Источник: Журнал Уголь Украины. – 1994. – №9. – с.10 – 11
При разработке крутых пластов Центрального района Донбасса управление горным давлением осуществляется в основном удержанием кровли на кострах, причем процессы выполняются вручную. Это увеличивает трудоемкость работ в лаве (в среднем до 130 чел. смен на 1000 т добычи) и требует больших затрат лесных материалов (в среднем около 80 см3 на 1000 т угля), не обеспечивая безопасности. Завалы происходят из - за несоответствия способа управления горным давлением разнообразию горно – геологических условий крутых пластов. Зачастую очаги завалов и обрушений зарождаются на некотором расстоянии от забоя, впоследствии распространяясь на рабочее пространство. Поэтому одной из основных предпосылок, предопределяющих успешную работу очистных забоев, является создание условий для предотвращения обрушений боковых пород в призабойной части, а также распространения обрушения кровли и сползания почвы.
При выемке угля с закладкой выработанного пространства состояние и устойчивость пород кровли в лаве улучшаются. Исследованиями ДонУГИ и ДПИ установлено, что закладочный массив, имея ограниченную податливость, предотвращает развитие интенсивного трещинообразования в окрестности очистного забоя. Высокая несущая способность массива при взаимодействии с породами кровлю способствует закрытию трещин разлома в непосредственной кровле, чем создаются сплошные зоны устойчивых пород впереди очистного забоя и позади него. Однако при этом отсутствует аналитическое решение задачи выбора параметров закладочного массива, которые предопределяют поведение кровли очистного забоя. В целях выбора параметров закладочного массива, способствующих улучшению состояния пород в окрестности очистного забоя, авторами предлагается решение плоской задачи исходя из представления кровли как балки. Для упрощения расчета балка разбивается на две полубесконечные балки на сплошном упругом основании (коэффициент жесткости различный) и на жестко защемленную по двум сторонам (рис. 1). Под влиянием нагрузки балка деформируется и в ней возникают усилия mi, ri, Mi, Qi , а параметры, характеризующие деформацию, можно представить как Х1, Х2, Х3, Х4. Если балка находится в состоянии равновесия, то для рассматриваемой расчетной схемы справедливы соотношения
В стабильном режиме работы очистного забоя при управлении кровлей полной закладкой выработанного пространства над рабочим пространством лавы образуется конструкция, представляющая собой балку, жестко защемленную по двум сторонам. Если отношение высоты этой балки к ее длине менее 1 : 6, параметры деформации кровли определяются из системы приведенных выше уравнений известными математическими методами; при большем отношении для нахождения деформационных характеристик балки необходимо использовать поправочные коэффициенты на угол поворота и прогиб. Решение задачи сводится к решению уравнения теории упругости в тригонометрических рядах с учетом граничных условий рассматриваемой конструкции. Изменение значений поправочных коэффициентов на угол поворота и прогиб балки – кровли в зависимости от отставания l закладочного массива представлено на рис. 2 и получено путем аналитического сравнения деформационных характеристик балок с различной величиной пролета. С использованием предложенного метода построены эпюры горизонтальных напряжений для различных параметров закладочного массива, изменение параметров позволяет качественно оценить состояние пород кровли в окрестности очистного забоя. В частности, если усадка закладочного массива не более 70 % и отставание до 3 – 5 м, над очистной выработкой образуется свод за счет действия горизонтальных (сжимающих) напряжений (рис. 3, а). Внутри этого свода сплошность пород не нарушается, кровля с одной стороны поддерживается угольным целиком, а с другой – породной подушкой. Так как величина податливости последней значительно больше, чем целика, устойчивость кровли ухудшается по мере удаления закладочного массива от забоя (рис. 3, б).
В таких случаях слои пород непосредственной кровли, подлежащие поддержанию призабойной крепью, разбиваются на отдельные блоки. Между блоками существует горизонтальный распор, величина которого зависит от параметров закладочного массива. При оставлении целиков происходит зависание пород на больших площадях, что создает значительные концентрации напряжений в массиве и может способствовать возникновению внезапного выброса угля и газа. При исследовании проявлений горного давления в длинных очистных забоях с полной закладкой выработанного пространства необходимо прежде всего установить характер предельного состояния непосредственной кровли, так как способность пород при их опоре на закладочный массив сохранять устойчивость и размеры обнажений зависит прежде всего от его параметров. Конечным результатом потери устойчивости очистной выработки являются вывалы породы, образование которых начинается с разрушения непосредственной кровли. Следовательно, предотвращение обрушения кровли в рабочей части лавы может быть достигнуто при технологии, предусматривающей обеспечение обнажений постоянной ширины и плавное опускание пород в выработанном пространстве.
Экспериментальные данные, полученные в ДонУГИ, подтверждают правильность расчетных значений параметров закладочного массива. Отмечено, что при нахождении плотного закладочного массива на расстоянии от забоя 3 – 3,5 м видимых трещин и других нарушений в кровле с породами средней устойчивости не наблюдалось. При отставании закладочного массива более 5 – 6 м в призабойном пространстве были вывалы пород непосредственной кровли. Выводы. Улучшение состояния пород кровли при полной закладке выработанного пространства объясняется характером взаимодействия кровли с закладочным массивом и имеет место только при определенных его параметрах. На несущую способность пород непосредственной кровли в призабойном пространстве лавы существенное влияние оказывает величина отставания закладочного массива и его усадка.