УДК 622.268.001.671.477

И. Ю. ЗАСЛАВСКИЙ, канд. техн. наук, Д. Г. ФАЙВИШЕНКО, инж. (ДонУГИ)

Современная технология горных работ предъявляет особые требования к поддержанию подготовительных выработок, сохраняемых за лавой. В широко используемых способах охраны выработок операции практически не механизированы. В большинстве случаев эти способы соответствуют условиям аффективной технологии очистных работ. Поэтому перспективно применение околоштрековых полос из быстротвердеющих материалов.

Литые полосы предназначаются для создания линии обрушения зависающих пород кровли пласта вдоль границы выработанного пространства, для повышения устойчивости сопряжения лавы со штреком и предотвращения утечек воздуха. Технология возведения литых полос заключается в механизированной подаче готового раствора или сухой смеси на базе твердеющего материала, затворяемого на выходе из сопла, за сборную или передвижную опалубку, установленную на берме оконтуривающей лаву выработки.

Экспериментальные исследования, проведенные ДонУГИ на шахтах Донбасса, показали, что сближение кровли с почвой в выработках, охраняемых литыми полосами из фосфогипсового вяжущего, уменьшается на 400—500 мм (по сравнению с БЖБТ, кострами и чураковыми стенками); не требуются специальные мероприятия по упрочнению неустойчивых пород на сопряжении. Такие выработки проходятся с верхней подрывкой пород.

При существовании нижней или смешанной подрывке возможен скол породного уступа и выдавливание его в выработку под действием вертикальной нагрузки Q, которую воспринимает и передает литая жесткая полоса шириной В на почву пласта. В связи с этим возникает необходимость определения места расположения литой полосы, обеспечивающего устойчивость породного уступа при ее минимальном удалении от крепи. Расчет сводится к отысканию наиболее опасной поверхности скольжения, по которой может произойти скол породного уступа, и к вычислению коэффициента его устойчивости. Основными показателями, характеризующими устойчивость уступа, являются коэффициент сцепления и угол внутреннего трения пород в месте размещения литой полосы. Поскольку она возводится на берме штрека вблизи крепи выработки, то следует

определить эти показатели в области разрушенных пород, формирующейся вокруг выработки, оконтуривающей лапу. Установлено, что зона разрушенных пород под действием очистных работ на уровне забоя распространяется на расстояние 5—7 м от контура выработки. Углы внутреннего трения в ненарушенном породном массиве и в массиве, подверженном трещинообразованию, примерно равны. Коэффициент сцепления пород колеблется от нуля на контуре выработки до максимальной величины на границе зон разрушенных и деформирующихся пород без разрыва сплошности. Можно считать, что коэффициент сцепления в зоне неупругих деформаций изменяется по параболическому закону.

Значения коэффициента сцепления пород типа глинистых сланцев в одинаковых точках зон разрушений шириной, раиной 5, 6 и 7 м, отличаются не более чем на 10%. Следовательно, для определения коэффициентов следует ограничить ширину зоны разрушенных пород до 6 м.

Рис. 1. Расчетные схемы определения устойчивости породных уступов методом кругло-цилиндрических поверхностей скольжения (а) и плоских (б).

В соответствии с положениями теории предельного равновесия поверхность скольжения потерявшего устойчивость походного уступа можно считать кругло-цилиндрической (рис. 1, а). Коэффициент устойчивости представляет собой отношение суммы момента сил M_y, удерживающих уступ от вращения относительно дуги скольжения, к сумме моментов сил М_с, сдвигающих

где R — радиус дуги скольжения;

п — количество участков, на которые разбивается дуга

i — номер участка;

N_I — нормальные составляющие внешних нагрузок;

Ф — угол внутренего трения;

с — коэффициент сцепления пород;

L — длина дуги скольжения;

Т_i — касательные составляющие внешних нагрузок. Зависимость (1) можно представить в виде

где f == tgф — коэффициент внутреннего трения пород. Устойчивость породного уступа будет обеспечена в том случае, если k > 1. Поскольку радиус дуг, которые представляют собой линии скольжения уступа, на три порядка больше его высоты в реальных условиях, можно не ошибиться, приняв поверхности скольжения плоскими (рис. 1, б). С некоторым запасом считаем, что коэффициент устойчивости для рассматриваемой плоскости скольжения меньший 1,1 предопределяет необходимость перемещения литой полосы в сторону выработанного пространства для предотвращения скола породного уступа бермы штрека. В то же время возможны ситуации, когда литая полоса по технологическим причинам возводится непосредственно у стенки выработки, вызывая при этом скол уступа. В таких случаях для повышения устойчивости уступа к нему следует приложить горизонтальное усилие р, которое препятствовало бы сколу и перемещению в выработку. Это усилие может быть определено из условия равновесия уступа по формуле

где Т₁ и N₁ — соответственно касательная и нормальная составляющие сдвигающих усилий;

F_п — удерживающее усилие, создаваемое сцеплением пород;

a — угол между Т и Q; он равен углу между плоскостью скольжения и вертикальной линией. Расчеты коэффициентов устойчивости породных уступов при охране выработки литой полосой производились с помощью ЭВМ для следующих горно-геологических условий: породы почвы — глинистый сланец (угол внутреннего трения (р = 19°, коэффициент сцепления пород в массиве с=10,6 МПа), песчано-глинистый сланец (ф == 23° с = 13,2 МПа), песчанистый сланец (ф = 26°, с=18,7 МПа), высота подрывки Н составляет 0,5; 1; 1,5 м; нагрузка на околоштрековую полосу 4,5 ... 15 МП/м. Результаты расчетов дают возможность проанализировать случаи, в которых возможна потеря устойчивости уступа при охране выработки литой жесткой полосой, и определить меры, препятствующие этому явлению. Оказалось, что минимальный коэффициент устойчивости для критических плоскостей скольжения зависит от свойств пород, нагрузки на полосу и от высоты подрывки пласта. С увеличением высоты возрастают значения k для плоскостей скольжения, проходящих через основание уступа. Так, изменение высоты с 0,5 до 1,5 м в глинистых сланцах приводит к росту k в 1,7 раза независимо от величины нагрузки. При одной и той же высоте подрывки для глинистых сланцев потеря устойчивости породного уступа –

Таблица 1

наступает при меньшей нагрузке (4,5 МН/м), чем для песчано-глинистый (6 МН/м) и песчанистых сланцев (8 МН/м). Развитие деформирования уступа происходит по плоскостям скольжения, при ориентированным под углом а == 4... 20° в направлении к выработанному пространству лавы, достигая своего критического положения, соответствующего плоскости со значением k == 1. С увеличением нагрузки на околоштрековую полосу угол ориентации уменьшается, т. е. в первоначальный момент скол происходит меньшей части уступа.

Рис. 2. Графики зависимости удерживающего усилия р_мах от расстояния l литой полосы I бровки уступа при различных нагрузках: 1, 2, 3 и 4 — соответствен 8, 10, 12 и 15 МН/м; I область, в которой р_м. обеспечивается отпором крепи АП с плотностью установки одна рама на 1 м выработки; II — то же, в сочетании с анкерами (два анкера на 1 м); 111—то же в сочетании с тампонажем закрепного пространства.

Расчеты показали, что максимальное удерживающее усилие обеспечивающее устойчивость породного уступа, не соответствует критической плоскости скольжения. С учетом требующихся величин р можно определить область рационального применен металлической арочной крепи из спецпрофиля и способов усиления, гарантирующих устойчивость породного уступа при расположении литой полосы у стенки выработки. Для этого необходимо знать отпор крепи в самостоятельном виде и комбинации с усиливающими элементами — анкерами, упрочняющими уступ, или заполнением закрепного пространства (тампонажем) твердеющими материалами. С достаточным запасом можно принять отпор крепи из СВП-27, испытывающей боковое давление, 70 кН; отпор анкеров 30—60 кН; породобетонной оболочки, образующейся при тампонаже, 1—2MН

Примечание. В числителе — для пород почвы, представленной глинистым сланцем, в знаменателе — песчано-глинистым сланцем.