Источник: Статья подготовленная к научному симпозиуму «Неделя горняка — 2010», посвященного 90-летию со дня рождения академика В.В.Ржевского и проходившего 25-29 января 2010 года в Московском государственном горном университете
В настоящее время состояние угольной промышленности Украины характеризуется низкими технико — экономическими показателями работы угледобывающих предприятий. Такое положение обусловлено, прежде всего, ухудшающимися с глубиной горно — геологическими условиями: наличием неустойчивых вмещающих пород, изменением интенсивности смещений боковых пород и формы их проявлений. Из — за этого имеют место случаи расслоения боковых пород, обрушений пород кровли и сползаний пород почвы. Рассматриваемая ситуация представляет серьезную опасность и приводит не только к разрушению выработок, но и травматизму рабочих. Дальнейшее развитие угольной промышленности связано с освоением новых и более глубоких горизонтов.
Анализ производственного травматизма по предприятиям угольной промышленности Украины за 1998 — 2008 г.г. Указывает на то, что около 65% травм приходится на очистные забои. На забои подготовительных выработок приходится 22%, а травматизм при перекреплении выработок составляет около 12% [1]. Очевидно, для снижения уровня трвматизма необходима разработка современных научно — обоснованных мер, направленных прежде всего на повышение устойчивости боковых пород.
С ростом глубины наблюдается тенденция к снижению устойчивости боковых пород, особенно на пластах с непосредственной кровлей, представленной глинистыми и песчано — глинистыми сланцами. Изучение процессов сдвижения и деформаций боковых пород показало [2], что при отработке пластов в таких условиях происходит образование характерных зон сдвижения, а с увеличением угла падения появляется тенденция к сдвигу породных слоев по напластованию.
Известно [3], что на крутых пластах обрушение кровли, начинается в верхней части лавы, а дальше распространяется неупорядоченно, отдельными участками по всей длине лавы. Для достижения равномерного обрушения пород стали применять специальную крепь с высокой несущей способностью, устанавливаемую по простиранию, но вероятность осадок основной кровли не уменьшилась. Очевидно, это происходит потому, что наблюдаются неуправляемые сдвижения боковых пород по нормали и в плоскости пласта, которым применяемая крепь противодействовать не может.
В последнее время к наиболее перспективным относят способ управления кровлей полным обрушением. Однако при существующей технике его выполнение ничем не отличается от управления кровлей удержанием на кострах.
С увеличением глубины разработки более резко проявляются осадки основной кровли. Участились случаи ранее не наблюдавшегося явления динамического сдвижения толщи вмещающих пород при достижении критических площадей их обнажения.
В таких условиях породы сползающего слоя, как правило, представлены углистыми, углисто — глинистыми, глинистыми и песчано — глинистыми сланцами небольшой мощности. Отличительными признаками являются заколы по почве в направлении, близком к простиранию пласта, сдвиг стоек по почве. Это обуславливается как горно — геологическими, так и горнотехническими факторами. Например, в таких условиях, на шахте им. М.И.Калинина ГП «Артемуголь» при разработке пласта k7 — запад гор.740м в лаве произошло сползание непосредственной почвы мощностью 1,2 м по угольному пропластку. Площадь сползания пород почвы составила до 350м2. Подобные случаи наблюдались в лавах пластов k52, k3, h3, m51, k41 шахт им. М.И.Калинина, «Комсомолец» ГП«Артемуголь», «Углегорская», им.К.Маркса ГП «Орджоникидзеуголь».
Применяемые способы охраны подготовительных выработок различного рода конструкциями из дерева в таких условиях не обеспечивают надежной защиты выработок от проявлений горного давления или усложняют технологию ведения подготовительных и очистных работ.
Приведенные случаи обрушений боковых пород указывают на особую специфику разработки крутых пластов. Поэтому, с целью снижения травматизма от обрушений боковых пород при разработке крутых выбросоопасных пластов были проведены специальные исследования на моделях из оптически чувствительных материалов. Считается [4], что в реальных пластах и горных породах, концентрация напряжений приводит к пластическим деформациям. При использовании оптического метода в изучаемых моделях допускалось следующее условие: разгрузка осадочного массива происходит с течением времени в местах концентрации сжимающих и растягивающих напряжений.
Для решения поставленной задачи была использована экспериментальная установка ППУ — 4, при моделировании на которой использовали известный способ сопоставления цветов и полос распределения касательных напряжений [5]. Всего было отработано 8 моделей, толщина которых составляла 25мм, а напряженное состояние создавалось пригрузом, позволяющим моделировать глубину разработки, соответствующую 750м, 1000м, 1200м и 1500м. Мощность угольного пласта 1 м, угол падения 600, породы непосредственной кровли и почвы были представлены глинистым сланцем мощностью 4м, основной — песчанистым сланцем мощностью 6м.
В результате проведенных исследований в изучаемых моделях наблюдалась сложная картина распределения касательных напряжений в массиве пород. Установлено, что без эффективного поддержания нависающей толщи, геомеханическая обстановка в окрестности выработки резко ухудшается. Так, на глубине 1200м имеет место более высокая концентрация напряжений в боковых породах и подошве штрека, на контуре выработки, в местах изгиба пород кровли и почвы. Изменение геометрических параметров обнажений боковых пород существенно снижает степень вредного влияния в них касательных напряжений. Наиболее благоприятная геомеханическая обстановка в окрестности выработки отмечается при наличии в выработанном пространстве широкой податливой опоры с конечной величиной усадки. Общий характер распределения касательных напряжений в массиве пород определяется усадкой опоры. Однако степень поддержания боковых пород опорой недостаточна для восстановления первичного напряженного состояния, в результате чего и происходит перераспределение напряжений.
Очевидно, что при прочих равных условиях вероятность появления расслоения и обрушений боковых пород, будет всегда большей при отсутствии в выработанном пространстве широкой податливой опоры. Природа улучшения состояния пород кровли и почвы в этом случае заключается в характере их взаимодействия с опорой. Причем усадка последней определяет величину деформаций боковых пород, которая может не выходить за пределы допустимых значений.
Таким образом, в реальных условиях разработки крутых пластов, с учетом явно выраженной слоистости пород междупластья, в зонах разгрузки, глинистые и песчано — глинистые породы расслаиваясь, всегда смещаются (скатываются) вниз. Расслоение боковых пород обуславливает не только принципиально новый характер сдвижений и обрушений пород междупластья, но и их влияние на склонность к обрушению как в призабойной части лав впереди движущегося очистного забоя, так и в подготовительных выработках.
Для предотвращения травматизма от обрушений при проведении и поддержании выработок крутых пластов, а так же в нижней части лавы, над подготовительной выработкой должны возводится широкие податливые опоры (средства охраны). Это позволит обеспечить не только разгрузку углепородного массива, но и предотвратить расслоения боковых пород в нижней части лавы, за счет достаточной сопротивляемости возводимых опор.
© ДонНТУ, Худолей Т.О.