При разработке сближенных пластов подготови-тельные выработки испытывают вредное влияние подра-ботки и надработки. Степень этого влияния зависит в основном от расположения вы-работок относительно границ подрабатывающей или надра-батывающей лавы. Для выбора места расположения подготовительных выработок при их подработке или надработке были проведены специальные исследования на шести моделях из эквивалентных материалов и произведен анализ фактических затрат на ремонт выработок.

Модели имитировали разрез толщи пород вкрест простирания. Материал их подобран по средним физико-механическим характеристикам горных пород Донбасса. Мощность каждого из трех воспроизводимых пластов составляла 1 м (рис. 60). Расстояние между пластами по нормали в мо-делях № 14-17 принято 46,5 м, угол падения пластов - 21°, в моделях № 42 и 43 - соответственно 30 м и 15°. В моделях № 14-17 в каждом пласте отрабатывали по од-ной лаве длиной 100 м, в моделях № 42 и 43 - длиной по 150 м. Откаточные штреки со стороны выработанного пространства защищены целиками угля шириной 10 м. Очистные выработки в моделях № 14 и 15 расположены по вертикали, в моделях № 16 и 17 - по нормали и в моде-лях № 42 и 43 - по горизонтали. Порядок отработки пластов в моделях был принят следующим: № 14 и 16 - нисходящий, № 17 - восходящий, № 15, 42 и 43 - комбинированный, т. е. вначале отрабатывалась лава среднего пласта, затем лавы в нижнем и верхнем. Помимо влияния подработки и надработки, на данных моделях было иссле-довано влияние очередности отработки пластов в свите на устойчивость подготовительных выработок.

Критерием оценки влияния очистных работ на подготовительные выработки принята разность смещений репе-ров в кровле и почве пласта в зонах опорного давления или дополнительное сжатие пласта и боковых пород в месте расположения подготовительных выработок. На каждой модели устанавливалась величина сжатия пласта и боковых пород в месте расположения подготовительных выработок при разработке этого же пласта и затем смежного. При сравнении этих величин принималось, что если сбли-жение почвы и кровли пласта в месте расположения подготовительных выработок при отработке лавы в смежном пласте больше, чем при выемке лавы в том же пласте, по которому они пройдены, значит и влияние, оказываемое этой лавой на устойчивость выработок, большее.

В натурных условиях влияние подработки и надработки на устойчивость подготовительных выработок определялось методом сравнения затрат на их поддержание. Всего было отобрано 134 выработки, которые поддерживали в различных горнотехнических условиях. В качестве показа-теля влияния подработки или надработки принято отношение затрат на ремонт выработки при подработке или надработке ее к затратам на ремонт такой же выработки в том же шахтопласте при отсутствии влияния подработки или над-работки (степень влияния подработки и надработки).

Подработка выработок бывает полной и неполной. Сущность ее влияния заключается в том, что при выемке угля в толще окружающих пород образуются зоны разгрузки и повышенных напряжений. Они распространяются на большие расстояния и оказывают существенное влияние на подготовительные выработки соседних пластов. По данным исследований [331, впереди забоя лавы влияние подработки прослеживается на расстоянии до 50 м (рис. 61).

Максимальное сжатие наблюдается на расстоянии 5 м впереди забоя лавы. После прохождения лавы происходит расширение пласта, которое по величине превышает сжатие, вызванное действием опорного давления впереди забоя. Далее вновь начинается сжатие пласта, заканчивающееся на расстоянии 80-120 м позади забоя. Следовательно, по простиранию в подрабатываемой толще выделяются три основные зоны измененного напряженного состояния пласта и пород: сжатия на расстоянии 40-50 м впереди забоя лавы; разгрузки, которая начинается в 5- 10 м впереди забоя лавы и распространяется до 25-40 м позади забоя; уплотнения опускающихся пород, начинаю-щиеся в 25-40 м и заканчивающиеся в 80-120 м позади забоя подрабатывающей лавы

С увеличением расстояния между пластами влияние подработки сказывается в меньшей степени. Практически вредное влияние полной подработки затухает на расстоянии 100-150 м от вынимаемого пласта.

Итак, при полной подработке штрека только участок. его длиной 100-160 м находится в зоне вредного влияния; большая часть штрека располагается над выработанным пространством в зоне разгрузки. Необходимо отметить, что полная подработка штрека наблюдается только при определённом расположении его относительно границ подрабатывающей лавы по восстанию и падению, т.е. при расположении штрека в зоне прогиба слоёв с разрывом их сплошности (см. рис. 24, зона II).

По данным опыта работы шахт установлено, что при полной подработке вентиляционных штреков затраты на их поддержание возрастают в 2,6 раза по сравнению с затратами, необходимыми для поддержания штреков, которые не испытывали влияния подработки. При полной подработке откаточных штреков затраты на их поддержание увеличиваются в 2 раза.

При неполной подработке штрек располагается в зоне стационарного опорного давления подрабатывающей лавы. В данном случае он на всем протяжении и в течение всего срока службы испытывает повышенное давление. Влияние неполной подработки иногда сказывается на расстоянии до 200-250 м по нормали от подрабатывающего пласта.

При выборе места расположения штрека относительно границ подрабатывающей лавы при неполной подработке учитывается угол ф, заключенный между плоскостью, проходящей через ось рассматриваемого штрека и нижнюю границу подрабатывающей лавы и нормальной плоскостью, проходящей через эту же границу (рис. 62). Величина угла ф не зависит от угла падения пластов а. Чем больше угол ф, тем меньше влияние неполной подработки и лучше устойчивость штрека. При определенном значении этого угла влияние подработки вообще не будет сказываться на состоянии штрека, т. е. при ф = ф₀.

Анализ затрат на поддержание штреков при их неполной подработке показывает, что угол ф₀ в значительной мере зависит от расстояния между пластами и глубины разработки. На рис. 63 показана криволинейная зависимость угла ф₀ от расстояния между пластами по нормали а (рис. 63) ф₀ = 78 - 1,31а + 0,008а² град. (41)

Данная зависимость применима только при расстоянии между пластами по нормали 10-100 м, угле падения пластов до 25° и глубине разработки 250-300 м. При глубине разработки 400 м величина угла ф₀ в среднем на 5-7° больше. Уменьшение угла ф₀ с увеличением расстояния между пластами подтверждает впервые отмеченное предположение [97] о криволинейном распространении процесса сдвижения в толще пород.

Неполная подработка откаточных штреков приводит к увеличению затрат на их поддержание в среднем в 2,6-3,8 раза. Исследования на моделях показали, что при неполной подработке в зонах опорного давления подрабатываемого пласта происходит резкое увеличение сжатий пласта и боковых пород. Почти во всех случаях дополнительное сжатие при подработке в несколько раз превышает сжатие, наблюдаемое при выемке собственного пласта. Наибольшие величины сжатий наблюдались при расположении очистных выработок в одной вертикальной плоскости (модели № 14 и 15, рис. 60). Так, в модели № 14 откаточный штрек верхнего пласта Л в результате подработки егр лавой пласта Б попадает в зону интенсивного сжатия (рис. 64). Сближение реперов кровли и почвы в месте расположения штрека пласта А при этом достигло 180 мм. До подработки, т. е. только от выемки лавы в пла-сте А, сближение реперов равно 4 мм. Аналогичная картина наблюдалась в модели № 15 - величины сжатия при подработке в 10 раз превышали величины сжатия от выемки лавы в том же пласте (соответственно 200 и 20мм).

Расположение очистных выработок по нормали к напластованию (модель № 16, рис. 60) уменьшает вредное влияние неполной подработки на устойчивость подготовительных выработок. Сжатие пласта и пород в месте расположения откаточного штрека пласта при подработке его лавой пласта Б составило 110 мм, при выемке лавы пласта А -только 20 мм (рис. 65). Такая же картина наблюдалась в зоне опорного давления пласта Б после подработки его лавой пласта В. Сжатие в месте расположения откаточного штрека в пласте Б при выемке лавы в этом пласте и подработке лавой пласта В составило соответственно 10 и 55 мм.

Из графиков рис. 64 и 65 видно, что повторная подработка пласта А очистными работами пласта В приводит к незначительному увеличению деформаций сжатия в зонах опорного давления пласта А. Вместе расположения откаточного штрека пласта А сближение реперов кровли и почвы в моделях № 14 и 16 составляет соответственно 16 и 50 мм.

Если очистные выработки в пластах расположены по горизонтали (модели № 42 и 43, рис. 60), то влияние подработки не превышает влияния от выемки лавы в том же пласте, по которому пройдена выработка.

В зонах опорного давления по восстанию степень влияния подработки такая же, как и в зонах опорного давления по падению. Учитывая это, для обеспечения устойчивости вентиляционных штреков лавы в сближенных - пластах целесообразно располагать по горизонтали. После полной подработки штреки будут расположены в зонах разгрузки.

При исследованиях на плоских моделях из эквивалентных материалов не рассматривался процесс подработки как результат влияния движущегося очистного забоя. На моделях видны лишь последствия подработки на распределение смещений в зонах опорного давления по падению на большом удалении от подрабатывающего очистного забоя.

Степень вредного влияния неполной подработки n на устойчивость подготовительных выработок существенно зависит от расстояния между сближенными пластами по нормали а и мощности подрабатывающего пласта m, т. е. от кратности подработки К=a/m . Анализ фактических затрат на поддержание подрабатываемых штреков показывает, что при прочих равных условиях с увеличением кратности подработки степень влияния подработки уменьшается (рис. 66). Уравнение криволинейной регрессии (степень влияния подработки, т. е. отношение затрат на ремонт подрабатываемой выработки. к затратам при отсутствии подработки) п=0,35+28/К (42))

Корреляционное отношение данной зависимости равно: 0,89 ± 0,06. Она применима только для подрабатываемых штреков, которые отнесены от нижней границы подрабатывающей лавы, в сторону массива угля по падению, и при изменении кратности подработки от 10 до 40.

Аналогичное влияние неполной подработки на изменение отношения величин сжатия пласта и боковых пород - в зоне опорного давления в зависимости от расстояния, между пластами установлено на моделях из эквивалентных материалов.

Надработка выработок в практике разработки сближенных пластов встречается чаще и бывает полной и неполной. Механизм влияния надработки заключается в образовании зон опорного давления и разгрузки в надработанной толще пород (см. § 8). Вредное влияние надработки на подготовительные выработки сказывается в основном в зонах опорного давления.

Впереди движущегося очистного забоя (см. рис. 6l) опорное давление распространяется под некоторым углом в сторону массива угля и с удалением от пласта уменьшает-ся [4, 33]. Если выработка находится впереди надрабатывающего забоя, то она испытывает деформации сжатия, после прохождения забоя - деформации растяжения и, наконец, на значительном расстоянии от забоя, в зоне уплотнения пород - вновь деформации сжатия. Такая смена деформации изменяет механические свойства и нарушает связность пород, что ведет к уменьшению их прочности и увеличению давления на крепь выработки [72, 127].

По данным опыта работы шахт, влияние полной надработки на состояние подготовительных выработок в большинстве случаев сравнительно небольшое. Затраты на ремонт надрабатываемых штреков в среднем на l5-20% выше по сравнению с затратами на ремонт штреков, которые не испытывали влияния полной надработки. Анализ затрат на ремонт 47 надрабатываемых штреков показывает (рис. 67), что. условия полной надработки наблюдаются только при таком расположении их под выработанным пространством, когда угол между граничной плоскостью, проходящей через ось штрека и нижнюю границу надрабатывающей лавы, и нормальной плоскостью, проходящей через эту же границу, больше 45°. Аналогичные результаты приведены в работе Н. П. Бажина [5].

Неполная надработка проявляется при расположении штреков в зоне опорного давления надрабатывающей лавы. Затраты на их ремонт в данном случае в 2-3 раза выше, чем до надработки. Особенно большое влияние неполной надработки испытывают штреки при выемке в надрабатывающем пласте нижнего по падению этажа или яруса. Если в этих условиях штреки оказываются расположенными под межэтажными или межъярусными целиками угля, то они испытывают весьма большое опорное давление и часто поддерживать их в рабочем состоянии пра-ктически невозможно (см. § 5). Оставление в моделях из эквивалентных материалов межлавных целиков угля при-водило к образованию у границ целика разрывов пород в толще междупластья и к разрушению целиков и надрабатываемых выработок.

Влияние надработки на устойчивость штреков зависит в основном от глубины разработки, литологического состава толщи пород, мощности надрабатываемого пласта, устойчивости пород, вмещающих выработку, и типа крепи. В результате обработки затрат на ремонт штреков (рис. 68) установлено, что с увеличением глубины разработки степень влияния надработки возрастает. Уравнение криволинейной регрессии при корреляционном отношении 0,81 ± 0,07 (степень влияния надработки, т. е. отношение затрат на ремонт надрабатываемой выработки к затратам при отсутствии надработки) n1 = 4.9 - 1170/H (43)

Уравнение действительно при 300 м < H < 600 м.

В результате анализа затрат, приходящихся на ремонт штреков при надработке, установлено, что свыше 50% составляют затраты на подрывку почвы. Поэтому следует по возможности избегать надработки выработок, пройденных в слабых вмещающих породах.

Влияние надработки проявляется неодинаково по отдельным группам сближенных пластов. Так, в большей мере оно заметно при разработке пластов Горловской с⁷₂ и Смоляниновской с⁷₂ свит, несколько меньше - Алмазной с⁶₂ и совсем Малокаменской с⁵₂. В толще первых двух свит залегают мощные слои крепких песчаников, которые во время выемки угля зависают на больших площадях и создают большое опорное давление вблизи границ надрабатывающей лавы. Наименьшее количество мощных слоев песчаников имеется в толще Каменской свиты.

Подработка и надработка пластов мало сказывается на устойчивости штреков, пройденных в ранее подработанном или надработанном пласте.

Подработка сближенного пласта, т. е. восходящий порядок выемки пластов свиты, возможна при условии, если верхний пласт не попадает в зону беспорядочного обрушения пород над выработанным пространством нижнего пласта (см. § 8).

Для выяснения влияния подработки пласта на состояние " штреков, пройденных в предварительно подработанном пласте, были рассмотрены затраты на их поддержание. Для сравнения произведена также выборка затрат на поддержание штреков, которые пройдены по неподработанному пласту. В табл. 26 в качестве примера такие данные приведены по шахте "Анненская" треста "Кадиевуголь", разрабатывающей сближенные пласты l¹₂ и l₃. Откаточные штреки пласта /з пройдены узким забоем в породах средней устойчивости площадью сечения в свету, равной 7,7 м2, и закреплены деревянными рамами через 0,7 м. Способ охраны штреков - массив угля по падению и бутовая полоса со стороны выработанного пространства лавы. Расстояние между пластами l12 и /з по нормали равно 18 м, мощности их соответственно 1,4-1,8 м, и 0,95-1,05 м.

Из данных табл. 26 видно, что при прочих равных условиях стоимость поддержания штреков, пройденных над выработанным пространством пласта l¹₂ , в среднем на 16% ниже, чем при проходке их по неподработанному пласту, Аналогичные результаты получены и по другим шахтам комбината "Луганскуголь".

Таблица 26 Сравнение затрат на поддержание откаточных штреков.

Откаточные штреки пласта	Глубина разработки, м	Интервал времени ведения работ, мес	Расстояние в плане от кромки угля подрабатывающей лавы до штрека, м	Средняя стоимость поддержания 1 м штрека в год, Руб
Штреки пройдены по ранее подработанному пласту
8-й южный	210	12	30	17.4
8-й северный	210	12	20	16
Штреки пройдены по неподработанному пласту
9-й северный	230	--	--	17.5
10-й южный	270	--	--	23,4
10-й северный	270	--	--	17,2

Если штреки подработанного пласта пройдены так, что они попадают в зону стационарного опорного давления подрабатывающей лавы, т. е. располагаются над целиком нижнего пласта или вблизи него, затраты на их поддержа-ние резко возрастают. В табл. 27 приведены данные по шахтам № 15 и 2 "Золотое" треста "Первомайскуголь", разрабатывающих сближенные пласты l¹₂ и l₃ мощностью 0,9-1,1 м, и 0,6-0,8 м. Расстояние между ними равно 15 м. Штреки пройдены узким забоем площадью сечения в свету 3,7 м2 и закреплены деревом; способ охраны - межлавный целик угля и бутовая полоса.

Согласно данным работы шахт (табл. 27), стоимость поддержания штрека пласта l₃, расположенного над кром-кой межлавного целика пластаl¹₂ или вблизи него, в 1,8 раза выше стоимости поддержания штрека, пройденного по неподработанному пласту. В том случае, когда штрек отнесен от кромки целика на 8-10 м, и располагается над выработанным пространством, затраты на его поддержание уменьшаются почти в три раза.
>

Таблица 27 Сравнение затрат на поддержание вентиляционных штреков.

Вентиляционные штреки пласта	Глубина разработки, м	Расстояние в плане от кромки целика до штрека, м	Средняя стоимость поддержания 1 м штрека в год, Руб
Штреки пройдены по ранее подработанному пласту
2-й восточный	170	8	4.2
2-й западный	170	2 -0	20.3
2-й	170	10	4.3
Штреки пройдены по неподработанному пласту
Южной лавы	180	--	6>7

Таким образом, подработка пластов (восходящий порядок выемки их в. свите) улучшает условия поддержания подготовительных выработок при правильном их расположении относительно границ подрабатывающих лав и способствует повышению технико-экономических показателей работы участков и шахты.

Надработка сближенного пласта, т. е. нисходящий по-рядок выемки пластов в свите, также облегчает условия поддержания штреков, если они пройдены под ранее выработанным пространством верхнего пласта. Затраты на поддержание штреков в данном случае остаются примерно такими же, как и при разработке подработанного пласта. Проведение выработок по надработанному пласту и расположение их под целиками угля верхнего пласта или вблизи них крайне нежелательно, так как затраты на их поддержание возрастают в 2-3 раза (см. рис. 67). Поэтому при планировке горных работ в ранее надработанном пласте штреки следует располагать в зонах полной надработки.

Результаты исследований на моделях из эквивалентных материалов хорошо согласуются с вышеизложенным ана-лизом опыта разработки сближенных пластов и подтверждают целесообразность предварительной подработки и надработки пластов с целью снижения горного давления на подготовительные выработки и затрат на их поддержание.