ОЦЕНКА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЭФФЕКТА ЛОКАЛЬНОЙ РАЗГРУЗКИ ПОРОД ПОЧВЫ ВЫРАБОТОК ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ ДЛИТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ.

Ю.А.Петренко, А.О.Новиков, А.В.Захаренко, С.В.Захаренко (ДонГТУ, г. Донецк, Украина).

В настоящее время, в условиях продолжающегося экономического спада, добыча угля и количество действующих очистных забоев только по ГХК "Донуголь" по сравнению с 1991 годом снизились в 2 раза.

Анализ состояния горных работ показал, что в последнее время наметилась тенденция к росту протяженности поддерживаемых горных выработок приходящихся на 1 тонну добы-чи (со 150,4 до 199,5 км/млн. тонн) при снижении объемов их проведения (с 7,76 до 3,57 % от их общей протяженности). Такое положение объясняется снижением темпов подвигания очистных работ, а следовательно, приводит к увеличению сроков службы выработок. В свою очередь это вызывает рост протяженности выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии (с 13,5 до 31,9 % от их общей протяженности). При этом в 70 % случаев неудовле-творительное состояние выработок связано с пучением пород почвы. В тоже время следует отметить, что за последние 6 лет наблюдается снижение объема ремонта горных выработок (с 5,8 до 2,4 % от их общей протяженности).

Учитывая существующее финансирование угольных предприятий, наиболее перспективным направлением повышения устойчивости горных выработок является увеличение объемов своевременного применения способов охраны на основе использования несущей способности породного массива. Эти способы не требуют больших материальных и трудовых затрат, но позволяют существенно уменьшить смещения контура выработки. Наиболее актуально это для повышения устойчивости пород почвы, где основным способом борьбы с пучением является подрывка.

В настоящее время одним из наиболее эффективных и перспективных способов борьбы с пучением является локальная разгрузка пород почвы. На основе этого принципа в последние годы разработан ряд способов охраны, таких как: взрыво-щелевая разгрузка, способ компенсационных щелей, активная разгрузка и последующее упрочнение, скважинная раз-грузка и т.д.

Проведенные многочисленные исследования позволили установить механизм действия этих способов и обосновать их параметры, а опыт применения показал, что они позво-ляют снизить величину пучения в 2-3 раза. Вместе с тем этот же опыт показывает, что продолжительность действия этих способов во времени ограничена. Анализ литературных ис-точников подтвердил, исследования данного вопроса не проводились.

В этой связи были проведены лабораторные эксперименты на моделях из эквивалентных материалов. Моделировались две выработки - экспериментальная и контрольная. В экспериментальной выработке имитировалась взрыво-щелевая разгрузка почвы. Обработка ре-зультатов измерений перемещений реперов в почве экспериментальной выработки (рис.1) позволила установить следующий характер деформирования пород: в период наблюдений до 4-х месяцев (предположительное время действия локальной разгрузки) смещения пород ме-жду 0-ым и 2-ым реперами минимальны (до 75 мм). При этом величины перемещений 1-го и 2-го реперов практически равны, а значение коэффициента разрыхления изменяется в преде-лах от 1.003 до 1.012. Это свидетельствует о том, что разрушение пород почвы между ними не происходит. Плавное их поднятие на указанную величину осуществляется за счет разру-шения пород между 2-ым и 3-им реперами на уровне расположения заряда ВВ в разгрузоч-ных шпурах, о чем свидетельствует значение kр=1.015.

При этом к концу 3-го месяца наблюдений на участке между 2-ым и 3-им реперами наблюдается выравнивание коэффициента разрыхления. Как видно из диаграммы изменения kр этот процесс протекает следующим образом: на участке между 0-ым и 1-ым реперами и между 2-ым и 3-им реперами коэффициент разрыхления увеличивается соответственно с 1.003 до 1.013 и с 1.013 до 1.015. Таким образом, на контуре выработки разрушение проис-ходит более интенсивно, чем в глубине массива.

В это же время на участке между 1-ым и 2-ым реперами наблюдается уменьшение kр с 1.014 до 1.012, вызванное уплотнением пород за счет роста коэффициента разрыхления на смежных участках.

На конец 4-го месяца наблюдений динамика разрушений изменяется и носит следую-щий характер: наблюдается рост kр на всех участках между реперами. При этом на участке между 1-ым и 2-ым реперами коэффициент разрыхления растет более интенсивно (с 1.012 до 1.032), чем между 0-ым и 1-ым (с 1.013 до 1.015) и 2-ым и 3-им (с 1.015 до 1.019). Следовательно, разрушение пород начинает развиваться более интенсивно в направлении из глубины массива к контуру выработки, а это свидетельствует о начале окончания эффекта разгрузки. Это также подтверждается и графиками смещений глубинных реперов, где смещения конту-ра выработки увеличились с 50 до 80 мм, а 1-го репера с 40 до 70 мм. Такой же характер де-формирования пород почвы, но с большей интенсивностью, сохранялся до 5-го месяца на-блюдений. В этот же период наблюдалось резкое увеличение kр между 0-ым и 1-ым реперами в боках выработки (с 1.112 до 1.150) и резки рост смещений кон контура (со 130 до 185 мм).

В промежутке между 5-ым и 6-ым месяцами наблюдений происходит рост kр между 0-ым и 1-ым реперами, что приводит к выравниванию коэффициента разрыхления между 0-ым и 2-ым реперами. Это свидетельствует об окончании эффекта разгрузки. На графиках сме-щений глубинных реперов в почве появляется резкий перегиб, что говорит об интенсивном расслоении пород.

Учитывая, что к этому моменту времени эффект разгрузки в боках уже себя исчерпал, можно объяснить образование складок в почве, вызванное ростом горизонтальных подвижек пород на ее уровне. Дальнейшие наблюдения показали, что смещения достигнув величины 450 мм стабилизировались.

Характер деформирования пород почвы в контрольной выработке (рис.2) в течение всего периода отработки модели следующий: максимальные смещения пород фиксировались на контуре выработки (между 0-ым и 1-ым реперами) и по мере удаления в глубь массива затухали. При этом пучение пород почвы в виде складкообразования наблюдалось уже в течение 1-го месяца и в дальнейшем характер не менялся.

Установленный механизм позволяет сделать вывод о том, что для обеспечения дальнейшей устойчивости пород почвы необходимо к моменту окончания эффекта ВЩР вновь применить локальное мероприятие, обеспечивающее предупреждение эффекта складкообра-зования (2-й этап поддержания). В частности, в качестве такого мероприятия можно исполь-зовать способ компенсационных щелей.

Для установления момента окончания положительного действия ВЩР на практике было предложено в качестве критерия своевременности применения мероприятий 2-го этапа использовать величину конвергенции контура на момент начала конца эффекта.

Обработка результатов лабораторных исследований методами математической статистики, позволила получить зависимость величины критической конвергенции от горнотехнических условий сооружения выработки, которая имеет следующий вид:

где Uкр - критическая конвергенция, м; В - ширина выработки, м; gH/s_сж - критерий устойчи-вости.

Время реализации этих смещений, следовательно, и время применения способов ох-раны второго этапа экспериментально определить довольно сложно, учитывая разнообразие горно-геологических и технических условий. Поэтому была решена аналитическая задача, которая позволяет в первом приближении вычислить данный параметр. Решение производи-лось с учетом перераспределения напряжений во время разрушения любого элемента масси-ва с помощью принципа линейного суммирования повреждений.

Полученные зависимости позволяют определить время применения охранных мероприятий в зависимости от глубины заложения выработки, ее размеров, прочности вмещающих пород, отпора крепи.

Учитывая сложность и трудоемкость вычислений по формулам, была разработана программа на ЭВМ для расчета времени образования зоны неупругих деформаций в зависи-мости от реализовавшихся смещений.

Для проверки полученных результатов исследований на шахте "Трудовская" ГХК "Донуголь" были оборудованы два экспериментальных участка.

Шахтные исследования включают в себя измерение смещений на контуре выработок и в глубине массива, контроль процесса трещинообразования с помощью радиоволнового шпурового прибора РВШ-4 и оптического прибора РВП-486.

В настоящее время наблюдения на замерных станциях продолжаются. Полученные же предварительные результаты полностью подтверждают ранее проведенные лабораторные и аналитические исследования.

© Ю.А.Петренко, А.О.Новиков, А.В.Захаренко, С.В.Захаренко