книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

22. Е р ж а нов	Ж. С. Теория	ползучести горных пород и ее при­
ложения. «Наука» АН Каз. ССР, Алма-Ата, 1964.
23. Е р ж а и о в	Ж- С. и др.	Аналитические вопросы механики
горных пород. Изд. «Наука», Каз.		ССР, Алма-Ата, 1969.
24. Е р о ф е е в	Л. М., Ц а й Т.	Н., М и р о ш н и к о в а Л. А. Неко­

торые результаты натурных исследований проявлений горного давле­ ния в горизонтальных капитальных горных выработках на шахтах Кузбасса. Труды КузНИИШахтостроя, вып. 4, «Недра», 1967.

25.

3 а с л а в с к и й Ю. 3 .

И ссл ед о в а н и е

п роявлений

гор н ого

д а в ­

ления

в

капитальны х

в ы р аботк ах

гл у б о к и х

ш а х т Д о н ец к о го б а ссей н а .

« Н е д р а » ,

М., 1966.

26. Изучение напряженного состояния массивов пород в инженер­

но-геологических целях. Изд. МГУ, М., 1968.

сред и ее

при­

27. К а н д а у р о в

И.

И.

Механика

зернистых

менение в строительстве. Стройиздат, М., 1966.

В.

Д.,

Н о в о с е л ь ­

28. К о л л е г о в а

Н.

А.,

Л а р и о н о в

с кий

Ю. А. Измерение

горного

давления

с

помощью

динамометри­

ческих крепей. «Шахтное строительство»,

1965, № 2.

инженерно-геоло­

29. К о л о м е н с к и й

Н.

В.

Общая

методика

гических исследований. «Недра», М., 1968.

результатов

шахтных

на­

30. К о р е н н о й

Ю. П. Использование

блюдений за деформациями подготовительных выработок для их поддержания. «Уголь», 1966, № 3.

31. К р у п е н н и к о в Г. А. Горнотехнические и механико-ста­ тистические критерии выбора аналитических методов исследования

проблем горной геомеханики. Труды ВНИМИ, сб. 76, Л., 1970.	гор­
32. Кр У п ен н и к о в Г. А. и др. Взаимодействие массивов
ных пород с крепью вертикальных выработок. «Недра», М., 1966.	гори­
33. Л е х н и ц к и й С. Г. Распределение напряжений вблизи

зонтальной выработки эллиптического сечения в трансверсально­ изотропном массиве с наклонными плоскостями изотропии. «Меха­ ника твердого тела», 1966, № 2.

34. Л и б е р м а н Ю. М. Естественное напряженное состояние мас­ сива горных пород. Сб. Вопросы прочности подземных сооружений. ВНИИСТ, вып. 12, 1962.

35.	Л и б е р м а н Ю. М. Давление на крепь капитальных выработок
Изд. «Наука», М.,		1969.
36.	Л ы с е н к о	Н. Т. Исследования деформаций горных пород в

зоне опорного давления с помощью частотных наблюдений. Труды ВНИМИ, сб; 58, Л., 1965.

37. М а к с и м о в А. П.	Выдавливание горных пород и устойчи­
вость подземных выработок.	Госгортехиздат, М., 1963.

38.Математические методы в горном деле (материалы конферен­ ции). Сиб. отд. АН СССР, Новосибирск, 1969.

39.Методические указания по упрощенным испытаниям и при­ ближенной оценке пластических свойств горных пород (применитель­ но к вопросам горной геомеханики), Л., ВНИМИ, 1968.

40.Методы и приборы для изучения горного давления. «Недра»,

1964.

41.	Р о з е н б е р г	С. Е. Стоимость поддержания	горных вырабо­
ток, закрепленных деревом. Углетехиздат, М., 1952.			взаимодействия
42.	Р у к и н В. В.,	Р у п п е и е й т К. В. Механизм

обделки напорных тоннелей с массивом горных пород. Изд.-во «Наука» М., 1969.

43. Руководство по испытаниям горных пород на боковой распор. Изд. ВНИМИ, Л., 1969.

220

44. Руководство по применению метода разгрузки для определе­ ния напряженного состояния в глубине горных массивов на породах слабой и средней прочности. Изд. ВНИМИ, Л., 1965.

45. Р у п п е н е й т	К. В. и др. Расчет сборной кольцевой крепи
подземных сооружений. Изд-во «Недра», М., 1969.
46. Р у п п е н е й т	К. В. Некоторые вопросы механики горных по­
род. Углетехиздат, М.,	1954.

47. С а в и н Г. Н. Распределение напряжений около отверстий. «Наукова думка», Киев, 1968.

48. С а ж и н В. С. Упруго-пластическое распределение напряже­ ний вокруг горных выработок различного очертания. Изд. «Наука», М., 1968.

49. Т а л о б р Ж- Механика горных пород. Госгортехиздат, М., 1966. 50. Та том ир К- П. и др. Стоимость поддержания выработок шахт Донбасса в зависимости от глубины их расположения. Труды ИГД АН

СССР, сб. 8, 1961; сб. 10, 1962.

51. Ф р идл ян д А. М. Исследование трещиноватости пород в мас­ сиве, окружающем горную выработку. «Шахтное строительство», 1965, № 5.

52. Ц ай Т. Н. и др. Исследование проявлений горного давления в системе крепь-порода методом комплексного моделирования. Труды КузНИИШахтострой, вып. III, «Недра», 1965.

53. Ши р я е в Р. А. Исследования распределения касательных на­ пряжений на контакте жесткой полосы с песчаным основанием. Тру­ ды координационных совещаний по гидротехнике. Вып. III, Госэнергоиздат, М.-Л., 1962.

54. Ш у шк о в А. М. Методика инструментальных наблюдений для определения размеров зон вредного влияния очистных работ на под­ готовительные выработки при пологом залегании пластов. Труды ВНИМИ, сб. 55, Л., 1965.

55. Э в е р л и и г Г. Исследование на моделях взаимодействия гор­ ных пород и крепи выемочных штреков. «Глюкауф», № 25, 1962.

Г л а в а VII

МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

§ 27. Характеристика особенностей, общие цели и задачи исследований

Многообразие и большой диапазон изменения условий залегания, состояния, строения и физико-механических свойств угольных пла­ стов и вмещающих пород определяет необходимость применения большого числа систем разработки, способов и технических средств добычи угля в очистных выработках.

В этой главе исследования проявлений горного давления в очистных выработках рассматриваются только с точки зрения под­ держания и обеспечения надлежащего безопасного состояния ра­ бочих пространств этих выработок при минимальных затратах тру­ да и средств.

При полном освещении механических процессов в окрестности очистных выработок. следует рассматривать напряженно-деформи­ рованное состояние, перемещения, последовательность и характер разрушения пород во всей области сдвижения, т. е. во всей области в которой под влиянием очистной выемки изменяется первоначаль­ ное положение частиц пород. Размеры области влияния очистных выработок несравнимо больше, чем других горных выработок. По мере развития очистной выемки в область вызванного ею сдвижения вовлекаются все возрастающие объемы пород со всеми другими близлежащими горными выработками (в том числе и очистными). Поэтому управление механическими процессами, происходящими в окрестности очистных выработок практически должно осущест­ вляться не только за счет технических средств и способов управле­ ния кровлей непосредственно в очистной выработке, но и путем вы­ полнения комплекса мер, локализующих и направляющих развитие области сдвижения, устанавливающих последовательность ее фор­ мирования во времени в пределах всего пространства, которое она может охватить по мере полной отработки запасов в шахтном поле.

При постановке и проведении горногеомеханических исследова­ ний в очистных выработках разные системы, способы и технические средства выемки угля выдвигают ряд общих и специфических за­ дач, которые рассматриваются применительно к разделению уголь­ ных пластов по углу падения на пологие, наклонные и крутые, а по мощности — на две группы: первая — тонкие и средние, вторая —

— мощные.

222

О б щ а я п р о б л е м а ' г о р н о г е о м е х а н и ч е с к и х и с с л е ­ д о в а н и й п р и м е н и т е л ь н о к о ч и с т н ы м в ы р а б о т к а м состоит из двух групп задач: задачи первой группы связаны с по­ исками новых и совершенствованием применяемых систем разра­ ботки, задачи второй — с созданием и промышленным внедрением новых и совершенствованием имеющихся технических средств и спо­ собов управления горным давлением. В совокупности решение этих задач должно иметь основной горнотехнической и социальной целью неуклонное повышение технико-экономических показателей, непре­ рывное поднятие уровня механизации и автоматизации работ, вплоть до полной ликвидации сначала тяжелого, а затем всех ви­ дов ручного труда.

При дальнейшем рассмотрении вопросов методики исследований представляется целесообразным все многообразие условий и систем разработки объединить в три группы:

системы разработки тонких и средней мощности пластов с длин­ ными очистными забоями;

системы разработки таких же пластов с короткими забоями; системы разработки мощных пластов.

Для первой группы систем основные задачи связаны с обосно­ ванием исходных данных для расчета и конструирования механизи­ рованных крепей, рационализации способов и паспортов управления горным давлением. Для второй группы основные задачи связаны с обоснованием параметров систем разработки. Для третьей группы систем приходится решать те и другие задачи, т. е. необходимо обо­ сновывать параметры систем, исходные данные для конструирова­ ния крепей и выбора способов управления кровлей.

$ 28. Современные представления о характере Механических процессов в окрестности очистных выработок н основные ' методы исследований

Для обоснования исходных данных при расчете, конструирова­ нии и совершенствовании крепей и для обоснования рациональных параметров систем разработки необходимо исходить из объектив­ ных закономерностей процессов деформирования и разрушения боковых пород над и под очистными выработками, а также угольных целиков и краевых частей пластов угля.

Последовательность и характер развития процессов разрушения боковых пород в окрестности очистных выработок угольных шахт определяются структурными особенностями и механическими свой­ ствами осадочных пород. Одной из основных особенностей осадоч­ ных пород является их слоистость и наличие слабых межслоевых и межпластовых контактов. Учитывая эту особенность, большин­ ство исследователей при описании процессов разрушения исходят

223

из представлений о неизбежном разделении толщ осадочных пород на слои и последующем послойном изгибе слоев. Назовем некото­ рых авторов, в работах которых развиваются такие представления:

Ф. Шульц [86], В. Д. Слесарев	[81],	Г. Н. Кузнецов [44,	45],
Г. А. Крупенников [41], А. А. Борисов		[12], В. Г. Бочкарев	[13],
В. Т. Давидянц [29, 31], А. Лабасс	[55]. Указанные представления

лежат в основе и большинства других работ; они положены в ос­ нову наиболее широко известной в СССР классификации кровель б.ВУГИ. На моделях из эквивалентных материалов слои отделяют друг от друга слюдистой присыпкой и, тем самым, имитируют расслоенность моделируемых толщ. Многочисленные специальные экспериментальные исследования подтверждают, что расслоение является неизбежным видом разрушения толщ осадочных пород над очистными выработками. В работе [62] показано, что выявле­ ние положения и определение прочности слабых межслоевых кон­ тактов можно делать уже при разведке угольных месторождений. Это делает возможным прогноз расслоения и разрушения пород. Там же доказывается, что расслоение происходит от сдвига и от­ рыва; расслоение от сдвига происходит над краевыми частями пласта угля, а от отрыва — над выработанным пространством. Все это позволяет в итоге построить паспорт прочности для кровли и почвы каждого угольного пласта. На рис. 30а показан разрез кровли с указанием петрографических разновидностей пород, по­ ложения и типа слабых контактов, пределов прочности породы при сжатии беж , при растяжении бр и при отрыве по контактам бр . На рис. 306 показаны диаграммы прочности для каждой из пород (верхняя огибающая) и для всех слабых контактов и естественных трещин (линии 1—5}.

Дальнейшее разрушение слоев-плит над выработками типа ка­ мер происходит, в основном, от изгиба (рис. 31а). При этом на ве­ личину предельного пролета оказывает влияние естественная тре­ щиноватость. На рис. 31а слабые межслоевые контакты показаны горизонтальными штриховыми линиями, а трещиноватость — на­ клонными штрих-пунктирными. Наличие трещиноватости, почти нормальной к наслоению, обуславливает раскрытие трещин в зонах действия растягивающих напряжений, но не сразу приводит к обру­ шению слоев. В этом случае обрушение происходит только после разрушения пород в зонах действия сжимающих напряжений [45].

В окрестности длинного очистного забоя, как показали исследо­ вания, выполненные в последние годы [24, 25, 40, 41, 49, 50 и др.] разрушение слоев-плит происходит не только от изгиба, но и от сдвига по напластованию и под углом к нему («скола»).

В результате сдвига и скола образуются наклонные блоки (рис. 31в), в отличие от блоков, вытянутых по простиранию, ко­ торые образуются вследствие изгиба (рис. 316). Образование наклон­ ных блоков возможно еще над забоем под действием касательных напряжений [9, 60].

224

(HI-а р г и л л и т

м е ж о л о е б ы ё '

Х/ A - а л е б р о л и т	к о н т а к т ы
Ш А - п е с ч а н и к

Рис. 30. К оценке механических процессов в окрестности очистной выработки.

Таким образом, в окрестности длинного очистного забоя следует представлять себе две принципиально различных картины разру­ шения (рис. 316 и в). Это и послужило основанием для разделения

кровель на два класса	с разделением последних на группы [24],
а позже— на подклассы	[Кузнецов С. Т. 40]. Выявление условий,

при которых имеет место та или другая схема разрушения, являет­ ся одной из важных задач.

При исследовании закономерностей взаимодействия крепей с породами в очистных выработках необходимо изучать устойчивость пород не только до их разрушения на блоки; требуется рассматри­ вать также устойчивость систем таких блоков [41, 45, 25]. Харак­ тер формирования систем и их неизбежное разрушение определяют собой основные черты механизма взаимодействия крепей с породами, так как крепь выработки предназначена главным образом для пре­ дотвращения выпадения разрушившихся пород в выработку.

Таким образом, применительно к очистным выработкам следует различать три стадии предельных состояний:

а) в результате наступления предельных состояний в первой стадии толщи осадочных пород превращаются из квазисплошной (слоистой, неоднородной) среды в дискретную среду, представлен­ ную пакетами потерявших связность на контактах слоев-плит или блоков различной формы и размеров;

б) в результате наступления предельных состояний во второй стадии происходит разрушение пакетов слоев-плит на куски-блоки; в) в результате наступления предельных состояний в третьей стадии происходит потеря устойчивости в системах кусков-блоков. При аналитических решениях задач о предельных состояниях первого и второго рода для оценки напряженных состояний в по­ родах до наступления предельных состояний необходимо использо­ вать методы механики сплошной среды; при решении задач о пре­ дельных состояниях третьего рода необходимо развивать методы решения задач об устойчивости и закономерностях перемещений

дискретных сред.

При решении задач по выбору рациональных параметров систем разработки, наряду с исследованием закономерностей процессов деформирования и разрушения боковых пород, необходимо исследо­ вать закономерности процессов разрушения угольных целиков и краевых частей пластов угля. Применительно к целикам исследова­ ния имеют целью выбор их оптимальных размеров. При исследо­ ваниях и расчетах целиков необходимо решить три основных воп­ роса: а) определение усилий или напряжений, приложенных к це­ лику; б) установление характера распределения напряжений и вы­ бор условия предельного состояния; в) обоснование расчетных по­ казателей прочности. В тех случаях, когда необходимо исследовать состояние краевых частей угольного массива (отжим угля в забое,

227

отжим и образование вывалов угля на крутых пластах в забоях, движущихся по восстанию, в бортах полос и подэтажей при слое­ вой выемке и др.), приходится решать эти же три вопроса.

Для простейшего случая, когда имеется ряд камер и целиков при отрабатываемой площади, наименьшийразмер которой превы­ шает глубину от земной поверхности, действующие на целик усилия определяются просто: вес пород, расположенных над камерами, дол­ жен полностью передаваться на целики [85]. Для всех других слу­ чаев определение действующих на целик усилий вызывает затруд­ нения, также как и на краевые части пласта угля. Во всех случаях при определении усилий, приложенных к целикам и краевым частям массива угля, необходимо исходить из уравнений баланса сил до и после проведения выработок. В случаях, когда междукамерные целики существенно подталивы, основная часть усилий может пере­ даваться на более жесткие барьерные целики, или на угольный массив, ограничивающий выработанное пространство.

Характер распределения напряжений и выбор условий предель­ ного состояния при выполнении расчетов зависит от размеров це­ ликов и, в частности, qr отношения высоты к ширине целиков. Фак­ тическое распределение напряжений при одинаковых размерах це­ ликов зависит от их состояния. В упругой стадии напряжения кон­ центрируются над краевыми частями целиков. Если напряжения в этих частях превысят предел текучести или предел прочности, на­ чинается разрушение этих частей, и области с повышенными на­ пряжениями перемещаются к срединной части целиков. Благодаря наличию сил трения на контакте с породами и некоторому защем­ лению боковых частей целиков изгибающимися породами, напря­ жения в срединной части могут существенно превышать предел прочности углей на одноосное сжатие. В этих случаях, даже после частичного разрушения, целик в состоянии оказывать большое со­ противление и выполнять функции поддержания. Одной из важ­ нейших задач является исследование напряженных состояний це­ ликов, необходимое для уточнения условий их предельного состоя­ ния. При расчете узких целиков предполагают, что целики испыты­ вают одноосное сжатие при равномерном распределении напряже­ ний по ширине целика. Для таких целиков условие предельного состояния записывается как равенство среднего действующего на­ пряжения, умноженного на коэффициент запаса пределу прочности угля при одноосном сжатии. .При умеренной ширине целиков, не превышающей 7— 10 кратной их высоты, принимают такое же условие предельного состояния, а учет объемного напряженного состояния производится введением коэффициента формы, который является функцией отношения ширины целика к высоте. Наряду с таким инженерным приемом для расчета широких целиков долж­ ны использоваться методы теории предельного равновесия.

228

При расчетах целиков третьим из основных вопросов является исследование и обоснование расчетных показателей прочности уг­ лей, к которым относятся предел прочности при сжатии или коэф­ фициент сцепления и угол внутреннего трения. Показатели проч­ ности угольных пластов зависят от их трещиноватости, неоднород­ ности, в частности — наличия пластичных прослойков и ряда других. Поэтому для установления расчетных показателей прочности следует ориентироваться на натурные испытания [65]. Применительно к целикам большое значение имеют реологические свойства горных пород, т. к. срок службы многих целиков значителен. При исследо­ вании реологических свойств чрезвычайно важно, чтобы опреде­ ляемые параметры ползучести наиболее полно отражали структур­ ные и другие особенности реальных целиков; которые упомянуты выше.

Представления о деформировании и разрушении боковых пород, а также угольных целиков выше рассмотрены в общем виде, без учета углов падения и мощности пластов. Следует подчеркнуть, что основные черты механизма деформирования и разрушения по­ род и угольных пластов сохраняются при любых углах падения и при любой мощности пластов; имеют место только количествен­ ные отличия. Так, по мере увеличения углов падения изменяются условия деформирования пород у нижней и верхней границ очист­ ной выработки. С увеличением мощности пластов увеличиваются общая зона обрушения и зона беспорядочного обрушения; на пла­ стах малой мощности может не быть зоны беспорядочного обруше­ ния (при плавном опускании или частичной закладке).

С увеличением углов падения (особенно до крутого падения) существенно изменяются условия деформирования и разрушения угольных целиков. Вследствие осыпания и скатывания угля может наблюдаться прогрессирующий процесс разрушения целиков, до полного их исчезновения; отжим угля в нависающих забоях разви­ вается интенсивнее и т. д. С увеличением мощности пластов интен­ сивность процесса разрушения целиков повышается, тем более,

.что по мере увеличения мощности пластов по ряду причин, при прочих равных условиях, уменьшается отношение ширины целиков к высоте.

Следовательно, по мере изменения углов падения и мощности пластов необходимо учитывать специфические особенности процес­ сов разрушения пород и углей. Важно заметить, что системы раз­ работки мощных пластов предусматривают много выработок, прой­ денных по углю. Поэтому большое значение приобретает изучение процессов разрушения углей вблизи таких выработок [8].

При анализе механизма взаимодействия любых крепей с поро­ дами в очистных выработках в общем случае следует иметь в виду те три рода предельных состояний, о которых говорилось выше.

229