Выбор способов предотвращения пучения почвы подготовительных выработок

Широкий диапазон горно-геологических условий обусловливает необходимость установления области применения различных способов предотвращения пучения почвы. Выбор рационального способа должен базироваться на физических основах процесса пучения с учетом его экономической эффективности. Физические основы процесса тесно связаны со структурой и составом массива пород, которые находят отражение в классификации пород.

Ниже приводятся рекомендации по выбору средств предотвращения пучения почвы применительно к классификации пород кровли и почвы, изложенной в разделе 3.3.

Подкласс 1.1 характеризуется легкообрущающейся кровлей значительной мощности. Кровля обрушается при небольших по площади обнажениях и при этом создается зона опорного давления небольших размеров и с небольшой концентрацией напряжений. Устойчивость пород почвы зависит от их литологического состава и прочности. Можно предполагать, что при залегании в почве песчаников и известняков, а также прочных песчанистых сланцев почва выработок будет устойчивой во всех зонах опорного давления как впереди, так и позади очистного забоя и проведении выработок “вприсечку”.

При залегании глинистых и слабых песчанистых сланцев в почве устойчивость ее снижается, и смещения могут достигать значительных размеров. В таких случаях смещения почвы являются следствием ползучести пород и расширения их при разрушении. Смещения почвы выработок вследствие расширения пород при разрушении и расслоении могут превышать 50—60% общих смещений. Приведенные выше исследования взаимодействия крепей с породами почвы показывают, что крепь выработки работает в режиме взаимовлияющей деформации и может уменьшить смещение почвы в 1,5—2 раза. Целесообразность применения замкнутой крепи зависит от доли смещений вследствие расширения пород и величины смещений. Если суммарная величина смещений почвы вследствие ползучести и смещений от расширения пород, которым не может воспрепятствовать крепь, больше податливости крепи, то замкнутую крепь применять нецелесообразно.

Напряженное состояние пород почвы позади очистного забоя зависит от способа охраны выработок, при этом максимальные напряжения в почве пласта возникают при охране выработок целиками. При охране выработок бутовыми полосами со стороны выработанного пространства скорость смещений почвы уменьшается ввиду того, что породы почвы с одной стороны выработки не нагружены. В то же время при охране выработки бутовой полосы создаются условия для зависания пород непосредственной кровли и концентрации напряжений в породах почвы со стороны массива. Поэтому при залегании в кровле легкообрушающихся пород эффективным способом борьбы с пучением почвы является применение усиливающей крепи на границе выработки с обрушенными породами. В качестве таких крепей могут быть использованы посадочные крепи, металлические гидравлические стойки или стойки трения, которые способны образовать обрезной ряд. Эти стойки необходимо переносить по мере подвигания забоя. Применение таких крепей создает условия для обрушения пород кровли вслед за лавой, что приводит к значительному снижению концентрации напряжений в породах почвы.

В зоне временного опорного давления впереди очистного забоя возможно применение следующих способов: взрывание камуфлетных зарядов, выбуривание угля скважинами, пробуренными либо перпендикулярно к оси выработки, либо параллельно ей.

При больших величинах смещений почвы, представленной глинистым сланцем, рекомендуется применять временные усиливающие крепи из гидравлических стоек или стоек трения, устанавливаемых на металлические прогоны.

Подкласс 1.2 характеризуется легкообрущающейся непосредственной кровлей мощностью менее 6—8-кратной мощности пласта. Концентрация напряжений в. породах почвы в зонах опорного давления зависит от соотношения m_H.K./m. Чем больше это соотношение, тем меньше концентрация напряжений в породах почвы и тем меньше размеры зоны опорного давления. Для этого подкласса характерно пучение более прочных пород. Значительное пучение почвы имеет место при залегании в почве песчанистых сланцев, предел прочности при одноосном сжатии которых равен 500— 600 кгс/см². Максимальные смещения почвы при прочих равных условиях наблюдаются при залегании в почве глинистых сланцев. В таких условиях целесообразно применять способы, дающие возможность управлять основной кровлей. К таким способам следует отнести выкладку плотных бутовых полос с помощью пневматической закладки, а также передовое торпедирование пород основной кровли.

Если выработка погашается на сопряжении очистного забоя с лавой, то в зоне опорного давления впереди лавы для снижения напряжений рекомендуется способ выбуривания скважин, а также применение усиливающих крепей.

При подклассе пород кровли 1.2 нецелесообразно применение обрезных крепей и бетонных стенок.

Подкласс 1.3 характеризуется либо отсутствием непосредственной кровли, либо ее небольшой мощностью (менее 2т), а также большой концентрацией напряжений в породах почвы в зонах опорного давления. Снижения напряжений в породах почвы можно достичь искусственным обрушением консолей пород кровли и поддержанием их плотными бутовыми полосами.

При залегании в почве глинистых и песчанистых сланцев с небольшим пределом прочности смещения почвы могут быть значительными вследствие как ползучести пород, так и их разрушения. Уменьшение смещений может быть достигнуто применением временных усиливающих крепей. При охране выработок массивами угля для снижения напряжений разгрузку почвы пласта целесообразно осуществлять путем выбуривания угля.

Характер пучения пород почвы подклассов 11.1 и 11.2 незначительно отличается от подклассов соответственно 1.3 и 1.2 и поэтому меры предотвращения пучения почвы также не будут различаться. Во всех случаях затраты на любое мероприятие по предотвращению пучения почвы должны быть меньше затрат на подрывку почвы (r_п.п<r_п).

Величины смещений почвы выработок при различных соотношениях предела прочности пород при одноосном сжатии s _п, мощности пласта m, сечении выработки S и глубине ее H от поверхности при разных способах охраны приведены в табл. 9.2—9.4.

Выбор способа предотвращения пучения производится в следующем порядке.

Рассчитывается величина смещений почвы в горной выработке для проектного способа охраны. Если смещения почвы требуют работ по предотвращению пучения, то в соответствии с изложенными рекомендациями намечаются способы предотвращения пучения и определяются их среднемесячные затраты на 1 м выработки r_п.п. Затем определяются затраты на подрывку 1 м почвы выработок по формулам (8.3)—(8.9). При r_п.п> r_п следует применять подрывку почвы. При больших величинах смещений и необходимости многократной подрывки намечаются пути уменьшения пучения почвы. Если затраты на предотвращение (или уменьшение) пучения меньше затрат на подрывку, то приближенно определяют часть пучения, которую нельзя предотвратить известными способами, и устанавливают необходимость подрывки почвы.

Выбор способов борьбы с пучением почвы нельзя рассматривать в отрыве от поддержания кровли и боков выработки.

Рассмотрим выбор способа предотвращения пучения почвы на примере.

Таблица 9.2

Величины смещений почвы при охране выработок по схеме бутовая полоса — массив

S, м²	Н, м	Предел прочности пород при сжатии s _п (кгс/см²) при мощности пласта, м
		300				500				700
		0,9	1,25	1,6	1,95	0,9	1,25	1,6	1,95	0,9	1,25	1,6	1,95
7	400	646	675	700	733	564	588	606	624	516	537	554	569
	600	810	878	913	956	714	748	772	796	565	680	700	719
	800	1009	1057	1099	1153	863	897	926	958	792	820	843	867
	1000	1114	1188	1236	1308	1034	1072	1107	1148	950	983	1010	1038
9	400	661	691	721	748	575	600	619	6,38	525	546	564	579
	600	861	905	946	990	729	759	774	779	668	693	713	733
	800	1040	1091	1137	1188	883	915	945	977	806	835	859	885
	1000	1189	1237	1321	1389	1059	1097	1132	1147	968	995	1023	1045
11	400	675	706	732	761	589	615	635	654	530	552	570	586
	600	883	929	969	1017	753	783	798	820	673	699	719	739
	800	1054	1106	1150	1209	912	934	965	1021	812	850	874	899
	1000	1221	1271	1363	1437	1074	1116	1154	1202	974	1011	1040	1074

Таблица 9.3

Величины смещений почвы при охране выработки по схеме массив — искусственное ограждение

S, м³	Н, м	Предел прочности пород при сжатии s _п (кгс/см²) при мощности пласта, м
		300				500				700
		0,9	1,25	1,6	1,95	0,9	1,25	1,6	1,95	0,9	1,25	1,6	1,95
7	400	584	651	712	793	396	404	439	481	258	291	316	346
	600	891	987	1080	1211	600	663	722	802	418	461	499	546
	800	1059	1173	1322	1382	774	853	920	1032	570	626	680	750
	1000	1152	1296	1415	1477	913	1006	1096	1222	426	799	866	959
9	400	630	703	769	858	388	433	470	518	275	309	335	368
	600	962	1072	1172	1317	646	713	778	865	446	491	351	584
	800	1148	1272	1391	1439	833	919	992	1117	609	669	728	860
	1000	1238	1372	1535	1728	985	1086	1184	1324	779	859	930	1034
11	400	675	754	825	922	407	460	499	549	290	325	353	388
	600	1035	1153	1272	1410	691	753	822	915	467	515	557	614
	800	1209	1341	1467	1582	890	972	1048	1181	642	703	766	848
	1000	1342	1476	1657	1866	1056	1145	1255	1424	828	916	994	1108

Т а б л и ц а 9.4

Величины смещений почвы выработки, пройденной вприсечку к выработанному пространству

S, м²	Н. м	Предел прочности пород при сжатии s _п (кгс/см²) при мощности пласта, м
		300				500				700
		0,9	1,25	1,6	1,95	0,9	1,25	1,6	1,95	0,9	1,25	1,6	1,95
7 9 11	400 600 800 1000 400 600 800 1000 400 600 800 1000	294 389 420 477 301 399 434 507 307 408 440 522	307 406 441 508 314 419 455 528 321 430 461 544	318 423 458 528 328 437 475 565 333 448 478 583	324 443 480 559 340 458 495 593 346 471 503 613	187 324 326 384 192 331 333 410 192 303 344 408	196 340 338 397 200 345 346 415 201 320 352 418	22 351 349 410 206 358 359 420 207 342 364 428	208 362 361 425 213 366 369 433 217 350 386 446	172 243 259 288 175 247 263 293 177 249 266 296	179 252 268 298 182 257 272 302 184 259 278 307	184 259 275 306 188 264 280 307 190 266 286 315	190 266 283 315 193 272 289 ^{317 195 274 294 326}

Обобщение опыта использования способов разгрузки пласта указанными способами показывает, что возможность их применения в основном проверена в выработках, расположенных вне зоны влияния очистных работ и в зоне временного опорного давления впереди лавы. Оба способа могут быть применены в комплексе с другими мероприятиями в двух первых зонах и могут снизить пучение в 1,5—3 раза.

Способы упрочнения пород в зонах опорного давления на глубоких шахтах не испытывались и не могут быть рекомендованы. Крепи с обратным сводом или кольцевые для предотвращения пучения почвы в зонах влияния очистных работ при значительных пластических деформациях не могут быть рекомендованы в связи с их высокой стоимостью и ввиду больших затрат на перекрепление при пучении почвы, превышающем их податливость. Наиболее эффективно применение временных усиливающих крепей, которые снижают пучение почвы от 2 до 4—5 раз в различных зонах опорного давления.

Изменение способа охраны выработки по сравнению с проектным может быть осуществлено путем применения бутокостров или стенок из железобетонных блоков. Применение бутокостров не может существенно изменить напряженное состояние массива по сравнению с бутовой полосой и может быть рекомендовано лишь для уменьшения трудоемкости работ. Стенки из железобетонных блоков являются жесткой опорой и создают позади лавы большую концентрацию напряжений. Их применение при залегании в кровле пород подкласса 1.2 и большой мощности песчаника основной кровли нецелесообразно.

Таким образом, анализ горно-геологических условий и способов предотвращения пучения почвы показывает возможность применения следующих из них: разгрузки с помощью выбуривания или камуфлетного взрывания в зоне, не подверженной влиянию очистных работ, и впереди очистного забоя в зоне временного опорного давления. В зонах опорного давления целесообразно применение усиливающих крепей.

Примем, что при использовании способов разгрузки смещения почвы в первых двух зонах снизятся в 2 раза и тогда на сопряжении выработки с лавой они составят около 530 мм, из которых 210 мм приходятся на зону временного опорного давления впереди лавы. Использование в этой зоне усиливающих крепей может в 2 раза снизить смещения почвы, и тогда общая величина смещения на сопряжении лавы с выработкой составит 420 мм и будет составлять 40% от расчетных смещений без применения средств предотвращения пучения почвы. Позади очистного забоя применение временных усиливающих крепей приведет к уменьшению смещений с 1583 до 770 мм.

Общая же величина смещения почвы на сопряжении выработки со второй лавой достигнет 1200 мм. Такая величина пучения требует двукратной подрывки почвы, причем первая подрывка должна производиться вслед за первой лавой, а вторая вблизи сопряжения со второй лавой.