автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Исследование пучения пород почвы в подготовительных выработках и разработка эффективных способов и средств его предотвращения (на примере шахт Кузбасса)

I! Г о 0.1

? . «• ■1 : На правах рукописи

- * .;.! 1 - -

Сурков Александр Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧЕНИЯ ПОРОД ПОЧВЫ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И СРВДСТВ ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ( На примере шахт Кузбасса )

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 1996

Работа выполнена в Кузнецком округе Госгортехнадзоря РФ и на шахтах Кузбасса.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

академик РАИН, лауреат Государственной премии Егоров II.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

академик РАИН Фрянов В.Н.

кандидат технических наук, профессор Бобер Е.А.

Ведущее предприятие - АООТ "Кузнецкий научно-исследова-

тельский угольный институт" .

Защита состоится " " о-л/эгля 1996г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.70.01 при Кузбасском государственном техническом университете по адресу : 650026, г.Кемерово, ул.Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан Л7<у>г<г 1996г. ■

Ученый секретарь диссертационного совета, член-корреспондент АЕН доктор технических наук,

профессор Александров Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы , Повышение эффективности добычи угля и безопасности труда является основной задачей, стоящей перед . угольной промышленностью России в современных условиях формирования новых экономических отношений, в организации рентабельной работы. Улучшение работы шахт по добыче угля в значительной мере сдерживается нерешенностью проблемы безремонтного поддержания подготовительных выработок.

В настоящее время на шахтах Кузбасса поддерживается около 4900 км подготовительных выработок, из них примерно 1275 приходится ежегодно ремонтировать, частично или полностью перекреплять, в том числе Зи/а выработок, расположенных на глубине до 300м, 62% - на глубине 300-700м. Около 92% всех опасных деформаций вмещающих пород и крепи выработок происходит в зоне влияния очистных работ. На верхних горизонтах шахт бассейна основными формами проявлений горного давления в подготовительных выработках являются разрушения и выдавливание пород кровли и боков. С переходом на глубины разработки более 300м интенсивно проявляется пучение почвы выработок. Пучение почвы в выемочных выработках достигает 1,5-1,что приводит к нарушению технологического цикла по транспортированию угля из очистных и подготовительных забоев, доставке материалов и оборудования, деформациям и поломкам крепи, осложнениям режима вентиляции и др.

Пучение почвы происходит в подготовительных выработках 58% шахт Кузбасса, около 2Ш> рабочих~пластов угля бассейна характеризуется пучащими породами почвы. Из общей протяженности выработок, подверженных пучению, примерно 16% составляют выработки вне зсны влияния очистных работ и 84% - в зоне влияния очистных работ. Наиболее существенное пучение почеы происходит в выработках, охраняемых угольными целикоми. Переход, на бесцеликовые способы охраны обеспечивает существенное повышение устойчивости выработок, однако и при^них зачастую не достигается предотвращения пучения почвы. В наибольшей мере это отмечается в выработках, поддерживаемых на границе с выработанным пространством для повторного использования.

Успешное решение проблемы предотвращения пучения пород почвы и повышения устойчивости подготовительных выработок в условиях шахт Кузбасса в значительной мере сдерживается слабой

изученностью закономерностей процесса пучения пород почвы выработок. В наибольшей мере это относится к выработкам, поддерживаемым в зоне влияния очистных работ и охраняемым угольными целиками. Недостаточно полно изучено влияние структурно-текстурных элементов строения, механических и водно-физических свойств пород почвы, глубины расположения выработок, сопротивления крепи и других горно-геологических и горнотехнических факторов на процесс пучения почвы выработок.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что изучение процесса пучения пород почвы в подготовительных выработках шахт Кузбасса, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния . очистных работ и изыскание эффективных'способов-к средств предотвращения пучения почвы выработок является актуальной научной задачей. Решению этой задачи посвящена диссертационная работа.

Цель работы состоит в установлении закономерностей пучения пород почвы в подготовительных выработках, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ и разработке способов и средств, обеспечивающих предотвращение пучения почвы и повышение эффективности поддержания выработок.

Идея работы заключается в повышении устойчивости подготовительных выработок путем комплексного управления структурно-текстурными элементами и механическими свойствами углепородных массивов вокруг выработок и геомеханическими процессами, происходящими в них под влиянием подготовительных и очистных работ.

Задачи исследований:

- изучить процесс пучения пород почвы подготовительных выработок при различных способах охраны, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;

-исследовать влияние структурно-текстурных элементов и механических свойств пород почвы, порядка ведения во времени очистных и подготовительных работ на границе смежных столбов к сопротивления крепи на пучение почвы выработок;

- установить зависимости между пучением почвы выработок и влияющими на него горно-геологическими и горнотехническими факторами;

- разработать метод прогноза пучения пород почвы выработок;

- обосновать и разработать эффективные способы и средства предотвращения пучения пород почвы подготовительных выработок.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач применен комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение состояния подготовительных выработок, лабораторные и натурные исследования структурно-текстурных элементов строения и свойств горных пород почвы пластов, шахтные наблюдения за пучением пород почвы выработок на замерных станциях контурных и глубинных реперов, статистическая обработка результатов экспериментов с использованием ЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

-основными факторами, определяющими характер и степень пучения пород почвь* в подготовительных выработках, являются структурно-текстурные элементы строения, прочность и влажность - пород почвы, способ охраны выработок от влияния очистных работ, глубина расположения выработок, продолжительность разрыва между очистными и подготовительными работами на границе соседних столбов и сопротивление крепи;

- при достигнутых глубинах ведения горных работ (400-700м) породы почвы около 28% шахтопластов Кузбасса являются пучащими; преобладающий показатель трещиноватости, слоистости и других поверхностей ослабления пучащих песчаников и алевролитов составляет 4-6, аргиллитов - 6-15, углистых алевролитов и аргиллитов -20-30, а предел прочности при сжатии пучащих пород - менее

45 МПа;

- в подготовительных выработках, охраняемых с обеих сторон в угольном массиве и погашаемых по мере подвигания очистного забоя, смещение пород почвы в 3-5 раз меньше, в выработках, проводимых на контакте с обрушенными породами соседнего выработанного пространства после затухания сдвижения подработанных пород в 2-4 раза меньше, чем в выработках, охраняемых по способу массив-целик (при ширине целика до 15м) и погашаемых

за очистным забоем;

- процесс затухания сдвижения и обрушения пород в выработанном пространстве и стабилизации, опорного давления в краевой части массива угля происходит в течение 3-4 мес при залегании -в непосредственной и основной кровле пласта слабых, легкообруша-ющихся пород (обычно при (5Сж < 40 МПа), 5-6 мес - средне-

обрушанхцихся пород ( <5 = 50-70 МПэ) и 7-9 мес - трудно-обрушающихся пород ( 6« >- 70 МПа);

- .установленные взаимосвязи между основными факторами, определяющими степень пучения пород почвы подготовительных выработок, выражаются прямолинейными и криволинейными корреляционными уравнениями;

- метод прогноза пучения почвы, базирующийся на определении общей величины смещений пород почвы по скорости смещения их в различные периоды существования выработки и продолжительности каждого из этих периодов.

Достоверность научных положений и результатов обеспечена:

- представительным объемом инструментальных наблюдений в подготовительных выработках, охватывающих типовые горно-геологические и горнотехнические условия шахт Кузбасса;

- надежностью и представительностью лабораторных исследований механических и гидравлических свойств горных пород; -

- оценкой полученных связей методами математической статис

тики;

- достаточно высокой сходимостью результатов прогнозирования с данными экспериментальных исследований (расхождение не превышает 15/5).

Научная новизма работы заключается з следующем:

- установлены основные закономерности пучения пород почвы в подготовительных выработках для различных природных, горнотехнических и технологических условий их проведения и эксплуатации;

- выявлены литологические и структурно-текстурные особенности пород почвы угольных пластов и разработана классификация пород почвы пластов по степени ослабления их ыакродефсктами строения и склонности к пучению;

- раскрыт характер и степень проявления пучения пород почвы в зависимости от направления проведения и ширины выработок;

- установлены взаимосвязи, позволяющие оценивать 'степень влияния основных природных и горнотехнических факторов на пучение пород почвы подготовительных выработок;

- разработан метод прогноза пучения пород почвы подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ и охраняемых различными способами.

Практическое значение работы. Результаты выполненных

исследований позволяют:

- управлять процессом пучения почвы подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;

- оценить степень влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов на пучение пород почвы выработок;

- прогнозировать величины смещений пород почвы выработок при различных способах их охраны;

- выработать эффективные способы и средства для предотвращения пучения почвы в выработках;

- повысить устойчивость выработок и снизить затраты на их поддержание. . .

Реализация работы. Результаты исследования и рекомендации используются институтом "Кузбассгипрошахт", объединениями и шахтами Кузбасса при подготовке новых горизонтов, обосновании и выборе способов охраны и средств поддержания подготовительных выработок.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на техническом совете Кузнецкого округа Госгортех-надзора России (г.Кемерово, 1994-1995 г.г.), на международном симпозиуме SPM-95 (г.г.Москва-Пермь, 1995 г.), на HIC ассоциации "Кузбассуглетехнология" (г.Кемерово, 1995-1996 г.г.), на ¡ПС корпорации "Кузбассинвестуголь" (г.Кемерошг, 1995 г.), на заседании кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых Кузбасского государственного технического университета (г.Кемерово, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы восемь печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 185 страниц, включая 30 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 73 наименований.

основное содермниЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрен анализ состояния подготовительных выработок шахт Кузбасса и изученности вопросов пучения пород почвы в горных выработках.

Установлено, что на шахтах Кузбасса опасно деформирует и частично или полностью теряют устойчивость 18-20?? общей протяженности поддерживаемых подготовительных выработок и они требуют ремонта. Наибольшие объемы (до 40-45%) опасных деформаций вмещающих пород и крепи отмечены в выемочных штреках лав, уклонов и бремсбергов, расположенных на глубине более '300м и охраняемых от выработанного пространства угольными целиками. , Основными причинами вредных проявлений горного давления в подготовительных выработках и потери их эксплуатационного состояния являются опорное давление от ведения очистных работ, макродефекты и нарушеиность строения породных массивов и низкая прочность вмещающих пород. Ка'верхних' горизонтах основными формами проявлений горного давления в подготовительных выработках шахт бассейна являются разрушения и обрушения пород кровли и боков. С переходом на глубины разработки более 300м интенсивно возрастает пучение пород почвы вскрывающих, подготавливающих и прочих выработок. Пучение наблюдается в выработках 58f0 всех шахт Кузбасса и 28% разрабатываемых шахтопластов.

Из общей протяженности выработок, подверженных пучению, около 16% приходится на выработки вне зоны влияния очистных работ и 84% - в зоне влияния очистных работ.

Изучению явления пучения горных пород и разработке способов и средств его предотвращения в выработках посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Значительный вклад в формирование научных представлений о геомеханических процессах пучения пород, протекающих при ведении горных работ и .управления ими внесли В.И.Барановский, В.А.Борисов, Ю.А.Векслер, М.И.Бесков, В.Г.Глушко, В.М.Городничев, Ю.З.Заславский, В.А.Лыт-кин, С.М.Липкович, Г.Г.Литвинский, А.И.Максимов, С.Д.Сонин, U.M. Цимбаревич, И.Л.Черняк, М.Н.Шейхет, Г.Г.Штумпф, А.Лабасс,Р.Фен-нер, О.Якоби и др.

Прогнозированию пучения почвы посвящены работы В.И.Барановского, М.И.Бескова, Г.Г.Литвинского, В.М.Городничева, Ю.З.Заславского, В.А.Лыткина, А.П.Максимова, С.Д.Сонина, П.М.Цимбареви-ча, И.Л.Черняка, Г.Г.Штумпфа и др.

В работах этих авторов рассматривается механизм пучения, приведены аналитические методы прогноза пучения пород в горных выработках, сформулированы основные представления о геомеханических процессах, определяющих выбор рациональных мер по охране и сохранению выработок в. условиях интенсивного пучения пород почвы.

Из кроткого обзора основных работ по устойчивости пород почвы горных выработок следует, что пучение пород почвы сложное геомеханическое явление, зависящее от многих горно-геологических и горнотехнических факторов, влияние значительной части из которых на характер и степень пучения пород почвы подготовительных выработок пока слабо изучено. Сравнительно полно исследовано пучение глинистых пород, обладащих повышенными пластическими и вязкопластическими свойствами. В них пучение принимается как результат"выдавливания пород из-под целиков, боков выработок, играющих роль штампов. Что же касается вопросов пучения пород, обладающих значительными упругими свойствами и различной прочностью и проявляющих хрупкий характер разрушения, то они исследованы недостаточно. Наиболее слабо изучены: механизм пучения почвы, сложенной хрупкими горными породами; зависимость пучения пород почвы с хрупким характером разрушения от их структурно-текстурных элементов строения, механических и гидравлических свойств; пучение пород почвы в подготовительных выработках, подверженных влиянию очистных работ и охраняемых различными способами; влияние порядка ведения во времени очистных работ и подготовительных на границе с ними з соседнем ярусе, подэтаже, глубины расположения, площади сечения и сопротивления крепи выработок на интенсивность и степень проявления в них пучения.

Анализ состояния подготовительных выработок шахт Кузнецкого бассейна и изученности вопросов пучения пород почвы горных выработок позволил сформулировать приведенные выше цель и задачи исследований.

Во второй главе изложены результаты исследований петрографического состава, структурно-текстурных особенностей строения и свойств горных пород почвы пластов угля шахт Кузнецкого бассейна. Исследованиями были охвачены Томусинский, Кондомекий, Байда-евский, Осинниковский, Прокопьевско-Киселевский, Беловский, Ленинский, Кемеровский, Анжерский й частично Ерунаковский (поле шахты "Кыргайская") угленосные районы.

Элементы строения пород почвы пластов угля изучались по материалам геологоразведочных и горных работ, обследование горных выработок и испытания образцов пород на физико-технические свойства-в лаборатории. Диапазон исследования горных пород по

Li.

глубине составил для Осинник'овского и Анжерского районов О-(¿00м, остальные районов бассейна - 0-б00м.

В результате анализа и обобщений результатов исследований установлено, что непосредственная почва мощностью 3-5м около 70% угольных пластов шахт Кузбасса сложена алевролитами, 12% -песчаниками, 4% - аргиллитами и 14% - их разновидностями и сочетаниями. Алевролиты и аргиллиты наиболее широко представлены в почве пластов Осинииковского, Байдаевского, Терсинского и Ленинского районов, песчаники и переслаивания песчаников и алевролитов - в Томусинском, Кондомском, Прокопьевско-Киселев-ском и Анжерском районах. По гранулометрическому составу породы почвы пластов преимущественно средне-и мелкозернистые, преобло- . дающий тип цемента карбонатно-глинистый, глинистый и кремнисто-карбонатный.

Подавляющее большинство пород непосредственной почвы пластов имеет множество макродефектов строения, основными из которых являются трещины и контакты слоев (86% всех макродефектов строения), а также разрозненные налеты углистых веществ в виде пленок, штрихов и пятен. Частота проявления трещин во вмещающих породах находится в обратной зависимости от крупности зерен пород и мощности их слоев. Преобладающий показатель трещиноватости песчаников составляет 2-5, алевролитов 4-6, аргиллитов 6-15, углистых аргиллитов и алевролитов - 20-30.

На основе анализа литологии и взаимного расположения слоев и цитологических разностей пород почвы пластов и проводимых подготовительных выработок, изучения ослабления пород за счет макродефектов, впервые произведена их типизация и классификация по степени ослабления. Породы разбиты на 6 классов, в качестве классификационных критериев приняты расстояние между поверхностями ослабления пород и показатель ослабления пород, характеризующий степень снижения предела прочности пород при сжатии за счет макродефектов их строения.

Прочность пород почвы пластов, в том числе и пучащих, колеблется в очень широких пределах. Предел прочности при сжатии песчаников изменяется от 25 до 150 МПа, алевролитов -от 10 до 130 МПа, аргиллитов - от 5 до 65 МПа, углистых алевролитов и аргиллитов - от 3 до 1Б МПа.

Между пределом прочности пород почвы пластов при сжатии ( (50ЧГ ) и растяжении (б^ ) установлены зависимости вида

- для пород массивной текстуры

<5, = 0,01 +0,10<5с)К , при К = 0,92 , = 29; (I)

- для пород слоистой текстуры

бР = -0,62 + 0,06 <эс* , при Л = 0,89, ^ = 26,В; (2)

- для пород трещиноватой текстуры

<5р = 0,73 + 0,026 бс* , при £ = 0,83,/1 = 12,6, (3)

где Л - коэффициент корреляции; у - надежность коэффициента корреляции.

Влагоемкость песчаников почвы угольных пластов в подавляющем большинстве не превышает 3-4%, алевролитов и аргиллитов -З-5/о, углистых алевролитов и аргиллитов и сильнотрещиноватых пучащих пород - 8-14%, а набухание их при полном насыщении водой - О,6-1%,Песчаники и алевролиты на кремнистом и кремнисто-карбонатном цементе практически не набухают при взаимодействии с водой.

Подавляющее большинство песчаников на глинистом иемгпто и алевролитов почвы угольных пластов существенно размягчается при увлажнении и полном насыщении водой. Коэффициент размягчения у них находится в основном в пределах 0,4-0,6. Очень сильно -размягчаются и разрушаются в течение З-Юч полностью при насыщении водой аргиллиты и углистые алевролиты и аргиллиты. Очагами разрушения макродефектных пород при.взаимодействии с водой являются трещины, контакты слоев и другие поверхности ослабления. Под воздействием воды происходит довольно быстро раскрытие макродефектов, расчленение и разрушение по ним пород.

В третьей главе приведены результаты исследований пучения горных пород почвы в подготовительных выработках шахт Кузбасса. Исследования основаны на инструментальных и визуальных наблюдениях, выполненных в подготовительных выработках шахт Дилерского, Кемеровского, Ленинского, Беловского, Байдаевского, Осинников-ского и Томусинского районов, которые были отобраны из расчета охвата их по площади сечения, глубине расположения, способам охраны и типам крепи, основным элементам "строения и свойствам пород почвы. Часть опытных выработок поддерживалась вне зоны влияния очистных работ, подавляющая часть - в зоне влияния очистных работ и охранялась по способу массив-массив с погашением за очистным забоем, массив-целик угля и массив-выработанное . пространство, т.е. по бесцеликовым схемам.

Длительность наблюдения определялась задачами исследований и конкретной горнотехнической обстановкой. ' '

Выработки, поддерживаемые вне зоны влияния очистных работ, в которых происходит пучение почвы, были разделены по свойствам пород и характеру пучения на две группы:

- выработки, почва которых сложена.преимущественно глинистыми грунтами;

выработки, почва которых сложена породами с преобладающими упругими свойствами.

В результате анализа и обобщения материалов натурных наблюдений за устойчивостью почвы подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ, установлено следующее.

Пучение глинистых пород, в особенности влажных и мокрых, происходит обычно довольно интенсивно со скоростью до 15-20 мм/сут в течение 4-5 мес после проведения выработки, затем оно постепенно затухает и через 12-13 мес практически полностью стабилизируется. Величина 'пучения глинистых пород почвы колеблется от 0,5 до 1,6 м, в подавляющем большинстве - от 0,? до 1,2м. Пучение глинистых пород почвы в выработках, проводимых с обратным сводом, при прочих равных условиях, в 1,5-1,7 раза меньше, чем проводимых без обратного свода.

Сильно трещиноватые, тонкослоистые и углистые аргиллиты и алевролиты мощностью до 0,5-0,7 м (породы второй группы) обычно частично или полностью выдавливает внутрь выработок во время проходки. На глубине разработки до 200-250м в основном пучит макродефектные породы с пределом прочности при' одноосном сжатии менее 15 МПа в течение 2-3 мес после проходки, на глубине разработки 300-600 м - породы с пределом прочности на одноосное сжатие менее 25 МПа в течение 3-5 мес.

Натурными исследованиями проявления пучения почвы пород подготовительных выработок, охраняемых в угольном массиве и погашаемых по мере подвигания очистного забоя, установлено следующее. Данным способом охраняется более 30% всех подготовительных выработок на шахтах Кузбасса. Преобладающее большинство из них составляют конвейерные штреки лав, на долю которых приходится около 92% выработок этой группы.

Увеличение глубины расположения выработок сопровождается ростом величины пучения почвы и протяженности зоны его проявления впереди очистного забоя. В выемочных штреках лав на глубине

200-300м смещение пород почвы с пределом прочности при сжатии б ск = 40-50 МПа не превышает 90 мм, а протяженность зоны проявления пучения впереди забоя лавы - 20-25 м. На глубине 400-600м эти показатели достигают соответственно 200-250мм и 35-46м. В выработках на глубине расположения 200-300м смещение пород почвы почти полностью затухает на расстоянии 1м от ее контура, в выработках на глубине 400-600м - на расстоянии 1,5м.

В выемочных штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиками угля шириной Ю-12м и погашаемых по мерс подвигания лавы, 'смещение и выдавливание пород почвы при прочих равных условиях в 3-5 раз больше, чем в штреках, охраняемых в угольном массиве и погашаемых за лавой. В них величина пучения пород почвы достигает 800-900 мм, а протяженность зоны проявления смещения почвы впереди забоя лавы составляет 50-70 м.Большие колебания пучения пород печвы в наибольшей мере обусловлены различной продолжительностью разрыва во времени между отработкой соседнего столба и проведением на границе с ним подготовительной выработки, различной шириной охраняемого целика и глубины расположения.

Установлено, что в выемочных штреках, проводимых после отработки соседней лавы и стабилизации опорного давления з краевой части массива (при ширине целика до 20м), около 75 > общей величины пучения почвы в них происходит под воздействием очистных работ в собственной лаве. В штреках, проводимых до отработки соседней лавы и навстречу ей - около 70Z общий величины пучения происходит под влиянием соседней лавы. Особенно сильно проявляется горное давление и пучит породы почвы при проведении выработки навстречу действующей соседней лаве и при проведении ее с отставанием от забоя менее Ю0-120м.

Обработка результатов шахтных наблюдений позволила установить зависимости величин смещений пород почвы (li) выработок, охраняемых по способу массив-целик и погашаемых по мере,отработки лавы, от ширины целика (йц) для глубины их расположения от 300 до 500 м (рис.1). Зависимости получены для выработок, проводимым по пластам мощностью 1,5-1,8м, почва которых имеет прочность при сжатии на образцах С>сж= 40-50 МПа. Преобладающее расстояние между поверхностями ослабления пород почвы выработок - 0,2-0,4 м.

и, им 700 600 500 400 300 200 100

Рис Л. Зависимость смещений пород почвы подготовительных выработок от ширины целика: 1,2,3 - глубина расположения выработок,соответственно 300,400 и 500 к

На глубине 300м опасные деформации пород почвы проявляются при ширине целика менее 20м, на глубинах 400-500м - менее 24-25м, на глубинах 550-600м - менее 30м.

При бесцеликовых способах охраны подготовительных выработок на глубине разработки более 300м происходят существенные деформации и пучения макродефектных пород почвы с пределом прочности при сжатии до 50-60 МПа. Однако степень проявления пучения почек выработок при этих способах их охраны значительно меньше, чем при охране целиками угля. В выработках, поддерживаемых на границе с выработанным пространством и используемых повторно, смещение, пород почвы в 1,3-1,8 раза меньше, чем в выработках, охраняемых по способу массив-целик шириной Ю-15м, а в выработках, проводимых на контакте с выработанным пространством (вприсечку) за пределами зоны стабилизации остаточного опорного давления в краевой части массива, в 2-4 раза меньше (при прочих равных условиях). В выработках, охраняемых на границе с выработанным пространством и используемых повторно при отработке соседнего столба, около 70% от общей величины смещений почвы в них под влиянием очистных работ происходит на участке до 150-100м за

забоем первой лавы, 20-25% - в зоне опорного давления впереди забоя второй лазы и 5-15% - в зоне опорного давления впереди забоя первой лавы.

Анализ материалов наблюдений показал, что смещение пород и устойчивость выработок, проводимых вприсечку к выработанному пространству, в большой мере зависит от разрыва во времени между отработкой столба и проведением на границе выработанного пространства выработки. В выработках, проводимых на границе выработанного пространства через 5-6 мес и более после отработки столба, смещение пород почвы в них в 1,6-2,5 раза меньше, чем при проведении через 2-3 мес. Процесс затухания сдвижения пород в выработанном пространстве происходит в течение 3-4 мес при залегании в непосредственной и основной кровле пласта слабых,' легкообрушающихся пород ( б сж < 40 МПа), 5-6 мес - при залегании в основной кровле среднеобрушающихся пород ( С5с* =50-70 МПа) и 7-9 мес - при залегании в основной кровле прочных, труднообрушающихся пород ( <5^ > 70 МПа) ,

На рис.2 приведены характерные графики смещений пород почвы в присечных выемочных штреках лав в зависимости от продолжительности разрыва между проведением их и отработкой смежных столбов и обрушаемости пород кровли пласта. Глубина расположения штреков 300-400м, предел прочности пород почвы <бс/к = 36-50 МПа.

ит

750 600 450 300 /50

/ 2 3 4 5 6 7 8 9 . Ю И I, мес.

Рис.2, Зависимость смещений пород почвы в выемочных штреках лав от продолжительности разрыва между отработкой столба и проведением их на границе выработанного пространства: 1,2 - породы основной кровли соответственно трудно-и среднеобрушающиеся

• \

ч • ^ • /

о о • 0 * « Г"-'

о О 0 0 3 о о

о о ° О о

и.

Установлены особенности пучения в зависимости от структурно-текстурных элементов пород почвы, от расположения выработок относительно элементов залегания пласта и ширины выработки.

В выработках (бремсбергах, уклонах, др.), пройденных по падению и восстанию пласта и поддерживаемых вне зоны влияния очистных .работ, пучение почвы развивается обычно равномерно от боков к центру с максимальным подъемом и выдавливанием пород -посредине выработки при ширине ее до 4 м и вблизи боков при ширине более 4м.

В выработках, пройденных по простиранию пласта,породного массива (пластовые и полевые штреки, др.) с углом падения 10-60° и не испытывающих влияния очистных работ, пучение пород почвы у бока выработки со стороны восстания в подавляющем большинстве в 1,4-1,6 раза больше, чем у бока со стороны падения. Таким образом наиболее существенно происходит пучение в штреках по пластам с углом падения 25-60°. В выработках по пластам с углом залегания свыше 60° более интенсивно пучит породы (уголь) со стороны лежачего бока.

В зоне влияния очистных работ наиболее активно развивается пучение со стороны более нагруженного бока выработки в сторону менее нагруженного.

Показаны причины установленных особенностей пучения пород почвы выработок.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния основных факторов на величину пучения пород почвы и рассмотрен метод прогноза пучения пород почвы подготовительных выработок. "

Для количественной оценки влияния основных факторов на пучение почвы подготовительных выработок были обработаны данные лабораторных и шахтных исследований методами математической статистики с использованием ЭВМ и установлены корреляционные уравнения связи, позволящие прогнозировать величину пучения пород почвы.

Величина смещения почвы (И) в зависимости от мощности слоев пород почвы ( ^с ) и глубины расположения выработок (Н), поддерживаемых вне зоны влияния очистных описывается уравнением (4)

И = 221.29 - 660,65 /1С + 0,43Н, при Я = 0,89,//=29,7. (4) Уравнение (4) справедливо при Н= 150-600м, Яс = 0,05-0,6м.

Корреляционные зависимости смещения пород почвы подготовительных выработок от предела прочности пород почвы при сжатии и глубины расположения их Ене зоны влияния (5) и в зоне влияния очистных работ при различных способах охраны (6,7) имеют вид при <5ск = 6-70 МПа, Н= ЮО-бООм:

1С = 110.25 - 3,98 б + 0,42Н, при Л = 0,03,/* =16,6; (5)

способ охраны "массив-массив" 1С = 316,89- 24,3<5С* + 2.74Н + 0,17б4-0,003н2,при£=0,89; (6) способ охраны "массив-целик(шириной 10-12м)" И = 763,68-46,615,34Н + О.Збб^-О.ООбН2, при В -0,89. (7)

Установлено, что увлажнение пород почвы, сложенной слабыми, и средней прочности породами, приводит к снижению предела прочности их при сжатии в 1,4-2 раза, увеличению пучения в 2,4-4,8 раза. Корреляционная зависимость смещения почвы от влажности пород (и/ ) и глубины расположения выемочных штреков, поддерживаемых вне зоны влияния очистных работ, имеет вид при Н=250-600м, V/ = 2,6-3,5% :

и = "181,04+61,590.28Н, при В = 0,92, /1 = 30,7. (8)

На рис.3 приведены графики зависимости смещения пород почвы от глубины расположения выработок, охраняемых разными способами.

Зависимость между смещением пород почвы в присечных выработках и временем разрыва ( ь ) между отработкой столба и проведением выработки на границе выработанного пространства (9, 10) имеет вид для Ь = 1-12 мес для выработок по пластам со средне-обрушащимися породами основной кровли.

1С = 618,14- 114,51 Ь + 6,23 Ь2 , при В = 0,96; (9)

для выработок по пластам с труднообрутлающимися породами основной кровли

и =948,22 - 135,57 £ + 6,79 Ь , при К = 0,95. (10)

Выполненные исследования и накопленный опыт показали, что увеличение сопротивления крепи выработок сопровождается снижением пучения почвы в них. Однако обратно пропорциональной зависимости .между этими показателями не наблюдается.

Из испытанных незамкнутых деревянных, смешанных и металлических из спецпрофиля рамных крепей наиболее существенное снижение пучения обеспечивает смешанная крепь из деревянных стоек

Рис.3. Графики смещения пород почвы в выемочных штреках в зависимости от глубины расположения: I- охраняемые вне зоны влияния очистных работ в массиве; массив-целик угля; массив-выработанное пространство и погашаемых за очистным забоем соотжтственно 2,3,4

диаметром 0,17-0,18 м и металлического арочного верхняка из спецпрофиля, из замкнутых - металлическая кольцевая и металлическая арочная со сплошной перетяжкой почвы.

Применение замкнутых крепей в сочетании с' жесткой перетяжкой почвы обеспечивает снижение смещения почвы в 2,2-2,5 раза по сравнению с применением их без перетяжки, почвы, предотвращает вдавливание нижних звеньев крепи в слабые породы почвы.

Не наблюдается пучение почвы в вскрывающих выработках по _ глинистым породам, закрепленных металлической арочной крепью из спецпрофиля с замоноличенным обратным сводом.

На основании результатов шахтных исследований разработан метод прогноза пучения почвы подготовительных выработок, базирующийся на определении величины смещения пород почвы в зависимости от срока службы выработки, продолжительности пребывания участков ее с различной скоростью смещения почвы вне зоны и в зоне влияния очистных работ и средней скорости смещения пород почвы на каждом участке выработки за,время его существования

- цсв' иоч+и„р, (II)

где llos- общая величина смещения пород почвы;

п.

■ М-оч М-пр~ смещения, происходящие под воздействием соответственно очистных и проходческих работ.

В связи с тем, что пучение почвы выработок существенно различно вне зоны и в зоне влияния очистных работ, а в зоне влияния в большой мере зависит от способа их охраны, разработанный метод прогноза предусматривает определение смещения почвы для каждой граппы выработок в отдельности.

В пятой главе на основе установленных закономерностей пучения пород почвы, натурных испытаний различных типов и конструкций крепей обоснованы и рекомендованы эффективные способы и крепи для предотвращения пучения почвы подготовительных выработок в условиях шахт Кузбасса.

Наиболее эффективными способами являются:

- проведение выработок в ранее разгруженных массивах после затухания сдвижения и обрушения пород в выработанном пространстве;

- выемка ложной и очень слабых слоев почвы (обычно мощностью до 0,4-0,5м) при проведении выработок;

- отработка угольных пластов без оставления целиков угля, либо по технологической схеме, предусматривающей проведение выемочных штреков с погашением временного целика между ними, параметры которого принимаются исходя из установленной зависимости между величиной пучения пород псчвы и шириной целика.

Наиболее эффективными являются металлическая арочная крепь из спецпрофиля с обратным замоноличенным сводом;металлическая арочная крепь из спецпрофиля с обратным сводом со сплошной перетяжкой почвы; металлическая кольцевая крепь из спецпрофиля со сплошной перетяжкой почвы; смешанная крепь из деревянных стоек и криволинейного верхняка из спецпрофиля.

Обоснованы условия и область эффективного применения этих типов по конструкции крепей.

Реализация разработанных рекомендаций автора показала их перспективность и позволила получить экономический эффект в размере 450 тыс.рублей (в ценах 1990 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для_угольной промышленности научной задачи, состоящее в .установлении закономерностей пучения пород почвы и разработке на их основе способов и средств, обеспечивающих предотврал*ение пучения почвы и повышение эффективности поддержания подготовительных выработок тахт.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в. следующем.

I. На основании анализа состояния подготовительных выработок и результатов шахтных наблюдений установлено, что на достигнутых глубинах ведения горных работ ( 400-700м) породы почвы около 28% шахтопластов Кузнецкого бассейна являются пучащими .

2. Изучены петрографический состав, основные структурно-текстурные элементы, механические и гидравлические свойства горных пород почвы пластов и разработана классификация пород почвы пластов по степени ослабления их за счет трещин, слоистости и других макродефектов строения. Преобладающий показатель ослабления пучащих пород почвы пластов 0,1-0,3, расстояние между поверхностями ослабления - 0,08-0,2м, предел прочности при сжатии - 30-50 МПа.'

3. По степени проявления установлены три группы пучения пород почвы в подготовительных выработках и выявлено влияние расположения выработок относительно элементов залегания пласта на процесс проявления пучения в них по ширине выработки.

На глубине разработки до 200-250м величина пучения пород почвы в подготовительных выработках шахт Кузбасса в подавляющем большинстве не превышает -0,7м ( первая группа по степени проявления ),на глубине разработки 300-700м - 1,3-1,5м ( вторая группа ).

4. Установлено, что в выработках, охраняемых в угольном массиве и погашаемых за очистным забоем смещение пород почвы в 3-5 раз меньше, в выработках,,проводимых вприсечку к выработанному пространству - в 2-4 раза меньше, в выработках, поддерживаемых на границе с выработанным пространством и используемых повторно - в 1,2-1,8 раза меньше, чем в выработках, охраняемых по способу массив-целик угля ( шириной до 15м ) и погашаемых

за очистным забоем.

5. Установлена продолжительность затухания сдвижения и обрушения пород кровли в выработанном пространстве и стабилизации опорного давления в краевой части массива угля. Для лег-кообрушающихся пород кровли ( обычно при б^-? 40 Mía ) она составляет 3-4 мае, для среднеобрушающихся пород (бд50-70 МПа)-5-6 мес, для труднообрушающихся пород (6СХ >70 Mía ) - 7-9мес.

6. Установлено влияние основных природных и горнотехнических факторов на процесс пучения пород почвы подготовительных выработок и получены уравнения взаимосвязей, позволяющие оценивать степень влияния этих факторов на пучение пород почвы выработок.

7. Разработан инженерный метод прогноза пучения пород почвы подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ и охраняемых различными способами.

8. На основании результатов выполненных исследований разработаны эффективные способы и средства предотвращения пучения пород почвы в подготовительных выработках.

Расчетный экономический эффект от внедрения обоснованных и рекомендуемых способов и средств предотвращения пучения пород почвы в подготовительных выработках шахт Кузбасса составляет 3,4 млн.рублей, фактический эффект за счет частичной реализации разработок - 450 тыс.рублей (в ценах 1990 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Паспорта подготовительных и очистных работ для шахт

ПО "Северокузбассуголь" /Баранов В.А., Веников Е.Д., Сурков A.B. и др. - Кемерово: КузНИУИ, ВНИМИ,. 1991. - 340с.

2. Сурков A.B. Состояние и основные причины пучения пород почвы подготовительных выработок, шахт Кузбасса // Актуальные вопросы подземного и наземного строительства: Сб.научн.тр. /Кузбасс гос.техн.ун-т - Кемерово,19У5.- С.58-63.

3. Сурков A.B. Исследование пучения почвы подготовительных выработок по глинистым породам в условиях шахт Кузбасса и меры его предотвращения //Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых:Сб.научн.тр.№9 /Ассоциация "Кузбассуглетехнология".- Кемерово,1995.-С.23-30.

4. Сурков A.B., Шемякин И.И. Пучение пород почвы и особенности его проявлений в подготовительных выработках угольных шахт //Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез.докл. международ.симпозиума- М.-Пермь, 1995.- С.127.

5. Сурков A.B. Устойчивость подготовительных выработок шахт Кузбасса и основные причины травматизма //Безопасность труда в промышленности, 1995,- №8.- С.47-40.

6.-Временное положение по составлению паспорта прогноза технологичности угольных пластов Кузбасса /Егоров II.В., Курзан-цев Ü.C., Сурков A.B. и др.- Кемерово: Минтопэнерго РФ, 1995. -34с.

7.Сурков A.B. Оценка факторов, влияющих на пучение пород-почвы подготовительных выработок угольных шахт //Проблемы подземной разработки полезных ископаемых:Сб.научн.тр./ Кузбас. ■ гос. техн^н-т - Кемерово, 1996.- С.80-85.

8. Сурков A.B. Прогноз пучения пород почвы подготовительных горных выработок // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб.научн.тр.

№ 10 /Ассоциация "Кузбассуглетехнология". - Кемерово, 1996. -С. 10-14.

Заказ• . Тираж 100 экз.. Печать офсетная. Формат 60x84/16. Объем I п.л. Типография Кузбасского государственного технического университета. 650026, Кемерово, ул.Красноармейская,115