автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Научное обоснование способов охраны подготовительных выработок в слоистых неоднородных массивах пластовых месторождений

РГб од

На правах рукописи

9 Л ''10 О С

С- и »^и

ЖИХАРЕВ СЕРГЕЙ ЯКОВЛЕВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В СЛОИСТЫХ НЕОДНОРОДНЫХ МАССИВАХ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальности 05.15.04 - "Строительство шахт и

подземных сооружений"

05.15.11- "Физические процессы

горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург,1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институт« имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ардашев Константин Аркадьевич

доктор технических наук,

профессор Каретников Валентин Николаевич

доктор технических наук,

профессор Трушко Владимир Леонидович

Ведущее предприятие: Акционерное общество "С-Пб Гипрошахт"

Защита диссертации состоится " июня 1996 г. в 13 час. 15 мин. н: заседании диссертационного Совета Д.063.15.03. при Санкт-Петербургское государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническое университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, зал заседанш № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан мая 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, ДОЦ.

В.И. Очкуров

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.Технико-экономические показатели и перспективы развития угольной и калийной промышленности в значительной степени зависят от устойчивости выработок. В настоящее время средняя глубина ведения горных работ на угольных шахтах России достигла 700 м, а при отработке Воркутского месторождения - 700-1050 м. Опыт первоочередной отработки защитных угольных пластов в свитах ряда бассейнов показывает, что добыча угля сопровождается крайне низкой устойчивостью подготовительных выработок. В наиболее сложных условиях при бесцеликовой технологии находятся выработки, сохраняемые для повторного использования. Их поддержание сопровождается интенсивными процессами пучения, деформации при которых достигают 50-70 % общей конвергенции выработки, а также повышенным газо выделен кем з них. С 1986 по 1992 гг. ежегодные потери от простоев очистных забоев из-за загазирования подготовительных выработок при отработке пласта Четвертого по трем основным шахтам объединения "Воркутауголь", составляли до 40-65 тыс.т. Ремонт подготовительных выработок и подрывка пород почвы осложняются выносом метана, а иногда и его возгоранием.

Проектными и научными институтами во многих бассейнах разработаны и испытаны различные способы охраны горных выработок. Однако промышленные испытания некоторых из них з Печорском бассейне оказались не эффективными.

Олработка сильвинитовых пластов АБ и Красный П в АО "Уралкалий" , сопровождается внезапными разрушениями кровли и почвы, обрушениями кровли очистных и подготовительных выработок, что призодкт к травмированию рабочих. Ущерб объединений "Воркутауголь" и "Уралкалий" составляет сотни миллионов рублей.

Совершенствованию подземного способа разработки пластовых месторождений и решению вопросов, связанных с динамическими и статическими проявлениями горного давления в очистных и подготовительных выработках и улучшением условий их поддержания, посвящены работы С.Г.Авершина, К.А.Ардашева, Б.З.Амусина, И.В.Баклашоза, З.Бенязски, Н.С.Булычева, В.Л.Боброва, А.А.Борисова, Я.А.Бича, В.П. Зубова,

B.Н.Каретникова, Б.А.Картозия, О.В.Ковалева, К.В.Кошелева, С.В.Кузнецова, А.Лабасса, Ю.М.Либермана, А.М.Линькова, И.И.Медведева, В.А.Николина, И.М.Петухова, Г.Д.Поляниной, Н.М.Проскурякова, А.Г.Протосени, К.В.Румпенейта, А.Н.Ставрогина, В.Д.Слесарева, Г.Л.Фисенко, Н.Н.Фотневой,

C.А.Христианопича, И.Л.Черняка, В.М. Шика, В.С.Ямщикова и др.

Большое количество публикаций и научных работ, выполненных на эту тематику, свидетельствует об актуальности рассматриваемых в диссертационной работе вопросов, связанных с разработкой способов охраны подготовительных выработок пластовых месторождений, и не окончательно решенной проблеме.

Цель работы. Установление влияния маломощных проплаечков, залегающих в кровле или почве рабочих пластов, на состояние подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников, для разработки способов охраны, позволяющих повысить их устойчивость и исключить статические и динамические разрушения почвы и кровли.

Основная идея работы заключается в том, что с помощью активных способов охраны повышается устойчивость и исключаются разрушения кровли и почвы подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах угольных шахт и калийных рудников.

Основные задачи работы заключаются в следующем:

- исследовать и определить основные закономерности формирования напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников, имеющих в почве или кровле маломощные угольные или глинистые пропластки;

- определить влияние слабых маломощных угольных и глинистых пропластков на характер деформирования подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах пластовых месторождений, и на основе этого выявить механизм статических и динамических разрушений почвы и кровли;

- разработать и экспериментально проверить эффективность способов и средств охраны подготовительных выработок при отработке угольных и калийных пластов;

- разработать метод прогноза потери устойчивости пород почвы и методику ее ожидаемых смещений для подготовительных выработок, сохраняемых для повторного использования;

- провести оценку целесообразности экономических инвестиций для внедрения разработанных способов охраны подготовительных выработок.

Научная новизна работы состоит в следующем :

- аналитически обоснован и экспериментально подтвержден механизм деформаций пород почвы и кровли подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах, в зоне влияния очистных работ, состоящий в несимметричном продольно-поперечном изгибе почвы и

кровли и последующем ее расслоении и отрыве от действия опорного давления, касательных и горизонтальных нагрузок ;

- установлены закономерности изменения напряжено-деформированного состояния в почве и кровле подготовительных выработок со слабыми маломощными пропластками, заключающиеся в образовании локальных зон концентрации горизонтальных сжимающих напряжений внутри массива, раздутии пропластков и формировании субвертикальных трещин в почве и кровле выработок и в отсутствии этих явлений при локальной и региональной разгрузках.

Положения, выносимые на защиту:

- при отработке пластовых месторождений и наличии в массиве слабых пропластков, деформации почвы или кровли подготовительных выработок начинаются с глубины залегания пропластков и зависят от физико-механических характеристик слоев и прослоев, их мощности и параметров опорного давления; при отсутствии пропластков деформации почвы или кровли развиваются с контура выработки, постепенно распространяясь вглубь и достигают значительно меньших величин;

- наличие слабых маломощных угольных или глинистых пропластков в окружающем массиве подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников приводит к возникновению на контактах слоев касательных напряжений и увеличению в почве или кровле в несколько раз сжимающих горизонтальных напряжений, поперечных выработке, в результате чего происходит статическое разрушение слоев в виде пучения или заколообразования или динамическое разрушение в виде внезапных разрушений почвы или кровли; а при их отсутствии- только статическое разрушение;

- потеря устойчивости слоев почвы и кровли подготовительных выработок происходит за счет продольно-поперечного их изгиба, для ее повышения разработаны и опробованы региональные и локальные способы уменьшения касательных и горизонтальных нагрузок в слоистом неоднородном массиве вокруг подготовительных выработок за счет восходящего порядка ведения горных работ, а при отсутствии такой возможности - с помощью разгрузочных щелей в кровле или почве пласта, позволяющие обеспечивать безопасные условия поддержания подготовительных выработок при отработке угольных и калийных пластов.

Достоверность научных положений . выводов и рекомендаций

Достоверность обеспечивается применением современных методов анализа, обширным привлечением фактических материалов работы угольных шахт, калийных рудников и экспериментальных данных, полученных с помощью замеров на более чем 350 станциях, оборудованных глубинными и контурными реперами, близкой сходимостью результатов моделирования и теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов, с одновременным измерением смещений и напряжений в массиве горных пород и промышленного внедрения, подтверждается положительным опытом использования разработок в ПО "Воркутауголь" и АО "Уралкалий".

Методы исследований

Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, базирующийся на анализе и научном обобщении результатов экспериментальных исследований проявлений горного давления в подготовительных выработках угольных шахт и калийных рудников, математического и физического моделирования в разнообразных горногеологических и горнотехнических условиях. Для решения поставленных задач использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории упругости и пластичности с широким использованием электронно-вычислительной техники.

Практическая значимость работы:

- разработаны на уровне изобретений локальные способы охраны подготовительных выработок, основанные на использовании разгрузочных щелей в почве и кровле угольных и калийных пластов, определены их параметры и области эффективного применения, выданы рекомендации для использования в паспортах проведения и поддержания выработок. Результаты работы включены в "Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима" (Пермь-Березники, 1993) и в "Дополнения к действующей "Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам" по предупреждению динамических разломов почвы выработок" (Санкт-Петербург, ВНИМИ, 1996).

- на уровне изобретений разработаны средства механизации проведения разгрузочных щелей в кровле и почве калийных и угольных пластов;

- разработан метод прогноза потери устойчивости слоев почвы и методика расчета ее ожидаемых смещений в подготовительных выработках, сохраняемых для повторного использования.

Реализация работы в промышленности

Региональный способ охраны повторно используемых выработок прошел испытания в лаве 114-с шахты "Заполярной" ПО "Воркутауголь" при отработке пласта Четвертого. За очистным забоем было сохранено 300 м вентиляционного штрека, в котором, одновременно с конвейерным штреком, проводились коплексные исследования по измерению напряжений в угольном пласте и его почве, измерялись смещения кровли и почвы с помощью глубинных и контурных реперов, производился анализ полученных данных с визуальным осмотром выработок. Рекомендации по применению регионального способа охраны повторно используемых подготовительных выработок переданы з институт "Печорниипроект" для проектирования и раскройки Южного блока шахты"Заполярной", 3 горизонта шахты "Северной", строящейся шахты Воргашорская-4 ПО "Воркутауголь" и 3 горизонта шахты"Воргашорской" концерна "Росуголь".

Локальные способы охраны повторно используемых выработок с помощью разгрузочных щелей прошли испытания з 812-е, 72-ю и 82-ю бремсбергах шахты "Северной" ПО "Воркутауголь" при опережающей отработке пласта Четвертого. Общая длина экспериментальных зон составила около 3 км. Рекомендации по применению локальных способов охраны повторно используемых подготовительных выработок переданы в ПО "Воркутауголь" для применения на шахтах бассейна. Методика расчета ожидаемых смещений почвы повторно используемых подготовительных выработок передана в институт "Печорниипроект" для проектных работ.

Рекомендации по повышению устойчивости горных выработок внедрены в рудниках АО "Уралкалий", что позволило повысить безопасность и эффективность горных работ. В выработках, пройденных с разгрузочной щелью, общей длиной около 10 км случаев обрушений не зафиксировано.

Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).

Экономический эффект от применения разгрузочных щелей при охране подготовительных выработок только пласта Четвертого составит по ПО "Воркутауголь" 1269,1 млн. руб. в ценах 1995 г. Экономический эффект от

применения восходящего порядка подготовки и отработки южного блока шахты "Заполярная" за 11 лет составит 118365 млн. руб. в ценах 1992 г.

Личный вклад автора диссертационной работы:

- постановка задач, разработка методики, организация и научное руководство исследованиями, результаты которых приведены в диссертационной работе;

- обобщение результатов шахтных исследований и уточнение на их базе механизма статических и динамических разрушений кровли и почвы подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников с наличием в них слабых маломощных угольных и глинистых пропластков;

- аналитическая оценка устойчивости пород почвы подготовительных выработок и разработка методики расчета ее ожидаемых смещений;

- разработка способов охраны подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников и средств для их осуществления, экспериментальная проверка их эффективности в шахтных условиях;

- разработка рекомендаций по применению разработанных способов охраны подготовительных выработок.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на 8 ,9 ,10 и 11 Всесоюзном семинарах "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г.Новосибирск, 1982, 1984, 1987, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления" (г. Ленинград, 1982), на 12 Всесоюзном семинаре "Исследования горного давления и охрана капитальных и подготовительных выработок" (г. Алма -Ата, 1990), на 8 Всесоюзном совещании "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (г.Новосибирск, 1991), на 1, 2, 3 и 5 Всесоюзных семинарах "Горная геофизика" (гг. Ткибули, 1981; Сухуми, 1983; Батуми, 1985 и Телави, 1989), на научно-технической конференции "Современные методы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера" (г.Сыктывкар, 1989), на Межгосударственной научно-технической конференции "Развшие сырьевой базы промышленных предприятий Урала" (г. Магнитогорск, 1995), на Международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (гт. Москва-Пермь, 1995) на ежегодных научно-технических

конференциях Пермского политехнического института (1979 - 1984), а также на технических совещаниях ПО "Воркутауголь"и ПО "Уралкалий".

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 37 печатных работах, из них 7 являются изобретениями и одна монография.

В диссертации изложены результаты научных исследований, которые осуществлялись автором в ППИ и филиале С-ПГГИ в г. Воркуте в 1979-1995 гг. при выполнении научно-исследовательских работ в соответствии с утвержденной Минвузом РСФСР целевой комплексной программой "Человек и окружающая Среда . Проблема охраны природы . Охрана и использование земных недр" (шифр раздела проблемы 4.196, код темы 38.55.23. Название темы "Исследование и разработка новых методов прогноза , предотвращения и улучшения устойчивости горных выработок на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей") и по хоздоговорным темам 83/84: "Совершенствование техники и технологии интенсивной отработки угольных пластов на шахтах ПО "Воркутауголь" и 50/91 : "Разработка способа борьбы с пучением в повторно используемых подготовительных выработках с помощью разгрузочных щелей" между ПО "Воркутауголь" и ЛГИ._

Автор выражает глубокую признательность профессорам :И.И. МедведевуI. А.Г. Протосене, В.П. Зубову, Г.Д. Поляниной, Ю.В. Шувалову, Г.А. Холоднякову, д.т.н. А.А.Баряху, к.т.н. B.C. Сидорову, к.т.н. Кротову, горному инженеру Ю.Н. Падерину, сотрудникам филиала С-ПГГИ (ТУ) в г. Воркуте и ГИ УО РАН, ИТР шахт и ПО "Воркутауголь" и АО "Уралкалий", оказавшем научную и организационную помощь в проведении исследований и оформлении диссертационной работы.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 375 страницах машинописного текста, содержит 131 рисунок, 34 таблицы, список литературы из 268 наименований и 4 приложения.

В первой главе сделан обзор современного состояния подготовительных выработок на угольных шахтах и калийных рудниках, выполнен анализ горногеологических условий проведения выработок и проявлений горного давления в них, рассмотрены существующие способы охраны подготовительных выработок и обосновываются задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию проявлений горного давления в подготовительных выработках шахт ПО "Воркутауголь" и определению основных закономерностей влияния на напряженно-деформированное состояние горного массива слабых маломощных угольных пропластков.

В третьей главе приводятся основные закономерности влияния на напряженно-деформированное состояние горных выработок АО "Уралкалий" маломощных глинистых пропластков.

Четвертая глава посвящена математическому объемному моделированию напряженно-деформированного состояния вокруг подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах угольных и калийных месторождений, определено влияние слабых маломощных пропластков на распределение напряжений в приконтурной зоне и проведена оценка эффективности применения различных способов охраны подготовительных выработок, в том числе разгрузочных щелей.

В пятой главе приводятся результаты аналитических исследований закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива вокруг повторно используемых подготовительных выработок, на основе чего предложены метод расчета устойчивости слоев почвы для определения критических нагрузок, которые приводят к ее внезапным динамическим разрушениям, и метод расчета пучения подготовительных выработок.

В шестой главе рассматриваются результаты шахтных испытаний способов борьбы с динамическими явлениями на шахтах ПО "Воркутауголь" и АО "Уралкалий" и выполнена экономическая оценка принятых в производство рекомендаций по охране подготовительных выработок.

В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами и даны конкретные рекомендации по применению разработанных способов охраны подготовительных выработок.

Содержание работы

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях.

1. При отработке пластовых месторождений и наличии в массиве слабых пропластков, деформации почвы или кровли подготовительных выработок начинаются с глубины залегания пропластков и зависят от физико-механических характеристик слоев и прослоев, их мощности и параметров опорного давления; при отсутствии пропластков деформации

почвы или кровли развиваются с контура выработки, постепенно распространяясь вглубь и достигают значительно меньших величин.

В ходе анализа информации о динамических явлениях, происшедших на рудниках 2 и 3 БКРУ АО "Уралкалий" при камерной системе разработки Верхнекамского месторождения и описанных в работах [1,3, 10, 19] выяснилось, что часть явлений по своей вероятной природе и механизму не укладывается в уже известные и описанные. Их полости приурочены к "коржам" сильвинитовых пластов.

Отличительной особенностью одного из типов этой группы динамических явлений является то, что они происходят из почвы пласта АБ и встречаются при проведении очистных и подготовительных выработок непосредственно под комбайном или позади его. При этом комбайн или бункер-перегружатель подбрасываются в выработке, а разрушенная горная масса иногда в выработку не выбрасывается, а остается в полости. Полости имеют кратерообразный вид. Глубина их колеблется от 1 до 2 м. Разрушенная порода представлена плитками от 5-10 до 50-70 см или глыбами больших размеров. В местах разрушений встречается большое количество "коржевой" глины пласта Красный I, находящегося ниже пласта АБ.

Второй тип явлений составляют разрушения кровли, которые встречаются при отработке пласта Красный II и АБ. Эти явления в большинстве случаев происходят внезапно, часто без предшествующих признаков, Полости имеют кратерообразный вид (усеченный конус). Глубина полостей не превышает 1-2 м. Разрушенная порода представлена остроугольными кусками соляных пород. Полости явлений приурочены к глинистым "коржам" пласта Красный II и АБ. В местах разрушений встречается большое количество глины. Многие исследователи и производственники относили эти явления к внезапным выбросам соли и газа. Однако наличие дренажных шпуров в Полостях явлений, большое количество глины, остроугольные глыбы разрушившейся породы, отсутствие запыленности указывают на природу этих явлений, отличную от внезапных выбросов.

Кроме динамических явлений, отработке калийных пластов сопутствуют и статические формы проявления горного давления в виде пучения почвы и заколообразования и обрушения кровли. Пучение характерно отработке пласта АБ и приводит к тому, что комбайны из очистных камер практически всегда выводят с включенным исполнительным органом.

При разработке угольных месторождений в подготовительных выработках наблюдаются как статические, так и динамические формы проявлений горного давления. Известно что, взаимодействуя с фронтом очистных работ, подготовительные выработки, сохраняемые для повторного использования при бесцеликовой технологии , проходят через 5 зон: 1 - вне зоны влияния очистных

работ, 2 - зону опорного давления первой лавы, 3 - зону активных смещений пород после прохода первой лавы, 4 - зону стабилизации смещений, 5 - зону опорного давления второй лавы . В этих зонах проявления горного давления наблюдается как в статической, так и в динамической форме. Смещения почвы и кровли, измеренные в различных зонах существования подготовительных выработок, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Средние величины смещений, измеренных в различных зонах поддержания

на самых глубоких шахтах ПО "Воркутауголь"

Шахта средние величины смещений, мм

Пласт Зона 1 Зона 2 Зона 3 Зона 4 Зона 5 Всего

"Северная" Пятый кровля 170 110 260 120 280 940

почва 50 40 120 180 135 525

Четвертый кровля 30 45 270 110 246 701

почва 52 155 428 125 322 1082

Тройной кровля 185 165 350 426 445 1571

почва 70 140 165 210 245 830

"Воркутинская" Четвертый кровля 25 53 255 120 275 728

почва 47 138 356 162 345 1048

Тройной кровля 175 176 325 375 412 1463

почва 82 139 140 182 250 793

"Комсомольская" Четвертый кровля 55 67 302 135 278 837

почва 68 178 428 169 362 1105

Тройной кровля 210 215 388 410 425 1648

почва 95 150 165 195 275 880

Мощный кровля 80 210 430 160 310 1190

почва 185 60 180 270 155 850

"Заполярная" Четвертый кровля 15 46 187 106 230 584

почва 35 98 343 182 285 943

Тройной кровля 160 160 310 330 380 1340

почва 70 130 123 170 232 725

С 1990 г. на шахте "Комсомольской" в выемочных выработках в зоне 2 отмечены четыре случая динамического разрушения почвы выработки (ДРПВ). Три из них приурочены к местам приближения очистного забоя к передовым выработкам (вентиляционные сбойки, уклоны). Опасным, по методике ВЫ ИМИ, является песчаник, залегающий в почве выработки на глубине до 2,5 м. Проведенное сейсмическое профилирование почвы конвейерного штрека 322-е в районе последнего случая ДРПВ экспедицией "Печоруглсразведка" (ЭПУР) показало [ 35 ], что глубина развития динамического разлома больше и приближается к угольным проплаегкам то.

Эти явления по своему характеру близки к горным ударам взламывания, происходящим на шахтах Кизеловского бассейна (описаны в трудах И.М.Петухова) и к внезапным разрушениям почвы или кровли, происходящим на калийных рудниках Верхнекамского месторождения. В полостях этих явлений присутствует порода почвы, разбитая на остроугольные куски размером до 1 м, а повышенных газовыделений служба вентиляции не отмечает. Схожесть этих явлений на шахтах трех бассейнов заставляет рассмотреть в данной работе их механизм более подробно и выявить, по возможности, природу и условия их возникновения.

Анализ смещений, замеренных нами в выработках глубоких шахт объединения ПО "Воркутауголь", позволяет сделать вывод [ 35 ] о том, что в настоящее время имеются способы и крепи, позволяющие обеспечить практически безремонтное поддержание подготовительных выемочных выработок в период нахождения их в массиве вне влияния очистных работ (в зоне I) на глубинах до 1200 м.

Наиболее сложным при столбовых системах разработки является период сохранения выработки на границе "массив - выработанное пространство", включающий зоны 3, 4 и 5. Около 95 % затрат на ремонтно-восстановительные работы по восстановлению проектного сечения выработки в объединении приходится на эти зоны. В них наблюдается 70-75 % смещений пород кровли и почвы за весь срок существования выработки.

Характерно, что долевое отношение смещений почвы в подготовительных выработках пластов Четвертый и Мощный в общей конвергенции составляет 60-70 % , а за счет этого и общие смещения в этих выработках больше, чем в выработках других пластов. Нашими исследованиями установлено, что это связано с наличием в почве этих пластов угольного пропластка то.

При всех различиях горно-геологических условий залегания и горнотехнических условий разработки угольных и калийных месторождений у них есть и сходные черты. Как показали наши исследования, в основе этого сходства лежит единство поведения слоистой толщи, включающей в себя

прослойки слабых пород. Это выражается как в характере динамических проявлений горного давления, так и в характере деформаций горных выработок. Из анализа проявлений горного давления становится ясным, что как на угольных, так и на калийных месторождениях их характер во многом определяется неоднородностью слоистого массива.

Для установления влияния слабых маломощных прослоев на изменение напряженно-деформируемого состояния массива и для оценки их активного участия в механизме статических и динамических проявлений горного давления в подготовительных выработках пластовых месторождений нами были проведены лабораторные и шахтные исследования.

Нами установлено [ 3, 4, 10, 19], что поведение глинистых прослоев достаточно адекватно описываются реологической моделью Шведова-Бингама. Глина как среда, подобно ньютоновской, имеет линейную зависимость напряжений сдвига от скорости сдвига. Реологическое уравнение такого типа записывается

*=т0 + РГ (О

где т и у- соответственно интенсивность касательных напряжений и скоростей сдвига; т0- предельное напряжение сдвига, характеризующее

пластические свойства, ц - вязкость.

Течение таких сред возможно лишь тогда, когда приложенные к ним касательные напряжения больше г0. Поведение бингамовских сред объясняется тем, что в состоянии покоя они имеют пространственную структуру, достаточно жесткую, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему предела текучести г0. Превышение предела текучести (г >- г0) приводит к разрушению структуры и среда, в нашем случае глина, ведет себя как обычная ньютоновская жидкость. Структура снова восстанавливается, когда действующие в глине напряжения сдвига становятся меньше г0. Реологические коэффициенты г0 и ц зависят от влажности глины. С увеличением содержания воды в глине на 10 % значения реологических коэффициентов снижаются в 3-5 раз.

Результаты шахтных замеров скорости выдавливания глинистых прослоев из целиков выработок показали, что она зависит не только от влажности прослоя, но и его мощности. С увеличением мощности прослоев скорость выдавливания увеличивается. В целом, распределение влажности глинистых прослоев по длине целиков в рудниках 2 и 3 БКРУ неравномерно и колеблется в довольно широких пределах: от 8,75 до 29,9 % . Четкой зависимости распределения влажности по длине прослоя выявить не удалось. В ходе шахтных замеров удалось установить, что не все глинистые прослои выдавливаются.

Прослои мощностью до 2,5-3,5 см не выдавливаются и вообще ведут себя как единое целое с массивом. В некоторых случаях подобным образом вели себя прослои с мощностью даже 5-6 см.

Для оценки влияния глинистых прослоев на устойчивость горных выработок и изменение напряженно-деформированного состояния массива в руднике БКРУ 2 в отработанной камере № 312 пласта Красный II 3 западной панели была установлена комплексная замерная станция. Она состояла из гидравлических датчиков, глубинных и контурных реперов и датчиков (манометров) для измерения газового давления в глинистых "коржах" пластов Красный II и Красный I. На момент установки станции комбайн отрабатывал 306 камеру пласта АБ. Гидравлические датчики устанавливались в I слое пласта Красный II, который оставляют в кровле для лучшего поддержания горной выработки, в "коржах" над пластом Красный II, в сильвинитовом пласте Красный I. Глубинные реперы устанавливались на глубинах, позволяющих зафиксировать деформацию пород I слоя пласта Красный II, межпластовой соли Красный И-Красный I и кровлю пласта Красный I, включающую глинистый прослой мощностью около 0,2 м.

Предварительно, по методике СО РАН, нами были определены модули упругости пород вдоль напластования, которые составили для сильвинита пласта Кр. II (I слой) - 3,2 -103 МПа, для "коржей" пласта Кр. II - 4,3 -103 МПа и для сильвинита пласта Кр I - 6,4 -103 МПа [10]. Необходимо отметить, что методом разности давлений нам не удалось установить модуль упругости глинистого прослоя, находящегося в кровле пласта Красный I. Давление в гидродатчиках, расположенных полностью в глинистом прослое, не поднимается выше 4,0 МПа и в течение 30 минут падает до 3,0 МПа, а за сутки - до 0,5 МПа. При большем увеличении начального давления в гидравлических датчиках, установленных в глинистом прослое, они раздуваются и рвутся. Это указывает на высокие пластические свойства глины.

Приближение фронта очистных работ по пласту АБ начинает оказывать влияние на скорость деформационных процессов боковых пород и пород кровли и почвы выработок, пройденных по пласту Красный II, с расстояния 30-40 м и достигает наибольшей величины на момент отработки соосной камеры, над местом установки замерной станции. На фоне общего увеличения наблюдаются моменты замедления и даже остановки деформационных процессов (рис. 1 , а). Подход добычным комбайном к створу замерной станции характеризуется постепенным падением скорости деформирования. На расстоянии 5-10 м до забоя наблюдается минимальная скорость конвергенции как боковых стенок, так и пород кровли и почвы. После этого происходит постепенное увеличение скорости деформирования, которая достигает своего максимума на расстоянии

вышележащего пласта А Б: станция I- -горизонтальные скорости деформации контура выработки;

вертикальные: станция II - . -.- - гооизонтальные: - х - х - нептикальные.

около 10 м за забоем комбайна. Дальнейшее уменьшение и их стабилизация свидетельствует об установившемся распределении горного давления.

Существенного изменения давления в гидродатчиках во время отработки предыдущих камер, включая первый ход камеры 312, не наблюдалось ( рис. 1, б). Влияние очистного забоя на изменение давления в гидродатчике, установленном в глинистом "корже" пласта Кр I, начало проявляться при отработке второго хода 312-й камеры. Постепенно, по мере приближения комбайна к месту установки, давление в гидродатчике стало повышаться. Первоначальный рост давления в гидродатчике был зарегистрирован за 9-10 м до места его установки. Максимум давления в 0,9 МПа был отмечен в тот момент, когда комбайн находился над датчиком. После прохода комбайна давление упало до 0,8 МПа и стабилизировалось. При отработке первого хода 314-й камеры зафиксировано повторное увеличение давления до 1,4 МПа. За трехмесячный срок наблюдений прирост давления газов в загерметизированных "коржевых" частях пластов Красный II и Красный I не наблюдался и не превышал 0,1 МПа.

Таким образом, при ведении очистных и подготовительных работ по сильвинитовым пластам, имеющим в непосредственной кровле или почве глинистые прослои, возникает ситуация, при которой непосредственная кровля или почва будут пригружены дополнительным давлением. Это давление будет зависеть от параметров системы разработки, т.е. от ширины целиков, а, следовательно, и от величины опорного давления, воспринимаемого ими, от скорости и схемы нагружения непосредственной кровли или почвы, физико-механических свойств пород, слагающих ее.

Подобные эффекты наблюдаются и при отработке угольных пластов Мощный и Четвертый Воркутского месторождения, у которых смещения почвы достигают 60-70 % общей конвергенции выработки. Эти пласты в ПО "Воркутауголь" отрабатываются первыми или одиночными.

В ходе шахтных исследований нам удалось выяснить, что данному факту способствуют угольные пропластки, залегающие в почве пластов, а именно пропласток пю. Установка глубинных реперов в почву выработок, пройденных по данным пластам, позволила выяснить, что смещения в глубине почвы начинаются до подхода очистного забоя и предваряют смещения контура выработок. На рис.2 представлена горнотехническая ситуация, когда лава 422-с шахты "Комсомольской" отрабатывала выемочный столб в направлении северного конвейерного уклона (СКУ-1). Нами в конвейерном штреке 422-с были заложены 3 замерные станции, имеющие глубинные реперы.

Эффект расширения угольного пропластка пю наиболее ярко выражен (рис. 3) на станции № 3. Пропласток начинает расширятся за 300 м до подхода очистного забоя. При этом реперы Яг на глубине 6 м и Яз на глубине 3 м

Рис. 2. Схема заложоиия замерных стапцций в 422-е штреке пласта Мощный шахты "Комсомольская"

Кз(3.0м)

Я2(6,0и) ПЮ

^(З.Ои)

Ж

....... /) N

г ..

—

Ч— -

-280

-240

-200

-160

-(20

-«0

им

Рис. 3. Стратиграфическая колонка ночны штрека 422-е с местами заложения глубинных роиерон па станции №3 и относи icjh.iii.ic графики их

смешений

смещается относительно контура почвы вверх, а репер Я! на глубине 9 м смещается вниз. Общее расширение пропластка достигает 15-20 мм [28]. Породы, залегающие выше пропластка, сжимаются. Наиболее интенсивно это происходило на расстояниях 280 - 100 м до очистного забоя.

На станции № 1 реперы, заложенные на глубинах 3 и 7,5 м, начали смещатся с момента заложения вверх на расстоянии 130 м до очистного забоя. Контур выработки начал смещатся при подходе очистного забоя на 80 м. На станции № 2, которая находилась в зоне профилактической обработки, поведение массива пород почвы на глубине до 6 м носило спонтанный характер. Смещения почвы выработки начинаются за ПО м до подхода лавы.

Подобные эффекты наблюдаются и при отработке пласта Четвертого, в почве которого залегает угольный пропласток пю . При отработке других пластов подобного не происходит.

Заблаговременное расширение слабых угольных пропластков, имеющих модуль упругости меньше на порядок и более, чем у пород почвы или кровли, установлен нами и при объемном математическом моделировании в упругой постановке методом погружения, разработанным в ГИ УО РАН, а также при моделировании горно-геологической и горнотехнической ситуации (см. рис. 2) при отработке пласта Мощного на глубине 1000 м.

В общем случае активная роль угольного пропластка в характере напряженно-деформированного состояния подработанного массива проявляется в изменении его мощности. Для всех положений сечений почвы относительно фронта очистных работ характерным является смена областей расширения угольного пропластка зонами его уплотнения. По мере удаления от контура штрека расширение уменьшается, монотонно переходя к его уплотнению.

На рис. 4 приведены кривые изменения мощности угольного пропластка для трех ранее выбранных вертикальных сечений почвы. Положение конвейерного штрека отмечено сплошной линией. Расширение угольного пропластка начинается заблаговременно до подхода очистного забоя (кривая 1 рис. 4). Максимальное увеличение мощности угольного пропластка и формирование наибольшей по протяженности области его "раздутия" происходит позади лавы (кривая 3 рис. 4). Для сечения почвы, совпадающего с грудью очистного забоя, как и следовало ожидать, под лавой имеет место максимальное уплотнение угольного пропластка (кривая 2 рис. 4). В этом случае кривая изменения его мощности является существенно асимметричной относительно оси конвейерного штрека, что еще раз свидетельствует о значительной неоднородности напряженного состояния данного участка почвы.

ео.оо 7о.оо 80.00 ео.оо 100.00

Рис. 4. Изменение мощности угольного пропластка в процессе ведения очистных работ: I- сечение в 200 м перед лавой; 2 - сечение в середине целика между сбойкой и лавой(расстояние меду ними 25 м); 3 - сечение в 100 м за лавой

Как влияют слабые маломощные пропластки на изменение напряженно-деформированного состояния кровли и почвы, объясняется во втором защищаемом положении.

2. Наличие слабых маломощных угольных или глинистых пропластков в окружающем массиве подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников приводит к возникновению на контактах слоев касательных напряжений и увеличению в почве или кровле в несколько раз сжимающих горизонтальных напряжений, поперечных выработке, в результате чего происходит статическое разрушение слоев в виде пучения или заколообразования или динамическое разрушение в виде внезапных разрушений почвы или кровли; а при их отсутствии- только статическое разрушение.

Анализ распределения напряжений в почве конвейерного штрека, при объемном математическом моделировании, показывает, что основной компонентой, на которую в значительной степени влияет наличие угольного пропластка, является горизонтальное нормальное напряжение ст* , ориентированное перпендикулярно оси выработки. По работам выполненным во ВНИМИ (Петухов И.М., Бич Я.А., Линьков A.M., Сидоров B.C., Мустафин М. Г.) известно, что именно от увеличения напряжения о* зависит вероятность динамических разломов почвы выработок.

На рис. 5 иллюстрируется распределение горизонтального напряжения а* в почве конвейерного штрека на стадии подготовки столба угля к очистной выемке при наличии угольного пропластка (рис. 5, б) и без него (рис. 5, в) . Контур выработки схематично показан на рисунке в виде прямоугольника, здесь и далее все напряжения предоставлены в долях уН.

Приведенные результаты наглядно свидетельствуют о значительном качественном и количественном влиянии угольного пропластка на характер распределения напряжения ох, действующего непосредственно в почве штрека. Это становится особенно заметным на фоне практически отсутствия такой зависимости для вертикального напряжения сту, действующего непосредственно в почве штрека. Наличие угольного пропластка, в случае, когда лава удалена от сбойки на 400 м, ведет к формированию в слое песчаника зоны повышенной концентрации горизонтальных напряжений (рис. 5, б), где имеет место почти трехкратное их увеличение,. Пространственное положение этой зоны связано с нижней границей песчаника (над пропластком то ) . Одновременно на верхней границе песчаника увеличивается область разгрузки напряжения о» вплоть до появления участков растяжения.

Один из показателей, определяющих склонность горных пород к динамическому разрушению, является энергия упругих деформаций, накопленная в объеме породного массива.

V/ = \/2(ачгч) (2)

. На рис. 6 приведены изолинии упругого потенциала в песчанике почвы, на котором видно, что при наличии угольного пропластка в песчанике происходит накопление упругой энергии деформирования (рис. 6, б). В отсутствие пропластка пю этот эффект не наблюдается (рис. 6, в). В пространственном отношении область максимума упругого потенциала связана с зоной концентрации горизонтальной компоненты напряжения.

Результаты анализа процесса статического разрушения почвы, т.е. условий возникновения трещин субвертикальной ориентации показывают, что чем больше величина скорости высвобождения энергии, тем выше вероятность образования техногенных трещин. В отсутствие угольного пропластка зона максимума скорости высвобождения энергии приурочена к боковым участкам штрека и связана с действием касательных напряжений, которые могут обусловливать появление трещин сдвига. Если угольный пропласток подстилает песчаник, то в нем не только увеличивается общая опасность возникновения трещин (расширяется зона максимума), но и качественно меняется характер распределения скорости высвобождения энергии как критериального параметра разрушения. Область максимума непосредственно охватывает центральную часть почвы штрека и в топологическом плане связана с зоной разгрузки

Рис. 5. Распределение горикипалмихо напряжения а, в ночне штрека: а - при иаличии'уголыюго промлаетка (лапа в 25 м от сбойки) и лапа н 400 м от сбойки (Г> - при наличии угольною проилаетка. » - при его отсутствии)

1'ис. 6. И юлинии распределения упругого потенциала в аюе песчаника почти штрека : а - ири наличии угольного нронластка ( лапа и 25 м от сбойки) и лапа н 4()0 м от ныработки (Г> - при наличии угольного нронластка. и - Снм него)

горизонтального напряжения а*. Это свидетельствует о том, что именно здесь могут формироваться субвертикальные трещины отрыва.

Рассмотрим два основных варианта оценки состояния почвы конвейерного штрека: очистной забой удален от передовой выработки на 400 м; лава подошла на расстояние 25 м к передовой выработке.

Качественное влияние угольного пропластка на напряженно-деформированное состояние массива с приближением очистного забоя к передовой выработке остается аналогичным. В количественном отношении его воздействие на геомеханические параметры состояния массива усиливается. Изменение критериального параметра статического разрушения незначительно, т.е. уровень воздействия сопряжения выработок на характер образования субвертикальных трещин значительно ниже, чем влияние особенностей геологического строения почвы (в частности - наличия угольного пропластка). Более существенно (количественно) изменяется величина упругого потенциала (рис. баи рис. 6 б). В наибольшей степени влияние сопряжения проявляется при анализе распределения горизонтальных напряжений ох (рис. 5 а и рис. 5 б), которые значительно увеличиваются (рис. 5 а) и в 6 раз превышают соответствующий показатель, когда в строении почвы отсутствует угольный пропласток (рис. 5 в). Это является признаком увеличения вероятности динамического разлома почвы.

Результаты математического моделирования показали, что наличие в строении почвы угольного пропластка создает предпосылки статического разрушения почвы конвейерного штрека, когда концентрация о* достигает трехкратной величины. Наибольшая степень опасности возникает при подходе очистной выработки к вентиляционной сбойке.В этом случае концентрация о* достигает шестикратного увеличения.

Для определения величин действующих напряжений в массиве вокруг подготовительных выработок использовался метод твердых включений по методике ИГД СО РАН. Шахтные измерения проводились с помощью скважинных деформомелров [26].

Измерения, проведенные в конвейерном штреке 434-з пласта Мощного шахты "Юр-Шор" ПО "Воркутауголь" при глубине работ около 800 м, показали основной прирост напряжений по вертикальной компоненте поля напряжений. Деформометры были установлены в массив угля из конвейерного штрека 434-з, за пределами зоны опорного давления штрека и зоны неупругих деформаций на глубину 11-12м. Установка деформометров производилась в момент нахождения лавы на расстоянии более 100 м от места установки, т.е. за зоной влияния опорного давления лавы. При подвигании лавы они фиксировали изменения в напряженном состоянии пласта. Уровень концентрации

напряжений меняется от 2,6 до 4,3 уН, а положение максимума вертикальных напряжений относительно забоя лавы колеблется от 6 до 12 м.

Измерения компонент напряжений вокруг подготовительных выработок пласта Четвертого показали аналогичный характер распределения. Так измерения в вентиляционным и конвейерном штреках лавы 114-с шахты "Заполярная" ПО "Воркутауголь" показали, что концентрация вертикальных напряжений в стенках штрека достикает 3-4 уН с максимумами в 3-4 м.

Пример распределения горизонтальных напряжений в почве вентиляционного штрека представлен на рис, 7. Деформометры устанавливались в почву вентиляционного штрека на глубину 1м, 2 м и 3 м. и фиксировались в шпуре цементным раствором на портландцементе марки 400. Для простоты анализа напряжения представлены в виде диаграмм для фиксированных расстояний до очистного забоя: 24 м; 16 м; 8 м; створ лавы; 8 м после лавы.

По распределению напряжений видно, что деформометры на глубине I м, на расстоянии 24 м до очистного забоя фиксируют растягивающие нагрузки, а на глубине 2м- сжимающие нагрузки. Это свидетельствует о том, что на промежуточной глубине возникают все предпосылки для появления касательных напряжений, которые будут способствовать срыву сцепления между слоями почвы. По середине выработки на глубине 3 м и у целика также возникают растягивающие напряжения. Между глубиной 2 и 3 м появляется область сдвиговых нагрузок. По мере приближения очистного забоя сжимающие напряжения на глубине 2 м увеличиваются. На глубине 1 и 3 м по середине выработки и со стороны целика фиксируются растягивающие напряжения. Тенденция к срыву контактов на промежуточных глубинах сохраняется. При подходе очистного забоя на расстояние 8 м напряжения на глубине 2 м еще более увеличиваются. Растягивающие нагрузки по середине выработки на глубине I м меняют свой знак и переходят в сжимающие, а на глубине 3 м увеличиваются по своей абсолютной величине.

При подходе лавы на расстояние 8 м до станции деформометр на глубине 2м "срезает". Со стороны очистного забоя на глубине 1 и 2м деформометры также "срезаются". Это свидетельствует о срыве сцепления на контакте пород почвы и происходящих продольно поперечных смещениях. При приближении очистного забоя на расстояние 1 м к станции все деформометры, установленные со стороны очистного забоя, прекращают свое существование, а установленные в середине выработки фиксирут все возрастающие сжимающие напряжения. В этот момент скорости пучения пород почвы резко возрастают. Деформометры, установленные со стороны целика на глубине 2 и Зм, фиксируют так же сжимающие напряжения, достигающие по своей величине 84МПа и 128 МПа, хотя деформометр, установленный на глубине 1 м, фиксирует

^ХУ^/ЛУ^Л^/У/А-У/^

|цытс ми|

I 2МЛо №а 20ИПа 1

< к8МЛа ^¿ОМПа 1 ¡М9НПа I

1 < 1 > у £ | Г I

+16 М

ЦЕЛ«

ртрстхтлта

4КПа

ЗМ(Ь

ИЖПа

I

дм«

|КПа

ИМ

т*\2у[

СХЕМА ЗАЛОЖЕНИЯ ДЕТВРМОМЕТРОВ В П0Ч4Е

+ 24 м

2МПа 50ИЛа 15МЛв + 8м

1 зм

НЕЖ

1'»

<ЗИПа

ЗМЛа

J3м

ЗбМПа

2МПа 57МПа

«МПа

Нм

ним Мк

48МПа 96МЛа * _1

¡^вАМЛа

-1м

2м зм

12$МЛа ^МПа

-Зм

75ГК9Я

142 МПа

132МПа

1м 2м Зм

1>ис. 7. Схема запожеиия деформометров в почве вентиляционного штрека 114-е пласта Четвертого шахты "Заполярпая" и изменения напряжений в поперечном сечении штрека на различных расстояниях до забоя (станция 1)

растягивающие нагрузки, достигающие по своей величине 48 МПа. После прохода лавы именно здесь в почве появилась субвертикальная трещина. При проходе очистного забоя створа станции прекращают свое существование все деформометры за исключением двух, установленных на глубине 3 м по середине выработки и со стороны целика, которые отмечают при отходе очистного забоя на расстояние 8 м еще большие сжимающие напряжения, достигающие по своей величине 141 и 132 МПа, т.е. 5,5-6,5 уН.

Результаты объемного математического моделирования в упругой постановке влияния глинистого прослоя, который задавался упруго-пластической средой, на напряженно-деформированное состояние вокруг очистной камеры калийного рудника, с учетом запредельного деформирования целиков, показали, что основное изменение напряжений так же связано с изменением горизонтальной компоненты напряжений (рис. 8). Проведенные ранее исследования подтверждают полученные результаты [17, 18]. Шахтные измерения на комплексной замерной станции в 312 камере (описание приведено выше) в междупластье АБ-Красный II подтвердило влияние глинистого прослоя на перераспределение напряжений в массиве вокруг выработки .

На основе проведенных шахтных исследований, в условиях угольных и калийных месторождений и математического моделирования, поведения горного массива с наличием в нем слабых пропластков (угольных и глинистых) установлено их активное участие в механизме статических и динамических проявлений горного давления [28]. Угольные и глинистые прослои приводят к увеличению сжимающих напряжений в непосредственной кровле или почве практически мгновенно. Это происходит за счет выдавливания слабых прослоев из области сжимающих напряжений от вертикальной нагрузки в область, разгруженную от этих нагрузок, а именно под почву или кровлю. Первоначальные деформации изгиба начинаются с глубины залегания пропластков. На контуре выработки, как показывают маркшейдерские съемки, деформаций не происходит. В кровле или почве возникают сжимающие напряжения, направленные по слоям, их слагающим, по величине в три раза большей, когда пропластков нет и в них накопливается потенциальная энергия сжатия. Это приводит к развитию значительных изгибающих моментов, которые выгибают слои кровли или почвы в выработку. При прочности соляных пород на сжатие в среднем около 40 МПа и на изгиб около 4 МПа, устойчивость слоев кровли или почвы, при наличии глинистых прослоев, теряется уже не в зоне 2, а в зоне 1, т.е. при проходке выработки. Потеря устойчивости происходит в виде внезапных разрушений кровли или почвы. Газ, содержащийся в глинистых "коржах", может только участвовать в доразрушении и выносе разрушенной породы в выработку.

-2К-

а.)

V. ла<**а

т п7 яг хл *» ад пч па яз //.7 яг ко

Рис. 8. Распределение горизонтального напряжения о, но вертикальному разрезу кровли очистной камеры калийного рудника: а - при наличии глинистого проело я; О - при отсутствии глинистого прослоя

На угольных месторождениях, когда в почве или кровле залегают угольные пропластки, первоначальные деформации изгиба начинаются с глубины залегания пропластков. На контуре выработки деформаций не происходит. В почве или кровле накапливается большой потенциал энергии сжатия. В них так же возникают сжимающие напряжения по величине в три раза большей, чем в случае, когда пропластков нет. Изгибающие моменты выгибают слои кровли или почвы в выработку. Но данного распределения напряжений не хватает для динамического разрушения крепких песчаников. Поэтому, когда выработка входит в зону 2 - зону влияния очистного забоя, в почве развиваются интенсивные процессы статического разрушения, которые мы наблюдаем как пучение, т.е. выдавливание разрушенного материала в выработку. Этим и объясняется преобладание в общей конвергенции выработок пластов Четвертый и Мощный смещений почвы, в почве которых залегает угольный пропласток то. В зоне 3 - зоне активных смещений за лавой происходит доразрушение породы, и в определенный момент времени вокруг выработки напряженно-деформируемое состояние стабилизируется. Предпосылок для динамического разрушения пород почвы нет.

Ситуация возможного динамического разрушения возникает тогда, когда очистной забой приближается к передовой выработке. При приближении лавы к сбойке на 25 м в породах почвы концентрация сжимающих напряжений напряжений увеличивается и достигает уже шестикратной. Накопленной энергии потенциального сжатия хватает для динамического разрушения песчаников, которые слагают почву пласта Мощного. При отсутствии угольных пропластков, по данным моделирования и шахтным измерениям, концентрация напряжений сжатия не превышает двукратную.

Для других бассейнов статические и динамические явления в подготовительных выработках могут развиваться в зонах 1, 2 или 3, но все будет зависеть от физико-механических свойств полезного ископаемого и вмещающего массива, наличия слабых прослоев и глубины их залегания, а соответственно и интенсивности развивающихся напряжений.

3. Потеря устойчивости слоев почвы и кровли подготовительных выработок происходит за счет продольно-поперечного их изгиба, для ее повышения разработаны и опробованы региональные и локальные способы уменьшения касательных и горизонтальных нагрузок в слоистом неоднородном массиве вокруг подготовительных выработок за счет восходящего порядка ведения горных работ, а при отсутствии такой возможности - с помощью разгрузочных щелей в кровле или почве пласта, позволяющие обеспечивать безопасные условия поддержания

подготовитедьных выработок при отработке угольных и калийных пластов.

Непосредственная почва подготовительных выработок шахт ПО "Воркутауголь" представлена прочными слоями песчаников мощностью 3-6 метров, которые могут быть покрыты аргиллитами мощностью 1,5-2,0 м. При подходе очистных работ воздействие опорного давления возрастает и происходит разрушение почвы, которое развивается в статистической или динамической форме. Для оценки прочности почвы подготовительных выработок предположим, что при подходе лавы слой песчаника деформируется и происходит межслоевое расчленение почвы.

Тогда слой песчаника в почве можно представить в виде балки нагруженной нормальными я(х) и продольными О нагрузками [23]. Нормальной нагрузкой я(х) является пассивный отпор от слоя расположенного ниже алевролита или угольного пропластка. Основной нагрркой, действующей на слой песчаника, является продольная сила О, которая учитывает влияние опорного давления от очистных работ. Величина продольной силы О будет равна

<2 = ЛкуНЪт, (3)

где "к - коэффициент бокового распора; к - коэффициент концентрации напряжений; Ь - ширина поперечного сечения пласта песчаника (балки); ш - мощность слоя песчаника.

Под действием нагрузок О и ^ происходит изгиб почвы в форме продольного и поперечного изгиба слоя песчаника, как балки на двух опорах и на контуре выработки возникают растягивающие напряжения. Тогда условие прочности почвы выработки определяется

о=а,кс, (4)

где ар - предел прочности материала почвы подготовительной выработки на растяжение; кг - коэффициент структурного ослабления пород почвы.

Преобразуя соотношение (4) и используя зависимость^ = у^ получим предельное перемещение

_ V

*с<т---г-(5)

т

где / - длина балки; q(x)=q=const; у - поперечный прогиб балки, вызванный продольной нагрузкой 0.

Условие прочности показывает, что разрушение наступит, если перемещение почвы выработки достигнет предельного значения ут .

Для примера расчитана прочность почвы подготовительной выработки в зоне 2 для типовых условий залегания в ней прочного песчаника, при исходных данных: Н=1000 м; ш=1,5 м; уН=25 МПа; сг,=8 МПа; ¿.=0,33; Ь=1 м; К=2; ¿,=0,7; ч=0. Результаты расчета показывают, что при величине смещений у=8,48 см будет происходить разрушение почвы подготовительной выработки.

Вместе с тем, при значительных продольных нагрузках, вызванных действием опорного давления, вблизи очистного забоя происходит потеря устойчивости слоя, аналогично потере устойчивости строительных конструкций (колонн, плит) при действии продольных нагрузок. Динамическое разрушение слоя алевролита не наблюдается, поскольку в этом случае имеет место потеря прочности и пластическое разрушение породы. Под действием опорного давления продольная нагрузка <3 возрастает, равновесие слоя становится неустойчивым и небольшая дополнительная пригрузка вызывает потерю его устойчивости.

Уравнение равновесной изогнутой оси балки запишется как:

КГ I2 . (К/ /3)

-лс05л + —51пл=---iп , (о)

я 2 1е г]

где п=Р/; <3=ХкуНЬт; Е - модуль упругости слоя песчаника; Е] - его жесткость.

Уравнение (6) является трансцендентным относительно переменной п, наименьшее отличное от нуля его решение будет определять критическую нагрузку, при которой будет происходить потеря устойчивости прочного слоя в почве подготовительной выработки с приближением очистного забоя.

Величина критической нагрузки определяется по формуле

где п - наименьший отличный от нуля корень уравнения (6). Слой в почве будет устойчивым, если >■ 0

при (?„<:(? или ^^.^ХкЬтуН (8)

имеет место потеря устойчивости слоя в почве подготовительной выработки.

Для оценки устойчивости прочного слоя песчаника в почве подготовительной выработки рассмотрены типовые горнотехнические условия их заложения на Воркутском месторождении: Н= 1000 м; уН=25 МПа; ш=1,5 м; Ь=1 м; Х=0,33; к=2; Е=2-104 МПа. Длина изгибаемой части слоя песчаника в почве выработки принималась равной / = 10 м; / = 12 м. Увеличение длины слоя / учитывает эффект развития в угольном пласте зон разрушения, запредельного и предельного деформирования с приближением очистного забоя.

Результаты расчетов показывают, что при / = 12 м корень уравнения п=1,12, а величина критической нагрузки, вычисляемая по формуле (7) будет = 4,9-1 о4 кг— =4,9-10' МПа. Продольная сила при данных исходных данных

будет равна <2=2,47-103 МПа. Поскольку то состояние почвы слоя будет

устойчивым. При уменьшении длины слоя / = 10 м величина критической нагрузки возрастает и она будет равна £>*, = 5,05-10' МПа. При возникновении в слое трещины в результате разрушения высота слоя уменьшается и момент инерции снизится, что приведет к уменьшению критической нагрузки. Расчеты показывают, что при мощности слоя ш=1,2 м для / = 12 м величина критической нагрузки будетравна = 4,8-104кг= 4,8-10' МПа.

Потеря устойчивости слоя почвы песчаника происходит вблизи очистного забоя, когда концентрация напряжений в боках подготовительной выработки достигает больших величин. Так, при /=12 м и коэффициенте концентрации к=4 продольная сила достигает .0 = 4,95-10' МПа, т.е. будет выполнено неравенство {?>-(?,, и будет иметь место потеря устойчивости слоя песчаника.

Предложенный метод расчета устойчивости прочного слоя почвы подготовительной выработки дает результаты, согласующиеся с натурными наблюдениями за динамическим разрушением прочного песчаника в выработках Воркутского месторождения, и рекомендован к использованию при оценке устойчивости почвы выработок.

В диссертации предложен метод расчета пучения подготовительных выработок с учетом запредельных характеристик нагружения горных пород, дилатансии при разрушении и асимметрии данного процесса.

Наибольшее перемещение контура почвы подготовительной выработки можно найти по формуле

1±1+у гНвтр+ксоьр г ил г.ил

-0,5/0(л02-1)

(9)

Е /Я

где Ло - радиус выработки; гп- радиус области запредельного состояния, м; го - радиус остаточной прочности,м; к,р - соответственно сцепление и угол внутреннего трения горной породы; Н - глубина заложения выработки; у-средний объемный вес горных пород; / 0 - расстояние до очистных работ; Е, V -соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона горной породы. Л - коэффициент аппроксимации, учитывающий дилатансию пород (пластическое разрыхление) в запредельной области нагружения и определяется по лабораторным испытаниям.

Радиус зоны остаточной прочности г0 находится из уравнения

- -- - +Kcigp0-kvclgp+2Mvr

a + ~>

-_--(10)

/' + k0clgp

2sinp0 ,

где a0 =-,p0 - соответственно сцепление и угол внутреннего

l-sin/v

трения разрушенной породы в зоне остаточной прочности; f(/) - функция, учитывающая влияние очистных работ на напряженное состояние вокруг

г l t i . ЬА 2 2sinр

выработки; к^ = к +—-—. = 7-г,-г, п =-, а =-—, М

* cosр " (а + лд1 - sin/?) 1 + Л 1-smp

модуль спада; у. ,у„ - соответственно наибольший сдвиг на пределах прочности и остаточной прочности; Р - отпор крепи.

Зависимость между радиусом запредельного состояния г„ и остаточной прочности г0 определяется из выражения

Для описания перемещения контура почвы выработки при пучении значение перемещения, учитывающем асимметрию в их распределении, согласно контурным наблюдениям, с использованием аппроксимации определяется:

í/ = í/o + (/1cos0+í/2sin 0, (12)

где Uo, Ui, U2 - коэффициенты аппроксимации; 0- искомый угол.

где - Ur,U/, Uc - значения перемещений контура почвы в правом и левом боках и по середине выработки.

Для проверки предлагаемого подхода, были проведены проверочные расчеты, которые сравнивались с фактическими величинами пучения почвы ПК 154 после прохода лавы на расстоянии 100 м в конвейерном бремсберге 812-е пласта Четвертого шахты "Северная" ПО "Воркутауголь". Величина пучения пород в левом боку составила U/=24 см, в правом Ur=52,5 см и посередине выработки Uc=56,5 см. Значения коэффициентов аппроксимации равны Uo =-6,43 см; U t = 62,93 см; Uj = 20,54 см.

Результаты сопоставления расчетных и фактических значений пучения почвы приведены в таблице 2. Анализ данных таблицы 2 свидетельствует об

удовлетворительной сходимости расчетных и фактических значений пучения почвы подготовительных выработок.

Таблица 2

Расчетные и фактические смещения для зоны 3

Угловая координата в Перемещение почвы II, см

Расчетное по формуле (12) Фактическое, измеренное в натуре

-71/4 (со стороны массива) 23,24 24

0 (середина выработки) 56,1 56,5

тс/4 (со стороны очистного забоя) 51,99 52,5

В виде примера найдем также величину зон предельного состояния и остаточной прочности в почве подготовительной выработки и наибольшее перемещение ее контура. Значение исходных данных примем применительно к условиям заложения подготовительных выработок шахт ПО "Воркутауголь": Н=1000 м;уН=25 МПа, о0 =150^ ; уо =30 • 10 *; у.= 13,5-10 -з; Р=0; Яо=2 м;

со=-0,14-постоянная, характеризующая дилатансию; р=30°; Г(/>= 1,2.

_ „ , (1 - %\\\р)(т с

Тогда сцепление пород, наиденное по формуле к = --, будет равно

2 сое р

к=5,77 МПа; ко=0,15 к. Значение модуля спада М= 0,73-Ю5. Расчет по формуле (10) показывает, что размер зоны остаточной прочности в почве выработки го=2,1711о, а зоны запредельного состояния г„=4,ОЯо. Расчет по формуле (9) показывает, что наибольшее перемещение контура почвы подготовительной выработки составит 51,9 см.

Для предотвращения статических и динамических разрушений почвы или кровли выработок необходимо исключить влияние на них сжимающих напряжений. Это возможно сделать с помощью разгрузочных щелей. Глубина их должна достигать глубины залегания слабых пропластков [6, 14,15, 16,17,19, 20, 27, 29,33].

Результаты влияния разгрузочных щелей на изменение напряженно-деформированного состояния глино-соляной кровли очистных камер калийных рудников, полученные при объемном математическом моделировании, приведены в таблице 3. Для количественной оценки эффективности применения

разгрузочных щелей при различных параметрах камерной системы разработки предлагается следующая схема анализа:

5(*.г) = Св(*.г)-С.(*,г) (14)

где С0,С. - скорость высвобождения энергии в породах кровли в отсутствии разгрузочной щели и при ее применении.

Очевидно, что чем больше численное положительное значение параметра Б, тем выше эффективность применения разгрузочной щели для обеспечения устойчивости пород "защитной пачки". Отрицательные величины Б отражают негативное, сточки зрения процесса трещинообразования, влияние щели.

Таблица 3

Максимальные положительные значения параметра Б

N Параметры системы разработки Длина камеры

п/п ширина камеры ширина целика Юм 20 м 40 м

1 10 10 0,010 0,010 -

2 10 5 0,010 0,020 -

3 10 3 0,010 0,020 -

4 6 9 0,060 0,068 0,068

5 6 5 0,068 0,072 0,076

6 6 3 0,064 0,068 0,072

7 3 9 0,160 0,160 -

8 3 5 0,180 0,180 -

9 3 3 0,180 0,180 -

Выполненные расчеты позволяют дать обобщенную оценку влияния параметров системы разработки на эффективность применения разгрузочных щелей в целях повышения устойчивости очистных выработок. Основным фактором, определяющим интенсивность разгрузки кровли камеры с помощью прорезки щели, является длина ее пролета. Чем меньше ширина камеры, тем более эффективной является щелевая разгрузка кровли. Размеры междукамерных целиков, режим их деформирования оказывают существенно меньшее влияние на уровень разгрузки кровли. Наибольшая эффективность применения щелевой разгрузки достигается для любых параметрах системы разработки, с небольшими пролетами камер, поскольку несущая способность кровли тем выше, чем меньше ее пролет. На основе полученных для условий Верхнскамского месторождения результатов, в рамках рассмотренного типового строения кровли очистных камер, можно рекомендовать использовать щелевую разгрузку при пролетах камер, не превышающих 6 метров.

Негативное воздействие щели (отрицательные значения Б) связано, во-первых, с ее собственными торцевыми границами, а во-вторых, с краевыми частями кровли камеры. Степень отрицательного влияния щели значительно ниже (в среднем на порядок) ее положительного воздействия.

Для определения работоспособности и эффективности разгрузочных щелей в рудниках БКРУ-3 и БКРУ-2 АО "Уралкалий" при отработке пластов Красный II и АБ с помощью установки [16] были проведены опытно-промышленные испытания по способам [6, 15], признанные изобретениями. Испытания показали их высокую эффективноть и улучшили безопасность ведения работ. 2. При отработке камер с одновременным проведением разгрузочных щелей до глинистых пропластков при креплении кровли анкерами, так и без крепления, внезапных ее разрушений, отслоений и обрушений не наблюдалось.

Опускание кровли больше в два раза у не закрепленной анкерами кровли, чем у закрепленной, но вертикальные смещения в глубине массива плавные и без расслоений, а при анкерном креплении практически повсемесно происходит расслоение кровли на конце разгрузочной щели.

Закрытие разгрузочной щели начинается сразу после ее проведения. Характер закрытия щели для пласта АБ и Красный II имеет одинаковую тенденцию. Скорость закрытия в устье камер в среднем больше в 2 - 2,5 раза чем в середине камер и достигает - 1,5 мм/сутки и - 0,75 мм/сут соответственно. Смыкание щели примерно в два раза меньше у закрепленной анкерами кровли, чем у не закрепленной. Щель в устье камер смыкается через 40-60 суток, а в середине камер через 100-120 суток, что обеспечивает безопасность ведения очистных работ на весь срок отработки камер.

Наблюдения за разгрузочными щелями вне фронта очистных работ, пройденными в конвейерных штреках, показали, что скорость закрытия щелей практически всегда постоянна и не превышает 0,25 см/сут. С подходом фронта очистных работ к станции скорость закрытия увеличивается. Максимального значения в 0,75 см/сут она достигает в створе станции. В дальнейшем скорость закрытия падала до 0,03-0,04 м/сут [14]. В тех местах, где щель сомкнулась, возобновились процессы разрушения кровли. Для предотвращения этих явлений рекомендуется проводить вторичную разгрузку, т.е. вторично проходить щель.

Установлены безопасные параметры разгрузочных щелей для очистных и подготовительных выработок при отработке пласта Красный II и АБ Верхнекамского месторождения, необходимая ширина которых составляет 0,14 м, а высота не менее 1,5 м.

Локальные способы охраны повторно используемых выработок с помощью разгрузочных щелей прошли испытания в 812-с, 72-ю и 82-ю бремсбергах шахты "Северной" ПО "Воркутауголь" при опережающей отработке пласта Четвертого. Общая длина экспериментальных зон составила около 3 км.

Локальные способы борьбы с пучением в повторно используемых выработках с помощью разгрузочных щелей испытывались в 812-с, 72-ю бремсбергах шахты "Северной" ПО "Воркутауголь". Результаты испытаний приведены в таблице 4. Создавать разгрузочные щели для борьбы с пучением и динамическим разрушением почвы подготовительных выработок угольных шахт с помощью БВР необходимо вне зоны опорного давления очистного забоя, в 80-100 м перед лавой с глубиной, достигающей угольные пропластки. Создание в почве наклонных, в сторону лавы, щелей с применением ВВ аммонит Т-19 позволяет уменьшить пучение почвы в 1,5-1,7 раза, а конвергенцию выработок на 30-40 %.

Для борьбы с динамическими разрушениями почвы подготовительных выработок разгрузочные щели должны быть созданы на глубину от 6 до 8 м. ВНИМИ в "Дополнениях к действующей "Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам" по предупреждению динамических разломов почвы выработок" (Санкт-Петербург, ВНИМИ, 1996) учел результаты математического моделирования, результаты расчета устойчивости почвы выработок и определение критических нагрузок в разработке параметров разгрузочных щелей, а именно о необходимости проводить их до угольного пропластка пю.

В ходе шахтных исследований установлено, что после прохода очистного забоя консоль, зависающая в выработанном пространстве вдоль подготовительной выработки, укорачивается и нагрузка на органный ряд и основную крепь выработки возрастает. Это происходит за счет сдвижения вышележащих над консолью слоев. На расстоянии 10-20 м за лавой 2- или 3-рядный органный ряд под действием все возрастающей нагрузки наклоняется и укладывается вдоль подготовительной выработки или ломается. Консоль кровли, зависающая вдоль выработки, получает возможность изгибаться относительно своей заделки со стороны массива. В месте заделки со временем прорастает трещина и консоль обламывается. Одной стороной она лежит на угольном пласте со стороны массива, а другой стороной опирается на раздавленный органный ряд и породы выработанного пространства. Чем короче будет консоль тем большие вертикальные смещения будет испытывать кровля выработки. При малой несущей способности арочных крепей, как известно они могут выдерживать только 15-20 % нагрузок, развивающихся на

Таблица 4

Оценка эффективности способов охраны подготовительных выработок с помощью взрывощелевой разгрузки

Номер выработки Длина зоны, м Параметры взрывощелевой разгрузки Мощность основной почвы,м Смещение до ремонта выработки За срок службы выработки Оценка эффективности

почвы кровли общие

812 - с бремсберг ПК-154 базовая зона 50 — 3,5-3,5 600 1140 350 760 950 1900 —

812 - с бремсберг ПК-144; ПК-149 экспериментальная зона 70 шпуры в почве Ь-2,5 м а=50°; 900 г Т-19; взрывание в 80100 м от забоя 3,0-3,5 350 750 450 625 200 440 190 465 550 1190 640 1090 а) пучение снижено * в 1,4 раза; б) опускание кровли уменьшилось на 40 %; в) общие смещения уменьшились на 40 %

72-ю бремсберг базовая зона ПК-33 80 — 5,0 235 600 900 1370 1135 1970 —

72-ю бремсберг ПК-45 экспериментальная зона 50 шпуры в почве Ь-2,5 м а=50°; 900 г Т-19; взрывание в 80100 м от забоя 5,0-6,0 375 625 785 1020 1155 1645 а) для борьбы с пучением не эффективно, малая длина шпура; б) смещения кровли уменьшились на 15%

82-ю бремсберг ПК-145; ПК-113 базовая зона 50 - мощность основной кровли-10-12 м 550 1020 535 910 570 850 340 725 1120 1870 875 1635 -

82-ю бремсберг ПК- 131 экспериментальная зона 100 скважины в кровле через 4 м, Ь-12 м,2,7 кг Т-19 мощность основной кровли-10-12 м 525 820 200 475 725 1295 а) нагрузка на основную и органную крепь снизилась в 5-6 раз б) смещения кровли )меньшились в 1,5-2 раза, общая конвергенция нз 30"в

больших глубинах, крепь работает только как оградительная. Она не может выдержать большие нагрузки, и, как следствие этого, появляются большие проскальзывания в замковых частях, достигающие 1 м и приводящие к ее разрушению и деформации.

В связи с тем, что после прохода очистного забоя со стороны массива на некотором расстоянии рано или поздно появляется трещина, нами было предложено создавать ее заранее, до подхода лавы. Это позволит получить в кровле "породомост", который будет дополнительным природным сооружением, предохраняющим выработку. Чем он будет длиннее, тем меньше будут вертикальные смещения кровли, а значит и меньше конечная конвергенция выработки.

Способ охраны повторно используемых подготовительных выработок с помощью разгрузочных щелей испытывался в 82-ю бремсберге шахты "Северной" ПО "Воркутауголь". Результаты испытаний также приведены в таблице 4. Создание в кровле наклонных, в сторону массива, разгрузочных щелей с помощью БВР, позволяет снизить нагрузку на основную и охранные крепи в 5-6 раз и уменьшить смещения кровли в два раза, что приводит к снижению конвергенции выработок на 30 %.

Экономический эффект от применения разгрузочных щелей при охране подготовительных выработок только пласта Четвертого составит по ПО "Воркутауголь" 1269,1 млн. руб. в ценах 1995 г.

Исследованиями в 1987-1990 гг., проведенными на шахте "Северная", установлено, что на общую конвергенцию выработки помимо геологических и прочностных характеристик вмещающих пород, сечения выработки, глубины разработки, скорости движения лавы влияет угол залегания пласта и место поддержания повторно используемой выработки со стороны восстания выемочного столба или со стороны падения. Величина пучения в подготовительных выработках, сохраняемых для повторного использования, со стороны восстания при отработке выемочных столбов лавами ¡12-ю, 212-ю, 1212-ю, 1112-с, была около 100-450 мм, а общая конвергенция достигала 300 мм.

Региональный способ охраны повторно используемых выработок прошел испытания в лаве 114-с шахты "Заполярной" ПО "Воркутауголь" при отработке пласта Четвертого. За очистным забоем было сохранено 300 м вентиляционного штрека,, в котором, одновременно с конвейерным штреком, проводились коплексные исследования по измерению напряжений в угольном пласте и его почве, измерялись смещения кровли и почвы с помощью глубинных и контурных реперов, производился анализ полученных данных с визуальным осмотром выработок. Установлено, что конвергенция вентиляционного штрека меньше, чем конвейерного на 30 %.

Установленная закономерность величины конвергенции при поддержании повторно используемой выработки по отношению к выработанному пространству - со стороны падения и восстания выемочного столба и порядка ведения очистных работ, снизу вверх или сверху вниз, открывает возможность применения регионального способа борьбы с пучением и снижения общей конвергенции в повторно используемых подготовительных выработках.

Рекомендации по применению регионального способа охраны повторно используемых подготовительных выработок переданы в институт "Печорниипроект" для проектирования и раскройки Южного блока шахты"Заполярной", 3 горизонта шахты "Северной", строящейся шахты Воргашорская-4 ПО "Воркутауголь" и 3 горизонта шахты" Воргашорской" концерна "Росуголь". Экономический эффект от применения восходящего порядка подготовки и отработки южного блока шахты "Заполярная" за 11 лет составит 118365 млн. руб. в ценах 1992 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, дано теоретическое обобщение и новое решение крупной народнохозяйственной проблемы - охраны подготовительных выработок, пройденных в слоистых массивах пластовых месторождений. Широкое внедрение разработанных активных способов охраны позволит исключить внезапные разрушения почвы и кровли подготовительных выработок с наличием в почве или кровле слабых маломощных пропластков, обеспечить безопасное и безремонтное их поддержание.

Основные научные и практические выводы, сделанные - в результате завершенных исследований, заключаются в следующем.

1. Определено с помощью глубинных и контурных реперов, с одновременным измерением напряжений в массиве, что деформации почвы рабочих пластов, имеющих в непосредственной или основной почве угольные пропластки, начинаются вне зоны опорного давления очистного забоя, с глубины залегания пропластков, что отражается на величине сжимающих напряжений в почве подготовительных выработок, достигающей значений 2-3 уН и ее смещениях. Концентрация напряжений в почве подготовительных выработок формируется опорным давлением очистного забоя и динамикой обрушения пород непосредственной и основной кровли в выработанном пространстве очистных забоев с образованием зависающих консолей вдоль поддерживаемых выработок. Они формируют знакопеременные напряжения в почве выработок, что приводит к их изгибу, срыву контактов между слоями

пород почвы и расслоению. В дальнейшем возрастающие сжимающие нагрузки доразрушают монолитные слои на все более мелкие структурные блоки и выдавливают разрушенную породу в выработку в виде пучения. При этом угол падения пласта влияет на интенсивность касательных напряжений в почве выработок, которые совместно с главными напряжениями создают гораздо худшие условия устойчивости пород почвы подготовительных выработок, сохраняемых со стороны падения выемочного столба, чем со стороны посстания.

2. Установлено на примере Печорского бассейна, что основные смещения кровли и почвы подготовительных выработок происходят в зоне активных смещений пород после прохода первого очистного забоя и достигают 65-70 % конвергенции выработки. Применяемые в этой зоне крепи усиления и обрезные (охранные) крепи с основными крепями не обеспечивают эксплуатационного состояния выработок. Смещения почвы пластов Мощного и Четвертого в этой зоне в 1,5-2,0 раза больше смещений кровли. Определено, что основную роль в повышенных смещениях почвы выработок, пройденных по этим пластам, играют угольные пропластки, в частности - пю. Для выработок остальных пластов такой тенденции не наблюдается.

3. Установлено на примере Верхнекамского месторождения калийных солей, что наличие глинистых прослоев в непосредственной кровле или почве калийных пластов увеличивает вероятность внезапного разрушения пород почвы или кровли. Глинистые прослои за 30-40 м до фронта очистных работ создают дополнительную пригрузку на кровлю и почву горных выработок, которая по своей величине достигает 1,5 МПа, то есть прочности соляных пород на изгиб, что приводит к их внезапному разрушению и обрушению.

4. Определено, что подвижность глинистых прослоев увеличивается в 2-3 раза с увеличением их мощности с 0,04 до 0,15 м. В реальных условиях существуют глинистые прослои, которые не имеют способности перемещаться, то есть "жесткие" слои. Установлено, что поведение глинистых прослоев достаточно адекватно описывается реологической моделью Шведова-Бингама. Значения входящих в нее реологических коэффициентов г0 и ц зависят от влажности глины. С увеличением содержания воды з глине на 10 % значения реологических коэффициентов снижаются в 3-5 раз с одновременным увеличением подвижности глинистых прослоев.

5. Подтверждено объемным математическим моделированием с помощью метода погружения, что проведение выработок на угольных и калийных месторождениях с наличием в кровле или почве слабых прослоев, обусловливает возникновение в подстилающем слое горизонтальных сжимающих напряжений о*, в несколько раз больше, чем без них. Это приводит к накоплению

потенциальной энергии сжатия. Для соляных пород ее достаточно для внезапного динамического разрушения кровли или почвы.

В зоне влияния очистного забоя в почве (кровле) подготовительных выработок угольных месторождений происходит расширение угольных пропластков, что приводит к изгибу пород почвы и увеличению накопления потенциальной энергии сжатия с одновременной разгрузкой приконтурной области от горизонтальных напряжений. За счет изгиба слоев на контуре появляются растягивающие напряжения. Возникают условия для образования вертикально секущих трещин отрыва, что ведет к уменьшению эффективной (несущей) мощности почвы (кровли). Создаются предпосылки к ее статическому, в виде пучения, разрушению. Опасность динамического разлома почвы выработки возникает при подходе очистного забоя к передовой выработке, где концентрация горизонтальных сжимающих напряжений в песчанике может достигать шестикратного значения.

6. Для предотвращения статических и динамических разрушений почвы или кровли подготовительных выработок* необходимо исключить влияние на них сжимающих напряжений. Это возможно сделать с помощью разгрузочных щелей. Глубина их должна достигать глубины залегания слабых пропластков. Разгрузка массива с помощью бурения опережающих скважин не является достаточно эффективной мерой предупреждения динамических разломов почвы подготовительных выработок. Ее положительное воздействие ограничивается лишь областью приконтурного угольного массива, и она может быть рекомендована как средство борьбы с пучением, т.к. уменьшает вероятность трешинообразования почвы выработки.

7. Установлено с помощью аналитических расчетов с применением теорий упругости и пластичности, с учетом дилатансии пород, что до подхода очистного забоя деформации почвы подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ незначительны и не превышают нескольких сантиметров. В зоне влияния очистного забоя присходит разрушение кромки угольного пласта с развитием разрушений до 2 м и более. При этом почва подготовительных выработок при залегании в ней песчаника и ее деформациях свыше 8-10 см теряет прочность и разрушается. При наличии в почве аргиллитов или алевролитов разрушение происходит при меньших деформациях.

8. Предложены методы расчета устойчивости слоев почвы для определения критических нагрузок, которые приводят к ее внезапным динамическим разрушениям и метод расчета пучения подготовительных выработок, с учетом его асимметрии. Расчеты показали удовлетворительную сходимость шахтных замеров с полученными расчетными величинами. Расчетным путем показана

зависимость влияния ширины разгрузочных щелей на величину пучения в подготовительных выработках.

9. Установлено, что создавать разгрузочные щели для борьбы с пучением и динамическими разрушением почвы подготовительных выработок угольных шахт с помощью БВР необходимо вне зоны опорного давления очистного забоя, в 80-100 м перед лавой с глубиной, достигающей угольные пропластки. Создание в почве наклонных, в сторону лавы, щелей позволяет уменьшить пучение почвы в 1,5-1,7 раза, а конвергенцию выработок на 30-40 %. Создание в кровле наклонных, в сторону массива, разгрузочных щелей с помощью БВР, позволяет снизить нагрузку на основную и охранные крепи в 5-6 раз и уменьшить смещения кровли в два раза, что приводит к снижению конвергенции выработок на 30 %.

10. Установлены безопасные параметры разгрузочных щелей для очистных и подготовительных выработок при отработке пласта Красный 2 Верхнекамского месторождения, необходимая ширина которых составляет 0,140,20 м, а высота не менее 1,5 м. При отработке камер на пласте Красный 2 3 БКРУ и пласта АБ 2 БКРУ с одновременным проведением разгрузочных щелей до глинистых пропластков при креплении кровли анкерами, так и без крепления, ее внезапных разрушений, отслоений и обрушений не наблюдалось. Закрытие разгрузочной щели начинается сразу после ее проведения. Характер закрытия щели для пласта АБ и Красный 2 имеет одинаковую тенденцию: а) скорость закрытия в устье камер в среднем больше в 2 - 2,5 раза, чем в середине камер, и достигает - 1,5 мм/сутки и - 0,75 мм/сут соответственно; б) скорость смыкания щели примерно в два раза меньше у закрепленной анкерами кровли, чем у не закрепленной; в) щель в устье камер смыкается через 40-60 суток, а в середине камер через 100-120 суток, что обеспечивает безопасность ведения очистных работ на весь срок отработки камер. Опускание кровли больше в два раза у не закрепленной анкерами кровли, чем у закрепленной, но вертикальные смещения в глубине массива плавные и без расслоений, а при анкерном креплении практически повсеместно происходит расслоение кровли на конце разгрузочной щели.

11. Установлено и обосновано, что в механизме внезапных разрушений почвы и кровли подготовительных выработок пластовых месторождений активно участвуют слабые пропластки, характер деформаций которых приводит к многократному увеличению сжимающих напряжений в почве или кровле, накапливанию за счет этого упругой энергии сжатия и к изгибу их слоев. При достижении критических величин это приводит к их статическому, в виде пучения или заколообразования, разрушению или к динамическому разрушению в виде внезапных разрушений почвы или кровли.

12. Предложены и обоснованы активные способы охраны подготовительных выработок, пройденных в слоистых массивах пластовых месторождений на основе применения разгрузочных щелей, позволяющие исключить динамические разрушения почвы и кровли подготовительных выработок и снизить величину их конвергенции. Экономический эффект от применения разгрузочных щелей при охране подготовительных выработок только пласта Четвертого составит по ПО "Воркутауголь" 1269,1 млн. руб. в ценах 1995 г.

13. При отработке выемочных столбов угольных месторождений полосами по простиранию или падению наиболее благоприятные условия поддержания создаются для подготовительной выработки, сохраняемой со стороны восстания выемочного столба, что позволяет рекомендовать восходящий порядок отработки выемочных столбов в качестве регионального способа охраны подготовительных выработок. Экономический эффект от применения восходящего порядка подготовки и отработки южного блока шахты "Заполярная" за 11 лет составит 118365 млн. руб. в ценах 1992 г.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Анализ динамических явлений на новых Верхнекамских калийных рудниках // В кн. Совершенствование технологии разработки месторождений Западного Урала.- Пермь, 1982.- С. 16-17 (Соавтор Полянина Г.Д.).

2. О применении сейсмоакустического метода прогноза газодинамических явлений при системе разработки камер с податливыми целиками // В кн. Разработка соляных месторождений.- Пермь, 1982.- С. 81-83 (Соавторы: Полянина Г.Д., Коротаев В.Ф.).

3. Роль глинистых прослоев в механизме динамических явлений // В кн. Совершенствование технологии разработки месторождений Западного Урала.-Пермь, 1982,-С. 17-18 (Соавтор Полянина Г.Д.).

4. Исследование реологических свойств глины. // Изв. вузов. Горный журнал, 1982.- N 9.- С. 5-8 (Соавтор Шевляков В.Ю.).

5. К методике прогнозирования динамических явлений сейсмоакустическим экспресс-методом. // В кн. Исследование, прогноз и контроль проявлений горного давления.- Л.: ЛГИ, 1982.-е. 187-188 (Соавтор Полянина Г.Д.).

6. A.C. 1028853 (СССР). Способ проведения горных выработок по пластам, опасным по динамическим явлениям/ опубл. 15.07.83. Б.И. N 26, 1983 (Соавторы: Полянина Г.Д., Триполко A.C. и др).

7. Оценка напряженного состояния соляных пород сейсмоакустическим методом,- Горный журнал. Изв. вузов, 1983.- N 3.- с. 3-5 (Соавтор Полянина Г.Д.).

8. Определение предельных нагрузок на непосредственную кровлю очистных выработок при отработке сильвинитовых пластов. // В кн. Вопросы комплексного освоения недр и совершенствование технологии горных работ на предприятиях Западного Урала,-Пермь, 1983.-С. 55-56.

9. A.C. 1155773 ( СССР). Способ определения выбросоопасности пород калийных месторождений / опубл. 15. 05. 85. Б.И. № 18. 1983 (Соавтор Полянина Г.Д.).

10. Влияние глинистых прослоев на устойчивость выработок в калийных рудниках И В кн. Разработка соляных месторождений,- Пермь, 1983.- С. 58-64 (Соавтор Полянина Г.Д.).

П. A.C. 1053033 (СССР). Способ определения напряженного состояния горных пород/опубл. 07.11.83, Б.И. N 41, 1983.

12. К методике прогнозирования динамических явлений сейсмоакустическим экспресс-методом. // В кн. Горная геофизика.- Тбилиси, 1983.- С. 25-27.

13. Расчет предельных нагрузок на кровлю выработки для условий Верхнекамских калийных рудников. // В кн. Разработка калийных месторождений.-Пермь, 1984,-С. 107-110.

14. Разработка способа предотвращения динамических явлений для условий 2-го и 3-го березниковских рудников. // В кн. Технология и безопасность горных работ в калийных рудниках. -Пермь, ППИ, -1985.-С. 104-108 (Соавторы: Полянина Г.Д., Падерин Ю.Н.).

15. A.C. 1219826 (СССР). Способ проведения горных выработок по пластам калийных месторождений, опасным по динамическим явлениям, с пластичными горными породами в непосредственной кровле или почве пласта/ опуб. 23.03.86, Б.И. № 11,1986 (Соавторы: Медведев И.И., Папулов JI.M., Падерин Ю.К. и др.).

16. A.C. 1265318 (СССР). Проходческий комбайн/ опуб. 23.10.86, Б.И. № 39, 1986 (Соавторы: Алыменко Н.И., ЖулановИ.Г. и др.).

17. Определение напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг выработки с разгрузочной щелью. // В кн. Разработка соляных месторождений. -Пермь, ППИ, -¡986.- С. 129-132 (Соавторы: Столбов В.Ю., Коротких В.Л., Падерин Ю.Н.).

18. Определение напряженно-деформированного состояния глино-соляной кровли одиночной выработки // В кн. Совершенствование разработки калийных месторождений,- Пермь, ППИ, -1987.- С. 128-132 (Соавторы: Коротких В.А., Падерин Ю.Н.).

19. Методы прогноза и предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках.- Алма-Лта: Наука, 1987, 175 с (Соавторы: Долгов П.В., Полянина Г.Д., Земсков А.Н. и др.).

20. A.C. 1484949 (СССР). Способ разработки пластовых месторождений полезных ископаемых /опуб. 07.06 89. Б.И. № 21,1989 (Соавтор Полетаев И.Г.).

21. Об устойчивости подготовительных выработок пласта Четвертого в условиях шахты "Северная" ПО "Воркутауголь": Тезисы докладов Ш Коми Республиканского семинара "Современные методы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера".-Сыктывкар, 1989,-С 95-96.

22. К вопросу оценки напряженного состояния удароопасных угольных пластов методом сейсмического просвечивания на каналовых волнах: Материалы 5 Всесоюзного семинара "Горная геофизика".- Тбилиси, 1989,-С. 128-135 (Соавторы: Коршунов Г.И., Меньшиков J1.A., Митропольский Е.М. и ДР-)

23. Определение усилий в слоистой почве подготовительных горных выработок // В межвузовском сб. научных трудов- Устойчивость выработок в сложных условиях.-Jl.: ЛГИ. -1990. -С. 72-77 (Соавтор Пихконен Л.В.).

24. Расчет вторичных осадок пород основной кровли в лавах пологих угольных пластов,- Горный журнал. Изв. вузов, 1991.- № П.- с. 38-41 (Соавторы: Метеяев А.Н., Пихконен Л.В.).

25. К методике определения смещения пород в участковых выемочных выработках//Уголь,- 1991.-№5.-С.55-57 (Соавторы: Павлов B.C., Загора А.К.).

26. Оценка напряженного состояния удароопасных пластов с помощью скважинных деформометров // В кн. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного массива шахт и рудников.- Новосибирск,- ИГД СО AK СССР.-1991.-С 176-179 (Соавтор Меньшиков Л.А.).

27. A.C. 1735583 (СССР). Способ охраны повторно используемых подготовительных выработок при разработке угольных пластов // опубл. Б.И. № 19.-1992 (Соавтор Пихконен Л.В.).

28. О механизме внезапных разрушений и поднятий почвы в подготовительных выработках ПО "Воркутауголь"// Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. докладов международного симпозиума. Пермь, 1995. С.-159-160.

29. Повышение устойчивости участковых выемочных выработок угольных шахт с номощыо взрывощелевой разгрузки // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах

градопромышленных агломераций: Тез. докладов международного симпозиума. Пермь, 1995. С.-157-158.

30. Мониторинг горного массива с помощью деформометров // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. докладов международного симпозиума. Пермь, 1995. С.-158-159.

31. Особенности газовыделений в учасковые подготовительные выработки Печорского бассейна II Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. докладов международного симпозиума. Пермь, 1995. С.-159.

32. Устойчивость повторно используемых подготовительных выработок на шахтах Печорского бассейна II Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. докладов международного симпозиума. Пермь, 1995. С.-155-156 (Соавтор: Акоева И.Л.).

33. Экспериментальная проверка влияния длины зависающей консоли на устойчивость подготовительных выработок, сохраняемых для повторного использования // Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез. докладов межгосударственной научно-технической конференции.-Магнитогорск, 1995.-С.-92-94.

34. Устойчивость выемочных выработокна шахтах ПО "Воркутауголь"// Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез. докладов межгосударственной научно-технической конференции.- Магнитогорск, 1995.-С.-88-90.

35. Состояние подготовительных выработок в объединении "Воркутауголь". Проблемы и пути решения // Уголь.- 1996.- №1.- С. 13-18.

36. Оценка литологического состава пород почвы угольного пласта в подготовительной выработке методом преломленных волн //Уголь.- 1996.- №1,-с.63-65. (Соавторы: Митропольский Е.М., Меньшиков Л.А.).

37. Состояние подготовительных выработок в объединении "Воркутауголь". Проблемы и пути решения. Статья вторая // Уголь.- 1996.- №2.-С.20-22.

Оригинал-макет изготовлен лабораторией ВТ филиала С-ПГГИ в г. Воркуте. Отпечатано отделом множительной техники филиала С-ПГГИ в г. Воркуте. Заказ № 25 от 07.05.96 г. Тираж 90 экз.