Общие положения. Подготовительные выработки являются артериями, через кото- рые осуществляется непосредственное обслуживание очистных работ

Подготовительные выработки являются артериями, через кото- рые осуществляется непосредственное обслуживание очистных работ. Их состояние во многом определяет эффективность работы участков и шахты, культуру и безопасность горных работ.

Выработки должны быть такого сечения, чтобы обеспечить тре- буемые зазоры между стенками и подвижным составом, иметь доста- точную высоту, быть в нормальном эксплуатационном состоянии, т.е. устойчивыми.

Под устойчивостью шахтной выработки подразумевается ее способность находиться в течение определенного промежутка времени в нормальном эксплуатационном состоянии.

В период эксплуатации устойчивость выработки обеспечивается ее перекреплением, ремонтом крепи, подрывкой пород почвы и др., т.е. путем поддержания.

Поддержание выработки – комплекс работ по содержанию выработки в состоянии, указанном в паспорте проведения и крепления выработки.

На поддержание выработок затрачиваются огромные средства. Имеются районы, где протяженность ремонтируемых выработок пре-

вышает 50-60 % от общей их длины. При ремонте выработок основном применяется ручной труд, а стоимость ремонта нередко превышает стоимость проведения и удельный вес в себестоимости 1 т угля со- ставляет 10–20%.

Проблемы снижения ручного труда по ремонту подготовитель- ных выработок в основном решаются путем выбора: наиболее рацио- нального места их расположения относительно границ очистных выра- боток; рациональных способов и средств охраны от горного давления.

Охрана выработок – совокупность мероприятий по обеспече- нию устойчивости выработок.

Эти решения в сочетании с крепью повышенной податливости обеспечивают устойчивость выработок вплоть до безремонтного их поддержания, т.е. без сплошного перекрепления и подрывки почвы. При этом текущий ремонт в порядке профилактики и надзора за со- стоянием остается.

Охрана выработок целиками считается нерациональной из-за больших потерь угля в целиках и необеспечения устойчивости выра- боток на больших глубинах. При применении бутовых полос наблюда- ется большое и, главное, неравномерное по сечению выработки, пуче- ние почвы. Поэтому эти способы охраны выработок считаются не про- грессивными.

На рисунке 16.1 показано, где рационально располагать выра- ботки относительно границ очистных забоев:

1 – на значительном расстоянии от границы лавы (за пределом зоны вредного влияния опорного давления);

2 – в зоне разгрузки;

3 – в зоне консольного прогиба пород;

3'– при проведении выработки позади лавы и охране с двух сто- рон бутовыми полосами.

б)

I-I

3 I

I 3'

Рисунок 16.1 – Схема расположения выработок относительно границ лав

Такое расположение выработок позволяет избежать влияния опорного давления.

Принципы выбора способа и параметров охраны выработок следующие.

1. Бесцеликовая охрана или целиками таких размеров, при ко- торых можно эффективно вынимать уголь при погашении выработок.

2. Безремонтное поддержание.

3. Если возможны различные способы, то принимаемый способ обосновывается технико-экономическим расчетом.

4. Возможные способы и параметры охраны определяются на основе инженерных расчетов смещений окружающих выра- ботку пород.

В настоящее время прогрессивной является бесцеликовая охра- на выработок.

16.2 Формирование смещения пород в выработку

Проведение выработки приводит к нарушению напряженного состояния в нетронутом горном массиве, в результате чего породы деформируются и смещаются в сторону выработки. Непосредственно у забоя на контуре выработки происходит упругое восстановление раз- груженных пород, которое заканчивается при удалении выработки на 12–I5 м. Затем, по мере удаления проходческого забоя, смещение по- родного контура возрастает за счет концентрации напряжений в окру- жающих выработку породах, что приводит к пластическим деформа- циям и разрушению пород на некоторую глубину от контура выработ- ки. Наиболее интенсивно породы смещаются в первые 1–3 месяца. Формирование смещения пород в выработке показано на рисунке 16.2. Смещение пород, вызванное ее проведением, с удалением от забоя постепенно уменьшается до величин, определяемых условиями работы выработки как одиночной.

ост

Uпр

перваялава вторая лава t

Рисунок 16.2 – Схема формирования смещений пород в выработке

Большое влияние на условия поддержания оказывает ведение очистных работ, в результате которых в значительных областях масси- ва, примыкающего к очистному забою, происходит интенсивное сдви- жение пород. В течение 1–2 месяцев после прохода очистного забоя кровля интенсивно опускается в зоне динамического опорного давле- ния, затем скорости смещения выравниваются и наблюдаются в тече- ние длительного времени (до 5 лет), когда сказывается влияние ста- ционарного опорного давления.

Если выработка используется в качестве вентиляционной для ниже расположенной лавы, она вновь испытывает влияние передней зоны опорного давления второй лавы, а если поддерживается и позади второй лавы, то испытывает и влияние стационарного опорного давле- ния второй лавы.

Таким образом, суммарное смещение пород в выработке можно описать следующей структурной формулой

' ост

ост

U = Uпр + U 0+ U 1+ U 1

+ U 2 + U 2

, (16.1)

где Uпр – смещение пород под влиянием проведения выработки;

' – смещение в выработке как одиночной после периода

интенсивного смещения;

U 1– смещение пород под влиянием передней зоны опорно- го давления первой лавы;

Uост – смещение пород в зоне остаточного опорного дав- ления первой лавы;

U 2– смещение пород под влиянием передней зоны опорно-

го давления второй лавы;

ост

– смещение пород в зоне стационарного опорного

давления второй лавы.

В зависимости от способа охраны в формулу могут входить только некоторые ее составляющие.

В зависимости от соотношения действующих напряжений и прочности пород, различают 3 типа деформаций.

I тип. При напряжениях на контуре меньше предела длительной прочности в массиве вокруг выработки образуется зона упруговязких деформаций. Деформационный процесс протекает без нарушения сплошности пород и затухает (см. рис. 16.3). Смещение обычно 50–60 мм. Здесь можно не применять рамную крепь, а для предотвращения вывалов применять анкерную крепь.

II тип. Напряжения на контуре превышают предел длительной прочности пород, но они меньше мгновенной прочности. Упруго- вязкие деформации с течением времени в части зоны приводят к раз-

рушению пород, образуется зона длительного разрушения пород высо- той 1,5–3 м. Смещение пород в выработке до 200 мм.

мм

III II

0 t

Рисунок 16.3 – Характер смещений пород при различных типах деформаций

III тип. Напряжения на контуре больше мгновенной прочности пород. Разрушение пород на контуре происходит сразу после проведе- ния выработки, образуются зоны разрушенных пород и далее упруго- вязких деформаций. Смещения превышают 200 мм (см. рис. 16.3).

16.3 Влияние факторов на смещение породного контура выработки

Первопричиной всех проявлений горного давления является на- пряженное состояние горных пород на контуре выработки и в массиве. До проведения выработок напряженное состояние массива определя- ется в первую очередь глубиной от поверхности, т.е. гидростатическим

давлением. Для бассейнов, расположенных в районах современных тектонических процессов, на участках под склонами гор, в замковых частях складок и в области крупных тектонических нарушений гори- зонтальная составляющая напряжений В 1,5 раза больше вертикальной. Основные факторы: глубина разработки; тип и характеристика крепи; способ охраны выработки; наличие очистных работ и место выработки относительно их границ; сечение выработки; способ прове-

дения выработки; срок службы; угол падения пласта.

Наиболее сильно влияющий фактор – глубина разработки. В не- сколько раз увеличивается пучение почвы при увеличении глубины разработки от малых (200 м) до больших глубин (800 м и более).

С уменьшением прочности пород увеличивается смещение кровли и пучение почвы. В качестве характеристики среды принят расчетный предел прочности пород на сжатие (σ), как среднее значе- ние из величин приведенных прочностей кровли и почвы (рис. 16.4)

к n

(o + o)

o =, (16.2)

где σ – расчетная прочность пород;

σк – приведенная прочность кровли, которая определяется

σк=σк1 при hк1>2 м;

o = o k 1 hk 1 + o k 2 hk 2 + × × × × + o knhkn

при h

<2 м; (16.3)

hk 1

+ hk 2

+ × × × × + hkn

σki – предел прочности на сжатие i-гo слоя кровли;

hki – мощность i-гo слоя кровли;

i – 1,2…..n;

σn – приведенная прочность почвы, которая определяется при h n1<2 м по формуле

o n 1 hn 1+ o n 2 hn 2+ × × × × + o nnhnn

o =; (16.4)

hn 1

+ hn 2

+ × × × × + hnn

σn i– предел прочности на сжатие i-гo слоя почвы;

hni – мощность i-гo слоя почвы;

σn=σn 1 при h п1>2 м.

σк3

σк 3

σк2

σк 2

σк1

σк 1

σn1

В σп 1

σn2

σп 2

σn3

σп 3

σn4

σп 4

Рисунок 16.4 – Схема для расчёта σ

На рисунке 16.4 показаны размеры учитываемых областей в кровле и в почве пласта.

При определении приведенных прочностей кровли и почвы сле- дует учитывать следующее.

1. Учитываются слои мощностью более 0,5 м.

2. Прочность пород на высоту: в кровле, равную 1,5 ширины, в почве на высоту, равную одной ширине выработки.

3. Если прочности слоев породы различаются не более чем на 20%, расчет ведется по минимальному значению, если более 20%,то вычисляется средневзвешенное значение.

4. Если в кровле или в почве имеется слой более 2 м непосред- ственно над или под пластом, то учитывать только этот слой.

5. Если в сечении выработки более прочные породы, чем в поч- ве и в кровле (в 2 и более раза), то их не учитывают.

Прочность обводненных пород составляет 0,8 от прочности су- хих пород.

Обрушаемость кровли оказывает на смещение пород влияние. По обрушаемости кровли разделены на 3 типа: легкообрушаемые – меньше 50,0 МПа;

средней обрушаемости – 50,0–80,0 МПа; труднообрушаемые больше 80,0 МПа.

По степени пучения почвы разделены на: непучащие К=12;

малопучащие К=12-20;

пучащие К=20-40;

сильно пучащие К>40,

где К – коэффициент степени пучения почвы

К = Н