Канд. техн. наук Н. Н. НИКОЛАЕНКО, инж. М. А. БАЙКЕНЖИН, Р. И. ЗАГУРСКАЯ (Карагандинский политехнический институт)
Углубление горных работ на шахтах Карагандинского бассейна до 500—600м вызвало необходимость изыскания эффективных средств борьбы с пучением пород почвы капитальных и подготовительных выработок, поскольку величина и интенсивность пучения резко возросли.
В результате значительное количество выработок оказалось непригодным для нормальной эксплуатации, что привело к значительным затратам, главным образом, трудовых ресурсов на подрывку породы. Как показали исследования, в Карагандинском бассейне пучат все разновидности пород, причем наиболее склонен к пучению аргиллит, менее – песчаник. Отмечается усиление пучения с увеличением мощности слабой породы. Например, при повышении мощности аргиллита до 5 м пучение возрастает от 0,2 до 1 ... 2 м в год, дальнейшее увеличение мощности не влияет на величину пучения. Одним из основных факторов, определяющих интенсивность пучения пород, является влияние очистных работ на напряженно-деформированное состояние породного массива, окружающего выработки. На основании исследований, проведенных в 1983—1986 годах, можно сделать следующие выводы.
Надработка и подработка выработок увеличивает пучение почти в два раза (до 1,0... 1,8 м в год), иногда выработка бывает полностью задавлена через 1—3 месяца после прохождения опорного давления, причем пучение интенсивно проявляется даже в песчаниках. В пластовых выработках пучение начинается через 2—3 месяца после проведения выработки, а через 1—2 года выработка может быть полностью «задута». В случае влияния на выработку активного горного давления (влияние очистного забоя) пучение усиливается и впереди лавы за 60 ... 70 м достигает 0,6 ... 0,8 м в месяц. Установлено, что с глубины 100 м до 500 м пучение усиливается от 0,2 до 1 ... 2 м в год с интенсивным нарастанием, а с глубины 500 м и более нарастание проходит с меньшей интенсивностью. На напряженное состояние породного массива оказывает некоторое влияние также вид применяемой в выработке крепи. Податливая крепь позволяет частично разгрузить природные и наведенные напряжения (дополнительные напряжения, появившиеся в породном массиве в связи с деятельностью человека). Наблюдениями установлено, что применение жесткой крепи повышает интенсивность пучения в 1,6... 1,7 раза, по сравнению с податливой поддерживающей крепью, и проявлялось оно в 1,8 ... 2,0 раза дольше. Способ проходки существенного влияния на устойчивость почвы не оказывает. При буровзрывном способе проведения выработки происходит несколько более интенсивная разгрузка породного массива и на расстоянии 60... 70 м от забоя приконтурный породный массив приходит в состояние устойчивого равновесия. При проведении аналогичной выработки комбайном разгрузка проходит более медленно и уравновешивается на расстоянии 90... 100 м. При этом пучение не превышает 10 ... 15 мм.
Обводненность выработки или повышение влажности породы отрицательно влияет на устойчивость почвы. Установлено, что влажность проникает в глубь породного массива на 40... 50 см в аргиллитах и на 50 ... 60 см в песчаниках, при этом напряжения в массиве снижаются на 5—8%, но происходит физическое и химическое разрушение пород. Легкая размокаемость аргиллитов в почве угольных пластов обусловливает их склонность к пучению: величина пучения в сухой выработке 0,2 м/год, в обводненной пучение возросло в 2,5 раза. При увлажнении пород наблюдается их размокание, набухание, возникают гидростатические и гидродинамические явления, что снижает прочность пород, увеличивает их деформационную способность и объем.
Современные средства борьбы с пучением почвы горных выработок основываются на двух основных принципах: создание сопротивления движению вспучивающихся пород, применение способов охраны, направленных на управление проявлениями горного давления. Для осуществления первого из них используют крепи различных конструкций, в том числе замкнутого очертания и жесткие анкеры для закрепления пород почвы. Применение жестких анкеров для укрепления почвы горных выработок не получило широкого распространения. Положительный эффект от ее использования был получен только при сравнительно благоприятных горно-геологических условиях (при устойчивых породах небольшой мощности и наличии прочных пород основной почвы, в которых можно закрепить замки анкеров). В большинстве случаев эффективность применения жестких анкеров выражалась в уменьшении интенсивности пучения на 5—8 %. т. е. абсолютная величина пучения практически не снижалась, а наличие анкеров вызывало дополнительные трудности при проведении работ по подрывке. Использование замкнутых крепей замедляет темпы проходки выработки, не всегда обеспечивает устойчивость почвы и вызывает необходимость дополнительных (25—30%) материальных и трудовых ресурсов как на крепление, так и на ремонт.
Существующие способы борьбы с пучением, направленные на управление проявлениями горного давления, дают незначительный положительный эффект и имеют существенные недостатки. Взрывание камуфлетных зарядов в почве выработки, снижая напряжения породной толщи почвы выработки, первоначально уменьшает пучение почвы, однако в дальнейшем оно возрастает и достигает 80 % абсолютных величин аналогичной выработки. Разрыхление почвы выработок в углях, кроме того, вызывает негативное явление — погружение стоек выработки в почву под действием вертикальной нагрузки на поддерживающую раму, что практически эквивалентно пучению почвы. Нагнетание в камуфлетные полости упрочняющих растворов дает положительные результаты, однако при этом требуются значительные затраты материальных и трудовых ресурсов, а упрочненная порода разрушается с образованием систем новых трещин, т. к. скрепляемая порода выполняет функции слабого наполнителя.
Опыт применения скважинной разгрузки показывает, что можно ожидать уменьшения пучения на 20—40 %. Однако работы по бурению скважин являются трудо- и энергоемкими и данный способ можно применять лишь при наличии в боках выработки угля или пропластков слабых пород. Прорезание породной толщи боков выработки щелями способствует снижению вокруг выработки действующих напряжений, что уменьшает интенсивность пучения, но при этом наблюдается значительное опускание пород кровли, т. е. потеря сечения выработки. Щелевая разгрузка почвы посредством прорезания одной или нескольких параллельных щелей позволяет снизить абсолютную величину пучения почвы лишь на 10—15%. Это не окупает затраты, вложенные в создание щелей. Щели, пройденные в углах почвы выработки или на расстоянии ближе 0,5 ... 0,4 м от стоек выработки, являются причиной опускания стоек рамной поддерживающей крепи в почву выработки, т. е. потери сечения выработки. Удаление почвенных щелей на большее расстояние (l > 0,5 м) от боков выработки приводит к образованию блока очень большой длины, имеющего не менее трех поверхностей обнажения, что способствует интенсификации процессов физического и химического разрушения пород, их размоканию и набуханию.
Таким образом, известные способы борьбы с пучением пород применимы в узких пределах горнотехнических и горно-геологических условий и если и решают задачу разгрузки породного массива, то одновременно стимулируют разрушение пород непосредственной почвы. Чаще всего они технически сложны в практическом применении и в конечном результате не оправдывают вложенных в них средств. Значительного эффекта можно ожидать только при комплексном решении вопроса предотвращения пучения почвы выработок, что включает борьбу с обводненностью выработки и меры по снижению влажности воздуха и породного контура выработки, а также управление напряженным состоянием породного массива почвы на протяжении всего срока службы выработки. С целью управления напряженным состоянием массива в почве выработки были установлены податливые анкеры с сетчатым покрытием и без него. Конструкция анкеров предусматривала срабатывание элемента податливости при достижении нагрузки на опорной плите определенного критического значения, при этом замок анкера, закрепленный в достаточно прочных породах, оставался неподвижным. Узел податливости может быть выполнен с любой требуемой податливостью. Естественно, несущая способность названного узла не должна превышать прочности закрепления замка. По исчерпании податливости анкер работает в жестком режиме. Испытания проводились в конвейерном бремсберге, пройденном по пласту К10. Сечение выработки 10,3 м2. Анкеры устанавливались по три в ряд, расстояние между рядами 1,0 м. Замки анкеров были закреплены в аргиллите с усилием 40 кН. Несущая способность узла податливости 30 кН. Сетчатое покрытие снижало разрушение породы и перераспределяло нагрузку между анкерами. После прохождения очистного забоя, надрабатывавшего закрепленную выработку, максимальное пучение почвы составило 0,13 м. На участке той же выработки, не закрепленном анкерной крепью, оно достигало 0,64 м. На контрольном участке, закрепленном жесткими анкерами по аналогичной сетке, пучение в конечном итоге 0,53 м.
Необходимо отметить, что на участках, имеющих понижение, где возможно постоянное скопление большого количества воды, не следует применять металлические анкеры с замками распорного типа. Опыт показывает, что вода, попадая в шпуры, пробуренные для установки анкеров, размягчает породу на контакте с замками крепи, в результате чего она теряет несущую способность. В условиях значительной обводненности целесообразно применять анкеры, закрепляющиеся синтетическими смолами с использованием тех же узлов податливости, поскольку в этом случае доступ воды в шпур будет практически невозможен.