Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса, цель, задачи и методы исследования 9
1.1. Горно-геологические и горнотехнические условия проведения и состояние подготовительных выработок на шахтах Прокопьевске-Киселевского месторождения 9
1.2. Анализ исследований по установлению высоты зон обрушений и трещино ватости в кровле и почве отрабатываемого пласта 24
Цель и идея работы. Постановка задач исследований 38
II. Лабораторные исследования физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состоя ния угля и вмещающих пород 40
2.1. Исследование физико-механических характеристик угля и пород при объёмном сжатии 40
2.2. Исследование напряженного состояния массива на моделях из оптически чувствительных материалов (ОЧМ) 56
2.3. Испытания различных вариантов компановки узлов податливости анкеров69 Выводы 73
III. Шахтные исследования геомеханических процессов при восходящем порядке отработки сближенных пластов 74
3.1. Методика шахтных исследований 74
3.2. Характеристика объектов в шахтных исследованиях 78
3.3. Проявление горного давления при подработке выработок очистными забоями с закладкой выработанного пространства
3.4. Проявление горного давления при подработке 87
3.5. Эксперименты по совместному применению анкерной и металлической рамной крепи 94
Выводы 103
IV. Практические рекомендации по отработке сближенных пластов в восходящем порядке 105
4.1. Определение границ зон сдвижения и перераспределения горного давления в подработанном массиве 105
4.2. Схема ведения горных работ 111
4.3. Оценка напряженно-деформированного состояния массива с учётом результатов испытаний образцов при объёмном сжатии 113
4.4. Оценка степени влияния упрочнения пород анкерованием на устойчивость выработок, закрепленных металлической крепью 114
Выводы 118
Заключение 120
Список литературы 1
- Анализ исследований по установлению высоты зон обрушений и трещино ватости в кровле и почве отрабатываемого пласта
- Исследование напряженного состояния массива на моделях из оптически чувствительных материалов (ОЧМ)
- Проявление горного давления при подработке выработок очистными забоями с закладкой выработанного пространства
- Оценка напряженно-деформированного состояния массива с учётом результатов испытаний образцов при объёмном сжатии
Введение к работе
Актуальность работы. В Прокопьевско-Киселёвском месторождении Кузбасса около 65 % угольных пластов разделены породными целиками мощностью не более 30 м, а также находятся в синклинальных складках. В условиях разработки свит пластов и пластов в синклинальных складках практически невозможно избежать вредного влияния подработки выработок.
Обеспечение устойчивости вскрывающих и оконтуривающих выработок в течение всего срока службы является одним из важных условий стабильной и эффективной работы угольных предприятий.
В этой связи на шахтах Прокопьевско-Киселёвского района применяется, в основном, нисходящий порядок отработки пластов в свите.
В некоторых случаях (около 10-15 %) применяется восходящий порядок отработки пластов в свитах, вызываемый необходимостью осушения вышележащих пород при значительной их обводненности, а также с целью их разупрочнения для снижения динамических нагрузок на крепи. Первоочередная отработка нижележащих слоев вызвана также необходимостью повышения концентрации горных работ, выемки нижележащих пластов как защитных или как более производительных и т.д.
В указанных случаях и при отработке синклинальных складок для снижения вредного влияния подработки необходимо установление рационального места расположения выработок, проводимых и поддерживаемых в подработанном массиве.
Таким образом, количественная оценка проявлений горного давления в подрабатываемых выработках, связанная с установлением характера и параметров смещения горных пород и перераспределения горного давления является актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.
Целью работы является уточнение закономерностей проявления горного давления для разработки технических решений по совершенствованию проведения и поддержания подрабатываемых выработок при разработке сближенных пластов и пластов в синклинальных складках Прокопьевско-Киселевского месторождения.
Идея работы заключается в выявлении характера и параметров смещения горных пород и их использовании для повышения устойчивости подрабатываемых выработок в течение всего срока службы.
Задачи исследований.
-
Анализ технологий выемки угля сближенных пластов и пластов в синклинальных складках, а также проведения и поддержания подготовительных выработок
-
Разработать требования к устройству (модели?) для имитации выемки угля из пластов в синклинальных складках
-
Изучить влияние основных горно-геологических и горнотехнических факторов на геомеханические процессы, происходящие в угле-породных массивах подрабатываемых выработок на моделях
-
Разработать предложения к технологии проведения и поддержания подготовительных выработок при разработке сближенных пластов
5. Разработать предложения по визуальному систематическому
контролю за состоянием подготовительных выработок
6. Разработать предложения к технологии проведения и поддержа
ния подготовительных выработок при разработке пластов в синкли
нальных складках
Методы исследований. Поставленные задачи решались комплексным методом, включающим анализ и обобщение опыта и научных достижений по рассматриваемым вопросам; исследования проявлений горного давления в шахтных и лабораторных условиях; на моделях из оптически чувствительных материалов и материалов-эквивалентов; натурные исследования при проведении и креплении горных выработок на шахтах г. Прокопьевска и Киселевска; лабораторные исследования физико-механических характеристик образцов горных пород.
Научные положения, выносимые на защиту:
- при отработке синклинальных складок управление горным давле
нием в крутой части синклинали следует осуществлять перепуском
принудительно обрушенных пород, а в замковой части следует остав
лять охранный целик для предотвращения разрушения выработок и
предотвращения перемещения зон геологических нарушений;
- проведение подготовительных выработок в нижнем подэтаже
крутой части синклинали следует осуществлять под защитой охранно
го целика после принудительного обрушения кровли в верхнем подэ
таже;
- проведение подрабатываемых горных выработок следует плани
ровать в соответствии с разработанными методами определения про
тяженности зон деформирования подработанных пород, оказывающих
влияние на устойчивость выработок;
- значения коэффициента уменьшения смещений нелинейно зави
сят от плотности анкерования и длины используемых анкеров.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций обоснована: представительным объемом натурных исследований (64 наблюдательных пунктах с дополнительным проведением визуальных и инструментальных наблюдений на подрабатываемых выработках 9-ти шахт Прокопьевско-Киселёвского месторождения в течении длительного времени (от 6-ти месяцев до 3-х лет), исследованиями на моделях из оптически чувствительных материалов и эквивалентных материалов, проверкой прочностных характеристик угля и вмещающих пород в шахтных и в лабораторных условиях (испытано более 400 образцов), ,апробацией разработанных рекомендаций на шахтах Прокопьевско- Киселёвского месторождения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана схема сдвижения и перераспределения горного давления в подработанном массиве, на основании которой построена номограмма и график для определения протяженности зон деформирования;
приведена физическая модель формирования запредельных характеристик разрушаемых образцов угля и пород Прокопьевско-Киселёвского района;
установлен характер перераспределения горного давления при отработке синклинальных складок в зависимости от способа управления горным давлением;
установлены величины протяженности зон опорного давления (lпр) при отработке сближенных пластов в зависимости от основных влияющих факторов.
Практическая значимость работы:
обоснованы и разработаны конструкции плоской модели для исследования горного давления и его влияния на состояние подготовительных выработок пластов в синклинальных складках;
установлены горно-технологические факторы, влияющие на геомеханические процессы и горное давление в подрабатываемых выработках;
разработаны и внедрены способы визуального контроля натяжения анкеров и смещения пород на контуре выработок в течение всего срока службы;
- разработаны и внедрены рекомендации по поэтапной отработке синклинальных складок с учетом выявленного характера перераспределения горного давления.
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований. Участие в составление методик и в проведении лабораторных и шахтных исследований. Обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.
Реализация работы. Результаты исследований по совместному
применению анкерной крепи и металлической рамной крепи (КМП-
АЗ) внедряли в откаточных штреках на пл. I-IV Внутренний шахты №
12 ОАО «Киселёвскуголь». Узел податливости анкерной крепи вне
дрен в ОАО «Шахта Дальние горы» на пл. IV Внутреннем с квершлага
№5 гор. +180 м на конвейерном и вентиляционном штреках и на со
пряжениях с лавой №29. Результаты исследований включены в «Ин
струкцию по расчету и применению анкерной крепи на шахтах ООО
НПО «ПРОКОПЬЕВСКУГОЛЬ» и в «Рекомендации по систематиче
скому визуальному контролю за работой анкерной крепи». Номо
грамма и график для определения протяженности зоны деформиро
вания подработанных пород использовались при первоочередной от
работке нижележащего пласта I Внутреннего на шахте №12 УК «Ки-
селёвскуголь». Расчёт ожидаемых смещений на контуре подрабаты
ваемых выработок использовали на шахте «Краснокаменская».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических совещаниях УК «Киселёвскуголь» (2000-2002), на научных семинарах кафедры технологии и комплексной механизации горных работ СибГМА (Новокузнецк, 2000 г) и кафедры технологии, механизации и организации подземной добычи угля КузГТУ (Кемерово, 2001 г). на конференции «Вопросы повышения безопасности горных работ на шахтах» в г. Прокопьевске, на V международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождение полезных ископаемых (г.Новокузнецк 2000 г.)
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 16 печатных работах, из них 5 в изданиях Перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России, получено 2 патента на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 98 наименований, содержит 130 страниц текста, 35 рисунков и 14 таблиц.
Анализ исследований по установлению высоты зон обрушений и трещино ватости в кровле и почве отрабатываемого пласта
Третья группа включает пласты, прослеженные во всех частях района, но не выдерживающиеся по мощности, местами теряющие рабочие значения, исчезающие на отдельных небольших участках или даже имеющие линзовидный характер. К таким пластам относятся V Внутренний, Безымянный I, Спорный, Ударный, Садовый, Юнгор, Угловой, Встречный, Спутник, Сложный II, Метровый.
Четвертая группа - пласты, встречающиеся только в отдельных частях района. К ним относятся пласты VIII, VII, Пбис Внутренние, Проводник IV Внутреннего и Характерный.
Первые три пласта распространены на Киселевском месторождении, пласты Пбис Внутренний, Проводник IV Внутреннего имеют меньшую площадь распространения. Пбис Внутренний сохраняет рабочие значения лишь в пределах Нулевой синклинали, а площадь распространения Проводника ограничивается юго-восточной частью района. Характерный наблюдается лишь на юге Прокопьевско-го месторождения
Характерной особенностью месторождения является залегание пластов в свитах с высокой степенью сближенности. В большинстве случаев расстояние между пластами в свитах не превышает 40...50 м, а значительная их часть расположена друг от друга на расстоянии до 25 м (см. таблицу 1.2).
Совершенно очевидно, что одни и те же пласты угля в разных шахтных полях и даже в пределах одного поля претерпевают изменения свойств и состояния по прочности и степени устойчивости кровель. Более выдержанное изменение свойств прослеживается по простиранию структур с северо-востока на юго-запад с заметным повышением прочности на северо-восток. Прочность пород восточных крыльев синклиналей, как правило, выше западных. Исключение составляет III синклиналь, прочность которой резко понижена, а западное крыло прочнее, чем восточное. Прочность в замках синклиналей выше, чем в крыльях, но ниже, чем в замках синклиналей. Все многообразие активных кровель основных мощных пластов можно свести к трём наиболее предварительным типам (Г.Е. Посохов) [9]:
1. В активной кровле преобладают слои песчаников мощностью более 5 м. Непосредственно над угольным пластом аргиллиты отсутствуют и представлены в виде отдельных слоев мощностью до 0,5 м. Количество слоев в кровле не более 10. Средневзвешанная крепость по М.М. Протодьяконову f = 10.
2. В активной кровле преобладают песчаники и прочные алевролиты мощностью от 2 до 5 м. Непосредственно над пластом аргиллиты общей мощностью не более 5 м. Количество слоев в кровле 10...20. Средневзвешанная крепость пород f=6-10.
3. В активной кровле преобладают алевролиты и песчаники мощностью от 0,25 до 2 м. Непосредственно над пластом аргиллиты общей мощностью не более 5 м. Количество слоев в кровле не более 20. Средневзвешанная крепость пород f = 4-6.
Сложной тектоникой месторождения обуславливаются неравномерные поля напряжений в массиве. Для условий Прокопьевско-Киселевского месторождения необходимо учитывать следующее:
1. Тектонический режим района образования осадочной толщи, так как направление (поднятие или опускание) амплитуды и скорость тектонического движения определяют направление процессов литогенеза, его интенсивность и тип;
2. Тектоническое давление, возникающее при складкообразовании, которое приводит к изменению структуры и текстуры пород, их уплотнению и упрочнению;
3. Опускание толщ пород на большую глубину происходило тогда, когда они уже были собраны в складки;
4. В условиях, когда тектонические напряжения реализованы в деформации пород, свойства и поведение этих пород зависят от их положения в тектонической складке [10].
Высокий уровень напряжений в горном массиве обуславливает соответственно прочность породного материала. Многие авторы считают, что влияние глубины на механические параметры в данном случае не наблюдается, поскольку толща до глубины 1000 м имеет однородные физические показатели, в т.ч. - пористость в диапазоне 0,5...3 %. По мнению ряда исследователей, метаморфизм углей сказывается на вмещающих породах [5, 11, 12, 13]. Индикатором метаморфических изменений в породах считают проявление вторичного кварца спритизацию глинистого материала. Проведенный петрографический анализ пород показал, что качественный состав и процентное соотношение компонентов в породах с глубиной значительно не изменяется, т.е. влияния метаморфизма углей на свойства пород незначительно. Прочность пород как материала зависит от структурного её положения в массиве, степени тектонического воздействия и горнотехнических условий. В области влияния тектонических нарушений, приуроченных к разломам, породный материал упрочняется по всей толще, в области влияния горных работ породный материал ослабляется вследствие разгрузки и влияния контакта с угольным пластом. При составлении прогнозов устойчивости выработок необходимо, в первую очередь, изучать свойства породного материала в приконтурных частях массива с учётом типовых случаев из напряженного состояния.
Вскрытие и подготовка к разработке свит пластов производится с разделением шахтного поля на выемочные участки этажными квершлагами, проводимыми с полевых штреков.
Согласно «Указаниям...85» [14] для увеличения концентрации горных работ, обеспечения оптимального марочного состава добываемого угля и создания опережающей дегазации и разгрузки толщи пород и пластов свиту из нескольких сближенных пластов разделяют на независимые группы. При выборе соответствующих очередности и порядка отработки пласты смежных групп подготавливаются и отрабатываются, как правило, одновременно и независимо друг от друга. В каждой группе отрабатываемые, в первую очередь, пласты должны относиться к категории неподрабатывающих и неопасных по выбросам угля и горным ударам. Дальнейшая очередность отработки пластов определяется категорией сбли 16
женности с учётом требуемой концентрации горных работ и марочного состава добываемого угля.
На основании накопленного опыта ведения горных работ, а также ряда нормативных документов в Прокопьевско-Киселевском районе, в основном и. принят нисходящий порядок отработки пластов в свитах. Регламентация отработки свиты предусматривает, как правило, либо совмещение очистных работ на вышележащем пласте с подготовкой нижележащего пласта, либо подготовка нижележащего пласта начинается после отработки вышележащего. При этом только верхние пласты в группах можно рассматривать как одиночные, не испытывающие влияние от разработки смежных пластов. Все последующие пласты в группах испытывают влияние надработки.
Исследование напряженного состояния массива на моделях из оптически чувствительных материалов (ОЧМ)
При подземной добыче угля расчёт устойчивости элементов систем разработки и крепления горных выработок преимущественно ведут лишь с учётом сопротивления пород одноосному сжатию. Однако, массив в кровле и бортах выработок в почве и различного рода целиках находится в сложном трёхосном напряженном состоянии, а разрушение его определяется показателями паспорта объемной прочности.
Рост глубины разработки определяет высокие геостатические напряжения горных пород, приближающиеся в зонах разработки к предельным разрушающим. В этих условиях остаточная прочность пород при деформировании за пределом их прочности, составляет существенную часть сопротивления массива и не должна пренебрегаться в расчётах его устойчивости и давления на крепь [72].
Следует иметь ввиду, что необходимость проведения испытаний образцов угля и пород обуславливается также тем, что при расчётах смещений контура выработок, несущей способности целиков, крепей и т.д., прочностные характеристики углепородного массива заимствуют, как правило, из данных геологоразведочных партий, выданных на стадии разведки месторождений, по кернам, выбуренным из массива, находящегося в естественном состоянии, не тронутого горными работами.
При ведении горных работ резко меняется естественная влажность и напряженное состояние массива, преимущественно, в сторону значительного уменьшения сопротивления слоев пород. Значительно уменьшаются прочностные характе 41 ристики вмещающих пород вблизи зон геологических нарушений и в зонах влияния от ведения очистных работ.
На основе запредельных характеристик угля и пород можно также прогнозировать их удароопасность, используя модуль спада (М). Эта величина определяет крутизну падающего участка диаграммы «напряжения-деформация» {S-є), подобно тому, как модуль упругости (Е) характеризует крутизну восстающей ветви.
При объемном сжатии с ростом бокового давления от 0 до 20 МПа уменьшается эффективный модуль спада (М) и увеличивается эффективный модуль упругости (Е). Соответственно происходит уменьшение показателя потенциальной удароопасности . Таким образом, потенциально опасным по горным ударам считают породы и уголь, когда [73].
Для получения запредельных характеристик каждого испытываемого (в лабораторных условиях) образца (диаметр 42... 44 мм, h = 84... 88 мм) по методике ВНИМИ [74], используют, в качестве источника дозируемых нагрузок, универсальную испытательную машину (пресс Р 400 кН).
Ввиду необходимости одновременного дозирования и измерения двух компонентов предельного напряженного состояния, дополнительно к испытательной машине (с её дозирующим регулятором и силоизмерителем) применяется специальное нагрузочное устройство - стабилометр С-1 (БВ-21), представленного на рисунке 2.1.
Стабилометр БВ-21 представляет собой прочную герметичную камеру 1 с плунжером 2 оснащенную: - устройством 3 ввода в камеру гидростатического давления компрессорного масла для задания, находящемуся в камере образцу «О» бокового давления - крышкой 4 камеры с закрепленным на ней динамометром 5; - шприцом - емкостью 6, для заливки глицерина в полость плунжера и его капельного стравливания (для обеспечения постоянной скорости нагружения); - поршневым устройством 7 с ручной винтовой подачей поршня для дополнительного нагнетания глицерина и задания нагруженному образцу продольной деформации обратного знака с целью определения модуля упругости породы; - сливными емкостями (не показаны) для сбора утечки масла из камеры и из отверстия для выпуска из неё воздуха, а также утечки глицерина из предохранительного клапана шприц-емкости 6. В состав стабилометра входят также: - индикатор 8 часового типа ИЧ-10 для визуачыюго контроля перемещения корпуса камеры 1 относительно её плунжера 2; - конвергорезистор 9 для авторегистрации этого перемещения (если авторегистрация предусмотрена); - датчик экстензометр 10 поперечных деформаций образца, монтируемый на образце («О»); - вентиль 11, отделяющий камеру от источника давления (насос БН-10); - вентиль 12 сброса давления масла в камере и утечки его наружу; - манометр 13, контролирующий давление масла в камере; - резиновые уплотнительные кольца 14; - вентиль 15 капельной утечки глицерина из-под плунжера в емкость (для уменьшения расстояния между давильными плитами и задания образцу требуемой деформации).
Для задания бокового давления д = сттіп в камере БВ-21 используют масляный насос БН-10. Причём образец защищается от масла путём вставления в резиновую велосипедную камеру, а с торцов заклеивается плотной бумагой.
Для авторегистрации результатов испытания образцов используют самопишущие двухкоординатные планшетные потенциометры типа ПДПЧ (2 шт.). Один для записи диаграмм « г-є1» или «Р-є1», другой для записи диаграмм « єх -є2».
Использование указанного оборудования позволяет получать полную характеристику сопротивления и деформируемости образцов представляемых зависимостями главных нормальных компонентов (максимальною q = сгтіп и минималь 43 ного jmin) нагружающих напряжений и соответствующих их компонентов єх и є2 относительных деформаций.
Каждая из этих зависимостей, кроме того, определяется для разных задаваемых значений минимального главного напряжения jmin, что определяет соответствующие семейства зависимостей (1,2), после чего показатели, установленные для каждого заданного значения ттіп выражают в функции от значения этого компонента. Характерные состояния деформирования, определяют: - зависимость предела прочности тс от значения ттіп представляет собой паспорт объемной прочности породы; - зависимость предела длительной прочности jq от значения ст является, аналогично, паспортом длительной прочности; - зависимость предела остаточной прочности уост от значения з является паспортом остаточной прочности.
Для приближенного определения усредненных значений показателей деформируемости пород на характерных участках деформирования, эти участки зависимостей (1 и 2) предоставляют кусочно-линейной аппроксимацией графика зависимости (1) по участкам: нагружения, пластичности, спада и остаточного сопротивления, применительно к этой аппроксимации предусматривается определение численных значений следующих её показателей:
Проявление горного давления при подработке выработок очистными забоями с закладкой выработанного пространства
Разнообразие горно-геологических и горнотехнических условий, различная их значимость, изменчивость даже в пределах одного шахтного поля (в т.ч. в образцах пород) и недостаточная изученность вопроса не позволяют пока разработать аналитический метод прогноза проявлений горного давления в подрабатываемых подготовительных выработках. В «Методических указаниях по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах» отмечается: «Значительную область решения наиболее сложных многофакторных задач будут иметь и чисто им лирические расчёты, основанные на математической обработке результатов экспериментальных исследований». Поэтому основным методом исследований проявлений торного давления в подрабатываемых выработках является экспериментально-аналитический, включающий шахтные наблюдения за проявлением горного давления и математическую обработку результатов наблюдений. Шахтные экспериментальные исследования обеспечивают получение фактического достоверного материала о проявлениях горного давления в данных конкретных условиях, на основании которых могут быть решены следующие задачи: - сделаны конкретные практические рекомендации для аналогичных условий; - установлены эмпирические зависимости проявлений горного давления от основных горно-геологических и горнотехнических факторов: - разработаны приемлемые для практики инженерные методы расчёта.
Шахтными инструментальными наблюдениями изучались характер и вели чина смещений пород и крепи в подготовительных выработках, деформации под работанного массива на контуре выработок и вертикальные смещения подрабаты ваемой толщи пород в различные периоды: до влияния, в период активного влия ния и после влияния очистных работ подрабатывающего пласта. Эти данные ис 75 пользовались для установления качественных и количественных связей проявлений горного давления с основными горно-геологическими и горнотехническими факторами.
По каждому участку, где проводились шахтные исследования, оценивались горно-геологические и горнотехнические условия: глубина ведения очистных работ и расположения подрабатываемых выработок, мощность и угол падения подрабатываемого и подрабатывающего пласта, литологический состав пород в меж-дупластье и его мощность, длина подрабатывающего забоя и скорость его подви-гания, сечение подрабатываемых выработок, тип и плотность крепи, способ управления горным давлением (закладка, обрушение, плавное опускание) и способ охраны выработок от очистных работ собственного пласта и их расположение относительно границ подрабатывающего забоя.
В выработках, где закладывались наблюдательные станции, производился отбор образцов пород и угля по которым определялись физико -механические характеристики в Сибирском филиале ВНИМИ при одноосном [2] и объёмном [75] сжатии.
Определение расчётной прочности пород на сжатие (R ) производили по формуле, рекомендуемой в «Методических указаниях...» [86]. Щ = К-кс, С3-1) где Rc - среднее значение сопротивления пород в образце одноосному сжатию, МПа; Кс - коэффициент, учитывающий дополнительную нарушешюсть массива. Большой объём исследований (более 400 образцов) по определению прочности пород при одноосном сжатии позволил для условий Прокопьевске- Киселевского месторождения установить величину коэффициента Кс в зависимости от места расположения выработки и её участка относительно тектонических нарушений. Значение коэффициента Кс приведено в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Значение коэффициента нарушенности массива
Инструментальные наблюдения проводились на специально оборудованных станциях в подрабатываемых выработках. Наблюдательные станции были двух типов: комплексные и упрощенные.
Комплексные наблюдательные станции состояли из замерных пунктов, оборудованных в подрабатываемых выработках, на которых производились инструментальные замеры смещений пород на контуре выработок, деформаций смещающих пород и вертикальных сдвижений с целью установления характера и количественной оценки деформирования выработок, параметров зон сдвижения и перераспределения горного давления в подрабатываемой толще пород. Число замерных пунктов и расстояния между ними определялись в соответствии с требованиями, изложенными в работах [86, 87].
Наблюдения на упрощенных наблюдательных станциях производились с целью получения смещений пород на контуре сечения подрабатываемых выработок в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Смещения пород контура выработки определялись как по контурным реперам, так и непосредственно по деформированию элементов крепи. Измерения проводились рулеткой ВНИМИ или стойкой СУ-ІІ с точностью отступа ± 0,5 мм. Определение смещений пород в выработках, доступ в которые с течением времени прекращался или её посещение было небезопасно для людей, производилось с помощью реостатных датчиков РД-2 в комплексе с измерительной станции СРД-3.
Инструментальные измерения деформаций пород, вмещающих подрабатываемую выработку, осуществлялись с помощью стойки СУИ-11 с индикаторной насадкой часового типа (точность измерений ± 0,01 мм) или с помощью микрометренной стойки конструкции ВНИМИ.
Микрометренная стойка ВНИМИ представляет собой жесткую трубчатую конструкцию, один конец которой заострен, па другом вмонтирован микрометр с ценой деления 0,01 мм. Жесткая база стойки 800 мм, выдвижная часть микрометра - 25 мм.
Измерения деформаций проводились на специальном замерном пункте, для оборудования которого отжатый уголь или порода в стенке выработки обиралась на глубину 0,7-1,0 м. В образованной нише бурились два шпура длиной до 1,0 м. Расстояние между шпурами определялись базой микрометренной стойки или стойка СУИ-П и составляло 800...870 мм. В шпурах бетонировались металлические реперы (0 = 16... 18 мм, 1 =1,0... 1,2 м) с помощью цемента марки БРЦ (бы-стротвердеющий, расширяющийся).
Реперы имели углубления диаметром 3-4 мм для фиксации положения стойки и располагались в нише так, что в процессе наблюдений замерялись деформации по нормали к напластованию.
Определение вертикальных сдвижений реперов в почве подрабатываемых выработок проводилось геометрическим нивелированием в прямом и обратном направлении в соответствии с общими требованиями выполнения подобных работ [87].
Деформирование вмещающего выработку массива пород определялись с помощью глубинных реперов, которые закладывались на расстояние до 8 м от контура выработки. Расположение и количество реперов в скважинах определялось в соответствии с геологическим разрезом. При помощи глубинных реперов получали следующую информацию: общий характер сдвижения вмещающих выработку пород; абсолютные смещения пород в зависимости от их удаления вглубь массива; величину расслоения и коэффициент разрыхления пород.
Установление размеров зон неупругих деформаций производилось методом ультразвукового каротажа скважин, основанного на принципах ультразвуковой дефектности (прибор СБ-2 с датчиком ДУ-1).
По результатам исследований составлялись специальные паспорта наблюдений с перечнем необходимых данных и строились соответствующие графики с представлением схем замерных пунктов и измеренных смещений пород в зависимости от времени поддержания выработки и положения очистного забоя.
Методика, исследований влияния упрочнения массива горных пород анке-рованием, основывалась на принципе сопоставления смещений на контуре сечения выработок на контрольных (с упрочнением) и на обычных участках горных выработок. Количество контрольных участков в одной выработке достигало четырех (протяженность одного участка - 20... 40 м). Анкера устанавливались вслед за подвигапием проходческого забоя с максимальным отставанием не более 10 м. Для упрочнения массива горных пород использовались анкеры АК-8, ШК-1п длиной 1,6... 1,8 м с замком распорного типа и сталиполимерные анкера длиной до 2,0- 2,5 м с закреплением быстротвердеющими смолами.
В отношении плотности установки анкеров, имеющиеся рекомендации [88,89], применимы только для анкерной крепи как самостоятельной. Поэтому количество анкеров и схемы их расположения принимались самостоятельно.
Оценка напряженно-деформированного состояния массива с учётом результатов испытаний образцов при объёмном сжатии
Как отмечалось выше, по показателям деформируемости и объёмной прочности образцов угля и пород до и за пределом прочности можно значительно расширить представление о сложном напряженном состоянии углепородного массива и его несущей способности, включая предварительную оценку удароопасности угля и пород.
Автором при поэтапном моделировании ведения очистных работ с имитацией зон значительной трещиноватости и обрушений, было установлено, что после обрушения пород кровли напряженное состояние углепороднего массива резко изменяется в сторону уменьшения.
Сравнение полученных результатов напряженного состояния массива после обрушения кровли с состоянием образца после разрушения при достижении остаточной прочности (рисунок 2.2) навело на мысль об аналогии. Эта аналогия вызвана тем, что и в массиве после обрушения и в разрушенном образце сохраняется условие постоянной остаточной прочности (стост).
А для массива с постоянной остаточной прочностью известна попытка установления зависимости между смещениями (U) и отпором крепи (Р) применительно к выработкам, окруженным разрушенным массивом [97].
Полученные зависимости рекомендованы автором [97] и для решения обратной задачи: по известному V и заданным допустимым смещениям контура выработки (U) можно определить необходимый отпор Р, а затем выбрать конструктивные и технологические параметры крепи.
Согласно представленной формуле достаточно в некоторой «контрольной» выработке, расположенной в разрушенных породах, измерить максимальные смещения (Vi), а также значения отпора крепи (Pi) и соответствующих ему смещений (Ui). Указанных величин достаточно, чтобы найти остаточную прочность массива тост и представить расчётные формулы таким образом, что они содержат в качестве параметров только Ub Рь Vi и угол внутреннего трения, который практически не меняется при переходе от образца к массиву.
В задачу диссертационной работы не включалась необходимость использования рассмотренной формулы в решение поставленных задач, однако, преимущество проведения исследования физико-механических характеристик угля и пород при объёмном сжатии для сохранения выработок в разрушенном массиве показана. В дальнейших исследованиях необходимо «приспособить» указанный подход к массиву вокруг подработанных выработок.
Оценка степени влияния упрочнения пород анкерованием на устойчивость выработок, закрепленных металлической крепью
В исследованиях при участии автора, проведенных на шахте № 12 ОАО «Киселёвскуголь» с целью изучения возможности экономии металлических рамных крепей за счёт упрочнения вмещающего массива анкерованием, установлено, что различная плотность анкерования позволяет установить зависимость умень 115 шения величин смещения (вертикальных и в боках выработок) от плотности анке-рования [94].
Таким образом, полученные результаты позволили рассчитывать смещения пород (вертикальные и в боках) на контуре выработок при упрочнении анкерова-нием по формуле:
В этой же работе было показано, что с удалением реперов от контура выработок на 4,0-5,5 м смещения резко уменьшаются. Здесь же рекомендовано увеличивать длину анкеров до 4,0-5,5 м, с целью закрепления замка за пределами зон интенсивного разрушения и смещения пород. Кроме того, было отмечено, что при наличии значительных смещений боков выработок, нерационально поддерживать бока выработок только рамными крепями, и необходимо разделение функций крепей по поддержанию кровли и боков.
Все эти выводы и рекомендации подтверждались в дальнейших исследованиях с участием автора [84, 89, 90]. Однако, с учётом того, что в работе [94] исследования проведены только с анкерами ШК-1м длиной 1,8 м, то в приведенные результаты необходимо внести корректировку.
Внедрение сталеполимерных анкеров диаметром 20 мм с химическим закреплением позволило уменьшить диаметр шпура с 43 до 26-28 мм, что привело к уменьшению смещений пород на контуре выработок в 1,09-1,1 раза (для анкеров длиной 1= 1,8 м) в аналогичных условиях.