CC BY
92
--© C.B. Кузьмин, И.А. Сальвассер,
С.А. Мешков, 2014
УДК 622.112.4.023.68:622.268.13
С.В. Кузьмин, И.А. Сальвассер, С.А. Мешков
МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ ПУЧЕНИЯ ПОРОД ПОЧВЫ И СПОСОБЫ БОРЬБЫ С НИМ
Рассмотрены механизмы и схемы пучения пород почвы горных выработок. Рассмотрены и проанализированы основные способы борьбы с пучением пород почвы.
Ключевые слова: механизм пучения, способы борьбы с пучением, подготовительная выработка, пучение.
Трактовка механизма возникновения и развития пучения многообразна. Практически для каждого месторождения, где активно проявляется пучение, предложен вариант механизма, основанный на факторах характерных для конкретных выработок. Однако, если иметь ввиду конечный показатель - смешение почвы выработки - к нему приводит любой механизм предлагаемый для объяснения пучения. Величина смешения непосредственно влияет на эксплуатацию выработки, отражаясь на ее состоянии, нагрузках на крепь, на работоспособности транспортных (монорельсовый путь, конвейер) средств. Поэтому величина и интенсивность смешений пород при пучении интересны независимо от того, какой механизм привел к его возникновению.
Авторы статьи [1] выделяют два характерных периода в процессе пучения: первый, сравнительно непродолжительный, но интенсивный период; второй - это установившееся равномерное пучение с незначительными изменениями его интенсивности во времени. Это деление достаточно условно, в условиях шахт «Гуковуголь» первый период составляет 4 - 5 месяцев, второй - более 5 - 10 лет, т.е. процесс деформирования практически не затухает при реальных сроках службы выработок. Отмечены следуюшие характеристики пучения: величина и скорость пучения пород в указанные выше периоды; продолжительность периода интенсивного деформирования пород; неравномерность пучения пород по ширине пролета выработки. Установлено, что с глубиной все перечисленные характеристики возрастают, особенно величина и скорость пучения. В
работе [2] на основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета пучения почвы подготовительных выработок в зоне временного опорного давления впереди очистного забоя.
Вместе с тем, закономерности и механизм этого сложного явления изучены не в полной мере. Как отмечается в работе [3] «одни считают, что пучение есть результат выдавливания в полость выработки пород, перешедших по ряду причин в пластическое состояние; другие представляют себе пучение как объемное расширение пород».
На практике стремятся проводить выработку по возможности в отдалении от слоя породы, проявившего себя как пучащий, или проходить ее таким образом, чтобы этот слой полностью отсутствовал в сечении выработки. Полное или частичное оставление этого слоя в почве автор работы [4] считает не правильным. Он пишет: «Если мощность пучащих пород почвы несколько больше необходимой высоты выработки, то в сильно набухающих породах их иногда целесообразно подорвать на всю мощность, а перебор высоты засыпать шлаком или ненабухающими породами». На шахтах Карагандийского бассейна имеется опыт, заключающийся в том, что выработку проходят строго выдерживая определенное расстояние до пучащего слоя, благодаря чему избегают интенсивного пучения.
В ИГД им. A.A. Скочинского выполнена работа [5], в которой рассмотрены два вида механизма развития пучения. При первом виде действует, в основном, механизм выдавливания слоя породы, пришедшего в запредельное состояние в результате проведения выработки. Пучащий слой, находясь в ее почве и под боками, выдавливается без нарушения сплошности, причем максимальное поднятие почвы происходит в середине выработки и состоит из двух компонент: поднятия почвы, обусловленного горизонтальными перемещениями пучащего слоя под стенками выработки, и поднятия почвы, вызываемого упругими перемещениями пород на контакте пучащего и не пучащего слоев.
Несколько отличная картина может сложится при втором виде пучения, когда пучащий слой состоит из отдельных плохо связанных между собой слоев и они теряют устойчивость и выпучиваются в выработку. При этом добавляется третья компонента - поднятие почвы, обусловленное расслоением пород.
СОп <1
СОк<1
|С0б|<1
0<СОб<СОп<1
Отслаивающие слои ведут себя различно: если, порола слоев пластична, то они плавно прогибаются; хрупкие породы могут разламываться посередине выработки или в нескольких местах, образуя разрыхленный массив. Рассмотренные схемы довольно просты, часто действуют совместно, т.е. между ними нет четкой границы. Более сложный характер механизм пучения приобретает, когда выработка нахолится в зоне влияния (прохождения) очистного забоя: его величина увеличивается, проявляется оно не равномерно сечению выработки. Авторами [5] рекомендуются зависимости для расчетов величин пучения пород. Схемы механизма пучения, систематизированные по изложенным выше факторам, представлены в работе [6] рис 1.
Негативное влияние пучения отражается на всем процессе добычи и транспортировки угля, внося затруднения в поддержания выработок. Наиболее кардинальным путем уменьшения или ликвидации последствий пучения на шахтах остается подрывка (ручная или машинная) и поддирка вспучивающихся пород почвы, но трудоемкость этих работ весьма значительна, стоимость высока.
Исходя из отмеченных выше основных факторов, приводящих к пучению, способы борьбы можно свести к двум груп-
оэ| >1
V—сог^
Рис. 1. Схемы механизмов пучения пород почвы:
а - набухание, б - набухание, размокание; в -размокание с последующим набуханием; г - выдавливание из-под штампа; д - продольно - поперечный изгиб слоев, образование зоны неупругих деформаций; е - вязкопластическое течение при влаге V; ж - образование зоны неупругих неупругих деформаций; з - вязкое течение в зоне неупругих деформации и при наличии влаги V; схемы а, б, в, г, д, е, ж, з, соответствует типам 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 пучения пород [6]; I - зона неупругих деформаций; шк шб шп - локальные критерии разрушения пород соответственно кровли, боков и почвы выработок; V - скорость смещения породного контура
пам, суть которых: снижение напряжений в породах почвы, что ведет к уменьшению смешений; изменение прочностных свойств пород почвы с целью увеличения их несушей способности.
Применяя способ разгрузки угольного пласта скважинами, переносят области концентрации напряжений от боков выработки вглубь массива. Эта глубина определяется длиной скважин (до 4 - 12 м). Способ осушествляется бурением указанных скважин диаметром 200 - 300 м по пласту угля с оставлением между ними целиков. Положительный эффект способ дает не всегда, для его реализации требуется громоздкое оборудование, размешение которого часто затруднительно. Модификацией способа является образование сплошной ше-ли глубиной до 4 - 4,5 и высотой 0,1 - 0,15 м, приводяшей к тому же результату. Образование шели не всегда ведет к желаемому эффекту. По данным ВНИМИ проведение шели в вентиляционном уклоне пласта 06 на шахте им. В.И. Ленина привело даже к отрицательному результату - пучение интенсифицировалось. Образование шели ведет также к увеличению опусканий пород кровли, т.е. требует использования более податливой крепи.
Стремлению отнести область концентрации напряжений в почве от боков выработки отвечает и применение разгрузочных берм, образуемых путем выемки пласта угля по обе стороны от выработки и выкладки податливых опор вдоль стенок (породные полосы, костры, пневмобаллоны и т.п.). Способ также требует более податливой крепи, трудоемок, поэтому нашел только экспериментальное использование.
При способе компенсационных выработок параллельно с охраняемой проходят с одной или обеих сторон дополнительные выработки, в которых локализуется пучение. Эффективность способа определяется прежде всего правильным подбором ширины угольных целиков между выработками, которые должны быть податливы.
При способе борьбы с пучением путем разгрузки пород почвы взрывом бурят шпуры в стенки или почву выработки и взрывают их, вследствие чего образуется податливая разрыхленная зона, обеспечиваюшая эффект разгрузки. В ряде условий способ оказался экономически выгодным, приводил к уменьшению смешений до двух раз.
Положительные результаты показали способы разгрузки массива пород, где проходит выработка, основанные на подработке или надработке их очистными работами при сближенных пластах. Многочисленные исследования подтверждают эффективность способа, предложены схемы рационального, взаимного расположения лав и подготовительных выработок. Однако рекомендуемые схемы далеко не всегда осушествимы на действуюших шахтах, где порядок отработки пластов может быть принят по другим соображениям, не учитываюшим в должной мере необходимость борьбы с пучением.
Как известно большая роль в борьбе со смешениями пород отводится крепи. Предложены десятки [7] конструкций, которые содержат элементы, препятствуюшие пучению. Многие крепи успешно противостоят смешениям почвы, особенно в капитальных выработках, где отсутствует влияние очистных работ, а породы не склонны к набуханию. Однако на практике никакая реальная крепь не может гарантировать сохранность выработки, если в ней начнется пучение и разовьются нагрузки, превышающие несушую способность крепи. Предложено и испытано много методов борьбы с пучением, используюших анкерную крепь, но ожидаемого успеха во многих случаях не достигнуто, так как параметры анкеров и схемы закладки выбирались без учета реального механизма движения слоев пород при пучении. Как отмечается в [5] выпучивание пород происходит под действием горизонтальных смешений слоев почвы, что сводит к минимуму эффект «сшивания» слоев, так как анкер плохо работает на боковые нагрузки. Кроме того, напряжения, создаваемые анкерами, на порядок меньше дей-ствуюших в слоях пучашихся пород. Попытки установки анкеров высокой несушей способности не дают ожидаемых результатов, как и использование анкеров с повышенной податливостью. Следовательно, применение этой крепи, давая эффект при незначительном пучении, не решает в целом вопроса его ликвидации.
Большая группа методов борьбы с пучением характеризуется как комбинированные способы, объединяюшие разгрузку слоев от напряжений и их упрочнение. Один из них, например, предложен Г.Г. Литвинским и заключается во взрывании камуфлетных зарядов в почве, образуюших трешиноватый массив, в который нагнетается цементный раствор, скреп-
ляющий нарушенные породы и увеличивающий их прочность. В глинистых породах образуются полости, заполняемые ингибиторами уменьшающими набухание, а следовательно, и пучение. В определенных условиях комбинация способов дает заметный эффект.
Зарубежные исследователи, например в Польше [8], считая основной причиной пучения давление, возникающие вследствие проведения выработок и нарушения равновесия массива горными работами, изучали различные методы борьбы с этим явлением. Выявлено, что каждый их них эффективен в определенных условиях. Анкерная крепь пригодна, когда непосредственная почва залегает на песчанике и если анкеры несколько увеличивают жесткость пород почвы, но являются полумерой. Более эффективны железобетонные анкеры в сочетании с лежнями. В одной из шахт успешно применялось ка-муфлетное взрывание с железобетонной анкерной крепью.
Таким образом, рассмотренные механизмы и способы борьбы с пучением говорят о большой значимости этой проблемы, которая влияет на целый комплекс горно-геологических и геомеханических факторов. Природа и количественная оценка этих факторов не всегда ясна и однозначна, поэтому предложено много схем механизма пучения, средств и способов борьбы с этим явлением. Некоторые из них в конкретных условиях положительный эффект, однако в целом проблема далека от разрешения.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зубов В.П., Лазченко К.Н., Иванов A.A. «Влияние глубины разработки на пучение пород в подготовительных выработках». Уголь Украины, №12, 1984, с. 13-14.
2. Иоффис И.М. «Исследование пучения почвы подготовительных выработок в зоне временнего опорного давления впереди очистного забоя». Канд. диссерт., МГИ, 1960 г., с.192
3. Лыткин В.А. «Механизм пучения пород в подземных выработках». Наука, М., 1965, с. 132.
4. Городничев В.М. «Современные методы борьбы с пучением горных пород». Госгортехиздат, М., 1960, 100 с.
5. ИГЛ им. Скочинского. «Разработка методов прогноза и предложений по борьбе с интенсивными деформациями и обрушениями пород в горных выработках». Отчет по работе 0102011000, Люберцы, 1988.
6. Литвинский Г. Г. «Механизм пучения пород почвы подготовительных выработок». Уголь, №2, 1987, с.15-17.
7. ВНИМИ. «Провести патентные исследования средств и способов борьбы с пучением пород в горных выработках». Отчет по работе 0239013000, Л., 1988.
8. Такик Б. «Некоторые вопросы пучения почвы в горных выработках и борьба с ними». 2еЬ.. паиг. ака<± с1агп1ийи, 1966, № 134, с 102. ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кузьмин Сергей Владимирович — горный инженер, младший науч. сотрудник, kuzmin_sv@spmi.ru, Научный центр геомеханики и проблем горного производства НМСУ «Горный»,
Сальвассер Иван Александрович — горный инженер, директор по развитию ОАО «СУЭК-Кузбасс», SalvasserIA@suek.ru,
Мешков С.А. — горный инженер, зав. горными работами шахтопроходческо-го управления ОАО «СУЭК-Кузбасс», MeshkovSA@suek.ru.
MECHANISM OF ROCK HEAVING DEVELOPING AND IT WAYS TO FIGHTING
Kuzmin S.U, Mining engineer, Inferior research fellow, e-mail: kuzmin_sv@spmi.ru, Research Center on Geomechanics and Mining Production, NMRU «Mining», Salvasser I.A., Mining engineer, Development director, JSC «SUEK-Kuzbass», Meshkov S.A., Mining engineer, underground manager JSC «SUEK-Kuzbass», MeshkovSA@suek.ru.
The paper covers are mechanisms and schemes of rock heaving in the mine workings. Consideration and analysis is given basic ways to fight with rock heaving.
Key words: mechanism rock heaving, ways to fight with rock heaving, opening mine working, rock heaving.
REFERENCES
1. Zubov V.P, Lazchenko K.N., Ivanov A.A. «Depth development has an effect on the rock heaving in the opening mine workings». Coal of Ukraine, no. 6, pp.13-14.
2. Ioffis I.M. Investigations of rock heaving in the opening mine workings in a bearing pressure temporary zone in front of sweep a fase. Dissert. for PhD., MSU, 1960, p. 192.
3. Lytkin V.A. Mechanism of rock heaving in the mine workings. Scince, Moscow, 1965, p.132.
4. Gorodnichev V.M. Modern ways to fight with rock heaving. Gosgortechizdat, Moscow, 1960, p.100.
5. NMRC «A.A. Skochinsky Institute of Mining». Development of methods and suggestions about to fight with strain and rockfall in the mining workings. Report on the work of 0102011000, Lyubertsy, 1988.
6. Litvinsky G.G. Mechanism of rock heaving in the opening mine workings. Coal, no.2, 1987, pp.15-17.
7. VNIMI «Carry out research means and methods to fight with rock heaving in the mining workings for patent paper». Report on the work of 0102011000, Lyubertsy, 1988.
8. Takulki S. Some questions about rock heaving in the mining workings and to fight with them. Zelz. naur. darnhutu, 1966, no. 134, p.102.
