CC BY
27
В. А. МАТВЕЕВ
К теории горного давления в очистном забое при разработке угольных пластов
Управление горным давлением в очистных забоях является одной из самых актуальных задач практиков и теоретиков горного дела и в то же время одной из самых трудных задач геомеханики. Это в полной мере относится и к управлению кровлей в длинных очистных забоях при разработке угольных пластов. Несмотря на полученные решения ряда задач о напряженном состоянии и деформациях пород кровли в окрестности очистного забоя, а также накопление эмпирических зависимостей проявлений горного давления от горно-геологических условий, до настоящего времени нет общей теории и расчетных схем определения ожидаемых проявлений горного давления в очистных забоях. Это не позволяет производить достаточно обоснованную эксраполяцию известных расчетных схем на области условий, в которых уще мало накоплено эмпирических данных.
В настоящее время в отечественной угольной промышленности действуют нормативные документы, определяющие необходимый уровень сопротивления крепи очистных забоев [ 1, 2]. В их основу положена установленная в результате натурных исследований общая тенденция роста нагрузок на крепь очистных забоев с увеличением мощности разрабатываемых пластов. При этом отсутствует четко сформулированный закон, а рекомендуются необходимые уровни сопротивления крепи для трех диапазонов мощностей пластов в пределах до 3,5 м и условных структур кровель, определяющих их нагрузочные свойства. В связи с этим недостаточно надежно прогнозируется характер деформаций и обрушения основных кровель во всем многообразии их структур и уровень нагрузок на крепь вовсем диапазоне пластов тонких и средней мощности.
В данной работе предлагается теоретическая основа и расчетная схема для решения указанных задач на основе следующих принципов:
• определение деформаций и условий разрушения слоистой кровли производится на основе использования и уточнения известных решений по установлению предельных состояний различных структур пород;
• в кинематике деформаций пород кровли и формировании нагрузок на крепь в полной мере учитывается фактор подбучивания кровли обру-шающимися породами и его зависимость от внешних условий;
• количественные характеристики проявлений горного давления в призабойном пространстве очистного забоя определяются как результат развития деформации всей структуры слоистой кровли и действия ограничений от эффекта подбучивания пород и сопротивления крепи.
Исследование кинематики деформаций и обрушения слоев кровли при выемке угольных пластов и разработка расчетных схем на первом этапе производится для единичной полосы в средней части лавы, т.е. задача рассматривается как плоская.
Расчетная схема в данном варианте разработана для случаев послойного обрушения пород кровли пологопадающего пласта.
Процесс обрушения слоистой кровли сопровождается явлением самоподбучива-ния, в результате которого по мере развития обрушения вверх от пласта из-за разрыхления обрушающихся пород сокращается свободный просвет между обрушенными породами и очередным деформирующимся слоем. Однако с сокращением просвета затухает сам процесс самоподбучива-
пород к по мере уменьшения отношения высоты свободного падения к толщине очередного обрушающегося слоя У,./Л(. Величины коэффициента разрыхления к являются сугубо эмпирическими и отражают непрерывный хаотический процесс падения и опрокидывания блоков и кусков породы. Как следствие этого, его изменение во всем диапазоне возможных отношений у/Л, будет монотонным и непрерывным. Из имеющихся сведений следует, что наиболее пологие участки роста к приходятся на малые значения отношении У(/к1 1 (кр = 1,00-1,03) и очень большие их значения, поскольку кр ограничен сверху величиной 1,7-1,8 с плавным приближением к ней. Наиболее крутая часть кривой роста кр приходится на величины аргумента У/к от 1,5 до 2,5. Для аппроксимации такой формы функции кр от аргумента У(/от 1,5 до 2,5. Для аппроксимации такой формы функции к от аргумента использована
функция гиперболического тангенса:
кр1 = А [ Ш (У,- /\ -В) + 1 ] + 1 ,
где А - определяет общий размах изменений функции, а В - величину аргумента в точке максимальной крутизны изменения функции.
С учетом приведенных выше сведений конкретная функция имеет вид:
кр1 = 0,35 [ Ш /Л, - 2 ) + 1 ] + 1 .
На основе известных положений об исходных составляющих нагрузок на крепь разработана методика их определения, отражающая влияние ограничения величины опускания кровли и зависимость от мощности разрабатываемого пласта через кинематику процесса обрушения и самопод-бучивания. Крепь должна воспринимать нагрузку прежде всего от полного веса породы нижних слоев кровли, не способных удерживаться от обрушения за счет дополнительной опоры на обрушенные породы, и, кроме того, - моментную нагрузку от блоков вышележащих прочных слоев кровли, если их опускание на массив обрушенных пород будет ограничено в пределах призабойного пространства величи-
нои, меньше полного возможного опускания.
Схема обрушения блоков слоистой кровли и передачи нагрузок от них на крепь призабойного пространства показана на рис. 1.
п
Р =2 У- h.,
Н 'II ’
1 — 1
где h¡ и-----мощность и объемный вес
пород i-ro слоя соответственно;
п’ - номер последнего слоя, пролет которого не превышает ширину призабойного пространства.
Величина возможного полного опускания блоков прочных слоев кровли над границей призабойного пространства зависит от остающегося свободного пространства под опускающимся завальным концом блока и предельной длины блока. Высота свободного пространства перед обрушением очередного í-го слоя определяется из выражения:
У, = У(._! - 0,35 h¡—i х х [ th (У,-! /Af_i - 2 ) + 1 ] ,
где Y¡_¡ — высота свободного падения при обрушении (i - 1 ) -го слоя мощностью
hi_¡-
Рис. 1. Схема нагрузок и реакций от блоков кровли.
Нагрузка от нижних слоев, предельный пролет которых от момента обрушения менее ширины призабойного пространства, определяется суммарным весом этих пород:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
^и/|Ц-Х
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ьп1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Кр (1-1)
ЛРОВБрКй условия Ьп1^Хх+0»5 м
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
проверка
делювия
чи Уд
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ОПрЕДЕЛШЕ
Р*;
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Предельный пролет обрушающегося
слоя:
где двр1, А( и у(. - временное сопротивление породы на растяжение, мощность и объемный вес обрушающегося ьго слоя соответственно.
Максимальное опускание кровли на границе призабойного пространства от наклона блока прочного слоя до полной опоры завального конца на обрушенный массив составит:
У,' = У,-* 1 'а*.
где х1 - ширина призабойного пространства:
остальные обозначения прежние.
В случае ограничения опускания кровли величиной У, меньшей У( ", часть мо-
ментной нагрузки от весча очередного блока будет передаваться на крепь. Моментная нагрузка от блоков всех слоев кровли, передающих ее на крепь при заданном опускании кровли, определяется по формуле:
р. =
М
0,75 У у, Л, 1=п +1
1 -(УШ/УП
где п - номер последнего слоя, создающего моментную нагрузку на крепь по условию У,-'
Полная нагрузка на крепь определяется суммой указанных составляющих:
Р +Р
Н М
Схема расчетов необходимого сопротивления крепи для каждого заданного (ограниченного) опускания кровли носит цепной характер, поскольку результат расчета для предыдущего слоя входит в расчет для последующего (рис.2). Выполнив для конкретной структуры кровли и мощности пласта расчеты по приведенной схеме при различных значениях опускания кровли на границе призабойного пространства, получаем зависимость необходимого сопротивления крепи от допускаемого опускания кровли.
Рис.2. Блок-схема расчетов проявлений горного давления в очистном забое.
По разработанной схеме был выполнен ряд расчетов как для условных типов, так и для конкретных структур кровель. В качестве примеров приведены результаты расчетов сопряженных значений опусканий кровли и необходимого сопротивления крепи для условно среднего типа кровли по нагрузочным свойствам при различных мощностях пластов (рис. 3), а также результаты расчетов указанных характеристик для очистного забоя с конкретной структурой кровли пласта 13 на шахте им. XXI съезда КПСС (рис. 4), в котором ВНИМИ, были выполнены представительные экспериментальные наблюдения за проявлениями горного давления, данные которых опубликованы [3].
Р,кПа
800-
Рис.З. Расчетные зависимости необходимого
сопротивления крепи от допустимых опусканий кровли при различных мощностях пластов.
Рис. 4. Расчетная зависимость и фактические
сопряженнные величины опускания кровли и нагрузок на крепь (кружки — средние значения; точки — максимальные). Пласт - 1,55 м, шахта им. XXI съезда КПСС Донбасс.
По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
/. Разработанная расчетная схема и математическая модель удовлетворительно описывают геомеханические процессы в слоистой кровле угольного пласта за движущимся очистным забоем. В ней достаточно близко к реальной картине в охваченной эмпирическими исследованиями области отражается влияние на проявления горного давления основных факторов: типа и структуры кровли, прочностных свойств горных пород, мощности пласта.
2. Предложенная расчетная схема обладает определенной универсальностью. Она позволяет совершенствовать ее путем уточнения и развития отдельных этапов (блоков) с учетом новых данных и других условий, еще не охваченных достаточным объемом натурных исследований.
3. Предварительный анализ полученных в результате расчетов зависимостей, а также сопоставление их с данными натурных исследований свидетельствуют о том, что на пластах мощностью менее 0,7 м, если допустить опускание кровли 120-130 мм, необходимое сопротивление крепи мало зависит от типа и структуры кровли и не превышает 300 кПа.
4. Как следствие из п. 3, можно вполне обоснованно сделать вывод о необходимости введения в ГОСТ 27030-86 «Крепи механизированные для лав. Общие технические требования» дополнительного уровня сопротивления механизированных крепей для пластов мощностью менее 0,75 м- 300 кН/м2, а также соответствующих изменений в другие отраслевые нормативные документы для всех типов кровель. Эти изменения существенно облегчат создание механизированных и комплектных крепей для работы на тонких и весьма тонких пластах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 35 м с углами падения до 35. / ВНИМИ. JI., 1981.
2. ГОСТ 27030-86. Крепи механизированные для лав. Общие технические требования. / Госкомитет по стандартным. М., 1986.
3. Орлов A.A., Сетков В.Ю. и др. Взаимодействие механизированных крепей с кровлей. М., Недра,
1976.
tR © В.А.Матвеев
В заседании минералогического общества горный инженер Яворовский сообщил о генезисе месторождений золота и их классификации (преимущественно об амурских месторождениях). Академик Еремеев демонстрировал кристаллы берилла, в которых открыл несколько новых редких кристаллографических форм.
’’Новости и биржевая газета”, 14 апреля 1895 г.
