Influence of geomechanical factors and methods of rock outcrops competence increasein horizontal drivages.pdf Установлены наиболее существенно влияющие наустойчивость породного обнажения следующие горно-геологические факторы: слоистость - при прочностислоев на одноосное сжатие 50-60 МПа и мощности ихболее 0,8 м породные обнажения кровли сохраняютустойчивое состояние свыше 2 ч, при мощности слояот 0,1 до 0,4 м и прочности пород при сжатии до40 МПа время устойчивого состояния сохраняется впределах одного часа, а при мощности слоев менее0,1 м, что характерно для ложной кровли, время ихустойчивого состояния составляет до 10-20 мин; тре-щиноватость - в сильнотрещиноватых, нарушенныхпородах, залегающих в основном над угольными пла-стами (преимущественно ложная кровля), с расстояни-ем между трещинами от 0,01-0,2 м, их устойчивостьобычно не превышает 20 мин, породы слабые, сильно-трещиноватые от 0,3-0,5 м, с пределом прочности присжатии 20-40 МПа, устойчивы в течение 0,5-1,5 ч, по-роды массивные, трещиноватые 0,6-1 м, прочность 40-50 МПа, устойчивы в течение 2-3,5 ч; влажность -песчаники на карбонатном цементе при увеличениивлажности теряют прочностные характеристики при-мерно на 5%, алевролиты на кремнистом и карбонатно-кремнистом цементе - 14%, алевролиты с глинистымцементом - 20-30%, аргиллиты - 40-60% и углистыеаргиллиты - до 80%.Обобщением фактических данных и обследованиемряда горизонтальных выработок на шахтах Кемеров-ского, Ленинского, Прокопьевско-Киселевского, Тому-синского и других районов Кузбасса установлено, чтопримерно в 58% общей протяженности из них пород-ные обнажения кровли и частично боков теряют устой-чивость непосредственно при обнажении или спустянекоторое время после обнажения. Потеря устойчиво-сти обнажений характеризуется локальными вываламии сплошными вывалами пород кровли на участках про-тяженностью 15-20 м и больше, в части выработок попластам с ложной и легкообрушающейся кровлей об-щей мощностью до 0,3-0,5 м по всей их длине.Значительный вклад в исследования и обобщениерезультатов научной работы в области обоснованияустойчивости породных обнажений и геомеханическихпараметров устойчивости горных выработок внеслиотечественные и зарубежные ученые К.А. Ардашев,Н.П. Бажин, И.В. Баклашов, А.А. Борисов, Н.С. Булы-чев, В.Н. Вылегжанин, Г.И. Грицко, А.Н. Динник,П.В. Егоров, Ю.А. Заславский, В.Н. Каретников,Б.А. Картозия, Г.Н. Кузнецов, Г.Н. Кулаков, М.В. Кур-леня, В.А. Лидер, А.Г. Протосеня, В.В. Тайский,В.Н. Фрянов, И.Л. Черняк, А.П. Широков,Г.Г. Штумпф, Я. Фармер, О. Якоби и др. [1].Показано, что устойчивость породных обнажений вгорных выработках зависит от многих горно-геологических, горно-технических и технологическихфакторов. Анализ научно-технической литературы по-казал, что недостаточно изучены факторы, влияющиена устойчивость породных обнажений в подготови-тельных выработках и сравнительно слабо обоснованыспособы повышения их устойчивости. В наибольшеймере это касается вопросов повышения устойчивостипородных обнажений на стадии проведения выработок.Настоящая работа направлена на решение вопросаповышения устойчивости породных обнажений в гори-зонтальных горных выработках на стадии их сооруже-ний на основе результатов исследований геомеханиче-ских процессов и разработанных способов и средствуправления ими.Анализ и обобщение состояния горно-подготови-тельных работ и обследования выработок шахт бассей-на показали, что на стадии проходки примерно в 25-30% из них происходят опасные деформации и потериустойчивости породных обнажений, в этом числе 40%из них вне зоны влияния очистных работ и 60% - взоне влияния. Потери устойчивости породных обнаже-ний приводят к снижению скорости проведения выра-боток на 40-45% и увеличению расхода крепежныхматериалов. Кроме того, 35-40% несчастных случаевна горно-подготовительных работах обусловлены по-терей устойчивости породных обнажений и обрушени-ем пород кровли и боков выработок.Одной из основных причин потери устойчивостипородных обнажений и увеличения затрат на их креп-ление, в особенности с углублением горных работ, яв-ляется недостаточная изученность геомеханическихпроцессов в приконтурных породах и обнажениях.Сложность задачи по повышению устойчивости по-родных обнажений в значительной мере определяетсябольшим разнообразием горно-геологических усло-вий - по мощности и углу падения пластов, строению ипрочности вмещающих пород и др.В ходе анализа результатов шахтных наблюдений иматериалов геолого-маркшейдерских служб шахт вы-явлены 4 наиболее характерные формы потери устой-чивости породных обнажений пород кровли (рис. 1).Трапециевидная (рис. 1, а) образуется в основномиз-за малого сцепления между слоями, мощность кото-рых 0,2-0,6 м, прочность пород при сжатии 25-40 МПа.Сводчатая полуциркульная (рис. 1, б) образуется,когда вывал равен или более полупролета выработки,предел прочности пород кровли при сжатии 30-40 МПа, расстояние между трещинами 0,2-0,3 м.Рис. 1. Характерные формы потери устойчивостиРис. 2. Характерные формы обрушения слоистых горных породСводчатая циркульная (см. рис. 1, в) образуется, ко-гда вывал меньше или равен полупролету выработки,породы кровли однородные, разнослоистые, трещино-ватые, предел прочности при сжатии 25-45 МПа, рас-стояние между трещинами 0,1-0,2 м.Параболическая форма вывала (см. рис. 1, г) встре-чается в однородных породах с пределом прочностипри сжатии до 30 МПа, трещиноватых, расстояниемежду трещинами 0,01-0,1 м (более 8 трещин на 1 м).Нами была поставлена задача установить влияниеслоистости на устойчивость породных обнажений в гор-ных выработках. Наблюдения проводились в призабой-ном пространстве горных выработок шахт бассейна(способ проведения комбайновый, площадь поперечногосечения в проходке 10-12 м2, обнажаемая площадь 2-5 м2, глубина расположения выработок 250-320 м, крепьметаллическая трапециевидная из спецпрофиля СВП - 17и СВП - 22, выработки не испытывали влияния очист-ных р абот). В р езультате б ыли в ыявлены х арактерныеформы (см. рис. 2) обрушения слоистых горных пород.Вывалы, вызванные слабым межслоевым контактом,имеют трапециевидную или прямоугольную форму какво фронтальном, так и в профильном сечении (рис. 2).Анализ результатов проведенных натурных наблю-дений показал, что уголь и углистые аргиллиты сильнотрещиноватые и мелкослоистые мощностью менее0,1 м, склонны к самопроизвольному отслаиванию втечение 10-15 мин, остальные горные породы с преде-лом прочности более 60 МПа при площади обнажения5 м2 обрушаются через 35 и более минут.На рис. 3 приведены графики зависимости времениустойчивого состояния породных обнажений кровли впроводимых горных выработках от мощности слоев безугольных прослойков и с угольными прослойками.Рис. 3. Зависимость времени (t) устойчивого состояния породного обнажения от мощности слоя (mсл):1 - кровля сложена слоями алевролитов и песчаников; 2 - кровля сложена слоями алевролитов и песчаниковс включениями прослойки угля мощностью 50-80 ммВ ходе анализа полученных данных с помощью ма-тематической статистики были получены корреляци-онные зависимости для определения времени сохране-ния устойчивого состояния кровли:- сложенной слоями алевролитов и песчаников:61,8 3,8 285,6 t= − mсл+ mсл;- сложенной слоями алевролитов и песчаников свключениями прослойков угля:t=21,03−45mсл+222,5mсл.Коэффициент корреляции для обоих случаев равен0,92.Нами установлено, что в случае, когда прочностьслоев на одноосное сжатие 50-60 МПа и мощность ихболее 0,8 м, породные обнажения кровли сохраняютустойчивое состояние свыше 2 ч. При мощности слоя от0,1 до 0,4 м и прочности пород при сжатии до 40 МПавремя устойчивого состояния сохраняется в пределаходного часа, а при мощности слоев менее 0,1 м, чтообычно характерно для ложной кровли, время их устой-чивого состояния составляет от 10 до 20 мин.Устойчивость породных обнажений пород кровли подвлиянием трещиноватости снижается примерно на 40-50%, что указывает на необходимость детализации еевлияния. В ходе лабораторных исследований выявлено,что подавляющее большинство трещин в породах запол-нено глинистыми, карбонатными, углистыми и другимиматериалами. На поверхности трещин в алевролитахвстречаются тонкие налеты глинистых и известковыхвеществ. Ширина трещин в породах достигает 0,08 м,хотя наиболее часто встречается менее 0,002 м.На рис. 4 приведены результаты исследования зави-симости времени сохранения устойчивого состоянияпородных обнажений в зависимости от расстояниямежду трещинами в породах кровли проводимых гор-ных выработок.Из рис. 4 следует, что в сильнотрещиноватых нару-шенных породах, залегающих в основном над уголь-ными пластами (преимущественно ложная кровля) срасстоянием между трещинами от 0,01-0,2 м, времяустойчивого состояния обычно не превышает 20 мин.Породы слабые, с пределом прочности при сжатии 20-40 МПа, сильнотрещиноватые от 0,3 до 0,5 м, устойчи-вы 0,5-1,5 ч. Массивные трещиноватые породы с рас-стоянием между трещинами 0,6-1 м, предел прочностипри сжатии 40-50 МПа, устойчивы 2-3,5 ч.Рис. 4. Зависимость времени устойчивого состояния природного обнаженияот расстояния между трещинамиВ результате обработки полученных данных с по-мощью методов математической статистики была по-лучена корреляционная зависимость времени устойчи-вого состояния от интенсивности трещиноватости:t= 268JТР −18,6JТ2Р −16,5JТ3Р − 27,3.Коэффициент корреляции равен 0,9.При решении различных задач охраны, крепления иопределении нагрузки на крепь и т.д. требуется диффе-ренцированный подход к оценке прочности пород мас-сива. В наибольшей мере это касается прочности породв случае обоснования устойчивости породных обнаже-ний в проводимых и поддерживаемых горных выра-ботках.Выполненные нами лабораторные испытания проч-ностных свойств включали в себя все литологическиетипы горных пород Кузбасса с учетом основных струк-турно-текстурных элементов их строения (рис. 5).Предел прочности горных пород при сжатии (σсж) вкровле угольных пластов бассейна колеблется: песча-ники от 10-180 МПа, алевролиты от 10-130 МПа, ар-гиллиты 4-20 МПа, каменный угль 7-25 МПа, пределпрочности пород на растяжение (σ′) соответственно1,6-20,8 МПа, 1-10,4; 0,6-3,2 и 1,1-4 МПа [2, 3].Проведенный анализ результатов лабораторных ис-следований показал, что главным образом прочностьпород кровли зависит от вещественного состава, слои-стости, трещиноватости и других макро- и микро-дефектов строения. За счет слоистости прочность по-род кровли пластов снижается в 1,5-4 раза, а за счеттрещиноватости - в 3-15 раз.Наблюдения за влиянием влажности на устойчи-вость пород кровли в призабойном пространстве про-водимых пластовых выработок проводились на отдель-ных шахтах Кемеровского и Ленинского районов.В ходе проведенных исследований было выявлено,что песчаники и алевролиты с преобладанием кремни-стого цемента практически не размокают независимоот времени нахождения в водной среде и коэффициентразмягчения Кр = 0,97 - 1. Аргиллиты, алевролиты,углистые алевролиты и аргиллиты, слабые и нарушен-ные алевролиты при большой влажности в течение 3-9 ч размокают и разрушаются на мелкие кусочки,вследствие чего теряют практически полностью устой-чивость. Коэффициент размягчения для углистых инарушенных алевролитов и аргиллитов прочностьюменее 40 МПа составляет 0,5-0,7.Результаты исследований показали (рис. 5), что пес-чаники на карбонатном цементе при увеличении влаж-ности теряют устойчивость примерно на 5%, алевроли-ты на кремнистом и карбонатно-кремнистом цементе -14%, алевролиты с глинистым цементом - 20 - 30%,аргиллиты - 40-60% и углистые аргиллиты - до 80%.Обобщив результаты проведенных выше исследо-ваний, мы разработали классификацию пород поустойчивости породных обнажений, в основу которойположены: слоистость, трещиноватость, прочностьпород при сжатии, влажность, площадь и время устой-чивого состояния, так как рассматриваемые параметрыоказывают наибольшее влияние на выбор и обоснова-ние технологии проведения горных выработок, выбортипа крепи и т.д.Рис. 5. Зависимость времени устойчивого состояния породного обнаженияот расстояния между трещинамиФактические данные и результаты шахтныхнаблюдений указывают на зависимость устойчивостипородных обнажений от ряда горно-технических фак-торов, в связи с этим в выработках на шахтах Кузбас-са проводились инструментальные и натурныенаблюдения.

Скачать электронную версию публикации