УДК 622.232

С переходом горных работ на большие глубины увеличивается вероятность появления локальных зон ослабления в кровле угольных пластов. Эти локальные зоны характеризуются интенсивной трещиноватостью нижних слоев непосредственной кровли (от 8 до 12 трещин на один метр призабойного пространства). Появление таких зон предопределяется, прежде всего, условиями формирования углевмещающего массива, а также некоторыми технологическими факторами, например, топтанием кровли при передвижке секций механизированной крепи.

Наличие ослабленных участков в кровле угольных пластов приводит к вывалообразованию, при этом его наибольшая интенсивность приходится на периоды работы комбайна и передвижку вслед за ним секций механизированной крепи.

Согласно исследованиям В.П.Зубова [1] интенсивность эксплуатационной трещиноватости в призабойном пространстве, во многом предопределяемая величиной зависающей над выработанным пространством консоли пород основной кровли, может быть снижена путем применения способов основанных на снижении и перераспределении напряжений в массиве вокруг очистной выработки. В качестве одного из путей достижения поставленных целей рекомендуется ослабление краевой части угольного пласта и перемещение на этой основе максимума опорного давления вглубь массива, что весьма трудоемко и плохо совместимо с основными процессами технологического цикла.

Снижение уровня напряжений над опорным контуром пласта может быть достигнуто путем применения полной или частичной закладки выработанного пространства. Однако, учитывая локальный характер расположения вывалоопасных зон, целесообразнее управлять выработанным пространством не по всей длине лавы, а на ограниченных участках, приуроченных к зонам ослабления непосредственной кровли, путем возведения за мехкрепью опорных конструкций (четырехстоечных деревянных кустов, расположенных в определенной последовательности).

Для определения степени влияния возводимых в выработанном пространстве опорных конструкций на характер перераспределения напряжений и смещений в кровле пласта были проведены лабораторные исследования проявлений горного давления методом моделирования на эквивалентных материалах с использованием методик Г.Н.Кузнецова [2] и В.П.Глушихина [3].

Цель исследований заключалась в изучении характера перераспределения опорного давления впереди забоя лавы; выявлении особенностей протекания деформационных процессов в зависимости от длины консоли пород основной кровли зависающей над выработанным пространством; установлении степени влияния возводимых в выработанном пространстве лавы опорных конструкций на состояние пород кровли в призабойном пространстве и определении в первом приближении шага их установки по ходу очистного забоя.

Для решения поставленных задач был выбран масштаб моделирования (1:100) и осуществлен подбор материалов эквивалентных боковым породам пласта, при этом в качестве связующего использовалась комбинация парафина и канифоли, а в качестве наполнителя кварцевый песок. При испытании образцов эквивалентного материала, проводившихся, на приборе конструкции ВНИМИ, и сравнении полученных результатов с расчетными данными был установлен необходимый состав материала модели.

Пропитывая образцы пароллон 40, 60 и 80% водным раствором игдантина, а затем, испытывая их на прессе были получены зависимости относительной усадки соответствующих образцов от величины вертикального давления. Сравнение компрессионной кривой сжатия деревянных кустов с кривыми сжатия упругого материала показало, что наиболее близким к ним по упругим свойствам является поролон пропитанный 80% водным раствором игдантина.

Для определения напряжений в моделе использовались датчики трения, регистрация смещений осуществлялось по реперам, заложенным в непосредственной и основной кровле пласта. После каждого цикла отработки производилось фотографирование модели с последующей обработкой полученных данных на фотокомпараторе.

На расстоянии 5 м от разрезной печи в выработанном пространстве лавы была установлена первая опорная конструкция. В дальнейшем, для определения оптимального шага установки опор, их возведение производилось с интервалом от 3 до 7 м. При каждом значении шага установки регистрировались величины напряжений и смещений над призабойным пространством. Установлено, что при расстоянии между опорными конструкциями 3—5 м заметного увеличения названных показателей не происходит. Рост уровня напряжений и смещений наблюдается при расстоянии между опорами более 5 м. Поэтому впоследствии принимался шаг установки опорных конструкций равный 5 м.

После отхода лавы на расстояние 24 м от разрезной печи, максимум опорного давления располагался на удалении 8 м от груди забоя и составлял 430 МН. При этом величина смещений в призабойной зоне по верхнему ряду реперов равнялась 30 мм, а по нижнему — 40 мм. Максимальные смещения по нижнему ряду реперов отмечались на расстоянии 6 м от забоя. Кроме этого, наблюдался рост напряжений в выработанном пространстве на участках установки опорных конструкций. Так, на второй опорной конструкции оно составляло 330 МН. Между первой и второй опорой имело место незначительное (до 15 мм) поднятие почвы. На расстоянии 30 м от разреза, конвергенция боковых пород между ними составила 120 мм, а между второй и третьей произошло обрушение кровли.

После отхода лавы еще на 5 м наблюдался рост напряжений на четвертой и пятой опорах. Величины смещений пород по рядам реперов в призабойной зоне составили соответственно 15 мм для нижнего и 10мм для верхнего ряда, а их максимальные значения отмечались в выработанном пространстве на удалении 25 м от разрезной печи и равнялись 70 и 50 мм. Максимум опорного давления располагался на удалении 8 м от груди забоя и был равен 450 МН, рисунок 1. В непосредственной кровле не наблюдалось видимых трещин и заколов.

В дальнейшем отработка моделей осуществлялась без установки опорных конструкций, что сопровождалось зависанием в выработанном пространстве пород основной кровли на значительном расстоянии.

После отхода лавы от последней опорной конструкции на расстояние 15 м в кровле пласта над призабойным пространством произошло образование межслоевых трещин. Величина их раскрытия составила 20 мм. Максимум опорного давления располагался на удалении 6 м от груди забоя и составил 580 МН. Величины смещений над призабойным пространством равнялись соответственно 20 мм — для верхнего и 25 мм для нижнего ряда реперов. Максимальные их значения были отмечены у опорной конструкции — 170 и 260 мм.

При подвигании лавы еще на 10 м наблюдалось дальнейшее зависание основной кровли над выработанным пространством. Величина раскрытия межслоевых трещин в призабойной зоне увеличилась до 30 мм. В этот же период в породах кровли появляются дополнительные трещины с углом наклона на выработанное пространство около 80° . Характер распределения напряжений и смещений при этом показан на рисунке 2. Максимум опорного давления находился на удалении 7 м от груди забоя и равнялся 560 МН. Смещения имели место лишь по нижнему ряду реперов и составляли в призабойной зоне 60—80 мм, максимальная их величина 90 мм была зарегистрирована на расстоянии 9 м от груди забоя.

После отхода лавы от разреза еще на 5 м произошла посадка основной кровли, которая сопровождалась появлением межслоевых трещин на высоту до 6 м. Величина раскрытия этих трещин составляла от 100 до 130 мм. Максимум опорного давления находился на удалении 6 м от забоя и равнялся 530 МН. Смещения по верхнему и нижнему рядам реперов были равны соответственно 60 и 150 мм.

Таким образом, в процессе отработки моделей установлено, что возведение опорных конструкций на локальных участках выработанного пространства оказывает благоприятное воздействие на состояние пород кровли в призабойном пространстве. При этом величина напряжений в зоне опорного давления снижается в среднем на 25—30% (430—450 МН с опорными конструкциями и 560—580 МН без опорных конструкций), что позволяет уменьшить смещения непосредственной кровли над призабойным пространством примерно в два раза (15—30 мм — при установке опор и 30—80 мм — без них). Определенный в первом приближении шаг установки опорных конструкций по ходу движения лавы составил 5 м. Аналогичные результаты были получены при проведении опытно-промышленных проверок способа в условиях шахт им. А.Г.Стаханова и “Россия”.