УДК 622.833

Зависимость устойчивости выработок от склонности вмещающих их пород к деформациям обратной ползучести^*)

Кандидаты техн. наук И.К.ДЕМИН (ДонГТУ), В.И.МОРДАСОВ (ГХК “Снежноеантрацит”), С.В.ПОДКОПАЕВ (ДонГТУ)

Выполненный комплекс исследований, имеющий практическое значение и направленный на распознавание природы разрушения участковых подготовительных выработок позволил раскрыть некоторые особенности деформирования части осадочного массива, вмещающего выработки. Установлено, что образование выработки в осадочном массиве является началом деформаций обратной ползучести, которые направлены в сторону искусственно образованной полости. Эти деформации в направлении, перпендикулярном к слоистости будут значительнее, чем в направлении, параллельном слоистости. Величина деформаций, определяющих смещение пород в выработку, зависит от склонности боковых пород к деформациям обратной ползучести и от расположения выработки относительно слоев.

Разработка угольных пластов в Украине и странах СНГ в настоящее время ведется на больших глубинах. Углубление горных работ с 500 до 1000 м вызвало увеличение смещений вмещающих подготовительную выработку пород в 2–3 раза, что привело к значительному ухудшению устойчивости штреков. С увеличением глубины разработки изменяются горно-геологические условия, что определяет ухудшение условий поддержания горных выработок.

На достигнутых глубинах подготовительные выработки поддерживаются в боковых породах, представленных глинистыми и песчано-глинистыми сланцами (49%), песчаными сланцами (28%) и песчаниками (23%). Общая протяженность штреков, поддерживаемых в таких условиях, составляет около 800 км, а трудоемкость поддержания 1 м — от 0,85 до 2,7 чел/см. в месяц. При таком положении более 50% общей протяженности выработок имеют неудовлетворительные площади поперечных сечений.

Из опыта охраны выработок известно, что затраты, идущие на поддержание квершлагов, значительно меньше, чем затраты на поддержание штреков, пройденных на одних и тех же глубинах, в одних и тех же породах. Деформирование пород в участковых штреках значительно интенсивнее, чем в квершлагах и, не может быть удовлетворительно объяснено только различием прочностных и деформационных свойств пород, нагружаемых перпендикулярно к плоскостям напластований и параллельно им. С позиций основных положений механики горных пород этот эффект можно объяснить следующим образом. В зависимости от соотношения между глубиной заложения выработки и физико-механическими свойствами вмещающих ее пород, деформации последних могут оказывать существенное влияние на устойчивость участковых выработок, пройденных по простиранию пород и вкрест простирания. При этом необходимо учитывать специфику формирования осадочного массива, обусловленную наряду с физико-химическими превращениями его пластическим деформированием в течение длительного периода времени. Проведение выработки в таком массиве способствует разгрузке некоторой его части, которая неизбежно сопровождается деформациями упругого последействия и обратной ползучести [1]. Склонность к такому деформированию при одних и тех же напряжениях у осадочных пород в различных направлениях неодинакова. Величина деформаций, определяющих смещение пород в выработку, зависит от склонности боковых пород к деформациям обратной ползучести.

На шахте им. К. Маркса ПО “Орджоникидзеуголь” был выполнен комплекс исследований, направленный на распознавание природы разрушения участковых подготовительных выработок с позиций реальности деформаций обратной ползучести части горного массива, вмещающего выработки. Эксперимент проводили в участковых откаточных штреках пласта m₅¹ горизонта 875 м, пласта k₇ горизонта 750 м и 875 м и участковом промежуточном квершлаге пласта k₇^1В на горизонте 875 м.

Методикой проведения эксперимента предусматривалось установить величину смещений контрольных точек, расположенных по контуру выработки, за промежуток времени между замерами и их скорость. Измерения проводились на специально оборудованных замерных станциях. Замерная станция представляла собой участок штрека, на котором в пробуренные в породах шпуры заложены контурные реперы (глубина заложения репера 1 м). Реперы расположены так, чтобы фиксировать сдвижения по наиболее характерным для крутого падения направлениям. Смещения пород (сближение реперов) на контуре сечения выработки измеряли рулеткой конструкции ВНИМИ. Погрешность замеров не превышала 2 мм.

Пласт m₅¹ мощностью 0,7 м, залегает под углом 64⁰. Непосредственная кровля пласта — глинистый сланец от неустойчивого до средней устойчивости, мощностью 1,8–2,0 м. Основная кровля — песчаник мощностью до 15 м. В непосредственной почве пласта залегает глинистый сланец мощностью до 1,4 м, в основной почве — неустойчивый песчаник. Площадь поперечного сечения откаточного штрека 8,5 м², выработка закреплена металлической податливой крепью с деревянной затяжкой, расстояние между рамами 0,8 м. Опережение забоя штрека, на момент проведения эксперимента составляло 110 м. Способ охраны штрека — накатные костры из шпал, местами кусты из стоек.

Пласт k₇ мощностью 0,65 м, залегает под углом 65⁰. Непосредственная кровля пласта — глинистый сланец мощностью 1,2 м, основная кровля — песчаник. В непосредственной почве залегает песчаный сланец мощностью 1,8 м, в основной почве — песчаник. Площадь поперечного сечения откаточного штрека 8,5 м².Выработка закреплена металлической податливой крепью, расстояние между рамами 1,0 м на горизонте 750 м и 0,8 м на горизонте 875 м, с деревянной затяжкой. Опережение забоя штрека на момент проведения эксперимента составляло 98 м на горизонте 750 м и 102 м на горизонте 875 м. Способ охраны штреков — накатные костры из шпал.

Западный промежуточный квершлаг пройден для вскрытия пласта k₇^1В, разрабатываемого щитовым агрегатом (мощность пласта 1,6 м, угол падения 65° , ширина панели 65 м, высота этажа — 130 м). В почве пласта залегает глинистый сланец мощностью 1,2 м, затем песчаный сланец, мощностью 1,3 м и далее песчаник. Длина промежуточного квершлага составляла 17 м. Площадь поперечного сечения 8,5 м², крепь — трехзвенные арки из спецпрофиля через 1,0 м с деревянной затяжкой. Замерная станция располагалась в 2 м от места вскрытия пласта, в слое песчаного сланца.

Наблюдения в участковом откаточном штреке, пройденном по пласту m₅¹, продолжались в течение 180 суток (рисунок 1). За время наблюдений лава пласта m₅¹ удалился от замерной станции № 1 на расстояние 100 м. Смещения пород, вмещающих выработку, за весь период наблюдений были различными. Максимальные смещения отмечены в 30 м позади очистного забоя. Скорость смещений в этом месте была максимальной и соответствовала 6,0 мм/сут. За указанной отметкой, смещения пород, как со стороны кровли пласта, так и боков, начинают постепенно уменьшаться, и их скорость снижается соответственно до 3,1 мм/сут (направление 2–4) и 2,4 мм/сут (направление 1–3).

Причиной деформирования штрека стала разгрузка пород глинистого сланца, залегающего в непосредственной кровле и почве разрабатываемого пласта. Процесс деформирования штрека прекратился только через 4,5 месяца.

Наблюдения в откаточном штреке пласта k₇ на горизонте 750 м продолжались в течение 185 суток (рисунок 2, а). Максимальная скорость смещений на замерной станции № 2 была отмечена со стороны кровли пласта (направление 2–4). Смещения пород кровли в этом месте составили 405 мм. Уменьшение скорости деформаций было отмечено на расстоянии 90 м позади очистного забоя.

Деформирование контура выработки произошло, главным образом, в результате разгрузки пород глинистого сланца, залегающего в кровле разрабатываемого пласта.

Наблюдения в откаточном штреке пласта k₇ на горизонте 875 м (станция № 3) продолжались в течение 170 суток (рисунок 2, б). Максимальная скорость смещений со стороны пород кровли (направление 2–4) отмечена в створе очистного забоя с замерной станцией. По мере отхода лавы от рассматриваемого сечения, скорость смещений уменьшилась от 5,9 мм/сут до 2,5 мм/сут. В боках выработки деформации вмещающих выработку пород имели иной характер. Максимальная скорость смещений — 4,1 мм/сут была отмечена в 20 м позади лавы забоя по направлению 1–3. Далее она уменьшилась до 1,8 мм/сут.

Причиной деформирования штрека и, как следствие этого, уменьшения площади его поперечного сечения стали деформации обратной ползучести пород глинистого сланца. Эти деформации прекратились через 4,2 месяца.

Совершенно иная картина имела место при деформировании контура промежуточного квершлага, наблюдения в котором продолжались в течение 150 суток (рисунок 3). Максимальная скорость смещений на контуре выработки отмечена на 70-е сутки наблюдений, когда начало проявляться влияние надработки приближающейся лавы (по линии падения пласта). После отработки панели, скорость смещения пород начала уменьшаться, а через 4,5 месяца смещения прекратились. Крепь в промежуточном квершлаге была деформирована, но значительно меньше, чем в участковых выработках.

Удовлетворительную устойчивость промежуточного квершлага пласта k₇^1В можно объяснить склонностью осадочных пород к деформированию в различных направлениях, в частности, в направлении параллельном слоистости деформации обратной ползучести менее интенсивны.

Обследование состояния участковых подготовительных выработок и замеры смещений показывают, что характер деформаций пород, при прочих равных условиях, зависит от слоистости пород, их прочностных характеристик, ориентировки выработки относительно напластования. Основным видом деформаций пород, представленных глинистыми и песчано-глинистыми сланцами в экспериментальных подготовительных выработках, пройденных по простиранию, является расслоение по контактам напластований и прогиб пород висячего бока. По абсолютной величине смещения, вызванные этим видом деформаций, составляют 400–550 мм и 89–96% их реализуется в течение 1,5–2,2 месяца. Исключения составляют выработки, пройденные вкрест простирания.

Таким образом, выполненный комплекс исследований, направленный на распознавание природы разрушения участковых подготовительных выработок позволил выявить некоторые особенности деформирования части осадочного массива, вмещающего горные выработки, которые имеют практическое значение.

Установлено, что проведение выработки в осадочном массиве приводит к тому, что породам ее контура и на некотором расстоянии от этого контура в глубине массива создаются условия для деформаций упругого последействия и обратной ползучести. Эти деформации всегда направлены в сторону искусственно образованной полости. Интенсивность деформирования зависит от склонности вмещающих выработку пород к деформациям обратной ползучести, глубины расположения выработки и мощности разгружающегося слоя пород. Процесс разгрузки боковых пород должен рассматриваться как временный. Наиболее интенсивно деформации упругого последействия и обратной ползучести протекают в породах, представленных глинистыми сланцами, менее интенсивно — песчаниками.

С позиций реальности деформаций обратной ползучести части горного массива, вмещающего выработки, склонность к деформированию при одних и тех же напряжениях у осадочных пород в различных направлениях неодинакова. Установлено, что деформации упругого последействия и обратной ползучести в направлении, перпендикулярном к слоистости, будут значительнее, чем в направлении, параллельном слоистости. Этим можно объяснить разные по величине деформации, определяющие смещение пород в выработку, пройденную по простиранию или перпендикулярно к нему. Они определяют устойчивость выработок от направления их проведения.

Такой подход к прогнозированию состояния подготовительных выработок позволит оптимизировать их и решить задачу рационального планирования горных работ с позиций реальности деформаций обратной ползучести.

Библиографический список

1. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. — Липецк, издательство Роскомпечати, 1997. — 496 с.

© Демин И.К., Мордасов В.И., Подкопаев С.В., 1999.