УДК 622.267.3

0 ВЕРТИКАЛЬНОЙ КОНВЕРГЕНЦИИ ПОРОД В ВЫРАБОТКАХ В УСЛОВИЯХ СЛАБОЙ ПОЧВЫ

1 О. В. КОЛОКОЛОВ, д-р техн. наук (ДГИ)Ю,Д. В. ШМИГОЛЬ, инж. (Объединение Павлоградуголь), Ю. М. ХАЛИМЕНДИК, канд. техн. наук (Шахта им. Героев космоса)

На шахтах Западного Донбасса горное давление вызывает деформацию крепи вследствие вертикальной конвергенции пород в выработках. При столбовых системах разработки на глубине более 300 м конвергенция носит интенсивный характер, часто приводит к исчерпанию податливости арочной крепи и потере устойчивости выработок, еще находящихся вне зоны влияния очистных работ. В слабых боковых породах, характеризующихся низким сопротивлением вдавливанию, стойки крепи внедряются в почву. Это явление исследовалось нами на шахтах им. Героев космоса и им. Ленинского комсомола Украины объединения Павлоградуголь в следующих горно-геологических условиях: глубина расположения выработок H=300... 600 м, мощность пластов m=0,65... 1,2 м, угол падения a=2...5°. предел прочности углей на одноосное сжатие s _сж=30... 35 МПа, что в целом выше прочности вмещающих пород. Непосредственная почва — аргиллит типа кучерявчик (m=0,1...0,9 м, s _сж =6...9 МПа), ниже—аргиллито-алевроли-товая толща (s _сж =10 ...25 МПа) с прослоями песчаника (m==0,1 ... 2,5 м, s _сж ==20 ... 35 МПа) или пропластками угля; непосредственная кровля (т до 1 м) представлена аргиллитами (s _сж=10... 15 МПа) или алевролитами (s _сж =18... 30 МПа), основная—аргиллито-алевролитовой толщей (s _сж = 15 ... 35 МПа) с прослоями угля или песчаника. Выработки площадью сечения всвету 9,2 и 11,2 м², оконтуривающие выемочные столбы, проводятся комбайнами с подрывкой пород и креплением податливыми арками из СВП-19 и СВП-22. Для уменьшения податливости крепи в замках устанавливается упорная скоба. На концах стоек приварены диафрагмы по сечению желоба спецпрофиля [I]. Срок службы выемочных штреков 3—5 лет.

Наибольшая скорость вертикальной конвергенции по подготовительных выработках наблюдалась в первые после их проведения. Например, начальная скорость; почвы составляла v_п=°35...50 мм/сут, скорость смещения кровли v_к=25...40 мм/сут. Через 3—4 сут скорости уменьшились соответственно до 8—16 и 5—12 мм/сут.

Таким образом, процесс деформирования пород начинается непосредственно за забоем выработки и, следовательно, ее согласно классификации можно от к третьему типу деформирования [2]. Смещение пород вслед за проведением выработок предопределяет то, что работа крепи в податливом режиме начин уже в 3—5 м от забоя. Одновременно со смещением элементов крепи в замках происходит внедрение стоек в почву.

Рис. 1. Графики пучения пород почвы (кривые 1), внедрения крепи (2) в почву и смещения в замках (3) во времени t: сплошные кривые — 802-й сборный штрек (шахта им. Ленинского комсомола Украины); штриховая, штрих-пунктирная и пунктирная — соответственно 1019-й сборный, 1116-й и 1141-й бортовые штреки шахты им. Героев космоса.

Примечания. 1. Приведены средние величины и среднеквадратические отклонения.

2. Знаки ± означают возможную величину отклонения от среднего значения, полученного при обработке результатов измерений методами математической статистики.

Анализ графиков (рис. 1) показывает, что внедрение крепи в почву, как и пучение, можно разделить на периоды Т интенсивного и установившегося смещения; продолжительность первого периода составляет 16—28.сут, второго практически соизмерима со сроком службы выработок. В течение первого периода крепь внедряется в почву скачкообразно и неравномерно от арки к арке, изменчивость равняется 20— 30%; во втором периоде процесс происходит более равномерно и с меньшей скоростью. Характерно, что величина внедрения крепи в почву во всех выработках была больше смещения в замках в первом и во втором периодах. Данное обстоятельство объясняется тем, что наличие упорной скобы делает крепь ограниченно податливой и податливость ее реализуется преимущественно за счет внедрения стоек в почву. Величины внедрения крепи и пучения почвы зависят от прочности пород и глубины залегания (см. таблицу) ; чем больше глубина и меньше прочность, тем сильнее внедряется крепь. Так, на глубине 360 м внедрение равнялось 39—71 мм в конце первого периода (за 16 сут) и 75—125 мм во втором (за 180 сут), на глубине 540 м — соответственно 104—154 мм (за 28 сут) и 140—210 мм (за 180 сут). Наибольшая доля в общей вертикальной конвергенции выработок приходится на пучение пород, а величины внедрения крепи в почву и смещения в замках практически соизмеримы. Например, по истечении одного года общая вертикальная конвергенция исследуемых выработок составила: от пучения почвы 60—70%, от внедрения крепи в почву 17—25% и от смещения в замках 13—20%.

Итак, в условиях слабых боковых пород общая величина податливости трехзвенной арки за счет внедрения в почву может превышать податливость самой крепи (300 мм) и достигать 600 мм, что соответствует конструктивной податливости пятизвенной арочной крепи. В данных условиях для предотвращения внедрения крепи в почву традиционно увеличивали площадь опоры, например, с помощью наваренных подпятников. На практике при погашении штреков извлечение стоек затруднялось из-за защемления подпятников в почве.

Чтобы обеспечить нормальные условия эксплуатации подготовительных выработок на шахтах объединения Павлоградуголь, была предложена крепь с ограниченно податливым замком (упорная скоба на верхняке) и удлиненными стойками на 500 мм [3]. Дополнительная податливость достигается за счет внедрения стоек в почву. Опыт применения крепи с удлиненными стойками себя оправдал. Штреки, которые были закреплены, не подрывались после окончания проходки. В течение 1984—1985 гг. на шахтах им. Героев космоса и им. Ленинского комсомола Украины установлено около 15 тыс. комплектов крепи с удлиненными стойками.

Использование отрицательного явления — внедрения стоек крепи в почву выработок — позволило применить трехзвенную крепь вместо пятизвенной, а удлинение стоек — увеличить межремонтный срок поддержания выработок.

1. Унифицированные типовые сечения горных выработок: Справ, изд. в 3-х т. — К.: Буд1вельник, 1971. — Т. 1. — 415 с.

2. Черняк И. Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок. — М.: Недра, 1978. — 238 с.

3. Шмиголь А. В., Данилов Б. Г., Халимендик Ю. М. Опыт использования податливой арочной крепи с удлиненной стойкой, — Донецк: ЦБНТИ , Минуглепрома УССР, 1984. — 3 с. I