УДК 622 833

С ростом глубины разработки угольных пластов интенсифицируется пучение почвы подготовительных выработок. Пучение особенно велико, когда выработка испытывает влияние опорного давления в нескольких зонах, что имеет место при повторном использовании.

Вне зоны влияния очистных работ пучение почвы, представленной глинистыми и песчанистыми сланцами, происходит в результате упруго-вязко-пластического деформирования и увеличения объема пород при разрушении. Это вызывает образование в почве зон неупругих деформаций и разрушения, размеры которых возрастают во времени и приводят к пучению пород почвы до 500 мм и более. Зона разрушенных пород в почве выработки может достигать 5—6 м, а коэффициент расширения пород 1,06—1,1. Со временем скорости смещений пород почвы уменьшаются либо пучение прекращается. В зоне влияния опорного давления лавы пучение интенсифицируется. Максимальные скорости смещений кровли и почвы наблюдаются на некотором (от 5 до 30 м) расстоянии позади лавы, после чего они уменьшаются. В этой зоне смещения почвы достигают значительных величин (более 1000 м), требующих подрывки почвы, коэффициенты расширения пород почвы 1,1—1,15, а зона разрушенных пород— 10 м.

Предлагается способ предотвращения пучения почвы в подготовительных выработках. Порода, заполняющая площадь сечения выработки в процессе пучения, извлекается погрузочной машиной во время проведения выработки. При этом происходит мгновенное расширение пород с помощью взрывных работ. Разрушенная почва и массив пород, окружающие выработку, разгружаются от напряжения. Для предотвращения пучения разрушенных пород в выработку на почву укладываются лежни и устанавливаются гидравлические стойки сопротивлением 20—40 те на 1 м выработки. Разрушенные породы почвы в данном случае играют роль демпфера. Все работы по взрыванию производятся одновременно с проведением выработки и представляют собой единый технологический процесс. Апробирование способа проводилось на шахте "Лесная" объединения Торезантрацит в 14-м восточном откаточном штреке пласта h₅ на глубине более 750 м. Пласт имеет мощность 1,32 м и угол падения 15—20°; кровля его—песчанистый сланец мощностью 19 м и крепостью около 6, переходящий в глинистый сланец мощностью 7 м. Почва пласта представлена песчанистым сланцем мощностью 4—5 м, ниже которого залегают пласт угля мощностью 0,2—0,35 м, песчаник 0,9 м, песчаный сланец 4,5 м и песчаник 3 м. Выработка площадью сечения всвету 10,4 м² проводится буровзрывным способом с верхней и нижней подрывкой породы. Крепь выработки арочная, трехзвенная ЛП-11,2. Расстояние между рамами крепи 1 м. Выработка охраняется целиком угля шириной 30 м. Длина столба более 2 км.

Наблюдения за пучением почвы в 14-м восточном откаточном штреке проводилось одновременно на двух участках: контрольном (без применения мероприятий по предотвращению пучения) и опытном, где был апробирован способ. На контрольном участке наблюдения проводились с помощью контурных и глубинных реперных станций, установленных вслед за подвиганием выработки в 3 м от забоя со стороны массива УГЛЯ, по оси выработки и со стороны целика угля. Выявлено, что интенсивное смещение почвы имело место на участке длиной 50 м. Смещения почвы в 125 м от забоя по оси выработки составили 114 мм, со стороны целика—146 мм и со стороны массива угля — 64 мм.

Глубинная реперная станция установлена впереди очистного забоя в 150 м от него, глубинные репера—в почве выработки на глубине 1; 1,5; 2; 3; 4. 6; 8 и 10 м, контурные репера—также со стороны массива угля и целика. Увеличение скорости смещения было отмечено в 32 м от лавы. Смещения контура почвы на сопряжении с лавой составили 377 мм. На сопряжении с лавой смещения распространились в глубь массива на 4 м, причем смещения контура на 69% были обусловлены расширением двухметрового слоя. Метровый слой расширился на 167 мм и коэффициент его расширения составил 1,167. Затухание скорости смещений наблюдается в 29 м позади лавы, смещения контура достигли 685 мм, а деформация пород распространилась более чем на 8 м в глубь массива. Смещения вследствие расширения соответственно двух- и четырехметрового слоев составили 255 и 450 мм при коэффициентах расширения слоев 1,122 и 1,112. Расширение слоя на глубине 4—8 м равнялось 190 мм, т. е. коэффициент расширения К_у = 1,047. В зоне неупругих деформаций размером 8 м для почвы К_у= 1,081. Смещений репера на глубине 10 м не зафиксировано. На сопряжении с очистным забоем смещения почвы со стороны целика составили 536 мм, по OCR выработки 377 и со стороны массива 257 мм. В 46 м позади очистного забоя эти смещения достигли соответственно 813, 711 и 633 мм. Неравномерное поднятие почвы по ширине выработки приводит к неравномерному поднятию ножек арочной крепи. Смещения в узлах податливости, связанные с поднятием ножек крепи на сопряжении с лавой, со стороны массива и целика составили соответственно 15 и 40 мм. В 46 м позади лавы эти величины равны 185 и 290 мм. Наблюдения за глубинными реперами в кровле выработки показали, что кровля начала смещаться в 6,5 м от очистного забоя. На сопряжении лавы с выработкой смещения реперов были соответственно 4, 24, 13, 8, 10, 9, 6 и 1 мм. В 46 м позади лавы те же репера сместились на 28, 44, 33, 24, 27, 21, 13 и 9 мм. Коэффициенты расширения двух- и четырехметрового слоя пород кровли составили около 1. Весь десятиметровый слой имел коэффициент расширения 1.002.

Наблюдения показали, что при залегании в кровле крупнослоистого песчанистого сланца крепостью 6 зона разрушения порол у контура выработки имеет небольшие размеры (1—2 м), а смещения в основном являются следствием деформаций упругости и ползучести. Таким образом, большинство смещений почвы подготовительной выработки происходит из-за расширения пород в зоне, примыкающей к контуру.

Технические мероприятия по снижению пучения почвы осуществляются одновременно с операциями по проведению выработки буровзрывным способом. На рис. 1 показана технологическая схема проведения 14-го восточного откаточного штрека с последующим усилением крепи гидравлическими стойками. Шпуры 1—6 используются для проведения выработки в обычных условиях, 7—8 — для образования в ее почве искусственной зоны разрушенных пород. Шпуры по углю бурились электрическим сверлом СЭР-19м, а по породе колонковым электробуром ЭБГП-1М, который устанавливался на погрузочной машине с помощью манипуляторов МПН-1. Для взрывания применялся аммонит Т-19 и электродетонаторы ЭДКЗОП и ЭДКЗГМ. Породу грузили в вагонетки ковшовой машиной 1ППМ-5.

Для предотвращения выдавливания разрушенных пород и их сжатия в процессе деформирования в зоне опорного давления впереди очистного забоя возводилась усиливающая крепь из гидравлических стоек ГСК-17. Стойки устанавливались под арку и на опорную плиту со стороны почвы в 30—35 м впереди очистного забоя и снимались в 30—35 м позади него.

Рис. 1. Технологическая схема проведения выработки по пучащим породам с последующим усилением крепи гидравлическими стойками в зоне влияния очистного забоя: 1, 2, 3, 4, 5, 6—шпуры, обеспечивающие площадь проектного сечения выработки и заходки за цикл; 7, 8 — шпуры, предназначенные для искусственного образования в забое выработки зоны разрушенных пород; 9 — электробур ЭБГП-1; 10—навесное оборудование: 11—породопогрузочная машина 1ППМ-6; 12— гидравлическая стойка ГСК-17; 13 — опорная плита; а, б и в — зоны искусственно разрушенных пород почвы, интенсивного проявления горного давления и временного опорного давления очистного забоя.

Рис. 2. Экспериментальный паспорт буровзрывных работ” 14-го восточного откаточного штрека шахты “Лесная” объединения Торезатрацит.

Чтобы определить параметры буровзрывных работ, бурение шпуров в почву осуществлялось под разными углами (25, 30, 45 и 65°). При этом, чем меньше углы наклона шпура, тем меньше глубина зоны разрушенных пород. Для углов наклона 25-30° глубина зоны разрушенных пород составляла 1 м, длина экспериментального участка с такими параметрами буровзрывных работ—8 м. Па втором участке шпуры бурились под углами 45—65° и глубина зоны разрушенных пород равнялась 1,8 м. Па экспериментальном участке, где шпуры располагались под углами 25—30°, наиболее интенсивный рост смещений наблюдался позади лавы на участке длиной около 30 м. Здесь смещения со стороны целика составили 127 мм, по оси выработки 107 и со стороны массива 92 мм. В дальнейшем смещения почвы практически прекратились. На втором экспериментальном участке в 20 м позади лавы при глубине шпуров 1,8 м смещения практически прекратились, со стороны целика на расстоянии 80 м позади лавы они составили 123 мм, по оси выработки—116 и со стороны массива— 111 мм. Дальнейшее увеличение глубины зоны искусственного разрушения не привело к снижению смещений почвы. Для проведения последующих экспериментов принят паспорт буровзрывных работ (рис. 2). Расстояние между шпурами по породе в плане 0,3—0,35 м. На экспериментальном участке (протяженность 50 м) в 180 м от лавы была сооружена глубинная реперная станция. Наблюдениями установлено, что смещения почвы на сопряжении с лавой достигли 109 мм, в 42 м позади ее 126 мм, коэффициент расширения пород четырехметровой толщи соответственно 1,045 и 1,012. Уменьшение коэффициента расширения пород позади очистного забоя является следствием роста сопротивления гидравлических стоек до номинального. Сравнение смещений на экспериментальном и контрольном участках показало, что на сопряжении лапы со штреком и в 40 м позади нее смещения были уменьшены соответственно в 3,4 и 5,6 раза.

Рис. 3. Зависимости изменения смещений в глубь массива пород почвы 14-го восточного откаточного штрека.

Усиливающая крепь наибольшее влияние оказала на трехметровый слой у контура выработки. Смешения реперов, удаленных от контура на расстояние l свыше 3 м, на контрольном и опытном участках примерно одинаковы (реперы на глубине 4 и 6 м). Изменение смещений 6 в глубь массива на экспериментальном (кривая 1) и контрольном участках (кривая 2) в 29 м позади лавы показано на рис. 3. Разгрузка почвы взрывным способом и применение усиливающих крепей из гидравлических стоек уменьшают не только коэффициент расширения пород, но и размер зоны неупругих деформаций. Таким образом, разгрузка пород почвы буровзрывным способом с последующим применением усиливающих крепей является эффективным способом снижения пучения почвы подготовительных выработок, экономический эффект от внедрения которого составляет 30—35 руб. на 1 м выработки. Данный способ борьбы с пучением почвы приемлем в основном для пород антрацитовых пластов (породы высокой степени метаморфизации и малоразмокаемы) и может быть использован в выработках, проводимых вне зоны влияния очистных работ, или в выработках, проходимых за очистном забоем и впоследствии поддерживаемых усиливающей крепью в зонах опорного давления. Способ проведения выработок буровзрывной; площадь поперечного сечения любая; крепь выработок арочная или трапециевидная, металлическая; угол наклона шпуров 45—65°. Установка усиливающих крепей производится на металлические лежни или опоры в зоне интенсивного проявления горного давления (b=35...40 м). Усиливающая крепь снимается в 30—40 м позади очистного забоя. Для выработок, проводимых вслед за ним, усиливающая крепь возводится сразу за породопогрузочной машиной либо скрепером и снимается на таком же расстоянии, как и в первом случае.