Шахтная проверка способа предотвращения пучения пород почвы горных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

исправление дефектов, которые неизбежны в результате технологии ее возведения (что невозможно при типовых крепях в “чистом виде”), использование пород в почве выработки как активной пригрузки против пучения.

Практика эксплуатации шахт Западного Донбасса подтвердила правильность требований СниПа в части формы крепи выработок, которые размещены в слабых породах, и это привело к применению замкнутых крепей. Что касается таких капитальных выработок, как околоствольные дворы, то при ремонте разрушенных участков с бетонной крепью предпочтение следует отдавать замкнутым конструкциям, обеспечивающим длительный срок службы выработок. Здесь уместно обратить внимание на то, что рамы из специального взаимозаменяемого профиля СВП или другого металлопроката с тампонажом закрепного пространства без защиты металла от коррозии имеют срок службы не более 20 лет.

Таким образом, для капитальных выработок шахт, которые размещены в слабых породах, необходимо:

- применять крепи замкнутой формы;

- применять тампонаж закрепного пространства для образования второго грузонесущего

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

слоя и обеспечения расчетной несущей способности рам;

- в качестве грузонесущих элементов крепи применять элементы из прочного материала, на который не

влияет коррозия на протяжении всего срока эксплуатации выработок;

- при применении конструкций из металла обеспечить гарантированную длительную защиту от коррозии.

Одним из конструктивных решений является комбинированная крепь повышенной несущей способности, которая предназначена для горизонтальних и наклонных горных выработок, размешенных в слабых породах. Эта крепь представляет собой типовую арочную крепь, которая усилена замоноличенным с помощью тампонажа слоем забутовки наперед заданного размера, а тампонажный раствор принят таким, что по истечении определенного наперед заданного времени имеет необходимую прочность в затвердевшем состоянии.

Для предотвращения раскрытия жолоба специального профиля СВП и защиты от коррозии металла поверхность рам покрыта защитным слоем из цементнопесчаного раствора толщиной 20 мм, т.е такой минимальной толщины, которую рекомендует СНиП для железобетонных конструкций.

Разработанная конструкция комбинированной крепи может быть разделена на две самостоятельные части - верхнее и нижнее строение, каждое из которых имеет разную грузонесущую способность. В нижнем строении крепи размещены элементы, препятствующие смещению стоек рам внутрь выработок, а, следовательно, сохраняются безопасные зазоры поперечного сечения выработки.

Нижнее строение комбинированной крепи запроектировано таким, что горные породы в почве выработки оказывают активное противодействие пучению.

Г рузонесущая способность верхнего и нижнего строений крепи может быть изменена в широких пределах в зависимости: от коэффициента крепости, структурных и тестурных ослаблений боковых пород, а также в зависимости от взаимного влияния выработок друг на друга. Крепь является многослойной конструкцией с регулируемыми параметрами, что имеет важное значение для выработок, которые размещены в слабых породах.

Указанная крепь предназначена для применения в капиталь-них горных выработках, срок службы которых превышает 30 лет, например, в околостволь-ных дворах, главных магистральных выработках, квершлагах, капитальных уклонах и др.

Куклина Л.В. - инженер, Национальная горная академия Украины.

Рева С.Н. - кандидат технических наук, Национальная горная академия Украины.

© А.Н. Роенко, 2003

УАК 622.013

А.Н. Роенко ШАХТНАЯ ПРОВЕРКА СПОСОБА ПРЕАОТВРАШЕНИЯ ПУЧЕНИЯ ПОРОА ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

фактах [1, 2] предложен новый здхоц к исследованию явления р*ия пород почвы в горных

выработках. Этот подход отличается от общепринятого, базирующегося на прочностном кри-

терии тем, что в нем заложена гипотеза о возможности неупругой потери устойчивости слоев, слагающих почву выработки. Суть предложенного подхода состоит в следующем.

Свод выработки является конструкцией самоподдержи-вающейся. Форма свода такая, что напряжения в нем в процессе деформирования породного массива всегда остаются сжимающими. Почва же ведет себя иначе: со временем наблюдается ее искривление в сторону выра-

ботки, сопровождающееся выдавливанием породных слоев. Это искривление может оказаться настолько большим, что приведет даже к появлению зон растягивающих напряжений. Слоистая структура пород почвы может служить причиной отрыва верхнего слоя от массива и интенсивного его изгиба в сторону выработки. Факторы, способствующие отрыву, таковы. Верхний слой находится в состоянии продольного изгиба. Со стороны боковых пород на слой передаются значительные сжимающие усилия, которые стремятся изогнуть слой, увеличить его прогиб. На первом этапе сказывается и выдавливающее действие со стороны нижележащих слоев почвы, препятствует же отрыву лишь сцепление с ними, но оно не может быть больше, чем сопротивление породы разрыву. А, как известно, прочность горных пород на растяжение во много раз меньше прочности на сжатие. Таким образом, значительные сжимающие усилия с боков выработки приводят к продольно -поперечному изгибу слоев с последующей потерей ими устойчивости и выпиранию внутрь выработки. С использованием такого подхода были проведены численные исследования процесса потери устойчивости слоистой почвы, а также физическое моделирование на моделях из эквивалентных материалов.

Обобщение результатов проведенных исследований предложенного подхода к объяснению явления пучения показало, что такой подход достаточно близко отражает поведение слоистых пород почвы в процессе пучения.

Исходя из такой трактовки механизма пучения, предлагаемые способы борьбы с этим явлением должны исключить развитие продольно-поперечного изгиба слоев в почве. В качестве такого мероприятия, по нашему мнению, может стать способ создания щели по центру выработки вдоль ее продольной оси. Наличие щели обеспечит разгрузку пород от напряжений, нарушит целостность слоев и замедлит (или исключит), таким образом, развитие продольно-поперечного изгиба слоев.

В практике шахтного строительства накоплен обширный опыт создания разгрузочных щелей с целью повышения устойчивости выработок. При этом они создаются как для борьбы с пучением пород почвы, так и для повышения устойчивости выработок в тяжелых горно-геологических условиях, при вредном влиянии очистных работ.

Технология создания щелей, их расположение в поперечном сечении выработки, а также их параметры отличаются в каждом конкретном случае. На практике щели создаются, чаще всего, при помощи буровзрывных работ, реже - при помощи специальных

Схема создания участка с разгрузочной щелью по центру выработки на шахте «Алмазная»

машин и механизмов (врубовые машины, канавокопатели, буровые станки и т.п.). Анализ научно-технической информации показал, что создание щелей при помощи механизмов чрезвычайно трудоемкая и дорогостоящая задача. Более прогрессивным, с нашей точки зрения, является использование для этих целей буровзрывных работ, поскольку в случае применения на шахте этого способа проходки выработок не возникает никаких трудностей с созданием разгрузочных щелей. Учитывая это, для повышения устойчивости выработок в пучащих породах нами был испытан способ предотвращения пучения пород почвы путем создания разгрузочной щели по центру выработки с применением буровзрывных работ.

Важное место при проведении шахтной проверки способа предотвращения пучения уделялось выбору его параметров, основными из которых являются: глубина и ширина щели, количество шпуров на 1 п.м. выработки и величина заряда в шпуре.

Глубина щели является одним из основных параметров способа. Естественно, чем глубже будет щель, тем эффективнее будет ее работа, так как в этом случае большая часть массива пород в почве выработки будет, во-первых, разгружена от напряжений и, во-вторых, на большую глубину будет нейтрализовано вредное влияние продольных сжимающих усилий в слоистой почве. Однако создание таких щелей сопряжено со значительными трудностями, связанными с бурением глубоких шпуров. Имеющийся опыт повышения устойчивости выработок путем создания разгрузочных щелей позволил установить оптимальную их глубину, равную 0,5-0,8 ширины выработки.

Учитывая это, для условий проводимого эксперимента принята глубина щели, равная половине ширины выработки.

Ширина разгрузочной щели при создании ее с применением БВР специально не задается и

зависит, в основном, от свойств горных пород и величины заряда ВВ. Однако, при анализе изложенного выше механизма пучения, становится очевидным, что ширина щели должна быть достаточной для нейтрализации (поглощения) тех опасных горизонтальных смещений слоев почвы, которые предшествуют развитию вертикальных их перемещений внутрь выработки.

Имеющиеся в технической литературе результаты исследований некоторых ученых показывают, что при взрывании в шпурах небольших зарядов ВВ вокруг заряда образуется область разрушенных пород, размеры которой составляют 0,5-0,8 м. Для условий нашего эксперимента такой ширины разгрузочной щели вполне достаточно, поскольку вспучивание пород начинается доже при весьма незначительных горизонтальных подвижках слоев. Следует отметить также, что полученная с применением щель не является полым пространством. Она представляет собой разгруженную от напряжений полость, заполненную обломками разрыхленной при взрыве породы. Эти обломки хотя и не препятствуют процессу горизонтального смещения слоев, но в то же время замедляют его, создавая соответствующие усилия отпора. Положительное влияние на устойчивость слоистой почвы выработки заполненной податливым материалом щели подтверждено нами физическим моделированием на моделях из эквивалентных материалов.

Учитывая это можно считать, что ширина разгрузочной щели,

создаваемой с применением БВР, и наличие в ней заполнителя удовлетворяют условиям поставленной задачи по повышению устойчивости почвы выработки.

Опыт применения взрывощелевой разгрузки приконтур-ного массива пород вокруг горных выработок с целью повышения их устойчивости показал, что оптимальная величина заряда в шпуре - 0,3-0,5 кг. То есть, шпуры заряжаются одним-двумя патронами ВВ, применяемыми в настоящее время в подземных условиях. Заряд такой величины, обычно, достаточен для разрыхления пород в зоне разгрузки и, в то же время, он не приводит к недопустимо большому поднятию почвы при взрывании. Величина поднятия не должна превышать 30100 мм. Как правило, окончательная величина заряда в шпуре в конкретных горно-геологических условиях устанавливается по результатам пробного взрывания.

Расстояние между шпурами по длине выработки принимается, обычно, в пределах 0,5-1,0 м и зависит от прочности горных пород и величины заряда ВВ в шпуре. Для условий шахты, где проводился эксперимент (углевмещающие породы представлены весьма слабыми аргиллитами и алевролитами), вполне достаточным будет принять расстояние между шпурами равным 0,8-1,0 м. При взрывании зарядов ВВ вокруг шпуров будут образовываться зоны разрыхления пород, размеры которых составят 0,5-0,8 м, эти зоны будут соединяться с зонами со-

седних шпуров и вдоль продольной оси выработки будет образовываться разгрузочная щель достаточной ширины.

Указанные параметры способа повышения устойчивости горных выработок были взяты за основу с некоторой корректировкой их после пробного взрывания. Проверка способа осуществлялась в коренном откаточном штреке пласта Л3 горизонта 550 м шахты «Алмазная» ГХК " Д обропольеуголь". Бурение

шпуров осуществлялось установкой БУР-1 на участках длиной 57 м. Глубина шпуров - 2,2 м, расстояние между ними по длине выработки принималось равным 0,8 м. Величина заряда ВВ в шпуре принималась равной 0,5 кг, тип ВВ - аммонит ПЖВ-20.

Взрывание группы шпуров в почве осуществлялось одновременно с взрыванием шпуров в забое выработки.

Схема создания экспериментального участка приведена на рис.

Длина участка составила 45 метров.

Наблюдение на реперных замерных станциях за состоянием выработки показало, что в процессе ее эксплуатации экспериментальный участок находился в лучшем состоянии, чем контрольный, где имели место как нарушения элементов крепи, так и пучение пород почвы.

Изложенное свидетельствует о том, что предложенный способ повышения устойчивости выработок в пучащих породах может быть рекомендован для горногеологических условий, сходных с условиями шахты «Алмазная».

----------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Роенко А.Н. Новый подход к исследованию явления 2. Роенко А.Н. Численное исследование нового подхода

пучения пород для обоснования мер борьбы с ним // Уголь к изучению явления пучения пород почвы горных вырабо-Украины. - 1997.- №2-3. - С. 20-22. ток // Уголь Украины. - 2.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

РоенкоА.Н. - инженер, Национальная горная академия Украины.