Обрушение пород кровли

Характер обрушения пород кровли залежи при ведении очистных работ зависит как от прочности, так и от трещиноватости этих пород. Наиболее благоприятно такое поведение пород, когда они не самообрушаются в рабочем пространстве забоя лавы, а также обрушаются без зависания за пределами рабочего пространства.

Обрушение пород кровли залежи на рудных месторождениях характеризуется их зависанием на значительной площади (сотни тыс.м²) и внезапным обрушением, сопровождаемым горными ударами. Эти моменты обрушения быстро достигают земной поверхности и напоминают землетрясения с силой 2-3 балла.

На угольных месторождениях отложения представлены переслаиванием малопрочных пород (аргиллитов и алевролитов) с более крепкими песчаниками. Благодаря такому переслаиванию горных пород (терригенных отложений) обрушение пород кровли протекает в несколько стадий: сразу после передвигания крепи обрушается непосредственная кровля (рисунок 14). Породы основной кровли обрушаются после того, как площадь их обнажения достигает несколько тыс. м². Первичная посадка основной кровли происходит после отодвигания забоя от монтажной печи на 100 – 150 м. Вторичные осадки основной кровли происходят после подвигания забоя лавы от места предыдущей посадки на 20 – 30 м.

Над породами основной кровли располагаются породы надосновной кровли. Первичное обрушение пород надосновной толщи, по нашим наблюдениям, происходит после отодвигания забоя лавы от разрезной печи на 500 м. Верхний контакт надосновной кровли находится от угольного пласта на расстоянии 40 выемочных мощностей пласта (m).

Слои пород, расположенные выше надосновной кровли, не обрушаются, они плавно прогибаются, опираясь на оставленные целики угля. Приблизительно через 6 месяцев после окончания очистных работ прогибание пород кровли достигают земной поверхности.

Возникновение трещин горного давления, по которым обрушаются породы непосредственной, основной и надосновной кровли, вызвано тем, что по контуру очистного забоя происходит концентрация горного давления. Основной причиной концентрации горного давления является то, что целик угля вдоль контура очистного забоя служит опорой для пород основной и надосновной кровли (активной толщи). То есть, за счет зависания этих слоев образуется зона опорного давления шириной от 10 до 100 м, или зона повышенного горного давления, кратко зона ПГД.

В зоне опорного давления целик угля и породы непосредственной кровли испытывает нагрузку, равную сумме гидростатического давления (тензор напряжения соответствует сфере) и дополнительного давления, создаваемого весом пород основной и надосновной кровли.

Р_нагр.=Р+Р₁ (1)

P=g*H – гидростатическая нагрузка (2)

где g - объемный вес пород кровли; Н – глубина разработки.

Р₁=S₁*g (3),

где:

S₁=L*m_осн. , где (4)

Р₁ - дополнительная пригрузка за счет веса основной и надосновной кровли;

S_o1 – площадь вертикального сечения основной кровли под выработанным пространством;

L – подвигание забоя или длина зависшего блока основной кровли;

m_осн. – мощность основной кровли.

Нагрузку (Р_нагр.) в зоне опорного давления можно представить как произведение гидростатической нагрузки на коэффициент концентрации (k_к) давления за счет дополнительной пригрузки от веса основной и надосновной кровли:

Р_нагр.=k_к*Р; (5)

Из формул (1) и (5) мы находим значение (k_к):

Р+Р₁= k_к*Р;

k_к= (6)

k_к = F*, где (7)

F – коэффициент пропорциональности, который зависит от конфи-гурации очистного забоя, прочностных свойств угольного пласта и трещиноватости массива.

В зоне опорного давления тензор напряженности представляет собой эллипсоид, длинная ось соответствует s₁ и направлена вертикально, средняя ось s₂ направлена вдоль забоя лавы. Короткая ось эллипсоида соответствует растягивающим усилиям, т.е. s₃, которая направлена перпендикулярно к плоскости забоя, поэтому в центральной части лавы образуются трещины отрыва.

В зонах ПГД, в том числе в зоне опорного давления, происходят следующие осложнения:

1. В подготовительных горных выработках:

Стреляние забоя, когда от груди забоя отскакивают куски угля и породы размером от 5 до 30 см;

Зажимается буровой инструмент из-за просыпания угля или породы из стенок скважины или шпура;

Отжим угля (обрушение и сползание блоков угля шириной по 10-24 см);

Повышается вероятность горных ударов;

Происходят выбросы угля.

2. В очистных забоях:

Повышенный отжим угля от забоя, что увеличивает ширину незакрепленного пространства на 0.5 м – 1.5 м;

Более сильная деформация боковых пород (ступенчатое опускание кровли и подъем почвы);

Вывалы пород кровли по трещинам горного давления в зонах повышенного горного давления;

Водопроявление из кровли за счет попадания воды из горных работ вышележащего пласта или из водоносных горизонтов активной толщи по трещинам горного давления.