Обеспечение устойчивого состояния подготовительных выработок является одной из приоритетных задач при разработке угольных пластов на больших глубинах. Анализ состояния подготовительных выработок показывает, что необходимость выполнения ремонтных работ в 30 % случаев связана с несоответствием несущей способности крепи действующим нагрузкам, в 70 % – наличием пучения пород почвы.
Устойчивость почвы горных выработок зависит от множества горно-геологических и горнотехнических факторов, важнейшими из которых являются: глубина ведения работ, мощность и угол падения пласта, влажность угля и вмещающих пород, нарушенность месторождения, физико-механические свойства боковых пород, а также их сочетание в массиве, принятая система разработки, длина и скорость подвигания очистного забоя, способы охраны выработок, параметры принятой крепи выработки, качество ее крепления и др.
Несмотря на многолетние исследования научных организаций и отдельных авторов в Украине и за рубежом проблема обеспечения устойчивого состояния почвы выработок не является полностью решенной.
Существует множество гипотез, объясняющих процесс пучения пород почвы, и каждая из них применима для определенных горно-геологических и горнотехнических условий, так как механизмы этого процесса в тех или иных условиях разнятся.
Считается, что пучение происходит в результате пластических деформаций пород почвы, выдавливаемых в полость подготовительной выработки под действием горного давления, а также вследствие увеличения объема пород при увлажнении (набухание) [1, 2]. В некоторых случаях породы ведут себя как плиты из упруго-хрупкого материала, подверженного влиянию боковых нагрузок со стороны зон опорного давления под целиками [3, 4]. Помимо упругих деформаций и хрупкого разрушения с течением времени могут проявляться пластические деформации [5, 6], а в отдельных случаях поведение пород почвы может быть описано законами сыпучей среды [7].
По нашему мнению, в условиях малых глубин разработки (200–400 м) пучение почвы выработки проявляется в слабых вмещающих породах. Механизм этого явления представляет собой процесс выдавливания слабых глинистых пород почвы в полость выработки [8, 9, 10]. В условиях средних и больших глубин разработки (500–1000 м) пучение почвы наблюдается в выработках, почва которых сложена песчаными сланцами и даже песчаниками. При этом механизм этого явления представляется как результат складкообразования породных слоев почвы при их смещении в плоскости напластования за счет формирования зоны разрушенных пород (ЗРП) в окрестности выработок [4, 11, 12].
Следует отметить, что гипотезы, объясняющие пучение пород почвы выработок как результат их складкообразования, отражают физику процесса только на ранней стадии существования выработок. В дальнейшем, в процессе формирования вокруг выработок зоны разрушенных пород и ее дальнейшего роста под влиянием очистных работ, породы внутри этой зоны представляют дискретную распорную среду, а механизм пучения почвы представляет собой процесс выдавливания дискретизированных пород в полость выработки. Эти вопросы на сегодняшний день изучены недостаточно.
Так как процесс пучения для разных условий отличен, в том числе и на разных этапах существования выработок, то существует множество способов борьбы с этим явлением практически для всех условий. Эффективность каждого способа прямо зависит от затратности при его реализации и часто применение эффективных способов в определенных условиях становится экономически невыгодным по сравнению с проведением подрывок пород почвы выработки.
Анализ известных результатов натурных наблюдений за смещениями пород в выработках до и после проведения в них подрывки показывает, что она приводит к увеличению интенсивности процесса деформирования пород на контуре выработок [13, 14]. При этом наиболее существенное влияние она оказывает на смещения пород почвы, увеличивая их скорость более чем в 7 раз относительно средних скоростей в периоды, предшествующие подрывке. Поэтому за время существования выработки проводится несколько подрывок почвы. Активизация смещений пород на контуре выработки после подрывки свидетельствует о том, что в результате ремонтных работ нарушается равновесное состояние системы «крепь – зона разрушенных пород – окружающий породный массив». При этом уборка породы при подрывке снижает пассивный отпор на почву всего на 50–60 кН на 1 м выработки. Но этого оказывается достаточно для изменения состояния системы. Следовательно, для обеспечения устойчивого состояния почвы выработки после подрывки и предотвращения повторного выдавливания пород почвы необходимо компенсировать отпор извлекаемых пород сравнительно небольшими усилиями на почву выработки.
Данное предположение подтверждается результатами лабораторных исследований на структурных моделях, которые проводились с целью экспериментальной проверки влияния механического отпора выдавливанию пород почвы горных выработок на величину поднятия почвы [15]. Было установлено, что с увеличением отпора, прикладываемого к почве выработки, уменьшается величина ее смещений, причем значение механического отпора на три порядка меньше сил, действующих по периметру зоны разрушенных пород (рис. 1).
По результатам опытно-промышленной проверки способа механического отпора выдавливанию почвы выработки в условиях подготовительных выработок шахты «Южнодонбасская» №3 было установлено, что наличие средств отпора положительно влияет на состояние почвы выработки [16]. На участке, где находился состав энергопоезда и дополнительно были установлены металлические канаты по ширине выработки между ножками крепи и, таким образом, на почву выработки обеспечивалась рассредоточенная нагрузка 0,03 МПа, величина выдавливания почвы выработки на 57 % была меньше по сравнению с участком, где не было средств противодействия этому процессу (рис. 2).
Стоит также отметить, что средства механического отпора устанавливались не в месте проведения подрывки и поэтому, для установления влияния величины отпора на смещения пород почвы после подрывки, необходимо проведение дополнительных шахтных исследований, а также необходимо активизировать поиск технических вариантов реализации мероприятий по механическому отпору, которые будут одновременно малозатратными и эффективными. Таким образом, можно сделать выводы о том, что:
- Применение средств механического отпора выдавливанию пород почвы выработок эффективно влияет на состояние почвы выработки.
- С увеличением уровня силового воздействия на породы почвы эффект уменьшения их выдавливания возрастает.
- Для обеспечения устойчивого состояния почвы выработки после подрывки необходимо компенсировать отпор извлекаемых пород сравнительно небольшими усилиями на почву выработки.
- Необходимо активизировать поиск новых технологических решений в плане применения рассредоточенной нагрузки для повышения эффекта противодействия выдавливанию пород почвы после проведения их подрывки.
Рисунок 1 – График зависимости U/h от Ротп./Рк (где U – величина смещений контура почвы выработки; h– высота выработки; Ротп.– величина механического отпора выдавливанию пород; Рк– величина пригрузки по контуру зоны разрушенных пород), полученный по результатам структурного моделирования)
Рисунок 2 – Графики зависимостей смещений пород почвы выработки UП от расстояния между наблюдательными станциями и очистным забоем L на участках без применения (1) и с применением (2) средств механического отпора выдавливанию пород почвы горных выработок
Литература
[1] Покровский Н.М. Проведение горных выработок.– М.: Углетехиздат, 1950.– 527 с.
[2] Городничев В.М. Современные методы борьбы с пучением горных пород.– М.:
Госгортехиздат, 1960.– 21 с.
[3] Литвинский Г.Г. Механизм пучения пород почвы подготовительных выработок // Уголь. –
1987.– № 2.– С. 15–17.
[4] Шмиголь А.В., Кириченко В.Я., Бучатский С.М., Рева В.Н. Шахтные исследования
характера разрушения слабых пород на шахтах Западного Донбасса // Шахтное
строительство. – 1987.– №5.– С. 11–12.
[5] Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. – М.:
Госгортехиздат, 1963.– 91с.
[6] Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л., Лукичев В.С. Борьба с пучением в горных
выработках. – М.: Недра, 1966. – 19 с.
[7] Цимбаревич П.М. Механика горных пород.– М.: Углетехиздат, 1948, 122 с.
[8] Черняк И.Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок. М.: «Недра», 1978. – 237 с.
[9] Шейхет М.Н. Давление пучащих пород на крепь подземных выработок. – М.:
Углетехиздат, 1955. – 126 с.
[10] Белаенко Ф.А., Глушко В.Т. Исследование пучения горных пород в капитальных и
подготовительных выработках на шахтах Донбасса // Труды Украинского научно-
исследовательского института организации и механизации шахтного строительства. –
Вып. XI. – М.: Госгортехиздат. – 1960. – С. 117–138.
[11] Роенко А.Н. Новый подход к исследованию явления пучения пород для обоснования мер
борьбы с ним // Уголь Украины. – 1997. № 2–3. – С. 20–22.
[12] Западинский Л.А. Проявление пучения горных пород в выработках и методы борьбы с
ним // Уголь. – 1975. – № 5. – С.36–37.
[13] Зубов В.П., Чернышков Л.Н., Лазченко К.Н. Влияние подрывок на пучение пород в
подготовительных выработках // Уголь Украины. – 1985. – № 7. – С. 15–16.
[14] Соловьев Г.И., Негрей С.Г. Об особенностях пучения почвы выемочных выработок в
условиях шахты «Южнодонбасская» № 3 // Известия Донецкого горного института. – 1999.
– № 3. – С.38–42.
[15] Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Сахно И.Г. О влиянии механического отпора выдавливанию
пород почвы горных выработок на их смещения // Разработка рудных месторождений. –
2004.– Вып. 87. – С. 28–29.
[16] Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Кублицкий Е.В. Опытно-промышленная проверка способа
локализации выдавливания пород почвы // Геотехнологии на рубеже XXI века. – Донецк:
ДУНПГО. – Т.1. – 2001. – С. 63–68.