Вывалы породы при проведении горных выработок угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ

* •

• *

• • ш •

• •

A.В.КОРЧАК

B.А.ПШЕНИЧНЫЙ

Вывалы породы при проведении горных выработок угольных шахт

Наряду со смещениями породного контура одним из основных проявлений горного давления являются вывалы породы из кровли и боков выработки. Они могут носить как локальный характер, так и охватывать весь периметр выработки. Вывалы происходят и при буровзрывном и при комбайновом способах проведения горных выработок [ 1 ]. Подобные вывалы создают дополнительную нагрузку на крепь, часто приводящую к ее мгновенному разрушению и, следовательно, к возникновению аварийных ситуаций. Анализу вывалов породы из кровли горных выработок посвящены работы Булычева Н.С., Кошелева Н.В., Томасова А.Г. и других ученых [2,3]. В этих работах подробно рассматриваются формы и размеры поперечного сечения вывалов, причины их возникновения с позиций геомеханики. Причинами вывалов, по мнению азличных исследователей, являются:

• действие сил тяжести пород в объеме свода обрушения (В.Риттер, Ф.Энгессер, М.Протодьяконов);

• свод обрушения в условиях упругосжатого контура (Ф.Мор,

A. Айзаксон);

• свод обрушения есть результат образования вокруг выработки области неупругих деформаций (А.Лаб-бас, К.Руппенейт, Ю.Либерман);

• оценка процесса вывалообразова-ния основывается на данных практических наблюдений (К.Терцаги,

B.Слесарев). Тот факт, что в этих гипотезах механизм вывалообразо-вания трактуется по-разному, не случаен и объясняется разнообразием причин этого явления.

С целью выявления причин возникновения вывалов и их массы были проанализированы 254.вывала породы:

• перекрепление и расширение проектного сечения выработок и разделка сопряжений (31,9% от общего объема);

• комбайновое проведение горной выработки (вывалы происходят на расстоянии более 10 м от забоя) —

9,4%;

• ведение буровзрывных работ (вывалы происходят непосредственно в забое выработки до установки крепи) — 35,4%;

• вывалы в близлежащих выработках при ведении взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания -8,7%.

Наблюдениями был охвачен следующий диапазон горно-геологических условий проведения горных выработок, глубина заложения Н=80-=-1160 м, крепость вмещающих пород/=3-Н0, угол залегания горных пород а=0 -5-74° и площадь поперечного сечения выработок S=5,2+26 м .

Из перечисленных пяти причин вывалов 4 относятся к собственно процессу проведения выработок комбайновым или буровзрывным способом. По высоте вывалы распределились следующим образом: высотой до 1м— 46 (18,1%),от 1 м до 2 м — 125 (49,2%), от 2 м до 3 м — 35 (13,8%)исвыше3м—48 (18,9%). Максимальная зарегастрированнаявысотавывала составила

14,0 м. Объем вывалов колеблется от 3,6 м до 2000 м при их длине вдоль выработки от 1 м до 100 м. Крупные вывалы по длине выработки, как правило, приурочены к местам геологических нарушений (трещины с большим раскрытием, перегибы пород и др.) и наличием сильно обводненных пород в кровле выработки.

При комбайновом проведении выработки вывалы происходят на некотором расстоянии от забоя, а при буровзрывном способе — в призабойной части выработки во время ведения взрывных работ. Случаев вывалов породы из кровли выработок, проводимых буровзрывным способом, на расстоянии 10 - 30 м от забоя зарегистрировано не было.

Результаты натурных наблюдений за зывалами породы из кровли выработок и анализ имеющихся данных о вывалах позволит установить механизм вывалообра-зования при комбайновом и буровзрывном способах проходки.

При комбайновой проходке законтурный массив выработки остается в нетронутом состоянии, и в нем отсутствуют трещины от взрывных работ. Забой выработки сдерживает деформации вмещающего массива пород. И хотя часть массива, непосредственно прилегающая к забою, и претерпевает некоторые деформации, основная их часть не реализуется ввиду того, что действующие напряжения недостаточны для разрушения породного массива, находящегося в трехосном напряженном состоянии. При удалении забоя выработки и, соответственно, переходе массива из трехосного напряженного состояния в двухос-нове его предельная сопротивляемость разрушающим напряжением снижается, что в случае слабых вмещающих пород в кровле выработки приводит к их разрушению. Если при этом кровля выработки представлена слоистыми породами типа аргиллитов или алевролитов, имеющих ес--ественные поверхности ослабления, то процесс разрушения породы, в первую очередь, реализуется по поверхности ослабления, что и приводит к вывалообразо-ванию. Размер вывала определяется расстоянием до поверхности ослабления, по которой произошло разрушение контактов породных слоев. Для этого достаточно, чтобы нормальные и касательные напря-ения на поверхности ослабления оп и тп были больше их прочности на сдвиг. Эти зывалы создают динамические нагрузки на уже установленную крепь и, в случае ее некачественного контакта с массивом пород, приводят к обрушению крепи на рас-

стоянии 10 - 30 м от забоя выработки. Это создает аварийную ситуацию и резко ухудшает безопасность ведения работ по проходке выработки. На ликвидацию подобных аварий затрагиваются значительные материальные и трудовые ресурсы, продолжительность ремонтных работ составляет 3-5 суток, что резко снижает эффективность использования рабочего времени проходческих комбайнов.

При буровзрывном проведении выработок в аналогичной ситуации эти вывалы также происходят. Но при проведении выработок буровзрывным способом вокруг них под воздействием на породный массив взрывных работ формируется зона технологической неоднородности, породы в которой уже в первоначальный момент времени после проведения разрушены трещинами. Поэтому вывалы породы из кровли в этом случае реализуются непосредственно во время взрывных работ при динамическом воздействии взрывной волны. На устанавливаемую впоследствии в выработке крепь они, в основном, влияния не оказывают и могут определять только выбор предохранительной и временной конструкции крепи. Однако, и в этом случае они негативно сказываются на условиях проведения выработки, так как могут разрушить ближайшие к забою 5-6 рам крепи, а образующиеся купола не позволяют производить качественную забутовку закрепного пространства и требуют выкладки костров и, наконец, они увеличивают площадь породного обнажения и сечение выработки в проходке, что требует дополнительных времени и затрат на уборку излишка горной породы.

Среди многообразных форм вывалов 73 % имеют сводчатую и конусную формы.

С целью получения зависимостей высоты вывалов от горно-геологических условий проведения выработок был выполнен корреляционный анализ. Однако, единой зависимости высоты вывала от различных факторов (глубины заложения выработки, прочности вмещающих пород, плошади и формы поперечного сечения и др.) получить не удалось ввиду разнообразия причин вывалообразования. Тоща был проведен корреляционный анализ вывалов по причинам их возникновения.

Это позволило получить достоверные корреляционные зависимости для следующих групп вывалов по причинам их возникновения: при ведении БВР на пластах крутого и пологого падения в забое выработки; при ведении БВР на пластах пологого падения на расстоянии 5-10 м от забоя; при перекреплении полевых штреков и квершлагов; в сопряженных выработках при ведении сотрясательного взрывания при вскрытии выбросоопасных пластов.

При пологом залегании горных пород к анализу были приняты 33 вывала. Диапазон изменения влияющих факторов составляет: по глубине заложения выработки //=80-540 м, по ширине выработки в проходке в«р=4,2-5,7 м, по крепости вмещающих пород /=3-7 и по высоте выработки

Ипр^2,8-3,5 м.

В результате множественного корреляционного анализа получена следующая зависимость высоты вывала кв от принятых к анализу факторов

h= 0,17+0,ООО 1Н+0,025 enp-0,27f+0,68 h

пр

Коэффициент детерминации составляет 0,76.

Высота вывала в этом случае редко превышает 0,5-2,5 м. На высоту вывала в этом случае наибольшее влияние оказывают ширина и высота выработки в проходке и крепость вмещающих пород, а глубина заложения выработки практически не влияет на высоту вывала.

При крутом залегании горных пород к анализу были приняты 19 вывалов породы. Диапазон изменения влияющих факторов составил: глубина заложения выработок //=530-1160 м; площадь поперечного сечения выработок в проходке 8Пр=6,4-15,5 м ; крепость вмещающих пород ./=5-10 и угол залегания пород «=51°-71 . В результате множественного корреляционного анализа была получена следующая зависимость:

Ив—27,36+0,13 впр-0,53 /Ю,002Н+0,54а

при этом коэффициент детерминации со

ставляет 0,91.

В данных условиях максимальное влияние на высоту вывала оказывает угол залегания горных пород а и меньшее крепость пород и глубина заложения выработки. Высота вывалов в данном случае достигает 13,4 м и создаваемая ими нагрузка на крепь будет наибольшей.

Значительную опасность представляют вывалы, происходящие на расстоянии 5-10 м от забоя при ведении взрывных работ, так как они создают дополнительную нагрузку на ранее установленную крепь. Это можно объяснить тем, что при сотрясении массива взрывными работами происходит отслоение прослоек породы (ложной кровли),.суммарная мощность кото рых в большинстве случаев совпадает с высотой вывала. Анализ проведен по 19 вывалам, учитывая следующие факторы: глубину заложения выработки Н, ширину и высоту выработки в проходке вПр и Ъ.Пр- Так как крепость пород отдельных пластов и прослоек не оказывает существенного влияния на высоту вывала, что оказалось видным из первоначального анализа, то пр получении корреляционной зависимое этот фактор не учитывался. Сама зависи-{ мость имеет следующий вид:

h =1,8-0,0016Н-0,081 впр+0,13 h

пр

Коэффициент детерминации составля ет 0,78. В данном случае на высоту вывал; в наибольшей степени влияет высота выра ботки, и его величина обратнопропорцио нальна ширине выработки.

При перекреплении выработок наиб лее часто вывалы происходят в полевы штреках. Форма вывалов в поперечном се чении сводчатая и куполообразная. Диапа зон изменения влияющих факторов соста вил: глубина заложения выработок от 51 м до 717 м, крепость вмещающих поро, f=4- 6, ширина и высота выработок в пр ходке от 4,2 м до 5,7 м и от 3,1 м до 3, соответственно.

В результате корреляционного анали была получена следующая зависимое для определения высоты вывала

[И-

за-

эе-

эт-

ги-

на

к ~0,026+0,0017НМ),856 в -1,01*

пя-

ти

ра-

ую

:пь.

ря-

ис-

эж-

1Т0-

вы-

вы-

лу-

[у и Так >в и

!ЛИ-

ШД-

при

ЗСТИ

ЛСИ-

вля-

вала

ара-

цио-

ибо-;вых мсе-!апа-)ста-г 517 ород про-э 3,7

хА -0,199/

пр

Коэффициент детерминации составляет 0,8. Наибольшее влияние на высоту вывала оказывают размеры выработки и в меньшей степени глубина заложения и крепость вмещающих пород.

При перекреплении квершлагов подобная зависимость выглядит следующим образом:

И =4,023+0,35 в +0,0034Н-1,0044/

Коэффициент детерминации 0,76. В данном случае максимальное влияние на высоту вывала оказывают крепость пород и ширина выработки. Как и в предыдущем случае, глубина заложения выработки оказывает минимальное влияние на размеры зывала.

Одной из интересных причин вывалов породы, обнаруженной при анализе, являются вывалы, происходящие в сопряженных выработках при ведении сотрясательного взрывания при вскрытии крутопадающих выбросоопасных пластов. Диапазон изменения влияющих факторов составил: площадь сечения выработок 7,2-12,8 м , глубина ведения горных работ 520-1100 м, угол залегания пород 54-64°. Эти вывалы происходили на расстоянии до 90 м от места ведения взрывных работ и были значительными по высоте — от 3,0 м до 9,5 м. Средневзвешенная высота вывала составила 3,6 м.

В результате корреляционного анализа была получена следующая зависимость для определения высоты вывала

/1в=0,27+0,59в -0,005Н-0,43/-0,0005*

у-Ь+0, 1а

где Ь — расстояние от места вывала до места ведения взрывных работ, м.

Чем больше пролет выработки и угол залегания пород, тем больше вероятность и высота вывала. Чем больше расстояние от забоя, где ведется сострясательное взрывание, тем меньше вероятность выва-лооброзования.

Действующими нормативными документами определение нагрузки на крепь горных выработок производится в режиме взаимовлияющей деформации на основании определения смещений породного контура выработки. Во многих случаях такой подход к определению нагрузки оправдан, но неучет возможных вывалов породы из кровли выработок приводит к тому, что нагрузка на крепь от них превышает нагрузку от смещений контура выработок и крепь разрушается. Полученные зависимости позволяют определять нагрузку и от вывалов породы и тем самым более обоснованно подходить к проектированию крепи горных выработок.

ишза

юсть

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ципшнский У. Вывалы при механизированной проходке горизонтальных выработок. глюкауф. 1977, N17, с.17-23.

2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. — М., Недра, 1982, 270 с.

3. Кошелев Н.В., Томасов А.Г. Ремонт и восстановление горных выработок. — Киев, техника, 1983.

© А.В.Корчак, В.А.Пшеничный