И.Л. Черняк, д-р техн. наук, В.К. Разин, инж.
С ростом глубины разработки угольных пластов интенсифицируется пучение почвы подготовительных выработок. Пучение особенно велико, когда выработка испытывает влияние опорного давления в нескольких зонах, что имеет место при повторном использовании. Вне зоны влияния очистных работ пучение почвы, представленной глинистыми и песчанистыми сланцами, происходит в результате упруго-вязко-пластического деформирования и увеличения объема пород при разрушении. Это вызывает образование в почве зон неупругих деформаций и разрушения, размеры которых возрастают во времени и приводят к пучению пород почвы до 500 мм и более. Зона разрушенных пород в почвы выработки может достигать 5 – 6 м, а коэффициент расширения пород 1,06 – 1,1. Со временем скорости смещений пород почвы уменьшаются либо пучение прекращается. В зоне влияния опорного давления лавы пучение интенсифицируется. Максимальные скорости смещений кровли и почвы наблюдаются на некотором (от 5 до 30 м) расстоянии позади лавы, после чего они уменьшаются. В этой зоне смещения почвы достигают значительных величин (более 1000 мм), требующих подрывки почвы, коэффициенты расширения пород почвы 1,1 – 1,15, а зона разрушенных пород – 10 м.
Предлагается способ предотвращения пучения почвы в подготовительных выработках. Порода, заполняющая площадь сечения выработки в процессе пучения, извлекается погрузочной машиной во время проведения выработки. При этом происходит мгновенное расширение пород с помощью взрывных работ. Разрушенная почва и массив пород, окружающие выработку, разгружаются от напряжения. Для предотвращения пучения разрушенных пород а выработку на почву укладываются лежни и устанавливаются гидравлические стойки сопротивлением 20 – 40 тс на 1 м выработки. Разрушенные породы почвы в данном случае играют роль демпфера. Все работы по взрыванию производятся одновременно с проведением выработки и представляют собой единый технологический процесс.
Апробирование способа проводилось на шахте «Лесная» объединения Торезантрацит в 14-м восточном откаточном штреке пласта h8 на глубине более 750 м. Пласт имеет мощность 1,32 м и угол падения 15 – 200; кровля его – песчанистый сланец мощностью 19 м и крепостью около 6, переходящий в глинистый сланец мощностью 7 м. Почва пласта представлена песчанистым сланцем мощностью 4 – 5 м, ниже которого залегают пласт угля мощностью 0,2 – 0,35 м, песчаник 0,9 м , песчаный сланец 4,5 м и песчаник 3 м. Выработка площадью поперечного сечения всвету 10,4 м2 проводится буровзрывным способом с верхней и нижней подрывкой породы. Крепь выработки арочная, трехзвенная АП-11,2. расстояние между рамами 1м. Выработка охраняется целиком угля шириной 30 м. длина столба 2 км.
Наблюдения за пучением почвы и в 14-м восточном откаточном штреке проводилось одновременно на двух участках: контрольном и опытном, где был апробирован опыт. На контрольном участке наблюдения проводились с помощью контурных и глубинных реперных станций, установленных вслед за подвиганием выработки в 3 м от забоя со стороны массива угля, по оси выработки и со стороны целика угля. Выявлено, что интенсивное смещение почвы имело место на участке длиной 50 м. Смещения почвы в 125 м от забоя по оси выработки составили 114 мм, со стороны целика – 146 мм и со стороны массива угля – 64 мм.
Увеличение скорости смещений было отмечено в 32 м от лавы. Смещения контура почвы на сопряжении с лавой составили 377 мм. На сопряжении с лавой смещения распространялись в глубь массива на 4 м, причем смещения контура на 69% были обусловлены расширением двухметрового слоя. Метровый слой расширился на 167 мм и коэффициент его расширения составил 1,167. Затухание скорости смещений наблюдается в 29 м позади лавы, смещения контура достигли 685 мм, а деформация пород распространилась более чем на 8 м в глубь массива. Смещения вследствие расширения соответственно двух- и четырехметрового слоев составили 255 и 450 мм при коэффициентах расширения слоев 1,122 и 1,112. На сопряжении с очистным забоем смещения почвы со стороны целика составили 536 мм, по оси выработки 377 мм и со стороны массива 257 мм. В 46 м позади очистного забоя эти смещения достигли соответственно 813, 711, 633 мм.
Наблюдения показали, что при залегании в кровле крупнослоистого песчанистого сланца крепостью 6 зона разрушения пород у контура выработки имеет небольшие размеры (1 – 2 м), а смещения в основном являются следствием деформаций упругости и ползучести. Таким образом, большинство смещений почвы подготовительной выработки происходит из-за расширения пород в зоне примыкающей к контуру.
Для предотвращения выдавливания разрушенных пород и их сжатия в процессе деформирования в зоне опорного давления впереди очистного забоя возводилась усиливающая крепь из гидравлических стоек ГСК-17. Стойки устанавливались под арку и на опорную плиту со стороны почвы в 30 – 35 м впереди очистного забоя и снимались в 30 – 35 м позади него.
Чтобы определить параметры буровзрывных работ, бурение шпуров в почву осуществлялось под различными углами (25, 30,45,650). При этом чем меньше углы наклона шпура, тем меньше глубина зоны разрушения порол. Для углов наклона 25 – 300 глубина зоны разрушенных пород составляла 1 м, длина экспериментального участка с таким параметрами буровзрывных работ – 8 м. На втором участке шпуры бурились под углами 45 – 650 и глубина зоны разрушенных пород равнялась 1,8 м . На экспериментальном участке, где шпуры располагались под углами 25 – 300, наиболее интенсивный рост смещений наблюдался позади лавы на участке длиной около 30 м. Здесь смещения со стороны целика составили 127 мм, по оси выработки 107 и со стороны массива 92мм. В дальнейшем смещения почвы практически прекратились.
На втором экспериментальном участке в 20 м позади лавы при глубине шпуров 1,8 м смещения практически прекратились, со стороны целика на расстоянии 80 м позади лавы они составили 123 мм, по оси выработки – 116 и со стороны массива – 111мм. Дальнейшее увеличение глубины зоны искусственного разрушения не привело к снижению смешений почвы. Для проведения последующих экспериментов был принят паспорт БВР. На экспериментальном участке (50 м) в 180 м от лавы была сооружена глубинная реперная станция.
Наблюдениями установлено, что смещения почвы на сопряжении с лавой достигли 109 мм, в 42 м позади ее – 126 мм, коэффициент расширения пород четырехметровой толщи соответственно 1,045 и 1,012. Уменьшение коэффициента расширения пород позади очистного забоя является следствием роста сопротивления гидравлических стоек до номинального. Сравнение смещений на экспериментальном и контрольном участках показало, что на сопряжении лавы со штреком и в 40 м позади нее смещения были уменьшены соответственно в 3,4 и 5,6 раза. Разгрузка почвы буровзрывным способом и применение усиливающих крепей из гидравлических стоек уменьшают не только коэффициент расширения пород, но и размер зоны неупругих деформаций.
Таким образом, разгрузка пород почвы буровзрывным способом с последующим применением усиливающих крепей является эффективным способом снижения пучения почвы подготовительных выработок, экономический эффект от внедрения которого составляет 30 – 35 руб. на 1 м выработки.
Область применения: данный способ приемлем в основном для пород антрацитовых пластов (породы высокой степени метаморфизации и малоразмокаемы) и может быть использован в выработках, проводимых вне зоны влияния очистных работ, или в выработках, проходимых за очистным забоем и впоследствии поддерживаемых усиливающей крепью в зонах опорного давления. Способ проведения выработок буровзрывной; площадь поперечного сечения любая; крепь выработок арочная или трапециевидная, металлическая; угол наклона шпуров 45 – 650. установка усиливающих крепей производится на металлические лежни или опоры в зоне интенсивного проявления горного давления ( b=35…40 м). усиливающая крепь снимается в 30 – 40 м позади очистного забоя. Для выработок, проводимых вслед за ним, усиливающая крепь возводится сразу за породопогрузочной машиной либо скрепером и снимается на таком же расстоянии, как и в первом случае.