Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 10 )

Основную кровлю составляют более прочные залегающие над непосредственной кровлей слои пород, которые приходят в движение спусти некоторое время после обрушения непосредственной кроили, когда площадь очистной выемки, т. е. обнажение пород кровли, достигает соответствующих критических размеров (рис. 6).

Рис. 6

 

Рис. 1. Обрушение основной кровли над очистной выработкой.

1— эпюры опорного давления; 2 - угольный пласт; 3 — выработанное пространство.

Вследствие отмеченной структурной особенности массивов пород пластовых месторождений, а именно наличия слоев пород с различной прочностью и сцеплением, наблюдается достаточно четкое соответствие между размерами очистных пространств и обрушающихся масс. Это обстоятельство используют в системах с обрушением пород при установлении оптимального шага обрушения. В некоторых горно-геологических условиях отмеченное соответствие позволяет применять системы разработки с самообрушением пород позади забоя лавы.

Проф. различает два режима движения как непосредственной, так и основной кровли [13]:

а) режим начального движения, охватывающего период от начала проведения разрезной печи до первого обрушения кровли (непосредственной или основной);

б) режим установившегося движения, начинающегося, как правило, вслед за первым обрушением и продолжающегося до окончания отработки участка, панели, этажа.

В момент первого обрушения происходит мгновенное изменение характера и значений нагрузок на опорные целики, почву, кровлю и крепь выработок. В этот период часто наблюдают сильную деформацию крепи, приводящую иногда к ее полному разрушению и завалу лав. После первого обрушения пролеты зависших пород кровли уменьшаются и условия работы крепи улучшаются.

Пролеты обрушений непосредственной и основной кровли по простиранию в соответствии с выделенными режимами называют шагом начального и шагом установившегося обрушения. Первое обрушение основной кровли называют обычно генеральным.

При первом обрушении трещиноватой кровли трещины разрушения пересекают естественные трещины и располагаются в основном так же, как и в нетрещиноватых породах (т. е. в соответствии с характером напряженного состояния). Пролет предельного обнажения трещиноватой кровли составляет примерно 0,6—0,7 предельного пролета нетрещиноватой кровли.

При пересечении трещин, возникающих от подвижек пород, с кливажными и другими трещинами в кровле образуются отдельные глыбы, куски, отделяющиеся от остального массива и вымаливающиеся в выработку. Это явление локальных обрушений пород носит название куполообразования или куполения кровли.

Обрушению кровли обычно предшествует треск ломающихся пород и крепи, вызываемый постепенно нарастающим давлением. За несколько секунд до обрушения от кровли пласта начинают отскакивать мелкие кусочки породы.

Иногда непосредственно над разрабатываемым пластом залегает легко обрушающийся слой пород небольшой мощности (до 0,5 м), носящий название ложной кровли. Этот слой, как правило, обрушается сразу же после выемки пласта, и его удержание при помощи крепи представляет большие трудности. Обрушение ложной кровли («коржа») происходит вдоль забоя небольшими участками (длиной несколько метров и шириной 0,5—2 м).

Аналогично подразделению пород кровли выделяют также непосредственную и основную почву. Непосредственная почва—слой пород, залегающий непосредственно под пластом или залежью. С ее свойствами связаны явления пучения, сползания при крутом падении и вдавливания в нее целиков или крепи. Часто в пределах непосредственной почвы выделяют ложную почву — слой легкоразрушающейся породы мощностью до 0,3—0,4 м на контакте с пластом или залежью. Толщу пород, залегающую ниже непосредственной почвы, называют основной почвой.

Магматические месторождения по сравнению с осадочными отличаются более сложной структурой. Вследствие этого формы и размеры вывалов и обрушений здесь более разнообразны. Соответствие между размерами вывалов и площадью очистных пространств обычно менее заметно.

В условиях крутопадающих и наклонных месторождений при высоком уровне статических напряжений в массиве пород, в частности на больших глубинах, разрушения не только могут иметь место в кровле очистного пространства и в висячем боку, но захватывать и лежачий бок. Подобные явления, например, имеют место при разработке железорудных залежей Криворожского бассейна и угольных пластов в центральном районе Донбасса. Возможность разрушений вмещающих пород призабойной части очистного пространства вызывает необходимость применения специальных мероприятий по их предотвращению или локализации, чтобы обеспечить возможность нормального ведения очистных работ. С этой целью во многих случаях разработку ведут системами с креплением или закладкой очистных пространств.

В определенных условиях при ведении очистных работ системами разработки с магазинированием функции закладочного материала выполняет также невыпущенная руда в отрабатываемых блоках.

Вязкое деформирование характерно для массивов осадочных пород при сравнительно небольшой мощности отрабатываемого пласта. Если мощность разрабатываемого пласта невелика, то перемещения покрывающих пород, обусловленные вязким деформированием, могут оказаться достаточными для полного заполнения выработанного пространства. Именно на этом явлении основано управление кровлей плавным опусканием на маломощных (до 0,7 м) угольных пластах (рис. 7).

При камерных системах разработки горное давление проявляется в деформировании (а иногда и в разрушении) целиков, вдавливании их в почву, в прогибе кровли и пучении почвы. При неблагоприятных условиях в почве и кровле камер могут появиться трещины, приводящие к завалу камер.

Рис. 7

Рис. 2. Управление кровлей плавным опусканием.

а — разрез вкрест простирания пласта;, б — план очистных работ; в — разрез по простиранию пласта.

К числу проявлений горного давления в очистных выработках относятся также заколы, отслаивание, толчки, осыпание и стреляние пород, горные удары и др., для борьбы с которыми приходится применять целый ряд специальных мер.

Расчет напряжений и деформаций (перемещений) пород вокруг очистных выработок

Для решения практических вопросов устойчивости призабойного пространств очистных выработок и управления горным давлением часто бывает необходимо производить расчеты напряжений и перемещение) пород. Во многих случаях весьма эффективными оказываются так называемые численные методы механики сплошных сред. Благодаря применению электронно-вычислительных машин численные методы позволяют сравнительно быстро выполнить расчеты и при достаточной надежности исходных данных обеспечивают точность, необходимую для практики.

Для определения напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработок в предположении упругого деформирования необходимо решить дифференциальное уравнение в частных производных четвертого порядка вида

где F— функция напряжений (функция Эри), посредством которой могут быть вычислены компоненты тензора напряжений и деформаций.

Решение этого уравнения может быть получено различными математическими методами. Как указывалось выше, уравнение решается с применением функций комплексных переменных и конформного отображения односвязных областей, приближенно аппроксимирующих форму одиночных заглубленных выработок. Однако его решение весьма затруднено для системы выработок и целиков, т. е. в случае, характерном для условий очистных выработок.

Для сложных конфигураций полостей можно использовать численные решения уравнения, согласно которым приближенно аппроксимируются частные производные функции F. Основным достоинством этих методов является универсальность, применимость для широкого класса случаев и относительная простота вычислений. Их недостатком является большой объем вычислений, однако применение электронно-вычислительной техники позволяет его преодолеть. Одним из таких приближенных методов является метод конечных разностей, или, иначе, метод сеток. Общий принцип метода состоит в том, что дифференциальное уравнение заменяют некоторым уравнением в конечных разностях, которое получают путем замены в нем производных и других дифференциальных операций их приближенными выражениями через разностные отношения или значения функций в отдельных точках по заранее выбранной сетке. В результате подобной замены уравнение, например, может быть записано в виде

Рис. 8 Схема расположения узлов сетки, входящих в приближенное уравнение при замене бигармонического уравнения уравнением в конечных разностях.

Рис. 9 Расчетная схема и эпюры напряжений в кровле очистной выработки, вычисленных методом сеток. Р - реакция крепи; линия забоя совпадает с осью у.

В это уравнение наряду со значением функции F0; 0 в рассматриваемой точке (0, 0) входят также значения ее в двенадцати узлах, отстоящих от точки (0, 0) не далее, чем на 2h, где h — шаг сетки (рис. 8).

Подобным же образом с учетом граничных условий может быть составлено уравнение для любой из узловых точек сетки, которая разбивает исследуемую область. В результате решение дифференциального уравнения заменяют решением системы алгебраических линейных уравнений.

Например, таким способом детально исследовали напряженно-деформированное состояние части массива пород непосредственно над очистной выработкой (рис. 9).

Поскольку метод конечных разностей является лишь приемом решения дифференциальных уравнений, ему в полной мере свойственны недостатки, присущие определению напряженно-деформированного состояния массива пород методами плоской теории упругости. К ним прежде всего относятся сложность аппроксимации граничных условий, в частности при наличии угловых точек на контуре исследуемой области, а также относительно малая возможность учета неоднородности массива пород, что имеет особо важное значение для очистных выработок, где необходимо рассматривать весьма значительные по размерам области массива горных пород.