Проблема пучения пород волнует ученных и производственников очень давно. По данным Д.С, Ростовцева, впервые упоминание об этом виде проявления горного давления появилось в 1923 г. в работе Б.И. Бокия, который отмечал, что вздутия почвы – результат выдавливания мягких пород из-под пят надштрековых целиков. С тех пор этим вопросом занимаются многие ученные во всем мире.
Пучение пород – это один из наиболее распространенных видов проявлений горного давления. Оно широко известно в горно-рудной промышленности, наблюдается при строительстве шахт, метро и железнодорожных тоннелей, однако чаще всего проявления встречаются в угольной промышленности.
Анализ производственной деятельности шахт Украины, ведущих разработку на больших глубинах в условиях слабых вмещающих пород, показывает, что значительная часть протяжённых выработок постоянно находится в состоянии ремонта. На выполнении таких низкомеханизированных работ занято около 42 тыс. подземных рабочих. Структурно ремонты связаны прежде всего с ликвидацией последствий процесса пучения пород почвы в выработках (60%) и перекреплением (40%).
Так, в 2000 году удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Донбасса достиг 7,5 м на 1000 т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок 565,2 чел-см на 1 км протяженности поддерживаемых выработок в год или около 50 чел-см на 1000 т добычи.
На действующих шахтах при ежегодном росте протяженности выработок находящихся в неудовлетворительном состоянии на 2-3%, перекрепляется от 31,2% до 77,8% выработок, нуждающихся в ремонте.
Добиться ощутимого снижения затрат, связанных с ликвидацией последствий пучения, довольно сложно, так как практически невозможно прогнозировать параметры, характеризующие его протекание. Существуют ряд гипотез, объясняющих причину выдавливания пород. На их основе, опираясь на опыт, разрабатываются способы и средства, обеспечивающие ликвидацию или снижение интенсивности этого процесса.
Проявление горного давления в выработках в виде пучения пород почвы обусловлено влиянием большого числа естественно-геологических и производственных факторов. Однако устойчивость породных обнажений выработки и прилегающих к ней горных пород зависит, главным образом, от физико-механических свойств пород и действующих в них напряжений, обусловленных массой вышележащих пород, тектоническими процессами и ведением горных работ. Поэтому все мероприятия по снижению пучения пород почвы направлены на изменение показателей этих двух групп факторов или на использование наиболее благоприятного сочетания.
При выборе способа борьбы с пучением почвы первоначально определяется необходимость применения дополнительного мероприятия. После определения необходимости оценивается возможность применения способов охраны, обусловленная горно-геологическими условиями и наличием средств для выполнения требуемых при этом работ.
Все меры борьбы с пучением пород горных выработок могут быть подразделены на пять групп:
1) использование благоприятных горно-геологических и технических условий;
2) укрепление пород;
3) разгрузка породного массива;
4) комбинированные способы;
5) специальные методы борьбы.
К первой группе относят такие способы как:
1) Проведение выработки вприсечку к выработанному пространству. Технология горных работ с применением присечных выработок предусматривает проведение одной из них вблизи границы с обрушенными породами и погашаемой выработкой. В большинстве случаев присечные выработки проводятся при столбовой системе разработке. Особенно часто применяются технологические схемы с проведением выработок вприсечку при больших мощностях пластов, реже при – средних и вообще не применяются на весьма тонких пластах. Эффективность проведения выработок вприсечку к выработанному пространству определяется изменением напряженно-деформированного состояния пласта и пород при отработке соседнего столба. Присечные выработки проводятся в разгруженном массиве пород, что обуславливает образование больших зон неупругих деформаций и разрушения пород до проведения выработок. В то же время приращение коэффициента расширения пород в присечных выработках меньше, чем в проводимых в массиве пород. Результаты исследований динамики опорного давления показывают, что необходимо учитывать некоторые важные моменты. К первому следует отнести то, что присечная выработка проводится по периодически изменяющемуся по степени разрушения массиву пород. Естественно, что и устойчивость по длине выработки будет изменяться, что следует учитывать при составлении паспортов крепления. Такая периодичность зависит от шага обрушения пород основной кровли и периода плавного прогиба слоев пород, залегающих над основной кровлей. От периодичности изменения свойств массива по длине выемочного столба зависят и газодинамические характеристики пласта и пород. Вторым моментом является расстояние от очистного забоя до проводимой выработки. Следует считать, что проводимая выработка должна находиться за пределами зоны динамических проявлений опорного давления. При этом должна учитываться периодичность плавного прогиба пород. Согласно рекомендациям ВНИМИ время отставания проведения присечной выработки от лавы в зависимости от глубины разработки и прочности вмещающих пород составляет 3 – 4 мес.
2) Проведение выработки позади очистного забоя. Вариант сплошной системы разработки с отставанием забоев откаточного и вентиляционного штреков от лавы получил распространение ввиду больших смещений на сопряжении с лавой. В этом варианте вблизи сопряжений лавы со штреками смещения лишь начинают развиваться и последствия их сказываются вдали от забоя, где ремонтные работы не вызывают остановок очистных работ. Охрана выработок при проведении их позади лавы может производиться бутовыми полосами или различными ограждениями. При охране выработок по схеме массив-бутовая полоса смещения в 100 м позади лавы в среднем составляют 223 мм. Эти смещения ранее не накапливались и не являлись аварийными. При охране выработок двумя бутовыми полосами средние величины смещений почвы в 100 м от лавы составляют 307 мм. При охране выработок бутовыми полосами плотность забутовки может меняться с удалением от выработки, что даёт возможность регулировать напряженное состояние пород почвы. Для этого разгрузку почвы можно осуществлять двусторонними бермами шириной 3 – 4 м. За бермой со стороны выработки производства следует выкладывать бутовую полосу. Кроме того, кровлю в бермах можно поддерживать при помощи бутокостров или использовать переносные крепи, создающие режущую опору на границе выработки с выработанным пространством.
3) Проведение выработки в обрушенных и уплотненных породах. При проведении выработок вприсечку к выработанному пространству или позади очистного забоя значительно улучшаются условия поддержания выработок и уменьшается пучение почвы по сравнению с пучением, когда выработки проводятся впереди очистного забоя или охраняются целиками. Однако в том и другом случаях выработки испытывают влияние опорного давления, и пучение почвы в них достигает значительных размеров. ДПИ было предложено располагать и проводить в разгрузочных от горного давления зонах. Такие зоны находятся вблизи границ массива угля в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта. При проведении выработок в разгрузочных зонах отсутствуют опоры, под действием которых происходит выдавливание породы почвы пласта. Сущность этого способа заключается в проведении выработки в породах с сильно развитой сетью микро и макротрещин. Можно предположить, что давление на крепь в этом случае не зависит от глубины разработки, предопределяется весом толщи пород кровли, заключенных в некотором объёме (по М.М. Протодьяконову). Повышение напряжений приводит к уплотнению пород, вследствие чего уменьшаются смещения пород в выработку. Область применения этого способа относится к пластам мощностью более 1м., боковые породы которых имеют достаточно большую мощность (более 1м.), слабые, необводненные, трещиноватые и склонные к интенсивному выдавливанию в выработки.
Вторая группа включает в себя следующие способы:
1) Применение анкерной крепи. Вопрос о целесообразности анкерования почвы в какой-либо выработке должен решаться с учетом горно-геологических и эксплутационных условий. Важным условием эффективности применения анкеров для упрочнения почвы является ненарушенность породного массива. Анкер не будет действовать эффективно, если он установлен в уже разрушенном породном массиве. Об этом свидетельствует накопленный к настоящему времени практический опыт анкерования почвы. Не подлежит анкерованию так же почва, состоящая из породных слоев с небольшим пределом прочности (ниже 25 МПа ), в том числе из мягкого «кучерявчика», угля и слабого глинистого сланца, при толщине слоев менее 20 см. Коэффициент прочности по Протодьяконову таких пород изменяется от 3 до 6. При воздействии давления они склонны к разрушению на мелкие куски. Упрочняющее действие анкера ограничивается небольшим объемом. Порода между анкерами взламывается и выдавливается вверх. Кроме того, малой прочностью характеризуются разделенные плоскостями ослабления породные слои, которые так же не могут быть упрочнены анкерами. В зависимости от чувствительности пород почвы к воде применяют различные способы бурения анкерных шпуров. При ярко выраженной склонности пород к размоканию рекомендуется применять сухое бурение. При наличии горно-геологических предпосылок целесообразности анкерования почвы к организации проходческих работ должны быть предъявлены два важных требования: - возможность размещения в призабойном пространстве машины для бурения анкерных шпуров и установки анкеров; - согласование скорости подвигания забоя штрека с производительностью машины по установке анкеров.
2) Полимерное упрочнение почвы и использование смол. Одной из мер, направленных на уменьшение пучения почвы в подготовительных выработках, является сохранение естественной прочности слагающих ее пород. Поскольку прочность пород значительно уменьшается под действием воды, необходимо предотвратить ее доступ к отдельным блокам, кускам породы, на которые происходит разделение почвы в выемочном штреке. Такое разделение почвы особенно интенсивно проявляется в зоне влияния очистного забоя. Для предотвращения доступа воды к породам могут быть использованы карбамидные смолы, которые широко применяются для создания фильтрационных завес и снижения притока воды в выработки.
К третьей группе относятся следующие способы:
1) Взрывощелевая разгрузка породного массива (ВЩР). Сущность способа состоит в следующем: камуфлетный взрыв заряда ВВ на определенной глубине в почве выработки нарушает сплошность породной плиты, благодаря чему исчезает контакт ее с породами зоны опорного давления. При этом боковое давление со стороны окружающих выработку целиков воспринимается зоной более крепких пород, расположенных на большей глубине. Кроме того, при наличии пластических деформаций или увеличения объема пород в результате хрупкого разрушения, происходящего во времени, камуфлетная полость служит своеобразной емкостью, которая постепенно заполняется породой. Это позволяет задержать пучение почвы выработки на время заполнения полостей камуфлета выдавливаемыми породами. Расположение камуфлетных полостей под целиками, окружающими выработку, должно приводить к таким же результатам. В этом случае и зона опорного давления перемещается в сторону от выработки, в глубь массива пород. ВЩР обеспечивает перенос повышенного горного давления от выработки в глубь массива, более равномерное нагружение крепи за счет ускоренного образования вокруг выработки зоны пониженных напряжений и системы «крепь-порода», что способствует повышению ее устойчивости. Параметры способа ВЩР включает длину разгрузочных шпуров, расстояние между разгрузочными шпурами, величину заряда ВВ в разгрузочных шпурах, углы наклона шпуров к горизонту в сторону почвы и относительно оси выработки в сторону забоя выработки до разгрузочных шпуров.
2) Управление устойчивостью горной выработки взрывной бутовой полосой. В целях управления устойчивостью подготовительной выработки, сохраняемой для повторного использования, в КГМИ разработан новый способ охраны, базирующийся на активном вмешательстве в процессы проявления горного давления. Способ заключается в обрыве консоли основной кровли и создания бутовой полосы с предварительным распором из взорванных пород вдоль выработки, что обеспечит нужное перераспределение напряжений в ее окрестности. Зависшая вдоль выработки консоль обрушается с помощью БВР. Под оставшейся ее частью образуется бутовая полоса предварительного распора, для чего взрываются шпуры в почве, а затем с замедлением – в кровле. Для повышения плотности, обеспечения высокой несущей способности и воздухонепроницаемости в бутовую полосу можно нагнетать уплотняющий раствор. Величина начального распора полосы определяется исходя из соотношения мощности пласта и взорванного объема пород; регулируется паспортом БВР. Ширина бутовой полосы и ее расположение относительно охраняемой выработки выбирается с таким расчетом, чтобы способствовать обрушению консоли основной кровли. Чем прочнее пласт, тем больше должен быть начальный распор в полосе и тем меньше ее ширина.
3) Устройство разгрузочных щелей. Возможность уменьшения деформаций породного массива и конвергенции выработок заключается в перемещении напряжений из зоны вокруг выработки в ненарушенный породный массив с хорошей несущей способностью. Разгрузку слоев почвы от напряжений можно осуществить за счет прорезания щели. Благодаря устройству щели в почве штрека горизонтальные напряжения на нижнем контуре выработки перемещаются в глубину массива. Прорезанные щелью породные слои почвы разгружаются от горизонтальных напряжений, а зона возможного снятия пород перемещается на большую глубину. В зоне породных слоев, прорезанных контуром выработки и щелью, вследствие вертикальных напряжений происходит взаимное сближение боков выработки и смыкание стенок разгрузочной щели. Пучение пород почвы, прорезанных разгрузочной щелью, может происходить тогда, когда породные слои, расположенные ниже разгрузочной щели, смыкаются под действием горизонтальных напряжений и приподнимаются прорезанный щелью породный блок, а также в случае закрытия разгрузочной щели при растрескивании породного массива. Неудачными результаты этого мероприятия могут быть в тех случаях, когда слои, расположенные глубже щели, разрушаются и поднимают вверх «прорезанный» породный блок ли когда щель вследствие трещино- и клинообразования в ослабленной зоне закрывается.
4) Разгрузка массивов горных пород с помощью выбуривания пласта. Рассмотрим следующий способ управления напряженным состоянием массива пород, который называется управление с помощью выбуривания пласта. Применение этого способа приводит к ослаблению массива, примыкающего к выработке. Перемычки между скважинами разрушаются, и зона максимальных напряжений перемещается в глубь массива на длину скважины. Разрушение перемычек обеспечивает плавный прогиб породных слоев в зоне разгрузки. Согласно исследованиям М.А. Комисарова, наиболее эффективна разгрузка массива вслед за проведением выработки вблизи от забоя. Прогиб слоев пород должен происходить при постоянном сопротивлении разрушающихся перемычек, что обеспечивается при отношении ширины перемычек к диаметру скважин, равном 0,8 – 1,0. Оптимальная глубина скважин 10м. ДонУГИ проведены широкие экспериментальные работы, показавшие эффективность способа разгрузки массива скважинами.
5) орпедирование пород кровли в выемочных выработках. Способ заключается в предотвращении передачи напряжений на массив пород, окружающих выработку. При этом способе разрушение пород выполняет три функции: на первом участке в зоне опорного давления впереди лавы торпедирование предотвращает передачу напряжений на массив пород, расположенных вокруг выработки, на втором – на расстоянии от сопряжения выработки с лавой, равном шагу обрушения пород основной кровли, торпедирование уменьшает длины зависающих пород за счет ослабления заделки и создает преграду для передачи напряжений, на третьем – расположенном позади второго, значительно сокращает влияние остаточных консолей, что уменьшает статическую составляющую опорного давления. В связи с этим эффективность торпедирования повышается при увеличении расстояния его воздействия на массив впереди лавы. Целесообразным считается такое расстояние, на котором оказывается воздействие на самый удаленный от пласта слой пород.
К специальным методам относится применение замкнутых и усиливающих крепей, а также комбинированные крепи. Ввиду большого разнообразия горно-геологических и горно-технических условий проведения и поддержания подземных горных выработок, в которых наблюдается значительное давление пород почвы, необходимо применение различных видов крепи для борьбы с пучением. В капитальных ГВ, проведенных вне зоны влияния очистных работ, где крепь работает в режиме установившегося всестороннего горного давления, применяются жесткие крепи. В подготовительных ГВ, крепь которых работает в режиме неустановившегося горного давления со значительным смещением пород почвы, применяются податливые крепи.
Проектными научно-исследовательскими институтами спроектированы типовые конструкции податливых и жестких кольцевых крепей, предназначенных для борьбы с горным давлением как со стороны кровли, так и почвы.
Следовательно, изучение явления пучения горных пород в целях установления физических закономерностей, лежащих в его основе, и использование их для разработки мероприятий по борьбе с пучением – чрезвычайно важная научно-техническая задача.