Анализ работы глубоких шахт Украинского Донбасса в условиях слабых вмещающих пород показывает, что значительная часть подготовительных выработок находится в неудовлетворительном состоянии во многом из-за интенсивного пучения пород почвы.
Пучение почвы является одним из наиболее распространенных видов проявления горного давления. Устойчивость почвы горных выработок зависит от большого числа факторов, важнейшими из которых являются изменение напряженно-деформированного состояния массива, угол падения и глубина залегания пласта, его мощность, влажность угля и вмещающих пород, нарушенность месторождения, физико-механические свойства боковых пород, а также их сочетание в массиве. Кроме естественных факторов на интенсивность пучения пород влияют условия отработки месторождения: способ вскрытия, принятая система разработки, воздействие подработки и надработки пластов, длина и скорость подвигания очистного забоя, способы охраны выработок и др.[1].
Считается, что пучение происходит в результате пластических деформаций пород почвы, выдавливаемых в полость подготовительной выработки под действием горного давления; вследствие увеличения объема пород при увлажнении (набухании) [2]. В некоторых случаях породы ведут себя как плиты из упруго-хрупкого материала, подверженного влиянию боковых нагрузок со стороны зон опорного давления под целиками [4]. Помимо упругих деформаций и хрупкого разрушения с течением времени могут проявляться пластические деформации [6], а в отдельных случаях поведение пород почвы может быть описано законами сыпучей среды [8]. Таким образом, будет правомерным высказать предположение в том, что механические процессы в почве выработок дифференцируются в зависимости от физико-механических свойств материала, слагающего почву выработки.
Шахта «Южнодонбасская №3» разрабатывает три пологих пласта c61, c11, c13. Боковые породы представлены алевролитами (50%), аргиллитами (20%) и песчаниками. Их прочность на одноосное сжатие составляет: алевролитов 19,6-39,2 МПа, аргиллитов — 14,7-29,4 МПа и песчаников 29,4-68,7 МПа.
В настоящее время на шахте, ведущей горные работы на глубине более 600 м, выполняется значительный объем ремонтных работ по поддержанию интенсивно деформируемых подготовительных выработок, в значительной мере, в выемочных выработках пласта c11.
Наблюдения за проявлениями горного давления проводились в вентиляционном ходке 4-й восточной лавы пласта c11. Ходок был пройден вприсечку к выработанному пространству ранее отработанной 3-й восточной лавы пласта c11 с оставлением между выработкой и погашенной старой выработкой полосы угля шириной 4 м. Проектное сечение ходка 11,2 м2.
Горно-геологические условия данного участка шахтного поля сложные: в лаве имеется несколько сбросов с амплитудой смещения пласта до 1,1 м. Строение пласта в пределах выемочного поля простое, мощность его 1,55-1,70 м. Угол падения пласта колеблется в пределах 5-8°. В непосредственной кровле пласта залегает слой песчанистого сланца мощностью 2,5-6,3 м и крепостью 2-4 (по шкале проф. М.М.Протодьяконова) (категория БЗ по классификации ДонУГИ). В отдельных местах по площади выемочного поля непосредственно над пластом залегала ложная кровля мощностью 0-0,5 м (Б1). Основная кровля представлена песчаником мощностью 1,6-7,3 м и f=4-6 (А2). Непосредственно под пластом залегает пучащий слой песчанистого сланца m=0,8-2,0 м и f=2-3 (П2), далее следует угольный пропласток c11и мощностью 0,15-0,35 м, ниже которого находится слой песчаника 1,3-5,4 м и крепостью 3-6. Пропласток c11и весьма обводнен, что негативно сказывается на состоянии почвы выемочных выработок.
Отработка 4-й восточной лавы пласта c11 производилась по восстанию с применением комбинированной системы разработки с подсвежением исходящей струи на выработанное пространство (рис. 1). Вентиляционный ходок охранялся двумя рядами бутокостров размером 1,6x1,6 м, выкладываемых всплошную и заполняемых породой от подрывки вент-ходка в створе с лавой. Кроме того, за 15 м до лавы (на 10 рамах крепи до момента подрывки) в качестве усиливающей крепи устанавливались металлические клиновые стойки, а на расстоянии 30 м за лавой — деревянная полигональная крепь. На сопряжении очистного забоя с выработкой передвигалась механизированная крепь сопряжения. Помимо этого в окрестности лавы дважды производилась подрывка почвы: в 10 м перед лавой ив 15 м за лавой соответственно на 1200 мм и 500 мм. Средняя скорость подвига-ния 4-й восточной лавы пласта c11 составляла 55-60 м в месяц.
В выработке был подготовлен контрольный участок длиной 42 м, на котором были установлены 38 контурных замерных станций: с шагом 0,8 м на 20 метрах в центре участка 24 станций и с, шагом 1,6 м по краям участка — на 7 станциях. Каждая замерная станция состояла из 4 контурных реперов: в кровле, почве и в боках выработки. Контурный репер представлял собой отрезок металлического прута из арматурной стали диаметром 30 мм длиной: в кровле — 1,5 м; в почве — 0,8 м, а в боках выработки — по 1,0 м. Была составлена методика проведения замеров, в соответствии с которой осуществлялись замеры смещений кровли и почвы, а также боков выработки. Кроме того, периодически (1 раз в месяц) проводилась нивелировка кровли и почвы.
Замеры на контрольном участке производились с четкой периодичностью (через 2-3 дня) в течение 9 месяцев (с 25.06.1998 по 23.03.1999). Они были начаты за 179 м перед лавой и закончены в 145 м за ней. Всего за период наблюдений на участке было выполнено более 9000 замеров. В результате визуальных и инструментальных наблюдений было отмечено значительное уменьшение сечения выработки вследствие интенсивных смещений кровли, пучения пород почвы, деформаций крепи, сужения выработки вследствие бокового давления (рис. 2). Резкий рост вертикальных смещений пород на контуре выработки был отмечен за 80 м перед лавой и к моменту проведения первой подрывки составил 600 мм. Скорость смещений за это время возросла от 7 до 72 мм/сут. (рис. 3) (ранее скорость колебалась от 1,0—2,5 мм/сут.). На участке сопряжения очистного забоя и подготовительной выработки (за 9 м до лавы и в 9 м за ней) скорость смещений возросла до 120 мм/сут. Затем на расстоянии 20 м за лавой было отмечено ее резкое снижение до 31 мм/сут., а на расстоянии 55 м — до 4,4 мм/сут. На удалении 110 метров за очистным забоем выработка потеряла 46% от проектной высоты сечения. Кроме этого, на замерном участке наблюдались значительные смещения боков выработки, которые привели к потере 19% ширины выработки перед лавой и 7% в 110 м за ней.
В ходе анализа экспериментальных данных установлено, что доля выдавливания пород почвы от общих вертикальных смещений составляет в среднем 65%. Интенсивное поднятие почвы отмечалось в 90 м перед лавой и носило нелинейный характер (рис. 4). На участке сопряжения выработки и очистного забоя величина смещений почвы достигла 420 мм (60% общих вертикальных смещений), а скорость 120 мм/сут. За лавой наблюдалось незначительное уменьшение скорости поднятия почвы (до 30 мм/сут.), что привело к потере 40% проектного сечения выработки через 36 м после прохода очистного забоя.
Во время замеров наблюдалось вдавливание стоек крепи в породы почвы под действием давления на крепь. В итоге через 80 м после прохода очистного забоя вентиляционный ходок 4-й восточной лавы пласта сц нуждался в полном перекреплении для дальнейшей эксплуатации несмотря на применяемые мероприятия по уменьшению влияния проявлений горного давления на состояние выемочных выработок. Вышесказанное указывает на необходимость разработки эффективных и экономичных способов поддержания подготовительных выработок, обеспечивающих их безремонтное состояние за время ведения очистных работ, особенно способов, уменьшающих или предотвращающих выдавливание пород почвы, сущность которых заключалась бы в уменьшении поднятия почвы механическими способами. Эти способы должны концептуально обеспечивать минимальный объем внедрения в толщу пород почвы, так как любое вмешательство трудоемко и приводит к нарушению равновесного состояния пород почвы за счет уменьшения отпора на фронте разрушения и значительного роста зоны неупругих деформаций [4].
Библиографический список
1. Шестаков Г.П. Особенности пучения пород в различных горно-геологических условиях их залегания // Уголь Украины, 1993. — № 2. — С. 37-38.
2. Покровский Н.М. Проведение горных выработок. — М.: Углетехиздат, 1950. — 527 с.
3. Городничев В.М. Современные методы борьбы с пучением горных пород. — М.: Госгор-техиздат, 1960. — 21 с.
4. Литвинскнй Г.Г. Механизм пучения пород почвы подготовительных выработок // Уголь, 1987. —№2,—С. 15-17.
5. Шмиголь А.В., Кириченко В.Я., Бучатский СМ., Рева В.Н. Шахтные исследования характера разрушения слабых пород на шахтах Западного Донбасса // Шахтное строительство, 1987. — №5. — С. 11-12.
6. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. — М.: Госгортехиздат, 1963. — 91 с.
7. Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л., Лукичев B.C. Борьба с пучением в горных выработках. — М.: Недра, 1966. — 19 с.
8. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. — М.: Углетехизаат, 1948. — 122 с.