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

ханических динамометров типа ДНА, ДРИ (Скуба, Чеботаев, Евстратов, 1964) и динамометрических резиновых шайб. Пока­ зания последних фиксировались штангенциркулем с точностью до 0,1 мм.

Основные исследования велись на шахтах Норильска и Якутской АССР, где за более чем 10-летний период наблюдени­ ями было охвачено 78 капитальных и подготовительных выра­ боток, расположенных в различных температурных зонах. Общая протяженность выработок составляла 32 км. В них было установлено около 1,5 тыс. реперов, 106 динамометров и про­

§2. Проявления горного давления

ввыработках зоны многолетней мерзлоты

Исследования устойчивости подготовительных выработок в зоне многолетней мерзлоты показали, что при столбовых си­ стемах разработки практически ощутимое смещение пород в вы­ работках появляется на расстоянии 18—20 м от очистных за­ боев; по мере приближения фронта очистных работ к замерным станциям величина смещения пород возрастает, достигая макси­ мума после прохождения забоя. Характер смещения пород

63

10 О 10 20 м

l>k, мм/сутки

Рис. 26. Характер смещения пород кровли в подготовительных выработ­ ках под влиянием очистных работ в зоне многолетней мерзлоты (наблюде­ ния 1961 г.).

1 — положение забоя; 2 — реперы.

в выработках относительно постоянен (рис. 26). Сопоставление величин смещения пород на различных участках одной выра­ ботки показывает, что по мере продвижения очистного забоя интенсивность проявления горного давления постоянно нара­ стает. Однако через определенные интервалы интенсивность деформации массива впереди фронта работ резко падает. Это

того как подработанная консоль основной кровли достигает критических размеров, она обрушается, и в призабойной части пласта происходит разгрузка.

Наиболее интенсивное смещение пород в выработках отме­ чается впереди очистного забоя на расстоянии 2,5—3,5 м от него. При продвигающемся фронте очистных работ волна давле­ ния перемещается вместе с ним, при остановке очистного забоя

64

интенсивность смещения пород в выработках сразу дже резко уменьшается, что объясняется обрушением непосрественной кровли в очистном забое (рис. 27).

Инструментальными наблюдениями в выработках шести пластов установлено, что зона распространения опорного дав­ ления от очистных работ по пласту колеблется в пределах 8— 20 м. Максимальная скорость смещения 3—4 мм/сутки. Макси­ мум скоростей фиксируется на реперах, находящихся в не­ посредственной близости от линии очистных работ. Максималь­ ные величины смещения пород кровли без влияния опорного давления от отработки вышележащих столбов и надработки

20—30 мм.

5 0 5 10 15 20 25 м

Рис, 27, Величина и скорость опускания пород кровли в подготовительных выработках непосредственно у линии очистных работ в зоне многолетней мерзлоты (наблюдения 1962 г.). Уел. обозн. см. рис. 26.

Характеристики смещения пород кровли для всех указан­ ных пластов тождественны, параметры волн давления от дви­ жущегося очистного забоя подобны и зависят в основном от мощности непосредственной кровли, которая для рассмотрен­ ных условий находится в пределах 1,8—4,5 м. Это подтвержда­ ется тем, что при остановке очистного забоя смещение пород, в выработке стабилизируется. Однако через 2—3 месяца после остановки очистного забоя на его границе начинает форми­ роваться медленно нарастающее опорное давление. Интенсив­ ность его значительно меньше, нежели при движущемся забое, но продолжительность процесса измеряется месяцами. В этом случае граница зоны визуально ощутимого опорпого давления проходит на расстоянии около 30 м от контура очистных работ. В таких пределах раздавливание целика и деформация крепи фиксировались не только инструментально, но и визуально. Величина смещения пород кровли достигала 80—90 мм.

Визуальными и инструментальными наблюдениями уста­ новлено, что после остановки забоев опорное давление рас­ пространяется в глубь массива в две стадии. В первой стадии давление в основном обусловлено динамикой непосредственной кровли. Этот процесс отличается кратковременностью, но срав­ нительно большой интенсивностью. Через некоторое время при определенных параметрах начинается перераспределение на­ пряжений в основной кровле и покрывающем массиве. При этом в призабойной части угольного пласта формируется усиленноеопорное давление, сказывающееся на состоянии прилегаю­ щих подготовительных выработок.

Таким образом, при отработке пластов в зоне многолетней мерзлоты перед фронтом очистных работ образуется зона опор­ ного давления, максимум которой опережает фронт работ на 2,5—3 м, однако выработки сохраняют свое рабочее состоя­ ние и при деревянной и при штанговой крепи. При остановив­ шемся забое через 2 —3 месяца проявляется опорное давление, возникающее в результате перераспределения напряжений во всем массиве покрывающих пород. Зона давления распрост­ раняется в этом случае на 20—30 м в глубь массива. Усилен­ ное опорное давление на контурах выемочного поля продол­ жается в течение 1 —1,5 года и иногда приводит к деформаци­ ям крепи и выработок.

§3. Проявления горного давления

ввыработках переходной зоны

Об устойчивости горных выработок в переходной зоне можно судить по результатам исследований, которые прово­ дились на наблюдательных станциях, заложенных в двух параллельных (транспортерном и вентиляционном) штреках

66

пласта III па уклопе 6 шахты «Кайеркан». Расстояние между штреками 22 м. Верхний транспортерный штрек крепился де­ ревянной рамной крепью с расстоянием между рамами 0,5 м, нижний вентиляционный штрек — штанговой крепью с дере­ вянными подхватами. Глубина штангования 1,8 м, расстояние „ между штангами 1 м. Практически выработки находились в абсолютно одинаковых геологических условиях.

Наблюдательные станции в каждой выработке состояли из 46 пар рабочих реперов. Расстояние между реперами по длине выработки 2 м. Нагрузки на стоечную крепь транспор­ терного штрека измерялись в 8 точках. Нагрузки на штанги в вентиляционном штреке определялись в 9 точках, равно­ мерно расположенных по всей длине (90 м) выработки. Резуль­ таты наблюдений по замерной станции, расположенной в на­ иболее характерных условиях, графически изображены на рис. 28.

Анализ результатов исследований показывает, что при деревянной крепи практически ощутимое смещение пород кровли началось при приближении очистного забоя к замер­ ной станции на 25—30 м, величина смещения нижней пачки составляла 7 мм. По мере приближения очистных работ к за­ мерным станциям опускание пород кровли возрастало и в момент прохождения очистного забоя достигло 56 мм. Если до приближения очистных работ к замерной станции на 30 м опускание пород кровли составило 7 мм, то при приближении очистных работ на 10 м опускание пород кровли достигло 40 мм.

Рис. 28. Опускание, скорость опускания, расслоенио пород кровли и нагрузки на различную крепь в подготовительных выработках переход­ ной зоны в зависимости от расстояния до линии очистных работ:

I — опускание пород кровли; I I — расслоение пород кровли; I I I — нагрузка на крепь; IV — скорость опускания пород кровли; V —-расстояние до очистного забоя.

В этот период началось интенсивное коржение кровли и раз­ рушение деревянной крепи. Для сохранения выработки при прохождении очистного забоя на расстоянии 8 —10 м от его груди пришлось устанавливать дополнительное деревянное крепление. При штанговой крепи опускание пород кровли составляет 3 —4 мм после приближения очистных работ к за­ мерной станции на 25—30 м. На период прохождения очист­ ного забоя оно достигает 110—120 мм. При этом разрушение пород кровли незначительное (трещины, частичное коржение).

Интенсивное опускание пород кровли при приближении очистных работ хорошо видно при рассмотрении кривой ско­ ростей опускания пород кровли. При приближении очистных работ к наблюдаемым участкам на 25—30 м скорость опуска­ ния пород кровли резко возрастает. При деревянной крепи породы кровли разрушались, когда скорость их опускания до­ стигала 2 мм/сутки. При штанговой крепи скорость опускания пород кровли в момент прохождения очистных работ достигла 4,5 мм/сутки. При этом разрушения крепи и пород кровли не отмечалось.

Практически ощутимое расслоение пород кровли начина­ ется при приближении фронта очистных работ к наблюдаемому участку на 25—30 м и во время прохождения очистного забоя достигает 12 мм при деревянной крепи. При таком расслоении уже происходит разрушение деревянной крепи и пород кровли. При штанговой крепи расслоение пород кровли до 46 мм не вы­ зывало их разрушения. Нагрузка на крепь в этом случае при деревянной крепи составляет около 2 т, при штанговой — до 5 т.

Аналогичные результаты были получены при проведении исследований в выработках пласта I. В обрезном штреке 202 шахты «Кайеркан» на участках, закрепленных штанговой и деревянной крепью, наблюдения велись в течение 2 лет до по­ гашения выработки очистными работами. На протяжении 20 месяцев до подхода очистных работ к наблюдаемому участку на 25—30 м опускания и расслоения пород кровли не отмеча­ лось, установочные показания динамометров не изменялись. При прохождении очистных работ проявления горного давле­ ния протекали практически так же, как и в выработках пла­ ста III.

Установлено, что в переходной зоне породы кровли наи­ более интенсивно опускаются и расслаиваются под влиянием опорного давления от очистных работ. Волна его идет впереди забоя на расстоянии 25—30 м. Величина и скорость опускания пород непосредственной кровли в этот период таковы, что деревянная крепь становится непригодной. Практически все выработки, закрепленные деревянной крепью, несколько раз перекреплялись в процессе прохождения фронта очистных работ. Штанговая крепь улучшает условия поддержания выработок. Выработки, закрепленные ею, не перекреплялись.

68

§4. Проявления горного давления

ввыработках на подмерзлотных горизонтах

Исследования проявления горного давления в подготови­ тельных выработках на подмерзлотных горизонтах проводились в основном на шахтах «Кайеркан», «Западная-Коксовая» и «Центральная». Всего под наблюдением находилось около 1600 пог. м подготовительных выработок, в которых было установлено около 400 реперов и 3 станции глубинных реперов. Усредненные результаты маркшейдерских наблюдений за сме­ щением пород кровли в подготовительных выработках столбов 201—203 показаны на рис. 29.

Анализ результатов исследований показывает, что в под­ готовительных выработках, закрепленных деревянной рамной или штанговой крепью, практически ощутимое смещение и рас­ слоение пород кровли происходит только после приближения фронта очистных работ на 50—75 м. Реперы, установленные 1,5—2 года назад, до подхода к ним очистных работ на такое расстояние оставались без смещения. Исходя из этого, в даль­ нейшем при анализе проявлений горного давления в подгото­ вительных выработках сроком службы до 2 лет фактор времени опускается и рассмотрение ведется только в аспекте влияния очистных работ.

Смещение пород кровли в выработках, закрепленных дере­ вянной крепью, начинается при подходе горных работ на рас­ стояние около 75 м. Как правило, деревянная крепь начинает деформироваться при смещении пород кровли на 40—60 мм, что имеет место на расстоянии 10—15 м от очистного забоя, расслоение пород кровли при этом 30—35 мм. На расстоянии 5 м и менее деревянная рамная крепь полностью разрушается; смещение пород кровли 60—70 мм,

69

2—4 т. При приближении очистного забоя на 5 м смещение пород кровли 20—69 мм, расслоение пород 8—18 мм, нагрузки на кровлю 2—4 т. Ча­ стичное разрушение штанговой крепи и пород кровли подгото­ вительных выработок начинается после прохождения очист­ ными работами замерных станций на расстояние 2—3 м. Сме­ щение пород кровли 80—90 мм, расслоение 14—20 мм, нагрузки на крепь 4—7 т. Полное разрушение крепи и обрушение пород кровли происходит при прохождении очистного забоя на 15— 20 м. Смещение пород кровли при этом 250—300 мм, рассло­ ение 50—80 мм, нагрузки на крепь 6—7 т. Критической вели­ чиной смещения пород кровли, еще безопасной для ведения горных работ, но при которой уже штанговая крепь начинает разрушаться, является смещение пород кровли на 80—90 мм.

Визуально зафиксировано, что по мере продвижения очи­

по угольным пластам, характер разрушения боков всегда один и тот же. Трещины угля в боку выработок раскрываются, куски угля размерами 0,01—0,5 м3 сползают на почву. Разрушение начинается с верхней части боков выработок, ширина их уве­ личивается. Попытка установить величину смещения боков путем закладки в них реперов не дала результатов из-за осы­ пания угля. Реперы обнажались и затем обрушались вместе с углем. Поэтому для оценки влияния горного давления на смещение пород боков горных выработок был использован метод фиксации увеличения ширины выработки рулеточными измерениями. Фиксировалась ширина выработки в момент проведения ее и затем через каждые 3 дня до погашения очи­ стными работами. Результаты исследований (рис. 30) показы­ вают, что с приближением очистных работ ширина выработки увеличивается на 0,2—0,6 м, иногда на 1,2 м и более.

Ширина горных выработок начинает интенсивно увеличи­ ваться, когда очистные работы приближаются к наблюдатель­ ной станции на расстояние 25—30 м, и наиболее резко увеличи­ вается в непосредственной близости от очистных работ. Укрепле­ ние боков выработок посредством установки в них штанговой

70

крепи оказалось очень эффективным. Установка в верхней час­ ти боков выработки двух рядов штанговой крепи (расстояние между рядами 1,2 м, между штангами 1,2 м)в сочетании с де­ ревянными общими или индивидуальными подхватами полностью исключала разрушение боков выработок до погашения очист­ ными работами.

§ 5. Закономерности проявлений горного давления в подготовительных выработках

Результаты многолетних исследований позволяют следую­ щим образом охарактеризовать устойчивость горных выработок в различных геокриологических зонах угольных месторож­ дений.

По мере приближения очистных работ смещение пород в вы­ работках всех зон нарастает и характер смещения пород отно­

полный цикл нарастания и падения интенсивности деформаций отмечается через определенные интервалы. Это объясняется тем, что основная кровля, периодически зависая, пригружает при­ забойный массив. После того, как подработанная консоль ос­ новной кровли достигает критических размеров, она обрушается, и в призабойной части пласта начинается разгрузка. При оче­ редном нарастании деформаций от сдвижения основной кровли происходят периодические нарастания интенсивности дефор­ маций пород от сдвижения непосредственной кровли. Скорость приращений деформации пород в выработках от сдвижения ос­ новной и непосредственной кровли различная.

В зоне многолетней мерзлоты первые признаки смещения пород вокруг выработок наблюдаются при подходе очистных работ к замерным пунктам на расстояние 18—20 м. Максималь­ ные деформации пород фиксируются впереди очистного забоя на 2,5—3,4 м. Абсолютные величины смещения пород кровли выработок при сдвижении непосредственной кровли 12— 15 мм, основной до 30 мм. Скорость деформации пород в выработ­ ках при сдвижении непосредственной кровли 2,5—3 мм/сутки, основной — 5—6 мм/сутки. Полный цикл нарастания и падения максимума скорости смещения пород в выработках отмечается через 50—80 м, что соответствует шагу обрушения основной кров­ ли. Внутри цикла через 10—12 м происходят периодические на­ растания и падения скорости смещения пород, что связано с

71