5.4 Горное давление в очистном забое
При подземной добыче полезного ископаемого в толще горных пород образуются пустоты (выработанное пространство) иногда весьма значительных размеров. Выработки, в которых производится выемка полезного ископаемого, называются очистными. Для обеспечения устойчивости очистных выработок, а в отдельных случаях и для защиты земной поверхности от образования провалов и трещин, в выработанном пространстве иногда оставляют участки полезного ископаемого (опорные целики) или же ведут очистные работы с закладкой или обрушением вмещающих пород. Опорные целики предназначены для удержания вышерасположенных пород от обрушения, а земной поверхности от опускания. При разработке месторождения с закладкой выработанное пространство заполняют пустыми породами (закладочным материалом); если разработка ведется с обрушением, то породы кровли над выработанным пространством не удерживают ни целиками, ни закладочным массивом, и они обрушаются, заполняя выработанное пространство и воспринимая на себя давление вышележащих пород. Указанные мероприятия — оставление целиков, закладка выработанного пространства и обрушение пород кровли направлены на защиту горных выработок от воздействия на них так называемого горного давления.
Горное давление — это напряжения, возникающие в массиве горных пород, окружающих горную выработку. Проявляется оно в деформациях и разрушении крепи, опускании и обрушении пород, окружающих горную выработку, пучении почвы, раздавливании целиков, уплотнении закладочного массива и т. д. Основные причины, вызывающие горное давление, — собственный вес пород.
Факторы, влияющие на характер проявления горного давления, весьма разнообразны и могут быть разделены на две группы: геологические и горнотехнические. К первым относятся:
физико-механические свойства горных пород;
угол падения и мощность пласта;
глубина залегания полезного ископаемого;
обводненность вмещающих пород;
строение кровли, почвы и мощности слагающих их слоев и др.
Ко второй группе относятся:
размеры выработки и срок ее поддержания;
скорость подвигания забоя лавы;
способ выемки полезного ископаемого, тип и характеристика применяемой крепи;
способ управления горным давлением.
Физико-механические свойства горных пород являются главным фактором, определяющим характер проявления горного давления, их устойчивость и склонность к самообрушению.
В зависимости от способности отдельных слоев породы кровли к самообрушению, а также от расположения их по отношению к угольному пласту различают ложную, непосредственную и основную кровлю. Также различают непосредственную и основную почву.
Ложной кровлей называют залегающий непосредственно над разрабатываемым пластом слой породы незначительной мощности (до 0,5—0,6 м), который легко обрушается одновременно с выемкой угля или с некоторым отставанием от нее. Состоит из углистых и слабых глинистых сланцев. Многие пласты не имеют ложной кровли.
Непосредственной кровлей называют залегающую над пластом или ложной кровлей толщу пород, которая легко обрушается, причем на небольших площадях после удаления индивидуальной или передвижения механизированной крепи очистной выработки. Представлена песчано-глинистыми и глинистыми сланцами.
Основной кровлей называют толщу крепких, устойчивых пород, залегающих над непосредственной кровлей и обрушающихся при значительной площади обнажения. Основная кровля может залегать и непосредственно над пластом угля. Представлена известняками и песчаниками, реже крепкими глинистыми сланцами.
Толщу пород, залегающую непосредственно под угольным пластом, называют непосредственной почвой. Со свойствами непосредственной почвы связаны явления пучения пород, вдавливания в нее крепи, а на крутом падении — сползание и обрушение. Толщу пород, залегающую ниже пород непосредственной почвы, называют основной почвой.
Породы кровли разделяют на четыре класса (по классификации б. ВУГИ) по их обрушаемости: в основу классификации положены характер обрушаемости и высота их обрушения.
Класс I — в непосредственной кровле залегает толща легко обрушающихся пород. Мощность этой толщи, состоящей из нескольких слоев, не меньше 6—8-кратной мощности разрабатываемого пласта.
Класс II — в непосредственной кровле залегает толща легко обрушающихся пород мощностью менее 6—8-кратной мощности разрабатываемого пласта. В основной кровле залегают труднообрушающиеся породы, которые обрушаются лишь спустя некоторое время после подвигания очистных работ и обнажения кровли на значительной площади.
Класс III — в непосредственной кровле залегает относительно мощный пласт труднообрушающихся пород. В отдельных случаях непосредственная кровля отсутствует и над пластом залегает основная кровля, допускающая обнажения на значительной площади.
Класс IV — в непосредственной кровле залегают породы, способные плавно опускаться без значительных разрывов и трещин (при мощности пласта до 0,8—1,0 м).
Горные породы в нетронутом массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. Угольный пласт на глубине Н испытывает напряжение σ = γH, где γ — средняя плотность горных пород, кг/м3; Н — глубина залегания пласта, м. В процессе выемки угля впереди забоя происходит перераспределение напряжений (рис. 5.6). При этом различают три зоны, примыкающие к забою.
В зоне 1сохраняются напряжения, характерные для нетронутого массива.Зона 2— зона опорного давления, которая характеризуется повышенным напряжением σ = kγН, где k — коэффициент концентрации напряжений (k > 1). Максимум опорного давления находится на расстоянии от трех до пяти-шести мощностей пласта от кромки пласта.
Рис. 5.6. Схема распределения опорного давления на угольный пласт впереди очистного забоя: а — в кровле пласта; б — в почве пласта
Опорное давление проявляется по всему периметру выработанного пространства (впереди и позади лавы, в верхней и нижней ее частях). Оно оказывает влияние на состояние крепи подготовительных выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, может вызвать внезапное разрушение целиков угля. Опорное давление является следствием пригрузки от нависающей консоли непосредственной и основной кровли, воспринимаемой краевой частью угольного массива.
Зона 3непосредственно примыкает к забою. В ней уголь обычно раздавлен и напряженное состояние им утрачено. Это обстоятельство способствует облегчению отбойки угля от массива соответствующими исполнительными органами выемочных машин. По мере подвигания очистного забоя волна опорного давления постоянно перемещается.
В результате извлечения полезного ископаемого в забое очистной выработки происходит обнажение кровли. Кровля под действием собственного веса и веса вышележащих пород приходит в движение. При опускании кровли происходит ее расслоение по плоскостям напластования, переходящее с течением времени в обрушение. Сначала обрушается непосредственная кровля, а затем и основная.
Для создания безопасных условий в призабойном пространстве устанавливают крепь и осуществляют комплекс мероприятий по управлению горным давлением. Крепь может удерживать кровлю от обрушений только в непосредственной близости от забоя. Здесь кровля пласта и вышележащие породы удерживаются также силами сцепления. На некотором расстоянии от забоя влияние этой связи настолько ослабевает, что обычное крепление оказывается уже недостаточным.
Давление пород со стороны выработанного пространства может восприниматься закладочным массивом или специальной крепью (рис. 5.7). Крепи различной конструкции и закладка защищают призабойное пространство от обрушений. В настоящее время для защиты призабойного пространства на пологих и наклонных пластах широко применяют механизированные крепи.
Рис. 5.7. Поддержание выработанного пространства закладкой (а), специальной стоечной крепью (б) и механизированной крепью (в)
Для объяснения поведения пород кровли в очистном забое и определения нагрузок на крепь предложены различные гипотезы горного давления: гипотеза свода М.М. Протодьяконова, гипотеза балок В.Д. Слесарева, гипотеза шарнирных блоков Г.Н. Кузнецова и др.