УЛК 622831.2

В. П. ЗУБОВ, канд. техн. наук (ЛГИ) К. Н. ЛАЗЧЕНКО, инж. (Шахта им. 50-летия Октября) А. А. ИВАНОВ, инж. (Ростовгипрошахт)

Процесс деформирования пород почвы в подготовительных выработках по пластам l⁶, I⁶_H, k⁵, k⁶ на шахтах объединения Гуковуголь исследован для таких горно-геологических условий: глубина расположения выработок 270—850 м, вынимаемая мощность пласта 1,2—1,48 м, угол падения 8—20°, предел прочности пород непосредственной почвы на одноосное сжатие 30—45 МПа. Непосредственная кровля — глинистые или песчано-глинистые сланцы (25... 60 МПа), основная — песчаники или известняки (80 ... 140 МПа); кровля относится ко второму типу по классификации ВУГИ. Непосредственная почва—глинистые или песчано-глинистые сланцы (мощность 0,3—2,9 м), основная—песчаники (80...100 МПа). Наблюдения проводились в выработках, оборудованных податливой металлической арочной крепью. К анализу принимались данные по тем выработкам, в которых не производилась подрывка пород почвы. Установлено, что в рассматриваемых горно-геологических условиях независимо от глубины ведения работ пучение является следствием двух одновременно протекающих процессов: выдавливания пород почвы из областей повышенных напряжений, расположенных под угольным массивом в боках выработок, и разрыхления пород почвы, связанного с возникновением в выдавливаемых породах трещин расслоения, параллельных плоскости напластования пород, и трещин разлома, пересекающих отдельные слои под углом к плоскости напластования. На характер деформирования почвы большое влияние оказывает ориентация выработки относительно линии простирания пласта. Например, в выработках, пройденных по простиранию, максимальная интенсивность пучения наблюдается со стороны восстания пласта. По мере удаления от точек с максимальными деформациями пучение постоянно уменьшается, достигая минимального значения в непосредственной близости от стенки выработки со стороны падения пласта. Во все периоды наблюдений величина пучения со стороны восстания в 1,2—1,9 раза больше, чем со стороны падения пласта. При этом с увеличением мощности пучащего слоя неравномерность деформирования почвы по ширине штрека уменьшается. В выработке, пройденной по падению, также отмечается неравномерность пучения по ширине пролета: посредине, как правило,— наибольшее значение, а у боков — наименьшее. На некоторых участках по длине выработок фиксировались разрывы пород почвы с возникновением раскрытых трещин, ориентированных в большинстве случаев параллельно или под некоторым углом к линии падения пласта. Величины пучения пород, установленные посередине пролета выработки и на расстоянии 0,5 м от се боков, отличаются в 1,1—1,6 раза. В процессе пучения пород почвы можно выделить два характерных периода (рис.1). Первый, сравнительно непродолжительный—это период интенсивного деформирования. Наиболее динамичное пучение наблюдается в выработках, пройденных по простиранию пласта с частичной подрывкой пучащихся пород. Коэффициенты вариации суточных скоростей пучения пород, определяемые в первые 10—20 сут после проведения выработок, достигают 50—60%. Второй—период установившегося деформирования характеризуется равномерным развитием пучения и незначительными изменениями его интенсивности во времени. Значения коэффициента вариации суточных скоростей пучения порол для данного периода, как правило, не превышают IS—20%.

Выделение двух периодов в процессе пучения пород почвы является условным. Продолжительность первого из таких периодов принималась равной времени t_п существования выработки, при превышении которого уменьшение суточной скорости пучения пород почвы за один месяц превышает 10%. Исследования показали, что первый период составляет 4—5 мес, второй—более 5—10 лет, т. е. процесс деформирования пород почвы при реально возможных сроках службы выработок можно считать практически незатухающим. Основными характеристиками пучения пород почвы в подготовительных выработках, представляющими интерес при решении вопросов, связанных с выбором способов их охраны и крепления являются: величина и скорость пучения пород в периоды интенсивного и установившегося деформирования; продолжительность периода интенсивного деформирования почвы; неравномерность пучения пород по ширине пролета выработки, характеризуемая соотношением максимальных и минимальных величин пучения, зафиксированных в сечении, перпендикулярном оси выработки.

Установлено, что с глубиной все перечисленные характеристики процесса пучения возрастают. При этом наиболее чувствительными к изменению глубины являются величины и скорости пучения пород. Так, при возрастании глубины с 270—350 м до 600—850 м средняя суточная скорость пучения в первый месяц после проведения выработки повышается в 2,5—4 раза в выработках, пройденных по простиранию пласта в нетронутом массиве, и в 2—3 раза в выработках, пройденных по падению пласта и охраняемых целиками угля.

Рис. 1. Динамика скоростей e _п (кривая t) и величин (кривая 2) пучения e _п пород почвы в подготовительных выработках (заштрихована область возможных значений скоростей пучения): e ^н_у, e ^к_у —установившаяся скорость пучения пород в начале периода установившегося деформирования и перед погашением выработки.

Скорости пучения e _у пород почвы, зафиксированные в период t_y ее установившегося деформирования (рис. 1), повышаются пропорционально глубине работ. Доля величины пучения e ^н_у пород почвы в период ее интенсивного деформирования увеличивается с 30—40% на глубине 270—350 м и до 50—65% на глубине 600—850 м от значения пучения пород за полтора года существования выработки, т. е. роль периода интенсивного пучения пород в процессе деформирования выработки возрастает по мере перехода горных работ на более глубокие горизонты.

Рост пучения почвы во время ее интенсивного деформирования связан главным образом с повышением начальных скоростей пучения пород e ₀ (рис, 1). Продолжительность периода t_н с увеличением глубины изменяется несущественно. Для крайних значений исследованного диапазона глубины (270 и 850 м) длительность периодов интенсивного деформирования отличается не более чем на 15—30 сут для выработок, пройденных по простиранию и на 30—45 сут для выработок, пройденных по падению пласта.

С глубиной неравномерность пучения по ширине пролета выработки возрастает, причем наиболее резко в выработках, пройденных по простиранию пласта с частичной подрывкой слоя пучащих пород. Соотношение максимальных и минимальных величин пучения пород, зафиксированных по ширине пролета, для данной группы выработок повышается с 1,1—1,3 м на глубине 270—350 м до 1.5—1,9 м на глубине 700—850 м. Для выработок, пройденных по падению, соотношение указанных величин изменяется от 1,1—1,2 до 1,4—1,6 м. Чтобы дать относительную оценку величинам пучения пород почвы как фактору, определяющему устойчивость выработок и объемы работ по их перекреплению, изучено влияние глубины разработки на соотношение величин пучения e _п пород почвы и опускания кровли за соответствующие периоды существования выработки. Как следует из графика (рис. 2), с глубиной доля e _п в общем сближении пород кровли и почвы выработок постоянно увеличивается (в пределах рассмотренного диапазона изменения глубины расположения выработок от 20 до 80%). Предельные глубины, на которых наблюдается примерное равенство значений опускания пород кровли и пучения пород почвы, составляют: 350—450 м — для выработок, пройденных в нетронутом массиве по простиранию пласта; 450—550 м — для выработок, пройденных по падению пласта и охраняемых по схеме целик— целик.

Рис, 2. Влияние глубины Н разработки на величину пучения пород почвы в подготовительных выработках: e _{п, e к} — соответственно величины пучения пород почвы и опускания кровли; Н_пр, Н^"_пр — предельные глубины для горизонтальных н наклонных выработок; 1 — для выработок. пройденных по простиранию в нетронутом массиве; 2 — для выработок, пройденных по падению пласта и при способе охраны целик — целик.

Выводы. Увеличение глубины разработки приводит к возрастанию основных характеристик процесса деформирования пород почвы в подготовительных выработках: начальной и установившейся скоростей пучения, продолжительности периода интенсивного деформирования, неравномерности пучения, но ширине пролета выработки. Основным видом деформации, определяющим объем ремонтных работ и устойчивость выработок, пройденных на больших глубинах, является пучение, величина которого достигает 60—80% от сближения пород кровли и почвы выработок. Этот факт заслуживает особого внимания при решении вопросов, связанных с выбором способов охраны основных подготовительных выработок на глубоких горизонтах действующих и проектируемых шахт.