7.6. ВЛИЯНИЕ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

  Главная     Учебники - Горное дело     Ю. Ф. ВАСЮЧКОВ ГОРНОЕ ДЕЛО

 поиск по сайту     

 

 

 

 

содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

 

 

7.6. ВЛИЯНИЕ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

При ведении очистных работ вокруг очистной выработки образуются следующие зоны, отличающиеся напряженным состоянием: I — пригруженная краевая зона пласта, где вертикальные напряжения превышают естественные напряжения от давления вышележащих (налегающих) пород; II — зона разгрузки, где происходит разлом пород кровли, их обрушение и разрыхление; III — зона пригрузки обрушенных пород, где имеет место компенсация пониженного давления на обрушенные породы второй зоны; IV — зона восстановления напряжений в массиве с выработанным пространством примерно до естественного уровня. Кроме того, в призабойной части самого пласта возникает зона отжима и разгрузки, ширина которой, как правило, не превышает 1—2 м.

Наиболее характерной особенностью сдвижения толщи твердых слоистых пород после выемки полезного ископаемого считают их расслоение, которое происходит обычно по плоскости контакта между двумя соседними слоями. При отсутствии достаточной жесткой опоры нижний слой обрушается, а верхний зависает, образуя пролет, опорами которого служат пласт, крепь и обрушенные породы. В результате в кровле образуется полость расслоения. Явление расслоения характерно для пород, у которых предел прочности на разрыв по контакту между слоями меньше действующих в них напряжений. У некоторых аргиллитов средний предел прочности на разрыв по контакту между слоями составляет 0,004—0,006 МПа, у алевролитов — 0,02—0,05 МПа. У песчаников предел прочности сцепления с углистыми прослойками может достигать 0,27 МПа.

Там, где силы связи по контактным поверхностям достаточно велики, расслоений не происходит и слои пород изгибаются как единая плита. Если плита имеет достаточно жесткую опору над угольным пластом и менее жесткую опору или вообще отсутствие ее в выработанном пространстве, то появляется кон-сольна я плита с одной опорой, которая вследствие неравномерности деформаций может обломиться. В этом случае обрушение пород кровли происходит плитами. Размеры плит в плоскости напластования могут составлять от единиц до нескольких десятков метров. По мощности плиты имеют размеры

от нескольких сантиметров до нескольких метров. Так, аргиллиты и алевролиты расслаиваются на плиты мощностью от 0,05 до 1,2 м и более. Плиты песчаников могут достигать мощности 7—8 м.

Неустойчивые и нарушенные породы кровли обрушаются мелкими кусками. Образовавшиеся при этом в кровле полости приобретают форму, близкую к своду. Высота свода колеблется от долей до нескольких метров.

Вслед за подвиганием очистного забоя в выработанном пространстве при наличии непосредственной кровли происходят ее деформации и обрушения. При обрушении объем породы увеличивается за счет ее разрыхления, которое оценивают коэффициентом разрыхления, который представляет отношение объема обрушенной породы к объему той породы в массиве.

Если обрушенные породы непосредственной кровли на каком-либо участке занимают объем, равный сумме объемов вынутого угля и обрушенной кровли, то нависающие породы основной кровли получают в выработанном пространстве опору из обрушенных пород. Последние воспринимают давление нависающего массива и уплотняются. Когда уплотнение сопровождается сцеплением отдельных кусков, то имеет место слеживание обрушенных пород. В результате уплотнения коэффициент разрыхления пород уменьшается. По окончании уплотнения коэффициент разрыхления принимает достаточно стабильное значение и его называют остаточным коэффициентом разрыхления. Значения коэффициентов разрыхления для некоторых пород приведены в -табл. 7.9.

 

Таблица 7.9

Порода

Коэффициент разрыхления обрушенной породы

начальный

остаточный

Песок

1,05—1,15

1,01—1,03

Глинистый сланец

1,4

1,1

Песчанистый сланец

1,6—1,8

1,1—1,15

Песчаник крепкий

1,5—1,8

Уголь мягкий

1,2

1,05

 

 

По А. А. Борисову в обрушении непосредственной кровли можно выделить следующие два периода: первый — от начала выемки угля в разрезной печи (монтажной камере) до первого обрушения непосредственной кровли; второй — установившегося периодического обрушения пород после первого обрушения. Пролет обрушения при установившейся скорости подвигания очистного забоя называют шагом обрушения непосредственной кровли. Необрушенные слои непосредственной кровли до первого обрушения деформируются как плиты, заделанные в массив по своему контуру, а в процессе установившегося обрушения — как консольные плиты Они полностью теряют свою несущую способность при напряжениях в массиве со стороны опоры 80 % и более от предела прочности пород на сжатие.

При отсутствии непосредственной кровли основная кровля в процессе выемки полезного ископаемого может разрушаться или прогибаться.

Деформация пород основной кровли во многих случаях подобна поведению нагруженных тонких плит. В состоянии основной кровли выделяют две стадии — деформирование и разрушение, сопровождающееся обрушением. Эти стадии характерны для всего периода работы очистного забоя — от разрезной печи до окончания отработки выемочного поля. В поведении основной кровли также выделяют два периода: первый — после отхода забоя от разрезной печи до первого обрушения основной кровли и второй — установившегося обрушения после первого обрушения. Пролет первого обрушения основной кровли в направлении подвигания очистного забоя называют шагом первичного обрушения основной кровли. Для трещиноватых пород шаг первичного обрушения составляет 20—30 м, для нетрещиноватых монолитных пород — 40—100 м.

После первого обрушения основной кровли при более или менее стабильном подвигании очистного забоя происходят регулярные обрушения основной кровли. Пролеты этих обрушений близки по размерам и составляют 15—30 м. Они называются
шагом обрушения основной кровли. При отсутствии геологических нарушений шаг обрушения более или менее постоянен для участков пласта, расположенных на одном горизонте.

Обрушение пород кровли сопровождается образованием трех характерных зон в налегающих породах: интенсивного разрушения и обрушения на высоту, как правило, не превышающую

4—5-кратной мощности разрабатываемого пласта (в отдельных случаях до 12-кратной мощности); образования и раскрытия трещин на высоту примерно равной 20—30-кратной мощности разрабатываемого пласта; деформаций (смещений) и изгиба пород на высоту вплоть до земной поверхности. Так, при обработке мощных и средней мощности пластов длинными очистными забоями даже на глубине 800 м и более отмечены случаи выхода зоны смещений и расслоения пород на земную поверхность.

В тех случаях, когда при подвигании очистного забоя прогиб основной кровли становится больше прогиба непосредственной кровли и основная кровля разламывается в массиве впереди забоя, то непосредственная кровля резко опускается как в рабочем, так и в выработанном пространстве. Это явление называют вторичной осадкой кровли. Вторичные осадки тем интенсивней, чем меньше мощность непосредственной кровли по отношению к мощности пласта.

Разработка тонких и весьма тонких пластов может сопровождаться плавным опусканием пород кровли на почву пласта. Оно наблюдается в тех случаях, когда изгиб слоев пород кровли не превышает допустимых деформаций, а также при интенсивном подъеме пород почвы пласта — пучении.

Важное значение при разработке пластовых месторождений имеет опорное давление, которое создается давлением покрывающих пород и действием дополнительных напряжений в массиве, возникающих при выемке полезного ископаемого. На рис. 7.19 показаны зоны опорного давления, образующиеся при разработке пологого пласта. В области I проявления опорного давления носят ударный, динамический характер, в области II — более стабильный и статический характер. Считают, что размер зоны опорного давления впереди очистного забоя в зависимости от свойств вмещающих пород, способа управления кровлей, строения угленосной толщи и других факторов может достигать 200 м и более, но не может быть меньше 20 м. Расстояние в пласте от забоя до максимума опорного давления колеблется от 0 до 15 м. Ширина боковых зон опорного давления, как правило, не превышает 20 м,

Выемка угля сопровождается изменением напряженного состояния не только пород кровли, но и почвы. Впереди очистного забоя наблюдается максимум пригрузок в породах почвы
 

 

вследствие проявления опорного давления. В 10—15 м позади очистного забоя пригрузки уменьшаются до нуля, породы почвы испытывают разгрузку и изгибаются в сторону выработанного пространства.

Разница нормальных сжимающих и растягивающих напряжений в разгруженных породах может достигать 30—80 МПа, что способствует образованию в них трещин.

Если в почве разрабатываемого пласта залегают глинистые или песчанистые сланцы, мягкие аргиллиты и глинистые прослои, то почва может интенсивно вспучиваться.

Разгрузка пород почвы завершается в 20—60 м позади забоя.

С удалением от пласта в почву размеры зоны разгрузки по площади убывают. Влияние зоны разгрузки в почве пласта сказывается на расстоянии от пласта 30—100 м.

Выемка полезного ископаемого оказывает влияние не только на вмещающие породы, но и на смежные угольные пласты. Подработкой пласта называют ведение очистных работ на нижележащем пласте с образованием зон разгрузки на вышележащем пласте, надработкой — ведение очистных работ на вышележащем пласте с образованием тех же зон на нижележащем пласте. Пласт, на котором ведут очистные работы, называют разрабатываемым (подрабатывающим или надрабатывающим), соответственно вышележащий пласт — подрабатываемым и нижележащий — надрабатываемым. Подработку и надработку, уменьшающих напряженное состояние пласта, часто используют при разработке пластов, опасных по внезапным выбросам или склонным к горным ударам. В этих случаях подрабатывающий и надрабатывающий пласты носят название защитных.