При разработке угольных месторождений довольно часто встречаются деформации пород почвы в виде выдавливания их внутрь выработок. Пучение обычно наиболее интенсивно проявляется в подготовительных выработках. Вследствие особенностей генезиса угольных месторождений непосредственная почва пластов, как правило, сложена более слабо по сравнению с остальными породами-разностями. Кроме того, в них развиты зоны сдвига, вызванные разной степенью уплотнения пород и последующими тектоническими процессами. Пучение пород почвы усложняет ведение горных работ, опыт показывает, что уже при достижении в выработках величин пучения более 300–350 мм необходимо применение технологических мер борьбы с ним. Интенсивность и абсолютная величина перемещений при пучении связаны с горно-геологическими и производственно-техническими факторами.
Анализ позволяет выделить два основных типа пучения пород при прохождении горных выработок: пучение глинистых пород вследствие их набухания, связанного со специфическими особенностями минералогического и коллоидно-химического состава глинистых грунтов и как проявление горного давления в связи с проведением горных выработок.
В пластовых подготовительных выработках при залегании в почве угольных пластов слоистых аргиллитов и алевролитов процесс разрушения пород почвы и пучения включает стадии: расслоения по поверхности напластования без разлома расслоившихся пород; разлома расслоившихся пород под выработкой на блоки в форме многошарнирных арок; разрушения пород почвы под боками выработки с выдавливанием их в выработку [1, 5, 7]. Вздутие пород почвы является следствием выдавливания мягких пород из-под пят околоштрековых целиков или нетронутого горного массива.
Цель исследования – разработка эффективных способов борьбы с пучением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт.
Материалы и методы исследования
Анализ производственной деятельности шахт Карагандинского угольного бассейна, ведущих разработку на больших глубинах (преимущественно, более 500–600 м) в условиях слабых вмещающих пород, показывает, что значительная часть протяжённых выработок постоянно находится в состоянии ремонта или работ, связанных с поддержанием их в удовлетворительном эксплуатационном состоянии. На выполнении таких маломеханизированных работ занято около 10–12 % подземных рабочих структурно связанных, прежде всего, с ликвидацией последствий процесса пучения пород почвы в выработках (60 %) и перекреплением (40 %). Так, в 2014 г. удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Карагандинского угольного бассейна достиг 5,5 м на 1000 т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок 200 чел-см на 1 км протяженности поддерживаемых выработок в год или около 20 чел-см на 1000 т добычи. Эти мероприятия трудоемки (0,2 чел.-см/м), требуют дополнительных материальных затрат (3–5 тыс. руб/м) и снижают скорость отработки запасов на 30–40 %. На шахтах бассейна при ежегодном росте протяженности выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии на 2–3 %, перекрепляется от 30 до 50 % выработок, нуждающихся в ремонте.
На основе существующих гипотез и опираясь на производственный опыт, разрабатываются способы и средства, обеспечивающие предотвращение или снижение интенсивности этого процесса.
Проявление горного давления в выработках в виде пучения пород почвы обусловлено влиянием большого числа естественно-геологических и производственно-технологических факторов. Однако устойчивость породных обнажений выработки и прилегающих к ней горных пород зависит, главным образом, от физико-механических свойств пород и действующих в них напряжений, обусловленных массой вышележащих пород, тектоническими нарушениями и схемами и порядком ведения горных работ. Поэтому все мероприятия по снижению пучения пород почвы направлены на изменение показателей этих двух групп факторов или на использование наиболее благоприятного сочетания.
Все меры борьбы с пучением пород горных выработок могут быть подразделены на пять групп: использование благоприятных горно-геологических и технических условий (проведение выработки вприсечку к выработанному пространству, позади очистного забоя, в обрушенных и уплотненных породах); укрепление пород (применение анкерной крепи, полимерное упрочнение почвы и использование смол); разгрузка породного массива (взрывощелевая разгрузка породного массива, управление устойчивостью горной выработки взрывной бутовой полосой, устройство разгрузочных щелей, разгрузка массивов горных пород с помощью выбуривания пласта, торпедирование пород кровли в выемочных выработках); комбинированные способы (активная разгрузка с последующим упрочнением с образованием обратного свода, взрывоукрепление. с одновременной разгрузкой массива горных пород и его укреплением, разгрузка пород почвы буровзрывным способом с последующим применением усиливающих крепей-лежней и гидростоек); специальные методы борьбы (применение замкнутых и усиливающих крепей, а также комбинированные крепи).
Наибольший эффект в борьбе с пучением достигается путем разгрузки вмещающего выработку массива от высоких напряжений. В качестве способов разгрузки возможно применение проведения разгрузочных выработок, создание различного рода щелей и скважин, взрывание пород с образованием в почве зон дробления и т.п. Данные решения характеризуются весьма сложной технологией работ, большой трудоемкостью и стоимостью.
Это приводит к тому, что в практике эксплуатации угольных шахт основным способом по-прежнему остается подрывка вспучившихся пород, т.е. ликвидируются последствия этого явления, а не его причины. При этом достигается только кратковременный и незначительный эффект, а в долгосрочной перспективе на борьбу с пучением расходуются большие материальные и трудовые затраты.
В последнее время начинает успешно применяться способ борьбы с пучением путем крепления кровли (почвы) сталеполимерной и другими видами анкерной крепи высокой несущей способности [3, 10, 11, 12].
Ниже рассматриваются технологические разработки с применением анкерного крепления, направленные на снижение и предотвращение пучения пород почвы в горных выработках.
Анкерная крепь применяется для сохранения достаточного уровня монолитности приконтурных пород путем ограничения их смещений в выработку, что позволяет максимально поднять эффективность, надежность, максимальный безремонтный срок службы и безопасность выработок.
Процессами пучения пород почвы можно управлять в т.ч. за счет формы поперечного сечения выработки с расположением к породам кровли в виде обратного трепецевидного контура – грузонесущего свода (рис. 1), который позволяет повысить устойчивость почвы выработок [2, 8, 9, 11].
Рис. 1. Управление процессами пучения почвы за счет обратного трапециевидного контура выработки. Γ – плотность горных пород т/м3; Н – глубина разработки; к – коэффициент роста величины опорного давления
Результаты исследования и их обсуждение
Прогрессивным способом является активное упрочняющее воздействие на породы почвы выработки посредством анкерного крепления. Для его реализации необходимо определение необходимой толщины упрочняемого слоя горных пород в почве, за счет упрочняющего слоя установленных в нее анкеров с формированием опорных блоков для опоры для несущего свода выработки на опорные блоки [5, 7] (рис. 2), исходя из глубины распространения зоны пучения в почве выработки, которую определяют по известному методу проф. Цимбаревича П.М. [12]:
а б
Рис. 2. Создание опорных блоков в почве выработки для поддержания ее свода. а – способ крепления и упрочнения пород почвы; б – опорные блоки в почве. 1 – выработка; 2 – сталеполимерные кровельные анкера; 3 – сталеполимерные боковые анкера; 4, 5 – пучащиеся слои почвы выработки; 6 – сталеполимерные анкера в почву выработки; 7 – контур несущего свода выработки; 8 – основание несущего свода; 9 – опорные блоки; 10 – линии скольжения пород пучащего слоя; 11 – нижнее основание опорного блока; 12 – слой устойчивых пород; 13 – зона укрепления пород вокруг выработки
; (1)
Φ – угол внутреннего трения пород почвы, град.
H1 – высота пригрузки почвы, приведенная к объемному весу пород почвы, м;
; (2)
где h – высота стен выработки, м;
γ б – объемный вес пород боковых пород, т/м 3;
γ п – объемный вес пород почвы, т/м3 ;
Проведен анализ степени зависимости Х0 глубины распространения зоны пучения в почве выработки к объемному весу боковых пород, пород почвы и высоты стенок выработки: h = 3,0; 3,5 и 4,0 м; γб = 2,0; 2,5; 3,0 т/м3, Н1 изменяется от 4,0; 5,0 до 6,0 м.
Исходя из расчетных значений расчетов построена номограмма (рис. 3).
Рис. 3. Номограмма для определения глубины распространения зоны пучения в почве выработки в зависимости от влияющих факторов
Как видно из расчетов, с ростом значения объемного веса пород кровли меньше глубина распространения зоны пучения в почве выработки или чем больше значение объемного веса боковых пород и высоты стен выработки, тем больше глубина распространения зоны пучения [4].
Разработана также технология анкерного крепления, направленная на снижение пучения пород почвы в различных горнотехнических условиях разработки, при применении различных видов крепи с учетом осложняющих факторов ведения горных работ с учетом геомеханических условий проведения и поддержания выработки. Технология работ по установке крепи – припочвенных анкеров предусматривает установку анкерной крепи в почву вдоль бортов горной выработки. Забуриваются наклонные шпуры под анкеры под углом 20–40 ° к вертикали. Длина шпуров предусматривается их расчета технической возможности их бурения и принимается равной 1,6; 2,4 и 2,9 м. Предусматривается перекрестная установка анкеров (под прямым углом) в слои пород почвы (рис. 4).
Рис. 4. Поперечный (а), продольный (б) разрез выработки с припочвенными анкерами и вид в плане – схема установки припочвенных анкеров относительно арок металлоарочной крепи (в)
Длину анкеров, устанавливаемых в почву выработки, рекомендуется определять по эмпирической формуле, полученной для условий шахт Карагандинского бассейна:
L = 6,75*Bв*Нп/Пп, м, (3)
где 6,75 – эмпирический коэффициент;
Bв – ширина горной выработки вчерне, м;
Нп – величина пучения пород почвы, м;
Пп – прочность пород почвы на сжатие, МПа.
Шаг установки перекрестно ориентированных напочвенных анкеров рекомендуется равным двойной величине количества арок металлоарочной крепи на 1 пог. метре выработки.
Выводы
Применение технологии анкерного крепления, направленной на снижение пучения пород почвы выработок способствует повышению устойчивости породных обнажений с учетом горно-геологических, геометрических и горнотехнических условий ведения горных работ.
Определены параметры установки в почву выработки припочвенных анкеров, предусматривающей установку анкерной крепи в почву вдоль бортов горной выработки. Забуриваются наклонные шпуры под анкеры под углом 20–40 ° к вертикали. Длина шпуров предусматривается их расчета технической возможности их бурения и принимается равной 1,6; 2,4 и 2,9 м. Предусматривается перекрестная установка анкеров (под прямым углом) в слои пород почвы. Шаг установки перекрестно ориентированных напочвенных анкеров рекомендуется равным двойной величине количества арок металлоарочной крепи на 1 пог. метре выработки.