом режиме угольных шахт эксплуатация выработок требует чрезвычайных затрат. Оно вытекает из констатации фактов увеличения объемов перекрепления горных выработок с деревянной крепью, что не всегда вызвано изменением теплового режима шахты.

Естественно, наличие воздуха с положительной темпера­ турой в выработках приводит к оттаиванию пород, усложняет поддержание их (главным образом в основных воздухоподаю­ щих выработках) и в то же время создает такие громадные преи­ мущества в ведении горных работ, что, по нашему мнению, вопрос поддержания горных выработок становится частным и должен решаться посредством выбора соответствующих данным горнотехническим условиям типов и параметров, крепи. Выбор их для поддержания горных выработок при разработке уголь­ ных месторождений в различных геокриологических зонах должен производиться па основе научно обоснованных данных, полученных в результате проведения комплексных исследо­ ваний.

Наряду с внедрением металлических и сборных железобе­ тонных крепей, которые вне всякого сомнения эффективны в этих условиях, одним из основных направлений совершенство­ вания крепления горных выработок является освоение и широ­ кое применение штанговой крепи для крепления подготови­ тельных выработок, предотвращения пученпя почвы, укрепле­ ния стенок выработок и т. д., которая обеспечивает лучшие условия для производства горных работ и существенные эко­ номические преимущества (Гелескул, 1958; Покровский, 1962). В настоящее время значительное количество шахт отечествен­ ной угольной промышленности успешно (Семевский и др., 1965) применяют ее в Донецком (Пяткин, 1960; Мельников, Линденау, 1959), Кузнецком, Кизеловском (Москвин, 1963), Кара­ гандинском и Печорском (Кичаев, Швейцар, 1961) бассейнах. Имеются отдельные сведения о применении штанговой крепи на шахтах Подмосковья (Рогинский, 1967), Ткварчели (Топалкороев, 1969), Забайкалья (Гужевников, 1962), Магадан­ ской области. Широкое распространение получила штанговая крепь на шахтах Норильского угленосного района (Скуба,

11

1965; Скуба, Мельников, 1968), где ежегодно ею крепится бо­ лее 50% всех подготовительных выработок. За рубежом штан­ говая крепь широко применяется в США (Thomas, 1954), Ка­ наде (Forrester. 1959), Англии (Brown, Whalley, 1953), ГДР

(Шрюман, 1962), Польше (Partyka, 1960), Чехословакии (Коsina, 1960) и других странах.

Анализ опыта применения штанговой крепи на угольных шахтах Советского Союза и за рубежом убеждает, что приме­ нение штанговой крепи возможно не только в особых, благо­ приятных для нее условиях, но и в горнотехнических условиях многих, если не большинства, отечественных угольных шахт (в том или ином виде) и всегда со значительным технико-эко­ номическим успехом. Однако технико-экономическая целесо­ образность использования штанговой крепи не исчерпывается снижением прямых расходов при проходческих работах. Не поддается стоимостному выражению, но имеет огромное зна­ чение улучшение условий труда и снижение несчастных слу­ чаев при проведении и эксплуатации горных выработок (Фет-

твайс, 1963).

Дальнейшее совершенствование и, как следствие, расшире­ ние объемов и области применения штанговой крепи в угольной промышленности должно основываться на снижении стоимости крепи и увеличении производительности труда при креплении горных выработок за счет внедрения более дешевых и более соответствующих данным условиям видов штанг, а также ра­ циональных конструкций и параметров штанговой крепи.

Наши исследования в области крепления горных выработок посвящены изучению влияния положительного теплового ре­ жима шахт на устойчивость подготовительных выработок, на работоспособность различных видов штанг и закономерности проявлений горного давления в подготовительных выработках с целью установления научно обоснованных исходных данных для выбора и проектирования конструкций крепи, паспортов крепления и определения области применения штанговой кре­ пи при разработке угольных месторождений в различных гео­ криологических зонах.

в области многолетней мерзлоты является наличие различных температурных зон в толще мерзлых пород (зоны многолетней мерзлоты, переходной зоны и подмерзлотных горизонтов), характеризующихся разными прочностными свойствами гор­ ного массива и устойчивостью выработок.

2. Основные исследования в области совершенствования крепления горных выработок сводились к оценке природных

12

условий и их влияния на эффективность поддержания горных выработок при существующих на шахтах способах крепления

Г Л А В А II

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ШАХТ ПРИ ПОДОГРЕВЕ ВОЗДУХА, ПОСТУПАЮЩЕГО В ВЫРАБОТКИ

В ХОЛОДНЫЕ ПЕРИОДЫ ГОДА, ДО ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

§ 1. Методика исследований

Исследования характера изменения температуры и влаж­ ности шахтного воздуха во времени и по длине вентиляционного пути, а также формирования температурного поля в окружаю­ щем выработки породном массиве при подогреве воздуха, посту­ пающего в горные выработки, до положительной температуры в течение всего холодного периода года проводились по спе­ циально разработанной методике, в основу которой положена методика, созданная в Ленинградском горном институте им. Г. В. Плеханова.

Измерение температуры, влажности и скорости проходя­ щего по выработкам воздуха проводилось по маршрутам, вклю­ чающим главные воздухоподающпе, основные капитальные и участковые выработки, очистные забои, выработки исходя­ щей струи и каналы вентиляторов. Количество замерных пунк­ тов на шахте составляло 20— 30, а расстояние между ними 100—200 м (рис. 2). Температура воздуха измерялась ртутными термометрами, влажность — психрометрами и волосяными гиг­ рометрами, скорость движения воздуха— анемометрами. Час­ тота маршрутных съемок: в первый год — еженедельно; во второй и последующие годы — ежемесячно в середине месяца. Одновременно проводилось измерение температуры пород вок­ руг горных выработок.

Общеизвестно, что наиболее удобен для измерения темпе­ ратуры горных пород способ, основанный на изменении электри-

13

тельного прибора применять удобный в работе и транспорти­ ровке потенциометр постоянного тока типа КП-59. Класс точ­ ности прибора 0,05. Потенциометр КП-59 имеет регулируемый источник напряжения внутри корпуса, что дает возможность отказаться от отдельного источника питания и регулировочного; сопротивления для установки необходимой величины тока в из­ мерительной цепи.

Проверка схемы в различных условиях показала, что при температуре воздуха +20° разница в показаниях по сравнению с эталонным метеорологическим термометром с ценой деления 0,1° колеблется в пределах 0,01—0,079°, средняя по 10 замерам составляет — 0,037°. При температуре 0° разница находится в пределах 0,02—0,05°; средняя 0,043°; при температуре ми­ нус 20° — в пределах 0,03—0,09°, средняя — 0,052°.

Высокая точность, малые габариты и вес аппаратуры поз­ воляют с большой эффективностью применять разработанный метод для измерения температуры горных пород в массиве, скоплений отбитого полезного ископаемого, температуры шахт­ ной атмосферы, при изучении температурного состояния пород, термодинамических процессов, происходящих при разработке полезных ископаемых, и т. д. Изучение температурного режима пород, окружающих горные выработки, проводилось в шахт­ ных условиях на специально оборудованных, постоянно дейст­ вующих геотермических станциях. Каждая станция представ­ ляет собой серию шпуров (10—12 шт.) диаметром 42 мм, распо­ ложенных в почве, боках и кровле выработок (рис. 3). Длина шпура до 6,5 м. В забое каждого шпура были установлены тер­ мометры сопротивления типа TCM-XI, специально подготовлен­ ные в лабораторных условиях. Локальное заложение термо­ метров продиктовано необходимостью изолировать их от при­ тока воздуха из выработки и циркуляции воздуха по шпуру,

15

и закреплялась изолированной лентой. На трубку до упора с термометром надевались два уплотнительных кольца из резины.

введения термометра в шпур поддержка извлекалась. Затем ре­ зиновая пробка (розетка) обматывалась волокнистым асбестом и фланелью и вводилась плотно в шпур. Термометры, устанав­ ливаемые в почву, запаковывались в тонкую водонепроницае­ мую оболочку. Буровая мелочь и шлам из шпуров в почве из­ влекались при помощи специально изготовленного конуса.

Техника измерения при положительной и отрицательной температуре среды ничем не отличается. Установлено, что по­ тенциометр КП-59 обеспечивает заданную точность измерений + 0,1° при температуре от —20 до -f50°.

Измерение температуры горных пород производилось сле­ дующим образом. Потенциометром определялось падение напря­

Для упрощения расчета выражение 1/Кцоост заменялось коэффициентом К , подсчитанным для каждого термометра. Тогда

16

через 6—8 месяцев. Так, при среднегодовой температуре воз­ духа в штольне шахты «Кайеркан» +5,7° ее значение на исхо­ дящей струе перед каналом вентилятора составляет 2,9°, на шахте «Кайеркан-Новая» — соответственно 3,2 и 2,2°. Годовые колебания температуры воздуха находятся, как правило, в пре­ делах положительных значений (рис. 5). За период наблюде­ ний амплитуда колебаний температуры воздуха на поверхности составила 55,1° (от —43,3 до +11,8°); в устье штольни до ка­ лориферной установки 34,4° (от — 23,1 до + 11,3°); в штольне на расстоянии 40 м после калориферной установки 19,5° (от —9 до 4-10,5°); на главном откаточном штреке в 1 км от устья штольни 5,6° (от +1,9 до +7,5°); перед очистными работами в 2 км от устья штольни 4,3° (от +3,1 до 7,4°); на исходящей струе после очистных работ в 2,4 км от устья штольни 2,3° (от 3,9 до 6,2° С); на исходящей струе шахты перед каналом вентилятора 2,7° (от 1,5 до 4,2°). В целом шахтам с подогревом свойственны низкие темпы изменения температур воздуха по длине вентиляционного пути. Как правило, они не превышают 0,5° даже на первых 100 м, что объясняется небольшими теплопотоками от воздуха к породному массиву и большим расходом воздуха. Малые значения теплопотоков обусловлены большими сроками эксплуатации выработок, в результате чего вокруг них образуется зона прогретых пород, представляющая сопро­ тивление распространению теплопотоков. Серьезным допол­ нительным сопротивлением в начале вентиляционного пути до 1000 м от устья штольни является деревянная крепь, уста­ новленная с полной затяжкой боков и кровли. Малые влаж­ ности угля (0,6—1%) и пород (1—2%) назначительно (на 15—20%) влияют на интенсивность теплообмена между воз­ духом и породным массивом. Низкие темпы изменения темпе­ ратуры воздуха приводят к тому, что даже на значительном расстоянии от устья штольни температура воздуха, поступаю­ щего в очистные забои, довольно высока (3—8°).

При движении воздуха по горным выработкам его средне­ годовая температура незначительно понижается. В зависимости от времени года текущая температура в одних и тех же выра­ ботках несущественно повышается, понижается или остается на одном уровне. В штольне, главном откаточном и вентиля­ ционном штреках температура воздуха изменяется в основном

врезультате теплообмена с окружающим выработку породным массивом. В летний период, когда температура входящего воздуха выше среднегодовой, она по цепи выработок понижается,

взимний, наоборот, повышается.

Вуклонных выработках, несмотря на значительную их про­ тяженность, температура воздуха часто остается на одном уров­ не или повышается. Это объясняется двумя факторами, которые

взависимости от времени компенсируют или усиливают друг друга: переменным тепловым потоком к породному массиву

18

Если за зимний период средняя температура воздуха на по­ верхности составляет —24°, то в устьевой части штольни — лишь —11°, т. е. выше более чем в 2 раза.

Изменение влажности воздуха по цепи выработок наглядно показано на рис. 7. Подогрев воздуха в калорифере приводит к подсушке и снижению влажности поступающего в шахту воздуха с ф =0,7—0,8 до ср =0,35—0,45. Проходя по выра­ боткам, воздух увлажняется. Однако интенсивность увлажне­ ния невелика, и воздух насыщается влагой до ф=0,9 при переме­ щении по капитальным выработкам более чем на 1 км. В под­ готовительных и очистных выработках ярусов и по всему ис­ ходящему пути влажность воздуха близка к 100%.

Таким образом, тепловой режим горных выработок в усло­ виях многолетней мерзлоты при работе калориферных уста-