Шахтные исследования трещиноватости породных массивов, вмещающих горные выработки (стр. 1 )

4 ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ

ПОРОДНЫХ МАССИВОВ, ВМЕЩАЮЩИХ ГОРНЫЕ

ВЫРАБОТКИ

Исследования трещиноватости пород кровли горныхвыработок

Исследования трещиноватости пород кровли проводились на шахтах Восточного Донбасса [85] с использованием оптического прибора, позволяющим определять местоположение трещин с точностью ± 5 мм и ширину раскрытия с точностью до ± 0,1 мм при осмотре стенок шпура глубиной до 4,0 м.

Анализ местоположения и ширины раскрытия трещин в каждом обследуемом шпуре позволил выявить характерную трещиноватость кровли в выработках (рис. 4.1). Среднее значение ширины раскрытия одной трещины в приконтурной зоне в 6 раз выше, чем на расстоянии 1,5 м от контура выработки (рис. 4.2). Ширина раскрытия около 70 % трещин не превышает 1,5 мм (рис. 4.3). Более 80 % всех трещин были расположены на расстоянии не более 1 м от контура выработки (рис. 4.4). По мере удаления от проходческого забоя нагрузка на породы непосредственной кровли пласта возрастает за счет увеличения мощности слоев пород, участвующих в нагружении непосредственной кровли. Суммарное раскрытие трещин в двухметровом слое кровли быстро растет на протяжении 70 м от забоя штрека, затем скорость роста раскрытия трещин снижается за счет снижения прироста нагрузки (рис. 4.5). Новый рост раскрытия трещин начинается, когда шпур, в котором производятся замеры, оказывается на линии забоя лавы. При этом увеличивается ширина раскрытия существующих трещин и появляются новые трещины (рис. 4.6).

Исследование трещиноватости пород кровли вентиляционного ходка № 4 шахты “Соколовская” ОАО “Ростовуголь”, находящегося в зоне влияния выработанных пространств лав, в течение 1,5 лет показали, что рост ширины раскрытия трещин имеет незатухающий характер (рис. 4.7).

Обработка результатов исследований трещиноватости пород кровли в штреках № № 000, 518, 517 шахты “Юбилейная” и № 000 шахты “Аютинская” ОАО “Ростовуголь” позволила сделать вывод, что фактор времени сам по себе не оказывает влияния на формирование системы трещин, решающее значение имеет рост нагрузки на породы непосредственной кровли со стороны вышележащих толщ.

В течение первых двух месяцев наблюдений количество и ширина раскрытия трещин в одном и том же шпуре, пробуренном в кровле штрека, не меняются, пока шпур находится впереди забоя лавы (в 100, 50, 10 и 3 м). После прохода забоя лавы при охране штрека искусственными ограждениями суммарное раскрытие трещин резко возрастает, образуются новые трещины. Затухание процесса роста ширины раскрытия трещин происходит через месяц после прохода забоя лавы. При охране выработок целиками угля рост раскрытия трещин происходит также через месяц после прохода забоя лавы и сразу же следует затухание процесса.

В выработках с анкерной крепью трещиноватость пород кровли значительно менее развита, чем в выработках, закрепленных арочной крепью. В связи с этим были проведены замеры пустот за рамами арочной крепи с целью определения влияния их геометрических характеристик на процесс смещений пород кровли.

Измерения закрепных пустот производились специальной выдвижной линейкой от породного контура до верхней кромки спецпрофиля рамы [103]. В каждой выемочной выработке были проведены измерения на 100 рамах. Закрепные пустоты в своде выработки, как правило, были больше, чем в боках. С повышением прочности и устойчивости пород непосредственной кровли размеры закрепного пространства уменьшаются.

Для определения опусканий кровли использовался экспресс-метод. Измерения производились в зонах влияния первой и второй лав (при первом и повторном использованиях каждой транспортной выработки) в тех же выемочных штреках, где определились размеры закрепных пустот при их проведении. Установлено, что в зависимости от размеров пустот над верхняком свободное опускание кровли происходит на участке от 10 м впереди до 20 м позади первой лавы.

Развитие процесса смещений приконтурного слоя кровли без отпора крепи в течение продолжительного времени при воздействии увлажнения, выветривания и образование трещин в процессе ведения горных работ, в том числе и очистных, приводит к снижению устойчивости кровли. При размерах пустот за крепью 0,4 м и более обрушение отдельных породных блоков создает весьма значительную динамическую нагрузку на крепь что может приводить к завалам протяжённых участков выработок. Завалы выработок по этой причине нередки на шахтах Восточного Донбасса.

В процессе исследований было отмечено, что до начала влияния периода опорного давления первой лавы пустоты в своде выработки уменьшаются на 200-250 мм при устойчивости пород непосредственной кровли ниже средней, на 100-200 мм – при породах средней устойчивости, на 50-100 мм – при устойчивой кровле. При неустойчивых породах наблюдаются обрушения нижних слоев непосредственной кровли и частичное «самозабучивание» закрепного пространства в своде выработки.

Измеренные фактические значения смещений кровли выемочных выработок сравнивались с рассчитанными по инструкции [104]. Фактические значения смещений оказались выше расчетных, причем наибольшая сходимость результатов расчетов с данными натурных наблюдений прослеживалась при размерах закрепных пустот около 200 мм. С увеличением размеров закрепного пространства отклонения расчетных значений от фактических возрастали. Это позволило предположить, что разность между фактическими и теоретическими значениями опускания кровли как от влияния первой лавы ΔU1, так и второй ΔU2 определяется размером закрепных пустот θ в своде выработки, не считающимся влияющим на смещения контура выемочных выработок фактором в методике их расчета. Математическая обработка массива экспериментальных данных позволила получить следующие уравнения, выражающие связь между ΔU и θ.

ΔU1 = – 1,90 ⋅ 10-3 ⋅ θ2 +2,22 ⋅ θ – 377  (4.1)

       (θ = 230-530);

ΔU2 = – 1,18 ⋅ 10-3 ⋅ θ2 +1,18 ⋅ θ – 201  (4.2)

       (θ = 230-530).

Приведенные полиномы с достаточной степенью точности описывают экспериментальные данные, что позволяет обосновывать вероятность  уменьшения смещений кровли выемочных выработок в зонах влияния очистных работ в случаях более точного оконтуривания их при проведении, а также при полном или частичном заполнении пустот за рамами арочной крепи.

Все исследуемые шпуры в выработках при бесцеликовой охране их для повторного использования оказались пережатыми после прохода забоя лавы на разном расстоянии от последнего. Даже в только что пробуренном шпуре в пяти метрах позади очистного забоя на шахте «Майская» не удалось произвести замер по всей длине. Эти факты свидетельствуют о наличии горизонтальных подвижек слоёв пород относительно друг друга. Чем прочнее породы, тем на большем расстоянии за очистной выработкой происходит горизонтальная подвижка слоёв. На шахте «Юбилейная» в штреке № 000 горизонтальные подвижки слоёв пород отмечены на расстоянии 65-70 м за забоем лавы, в штреке № 000 – более чем в 25 м позади забоя, в штреке № 000 – до 10 м за забоем. В штреке № 000 шахты «Майская» горизонтальная подвижка была обнаружена в шпуре, пробуренном в пяти метрах позади забоя лавы.

Анализ данных замеров показал, что горизонтальная подвижка породных слоёв происходит при определённых сочетаниях ширины раскрытия трещины, вдоль которой происходит подвижка, которую можно называть трещиной пережима, и суммарной ширины раскрытия трещин между контуром выработки и трещиной пережима по данным замера предыдущего тому, в котором обнаружена горизонтальная подвижка слоёв пород. В системе координат δ, ∑δ‚ (ширина раскрытия трещины пережима, суммарная величина раскрытия трещин приконтурного диапазона) линия, ограничивающая зону, в которой происходят горизонтальные подвижки слоёв, является гиперболой вида

         δ = a /((∑δ‚) – b),        (4.3)

где a и b – эмпирические коэффициенты, для условий шахт «Юбилейная» и «Аютинская» а = 12,63; b = 0,78.

Связь трещиноватости и смещений пород в окрестностях

горных выработок

Исследования, посвящённые выявлению зависимости смещений пород кровли от ширины раскрытия трещин расслоения, проводились в выемочных штреках шахт «Юбилейная», «Аютинская» и в вентиляционном ходке шахты «Соколовская» .

Выемочные штреки шахты “Юбилейная” ОАО “Ростовуголь” проходились буровзрывным способом узким забоем по пластам i3н, i21в с присечкой пород почвы. В пределах панели № 5 (штреки №№ 000, 518, 519) угольный пласт i21в состоит из двух пачек антрацита (мощностью 0,22-0,26 м верхняя и 0,45-0,55 м – нижняя), разделенных породным прослоем – песчаным сланцем, мощностью 0,07-0,08 м. Вынимаемая мощность пласта – 0,73-0,90 м, угол падения – 6-9°. Непосредственная кровля характеризуется как среднеустойчивая, представлена слоистым, трещиноватым (3-5 трещ./м) песчаным сланцем мощностью 0,8-5,8 м, прочностью на одноосное сжатие 70-90 МПа, плавно переходящим в “ложную” кровлю – сланец глинистый, слоистый за счет прослоев угля и обугленного растительного детрита мощностью 0,0-0,3 м. Основная кровля характеризуется как труднообрушающаяся, представлена средне - и мелкозернистым, слоистым за счет разницы гранулометрического и минералогического состава песчаником мощностью 5-13 м, и прочностью на одноосное сжатие 100-120 МПа, или переслаиванием песчаника и песчаного сланца (мощность – 5-12 м, прочность – 8-10 МПа). Непосредственная почва представлена песчаным сланцем мощностью 0,0-3,1 м, при прочности 70-90 МПа, плавно переходящим в кварцевый песчаник основной почвы мощностью 5,0 м и более, при прочности 100-120 МПа. Основными природными факторами, осложняющими ведение горных работ, являются уменьшение мощности непосредственной кровли на отдельных участках до 1,5 м, а также приближение нижней угольной пачки пласта i22 к пласту i21в, что приводит к снижению устойчивости кровли; наличие на отдельных участках «ложной» кровли обусловливает высыпание пород мощностью до 0,3 м; труднообрушающаяся основная кровля; значительный водоприток (5-18 м3/ч) из кровли.