Аннотация
Приведен прогнозный критерий для оценки устойчивости прочных пород почвы выемочных выработок глубоких шахт на примере обособленного подразделения «Шахта им. Е.Т.Абакумова» Государственного предприятия «Донецкая угольная энергетическая компания». Наведено прогнозний критерій для оцінки стійкості міцних порід підошви виїмкових виробок на великих глибинах розробки на прикладі відособленого підрозділу «Шахта ім. Е.Т.Абакумова» Державного підприємства «Донецька вугільна енергетична компанія». Well-known approaches to mine working stability have been analysed, connection prognostic criterion of proximate rating stability hard rocks floor of deep mines for instance individual division «Mine named Е.Т.Abakumova» State enterprise «Donetsk Coal Energy Company» has been defined.Состояние вопроса
Основной проблемой поддержания подготовительных выработок глубоких шахт в зоне повышенного горного давления является потеря их сечения из-за значительных смещений вмещающих пород. Большая конвергенция вмещающих пород приводит к ухудшению проветривания проходческих и очистных забоев, росту травматизма горнорабочих и увеличению затрат на эксплуатацию подготовительных выработок, связанных с выполнением значительных объемов ремонтных робот по подрывке почвы и перекреплению выработок, которые выполняются в основном вручную. Выдавливание пород почвы горных выработок, является одной из негативных форм проявления горного давления и с увеличением глубины разработки характер проявления этого явления в выемочных выработках изменяется не только количественно, но и качественно [1].
Как показывает анализ отечественных и зарубежных исследований, общие вертикальные смещения пород почвы в основном превышают смещения кровли и достигают зачастую 2,5-3,0 м и более. Это можно объяснить наличием металлической крепи в подготовительных выработках, которая препятствует разуплотнению породных отдельностей в кровле выработки, чего не происходит с породами почвы, которые, как правило, имеют свободную верхнюю поверхность.
С увеличением глубины разработки наблюдается интенсификация выдавливания прочных пород почвы, чего не было на малых и средних глубинах. К устойчивым породам почвы относятся песчаные сланцы, песчаники и известняки с пределом прочности на одноосное сжатие более 60 МПа[5].
Следует отметить, что механизм выдавливания прочных пород почвы в условиях глубоких шахт Донбасса изучен недостаточно. В зоне влияния очистных работ на процесс выдавливания почвы подготовительных выработок активно влияют такие технологические факторы как способ проходки выработки, вид подрывки боковых пород, вид опорной конструкции, сооружаемой по бровке выработки, скорость подвигания очистного забоя, индивидуальная крепь усиления и т.д.
Исследования, проведенные в условиях ряда глубоких шахт ГП «Донецкая угольная энергетическая компания», показали [8], что выдавливание прочных пород почвы подготовительных выработок вне зоны влияния очистных происходит с образованием продольных симметричных складок, ось симметрии которых отклоняется от вертикальной оси выработки в поперечном ее сечении на ±5-7°.
В зоне влияния очистных работ при столбовых системах разработки выдавливание прочных пород почвы подготовительных выработок сопряжено также с образованием симметричных складок, при развитии которых происходит разуплотнение верхнего слоя почвы под действием усилий радиального изгиба и последующих разрывных деформаций в изгибающихся слоях прочной почвы.
При сплошных системах разработки выдавливание прочных пород происходит с образованием асимметричных породных складок, которые при наличии плотных и монолитных породных структур в верхнем слое почвы изгибаются с наклоном своей вертикальной оси в сторону выработанного пространства на угол 50-60° от вертикали с последующим разломом верхнего слоя, как правило, по наклонной оси складки.
При наличии в разнопрочных верхних слоях почвы особо прочного слоя, например, известняка мощностью 0,3 м и более механизм его деформирования заключается в упругом изгибе в полость выработки с последующим разломом и образованием продольной трещины вдоль выработки на расстоянии 0,8-1,2 м со стороны выработанного пространства. При этом, как при первом, так и при втором механизмах деформирования пород почвы при буровзрывном способе проведения выработки происходит интенсивное разуплотнение боковых пород, что способствует выдавливанию прочной почвы в полость выработки.
Поэтому при изучении устойчивости подготовительных выработок необходимо учитывать, не только прочностные показатели и литологическое строение почвы по данным геологической службы [8], но и следить за особенностями механизма выдавливания прочных пород почвы. На сегодняшний день основными методами исследования процесса пучения пород почвы являются визуальные и инструментальные натурные наблюдения.
Постановка задачи
Общеизвестно, что наиболее высокие показатели устойчивости подготовительных выработок обеспечивает расположение их в прочных боковых породах. Однако показатели механической прочности горных пород не всегда могут характеризовать их устойчивость в горных выработках глубоких шахт.
Опыт разработки пласта m3 в условиях шахты им. Е.Т. Абакумова при использовании в основном столбовой системы разработки показал [9], что наличие в почве пласта m3 прочного слоя известняка существенным образом влияет на механизм деформирования верхних породных слоев за счет проявления эффекта экранирования разупрочняющихся нижележащих слоев почвы и фокусирования повышенных нагрузок от их выдавливания на верхний слой почвы.
Конвейерный штрек 8-й восточной лавы пласта m3 шахты им. Е.Т. Абакумова расположен на глубине 860 м вне зоны влияния очистных работ. Мощность пласта 0,91 м угол залегания 9°. Непосредственная почва представлена алевролитом m=1,6 м; R=50 МПа, а основная почва – четырьмя последовательно расположенными слоями: известняка m=0,4 м; R=100 МПа, алевролита m=2,2 м; R=50 МПа, песчаника m=0,7 м; R=70 МПа и алевролита m=4,0 м; R=50 МПа. При проведении 8-го восточного конвейерного штрека средняя скорость пучения почвы составила 0,5-0,8 м/мес., а при поддержании - 0,13-0,15 м/мес. Общая величина выдавливания почвы вне зоны влияния очистных работ за весь период поддержания выработки достигала 1,5-2,0 м.
Величина средней прочности пород почвы 8-го восточного конвейерного штрека пласта m3 шахты им. Е.Т. Абакумова, определенная по методике [5] с учётом нарушенности и обводненности боковых пород, составила 46,4 МПа, что соответствует среднеустойчивому состоянию пород, но противоречит результатам визуальных и инструметнальных наблюдений, проведенных авторами в данной выработке [7].
По результатам исследований горного давления в условиях капитальных выработок глубоких шахт, не подверженных влиянию очистных работ, Ю.3.Заславский предложил критерий оценки их устойчивого состояния [2]:
где: γ – объемный вес пород, Н/м3;
Н – глубина расположения выработки от поверхности, м;
σсж – предел прочности, вмещающих выработку пород, Н/м2;
Предложенный критерий позволил объединить и комплексно учитывать прочностные свойства боковых пород и величину первоначального горного давления и нашел широкое применение, как в научной литературе, так и в горной практике.
Для условий подготовительных выработок, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ, в данный показатель целым рядом исследователей вводились различные коэффициенты, учитывающие влияние разных горно-геологических и технологических факторов [10].
В таблице 1 представлены результаты оценки устойчивости боковых пород подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны влияния очистных работ, по критерию проф. Ю.З.Заславского [3], определяемому с учетом глубины работ и прочности вмещающих пород на одноосное сжатие и по методике ДонУГИ [5], в которой оценка устойчивости пород производится по средневзвешенной прочности слоев почвы или кровли на расстоянии 20 м от выработки по нормали.
В настоящее время отечественными и зарубежными учеными проведен целый ряд исследований по разработке различных методик для оценки устойчивого состояния подготовительных выработок глубоких шахт [16]. Они отличаются от методики проф. Ю.З.Заславского учетом большего количества взаимовлияющих факторов, однако использование этих методик в значительной степени затруднено сложностью получения исходной информации о физико-механических свойствах боковых пород или фактических смещений пород в натурных условиях. Следует также отметить, что способ оценки устойчивого состояния пород почвы подготовительной выработки по критерию Ю.З.Заславского не дает достоверного значения для выработок, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ, т.к. в нем не учитываются основные технологические факторы, предопределяющие особенности механизма деформирования прочных пород почвы. Многообразие и сложность горно-геологических условий и технологических факторов, влияющих на выдавливание прочных пород почвы горных выработок, а также значительные трудности в получении достоверных исходных данных затрудняют определение рациональных количественных и качественных параметров технологических решений по обеспечению устойчивости выемочных выработок глубоких шахт.
Для практического использования и экспресс-оценки устойчивого состояния пород почвы подготовительной выработки может применяться график зависимости критерия устойчивости от глубины разработки и средневзвешенной прочности почвы, определяемой по методике ДонУГИ [5] (рис. 1).
Для условия конвейерного штрека 8-й восточной лавы пласта m3 шахты им. Е.Т. Абакумова, расположенного на глубине 860 м, при средней прочности пород почвы Rср=46,4 МПа и критерии Ю.З.Заславского равном КЗасл = 0,46, состояние почвы оценивается как неустойчивое, что соответствует действительности.
Выводы и направление дальнейших исследований.
Таким образом, разработка мероприятий по обеспечению устойчивости прочных пород почвы подготовительных выработок глубоких шахт является важной научно-технической задачей. Дальнейшие исследования авторов будут направлены на совершенствование критерия оценки устойчивого состояния вмещающих пород, уточнение особенностей механизма деформирования прочных пород почвы при влиянии различных технологических факторов и обоснование рациональных параметров новых способов предотвращения выдавливания прочной почвы в полость подготовительных выработок.