Отработка пласта k5 Каменка на шахте Торецкая начиная с горизонта 810 м затруднена систематическими завалами очистного забоя. По данным технической и геологической служб шахты, завалы происходили, как правило, непосредственно у груди забоя, причем вывалы в кровле достигают 2–3 м по высоте. И по падению – 10–15 м. Какой либо закономерности в расположении обвалов по длине лавы и по размерам пролета основной кровли не установлено. По данным геологической службы непосредственно над пластом залегает глинистый сланец слоистый, общей мощностью 10–11 м. В кровле выявлена система трещин, ориентированная по линии падения пласта и наклоненных к плоскости пласта под углом 75°–80°. Характер этой трещиноватости определен как тектонический. Выше глинистого сланца залегает мощный слой прочного песчаника.

Для детального изучения физико-механических свойств пород кровли пласта k8 Каменка были выполнены лабораторные исследования керна, взятого из пород кровли откаточного штрека по пласту на горизонте 810 м на трехосном прессе конструкции ДонФТИ [1] и с применением упрощенных методик [2]. При этом определялись предел прочности на растяжение и сжатие как по напластованию, так и по нормали к напластованию, а также модуль упругости.

Были пробурены две скважины с откаточного штрека на всю мощность глинистых сланцев, залегающих в кровле, вплоть до песчаников. Место заложения первой скважины от квершлага, в выработанном пространстве. Вторая скважина пробурена на 265 м в неотработанном массиве.

Исследование керна, извлеченного из скважины, позволило установить следующее. Кровля представлена глинистым сланцем с примесями слюды и песчаного материала, сланец глинистый, слои от 1 до 50 см. Наиболее мелкослоистый глинистый сланец на 1,5–2,2 м и 5,3–6,0 м, где они составляют 1–5 см. Вместе с I, уже на расстоянии 0,3 м находится слой мощностью 15 см. Далее слои такой же или большей мощности находятся в диапазоне –1,25 м, 2,3–2,5 м, 3,6–4,3 м. По данным кернового бурения установлены места пересечения скважиной тектонических (кливажных) трещин на расстоянии 0,5 м, 1,43 м, 2,95 м, 7,80 м по длине скважины.

На рис. 1 представлены данные по исследованиям пород кровли на прочность по напластованию (рис. 1а) и по нормали к напластованию (рис. 1б). Из приведенных данных можно сделать вывод, что кровля представлена породами прочностью 55,0–80,0 МПа по нормали к напластованию и до 44,6 МПа по плоскости напластования. Следует отметить, что прочность породы в мощных слоях мало отличается по нормали и по напластованию, что говорит о однородности ее свойств. Скол по напластованию неровный, четкой слоистости не наблюдается [4].

Скважина на 265 м. Кровля пласта представлена слоями глинистого и песчано–глинистого сланца мощностью от 1 до 45–50 см, причем песчано–глинистые сланцы залегают ближе к слою песчаника, находящегося выше сланцев. При изучении керна установлено, что породы кровли на всем протяжении подготовительного участка разбиты трещинами на блоки длиной 1–1,5 м по простиранию. Связь по трещинам обычно отсутствует и при отборе керна происходит отделение. Поверхность контактов неровная, шероховатая. В ряде случаев отмечено заполнение трещин кальцитом. При этом контакт образуется прочный, не разрушающийся при бурении и извлечении керна [3].

На рис. 2 представлены данные по исследованиям пород кровли на прочность по напластованию и по нормали к напластованию. Как следует из графиков, кровля сложена достаточно прочными породами, причем прочные слои чередуются С менее прочными. С удалением от пласта прочность пород возрастает. Это связано с увеличением песчаного материала в сланце.

Прочность по слоям также непостоянна и колеблется в довольно широком диапазоне от 8 до 40 МПа. Можно выделить участки с наиболее прочными слоями: на участке с 3 по 4 м и начиная с 7 метра. При этом поверхность скола также неровная. Звездочками на графиках отмечены участки кливажных трещин [5].

Как известно, устойчивость пород кровли в первую очередь определяется прочностью пород кровли и мощностью слагающих ее слоев. Поэтому, анализируя устойчивость слоев кровли пласта Каменка следует в первую очередь учитывать ее блочное строение, определяющееся тектоническим клеважом, а также, как было уже отмечено, мощностью каждого слоя и его прочностью. Как известно из данных геологического прогноза, кливажные трещины располагаются практически параллельно линии забоя, а по ориентации к плоскости пласта– под углом 75–80°.

В соответствии с рекомендациями ДонНИИ в целях предотвращения завалов, лава разделяется предельные пролеты угольными целиками. Всего формируется 4 предельных пролета длиной по падению 12–14 м. Под вентиляционным штреком выкладывается бутовая полоса. Призабойное крепление состоит из деревянных стоек под распил, установленных по 2 через 1 м по падению и простиранию. В качестве специальной крепи применяется кусты из 16–18 стоек, установленных по схеме 3x3 м. Направление отработки пласта выбрано таким образом, что линии кливажа направлены под углом 10–15° на завал.

В районе скважины в кровле пласта залегают слои глинистого сланца мощностью до 0,4–0.55 м прочные, причем предел прочности по нормали к напластованию достигает 60–70 МПа, причем предел порочности по напластованию также весьма велик и составляет 35–45 МПа. При наличии таких достаточно прочных и относительно изотропных по физико–механическим свойствам боковых пород в кровле механизм ее разрушения может качественно отличаться от обычного. Вместо послойного прогиба и разрушения, кровля деформируется одновременно достаточно мощными слоями, поэтому разрушение ее происходит от скола или среза на короткие блоки по простираннию. Это хорошо согласуется с реальной ситуацией с обрушением кровли в лаве. Причем обрушение может происходить непосредственно у кромки угольного пласта. Специфика характера обрушения пород кровли состоит также и в том, что наличие дополнительных плоскостей ослабления кливажа повышают вероятность обрушения. Схема деформации пород кровли для данного варианта представлена на рис. 3.

Выполним анализ действующего паспорта крепления лавы с учетом полученных новых данных о физико-механических и геологических свойствах пород кровли. При выемке пласта породы кровли будут поддерживается только крепью от обрушения в выработанное пространство. При данной геологии [8] следует ожидать образование призм в кровле, оконтуренных по бокам трещинами кливажа, а по высоте – наиболее слабыми породами.

шахтных исследований [3] составляет до 20–25 мм на 1 м подвигания забоя. Под действием силы Т возникает также сила трения, препятствующая премещению блоков, которую можно оценить как: где 1–плечо силы, которую можно определить исходя из угла кливажа 15° равной 1,7 м, а при р=10° – 1,44 м. Составим уравнение равновесия сил, при котором реакция призабойной крепи препятствует обрушению кровли:

где R – суммарная реакция крепи. Это выражение характеризует усилия без разделения блоков пород кровли. Подставим значение каждой из величин и определим необходимую реакцию крепи: Как видно из схемы, такая реакция крепи должна реализоваться непосредственно у очистного забоя [9], где еще не установлена специальная крепь. Деревянные стойки развивают реакцию 50 кН при деформациях до 10%, что реализуется на удалении 4–5 м от забоя при нормальном характере смещения кровли. В момент установки реальный распор стойки не превышает 10 кН. С учетом паспорта крепления суммарная реакция крепи будет ЗО кН, т.е. меньше 50 кН.

Это свидетельствует о том, что в случае отрыва пород кровли на высоту до 5 м, крепление недостаточно и оно не будет предупреждать завалы лавы. В случае же отделения блоков [5] и создания момента сил, завал может происходить и при меньшем объеме пород кровли (рис. 3). Как было установлено [4], на крутом падении породы кровли и почвы смещаются относительно друг друга за добычной цикл на угол до 3°. Поэтому обрушение кровли приводит к дополнительным смещениям и призабойная крепь опрокидывается без разрушения. Исходя из схемы на рис.3 б есть возможность определить величину пролета блока кровли по падению, способного сохранять устойчивость.

А с учетом несимметричного характера нагружения и плоскостей ослабления от трещин кливажа, шаг обрушения может быть и меньше. Для сравнения проанализируем схему, получающуюся при движении забоя лавы в противоположном направлении. Паспорт крепления очистного забоя сохранен тот же, что и на рис.3.

Поскольку блоки кровли смыкаются, силы трения существуют по обоим контактам: В данном случае сила Т направлена в противоположную сторону и способствует смыканию блоков. Уравнение устойчивости блока кровли записывается следующим выражением:

Таким образом, нагрузка на призабойную крепь по гравнению со схемой на рис. 3 уменьшилась на 30%. Вместе с тем, В критическом случае, который наступает при отслоении пород кровли мощностью до 5 м, призабойная крепь не сможет предотвратить обрушение. Из приведенного следует вывод, что реакция принятой в паспорте призабойной крепи недостаточна для предотвращения «крушения кровли. Разделение лавы на предельные пролеты также может оказаться малоэффективным, т.к. шаг обрушения кровли i пгтпвляет менее 9 м.

Обрушение пород кровли происходит вследствие среза Аликов по плоскостям ослабления, которые образуются при рисслоении кливажных трещин. Специальные крепи (кусты, костры, органные ряды) в этом случае не могут эффективно управлять процессом обрушения, поскольку они возводятся позже, когда призмы обрушения уже сформировались, а сопротивление их недостаточное. Наиболее жесткими, т.е. набирающими более быстро нагрузку являются тумбы ОКУ и опоры из плит железобетона с податливыми прокладками. В этом случае уменьшаются деформации боковых пород по всем направлениям, что позволит уменьшить нагрузки на призабойную крепь. Если же применять тумбы ОКУ с установкой непосредственно у груди забоя, то создаются более благоприятные условия для управления горным давлением [9].

Выполненный анализ горногеологических и горно­технических условий отработки пласта на гор. 810 м, а также проведенные лабораторные экспериментальные исследования физико–механических свойств кровли на трехосном прессе конструкции ДонФТИ, позволяющем моделировать объемное неравнокомпонентное напряженное состояние пород на больших глубинах и других экспериментальных высокоточных приборах, позволили установить, что залегающие в кровле породы склонны обрушатся короткими блоками (призмами), образующимися в результате среза или по плоскости ослабления, образованными трещинами в кровле. Принятый паспорт управления горным давлением не обеспечивает эффективной и безопасной отработки лавы. Предложены следующие мероприятия по управлению горным давлением в конкретных горногеологических условиях [8].

Направление отработки пласта на данном участке целесообразно изменить на обратное. По приведенным выше расчетам это позволит уменьшить давление пород кровли на призабойную крепь ориентировочно на 30–40%. Применяемая призабойная крепь (деревянная стойка) обладает небольшим начальным распором (10 кН) и в условиях достаточно больших относительных смещений боковых пород (до 3°) легко опрокидывается и не обеспечивает защиты призабойного пространства. Наиболее эффективным средством крепления призабойного пространства было бы применение в данных условиях механизированных крепей типа КГУ или щитового агрегата 1АНЩМ, обеспечивающих перекрытие в призабойном пространстве кровли и почвы на 80% и обладающих высоким начальным распором и конечным сопротивлением соответственно 200 кН/м и 250 кН/м.

Достаточно эффективным средством управления горным давлением в рассматриваемых горногеологических условиях по опыту работы других шахт являются крепь Спутник (2СПТМ) и стойки посадочные ОКУ разных модификаций. Разделение лавы на предельные пролеты не эффективно и оставленное целиков только сдерживает подвигание очистного забоя.

Возможно сохранение ориентации забоя по падению, поскольку эффективный в условиях кливажа кровли наклон забоя на 20–25° может привести к трудностям при транспортировке угля в забое, т.к. угол падения пласта (27–32°) критический и применение даже эмалированных рештаков может быть не эффективным.

Возможна замена молотковой отбойки угля на комбайновую, которая позволит увеличить скорость подвигания очистного забоя, что является также положительным фактором, поскольку длительные остановки забоя приводят к повышенным деформациям кровли и способствуют повышенному вывалообразованию. Обработка пород кровли водными растворами ПАВ (сульфанол 0,1–0,5 %) через опережающие скважины, пробуренные из забоя, за счет уменьшения их трешиностойкости до 5–6 раз будут эффективной при наличии мощных труднообрушаемых породных слоев в кровле. При этом в первую очередь ослабляться будут краевые контакты и механизм обрушения кровли от среза перейдет в послоевой прогиб и послоевое обрушение.

Список использованной литературы

1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов: – М.: Недра, 1980. – 320 с.
2. Зубов В.П. Особенности управления горным давлением в лавах на больших глубинах разработки: – А.: ЛГИ, 1990. – 103 с.
3. Черняк И.Л., .Ярунин С.А. Управление состоянием массива горных пород. – М. Недра, 1995. – 395 с.
4. Мэркс И., Юнгниц Г. Горная механика: Углетехиздат, 1957. – 756 с.
5. Питаленко Е.И. Геомеханическое обоснование кинематических параметров механизированных крепей для крутых и крутонаклонных пластов Донбасса: Л.: ВНИМИ, 1984.
6. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах с углом падения до 35: Л.: ВНИМИ, 1982. – 136 с.
7. Управление горным давлением при разработке угольных пластов. Справочное пособие. Донецк 1990. – 303 с.
8. Алексеев АД., Ревва В.Н. .Рязанцев Н.А. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений: Киев: Наукова думка, 1989. – 168 с.
9. Совершенствование средств и способов поддержания подготовительных выработок на шахтах Центрального района Донбасса / Калфакчиян А.П., Александров В.Г., Воробьев Е.А., Питаленко Е.И. / Под ред. А.П.Александрова. Днепропетровск: Сич, 1994. – 207 с.