Особенности напряжённо-деформированного состояния массива пород вокруг очистных выработок

Для обеспечения безопасности работы непосредственно в призабойной  зоне применяют лёгкие виды крепи  – деревянные или металлические  стойки, штанговую крепь и др.

Для того чтобы уменьшить расход деревянной крепи используют специальную сетку для крепления пород кровли (рис.4.6).

 

 

Рис. 4.6. Полимерная сетка в транспортном положении перед спуском в шахту (шахта «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

 

 

 

 

 

Сетка пластичная, не имеет острых травмоопасных кромок, прочная и легкая в применении. Способ закладки кровли полностью механизирован. Для того чтобы избежать геологических осложнений, обезопасить и ускорить процесс извлечения секций крепи применяют систему укрепления кровли — сетку с уникальными свойствами HUESKER (сетка тканная, на текстильной основе, покрытая полимерным негорючим составом с усилием на разрыв 700 кН).

В Австралии установлено  таких систем около 400. Первые сетки  в России появились на шахте «Распадская», затем на предприятиях ОАО «СУЭК-Кузбасс» и ОАО ХК «СДС-Уголь».

Крепление сетки осуществляется высокопроизводительными анкерустановщиками RАМВОR; НYDROMATIK с использованием полимерных смол.

 

Применение полного  обрушения кровли наиболее эффективно на тонких и средней мощности пластах пологого и наклонного падения при породах I, II и III классов (табл. 4.1) когда обрушающиеся породы создают надежную породную подушку, предотвращающую вредные последствия вторичной осадки.

Также эффективно полное обрушение с перепуском обрушенных пород с вышележащего горизонта на нижележащий при разработке крутых пластов и рудных тел средней мощности. Здесь этот способ является основным способом управления горным давлением.

Способ частичного обрушения кровли менее эффективен, чем полного обрушения, и потому его применяют в настоящее время редко. При этом способе управления горным давлением обрушение непосредственной кровли производят между бутовыми полосами, возводимыми в выработанном пространстве параллельно простиранию пласта. Обрушаемая толща в этих условиях имеет меньшую высоту, чем при полном обрушении, и не обеспечивает полного подбучивания основной кровли.

Частичная закладка выработанного пространства является эффективным способом управления горным давлением в условиях резкого изменения мощности пласта, очень слабой почвы, весьма прочных или, наоборот, весьма слабых пород непосредственной кровли, т. е. преимущественно в условиях, когда процесс обрушения является труднорегулируемым. Это достигают путем возведения бутовых полос по простиранию пласта.

При разработке пластов  мощностью до 1 м и тонких жил, в непосредственной кровле которых  залегают породы, обладающие способностью прогибаться без видимых нарушений  сплошности или с частичными местными растрескиваниями (IV класс по табл. 15.1), целесообразно управлять горным давлением способом плавного опускания (особенно, если почва пласта склонна к пучению) Это один из наиболее простых и экономичных способов

К числу самых дорогостоящих  способов управления горным давлением  относится в настоящее время полная закладка выработанного пространства. Поэтому данный способ применяют в тех случаях, когда другие способы не обеспечивают безопасности работ, технически неосуществимы или не отвечают дополнительным требованиям, предъявляемым к горным работам в рассматриваемых конкретных условиях. Такие требования могут возникнуть при послойной отработке пластов и рудных тел, при отработке мощных сближенных пластов или рудных тел в восходящем порядке, при необходимости сохранить вышележащие горные выработки или ответственные сооружения, расположенные на земной поверхности, и в других случаях.

В частности, целесообразно  отрабатывать с полной закладкой  выработанного пространства мощные крутопадающие пласты угля, склонного  к самовозгоранию. При этом для  исключения перепуска с верхних горизонтов материала закладки - сыпучих пород, глин, пород из участков потушенных и действующих пожаров между горизонтами, следует оставлять надежные целики или возводить специальные полосы из упрочненной закладки.

Способ закладки выработанного пространства (с учетом степени усадки закладочного материала) выбирают в зависимости от конкретных условий и поставленных задач. Иногда бывает достаточным удержать породы непосредственной и основной кровли от обрушения, а иногда нельзя допустить даже прогиба пород свыше определенного (нередко весьма малого) значения.

В условиях разработки маломощных угольных пластов крутого падения  значительное распространение получил  способ удержания призабойного пространства на кострах. При этом способе управления горным давлением в условиях пластичных пород преобладают явления плавного опускания кровли, а в условиях прочных пород — процессы обрушения.

Деревянные костры в угольной промышленности повсеместно используются в основном в качестве элемента, дополняющего крепь выработок в местах повышенного давления горного массива. Однако эффекты, полученные при применении традиционных костров, выполненных обычно из использованных железнодорожных шпал или другого низкокачественного сырья, оставляют желать лучшего — такие костры характеризуются высокой сжимаемостью уже при относительно небольших нагрузках, а кубатура занятого пространства и масса используемого материала несоразмерны с полученными результатами.

Эти наблюдения послужили основой  для разработки компанией «Strata Products» (США) системы деревянных крепей нового поколения, к которым, в частности, принадлежит система деревянной костровой крепи LINK-IN-LOCK. Благодаря соответствующей форме элементов, из которых построена костровая крепь, передача давления происходит на всей их поверхности, а, следовательно, на удержание перекрытия работает 100% используемой древесины (рис. 4.7).

 

Рис. 4.7. Система деревянной костровой крепи LINK-IN-LOCK

 

 

 

 

Плотный контакт элементов  и оригинальный механизм заклинивания отдельных слоев обеспечивают значительную стабильность костра, несмотря на его тонкость, обеспечивают устойчивость к горизонтальному смещению и благоприятно влияют на характеристики установочной сопротивляемости крепи.

Элементы деревянной крепи LINK-IN-LOCK выполняются из твердой древесины (обычно бук) в виде элементов стандартных размеров.

 

(Пневмобаллонная крепь).

 

Вообще говоря, все параметры элементов любой  системы разработки взаимосвязаны и взаимообусловлены, они образуют единую «связку» в массиве горных пород. Поэтому для обоснованного определения их оптимальных параметров в общем случае необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние всей «связки» элементов.

Наилучшим способом исследования «связок» являются аналитические методы и методы математического моделирования. При этом возможна оценка как состояния всей «связки» в целом, так и отдельных её элементов, практически, с любой степенью детальности.

Однако в практике горных работ весьма часто возникают  потребности оценить состояние  и выбрать оптимальные параметры каких-либо локальных элементов, не прибегая к исследованию всей указанной цепочки. Для подобных случаев весьма широко применяется подход, когда в каждом конкретном случае стремятся выявить наиболее слабое звено—лимитирующий элемент, устойчивое состояние которого предопределяет состояние всех остальных звеньев, и, исходя из параметров этого элемента, устанавливают остальные параметры элементов всей системы разработки.

Часто подобными лимитирующими  элементами является кровля камер, во многих случаях лимитирующими элементами будут целики, реже — почва выработок. Лимитирующим элементом может быть вышележащая толща пород. Это  характерно для условий применения комбинированных систем разработки рудных тел открытым и подземным способом, а также для условий добычи легкорастворимых полезных ископаемых (например, солей) и при ведении горных работ под водоемами, когда необходимо обеспечивать устойчивость пород во избежание трещин, провалов, прорывов воды и пр. Наконец, лимитирующим элементом может являться и дневная поверхность в случаях, когда необходимо обеспечить устойчивость наземных зданий и сооружений.

 

4.5. Классификация применяемых систем  разработки месторождений твёрдых  полезных ископаемых.

Под системой разработки месторождений полезных ископаемых понимают порядок проведения во времени и в пространстве определённого комплекса подготовительных и очистных выработок, а также способ осуществления очистных работ для добычи полезного ископаемого.

Разработано более 200 различных  классификаций систем разработки, в  их основу положены различные классификационные  признаки:

• Размеры и форма месторождений (классификация проф. Крейна);
• Способ поддержания выработанного пространства (классификация проф. Н.И. Трушкова, Горного Бюро США и др.);
• Способ отбойки (единая классификация для всех твёрдых полезных ископаемых проф. Г.А. Цулукидзе);
• Состояние очистного пространства в период разработки (классификация  член-корр. АН СССР М.И. Агошкова);
• Совокупность нескольких признаков.

Однако до настоящего времени нет достаточно совершенной  классификации, вследствие весьма значительного  разнообразия геологических и горнотехнических условий месторождений полезных ископаемых и применения многочисленных вариантов для каждого конкретного случая.

Для дальнейшего изложения  нашего курса мы будем придерживаться классификации, в основу которой  положен геомеханический фактор – способ управления напряжённым состоянием массива окружающих пород.

Необходимо отметить, что классификация по такому признаку или, что, практически, одно и то же, по признаку «управление горным давлением», «управление кровлей» является наиболее распространённой и, кроме того, охватывает все твёрдые полезные ископаемые – уголь, соли и руды.

В соответствии с этой классификацией все применяемые системы разработки делятся на 3 класса (табл. 4.1):

• системы с естественным поддержанием выработанного пространства;

• системы с искусственным поддержанием выработанного пространства;.

• системы с обрушением полезного ископаемого и вмещающих пород.

В ходе дальнейшего изложения  курса рассмотрим последовательно  особенности управления геомеханическими процессами для каждого из выделенных классов систем.

 

Классификация систем подземной  разработки месторождений.

Таблица 4.1.

Класс систем	Группа систем	Распространённое наименование
I. С естественным поддержанием выработанного пространства		1. Сплошная система без оставления  целиков. 2. Сплошная система с оставлением  целиков. 2. Камерно-столбовая система 3. Камерно-целиковая система
II. С искусственным поддержанием выработанного пространства	А. С закладкой. .	1. Однослойная выемка с закладкой. 2. Горизонтальные слои с закладкой. 3. Наклонные слои с закладкой. 4. Нисходящая слоевая выемка  с твердеющей закладкой.
	Б. С магазинированием	Система с отбойкой из магазина.
	В. С креплением	1. Система с распорной крепью. 2. Системы со станковой крепью.
III. С обрушением полезного ископаемого и вмещающих пород (без поддержания выработанного пространства)	А. Этажное обрушение	1. Этажное самообрушение. 2. Этажное принудительное обрушение
	Б. Подэтажное обрушение	1. Подэтажное обрушение с донным  выпуском  2. Подэтажное обрушение с торцовым  выпуском