Анализ выполненных расчетов позволяет сделать следующие выводы.
1. Предложенная расчетная схема отвечает физической сущности решаемой задачи. Под действием внешней нагрузки возникает предельная (гидростатическая) область, которая выполняет функцию призмы активного давления. Напряжения, возникшие в области АВС (рисунок 2б), стремятся сдвинуть призму упора (ABLF) в направлении выработанного пространства. При некотором значении r (расстояние от верхней бровки уступа до отвала), которое может быть вычислено по формуле (5), выполняется условие равенства удерживающих и сдвигающих сил, действующих вдоль линии скольжения AF — условие предельного равновесия. Таким образом, для обеспечения устойчивого состояния рассматриваемой системы расстояние от верхней бровки уступа до отвала должно быть не менее полученного значения.
2. Выполненные расчеты и построенные на их основе графики (рисунок 3) показывают достаточно высокую сходимость обоих методов. Для рассмотренного примера значение r = 68 м при внешней нагрузке q = 0,3 МПа, что соответствует нагрузке от отвала высотой 15 м, совпадает по двум методам. Расхождения становятся более существенными при малых и больших нагрузках. Особенно важными являются решения при малых нагрузках, когда внешний отвал располагается достаточно близко к верхней бровке уступа. Так, например, при внешней нагрузке q = 0,1 МПа (отвал высотой 5 м) величина r по методике [1] составляет 15 м, а по способу ГНС — 30 м. Такое расхождение, на наш взгляд, связано с тем, что областью применения метода многоугольника сил являются откосы в прочных и трещиноватых скальных и полускальных массивах, имеющих выраженную блочную структуру, где метод дает точные и надежные результаты. Деформирование пластических глинистых массивов имеет свои особености, и метод многоугольника сил в этих условиях может давать существенные погрешности.
r, м
q, МПа
Рисунок 3 — Графики зависимости отстояния отвала от верхней бровки уступа от величины внешней нагрузки
3. Выполненные численно-аналитическим способом П.С. Шпакова поверочные расчеты устойчивости системы «борт-отвал» для однородного массива по круглоцилиндрической поверхности скольжения показали, что при q = 0,1 (отвал высотой 5 м) и ширине площадки r = 15 м коэффициент запаса устойчивости составит n = 0,915, следовательно, данная система неустойчива и произойдет её обрушение. При увеличении ширины площадки до 30 м, в соответствии с предложенным решением, коэффициент запаса составит n = 1,093, система находится в устойчивом состоянии.
4. Для условий верхнего глинистого уступа на карьере № 6 Восточно-Аятского месторождения бокситов АО «Алюминий Казахстана» при высоте внешнего отвала 15 м необходимое отстояние от верхней бровки должно составлять не менее 100 м с учетом коэффициента запаса nз = 1,3, компенсирующего погрешности определения исходных данных и возможное увеличение влажности пород массива.
Одним из экономически оправданных способов крепления горных выработок угольных шахт становится применение сталеполимерных анкеров. Обеспечение устойчивости выработки осуществляется за счет упрочнения в пределах свода слоистых пород кровли механической связью контура выработки с частью приконтурного слоя вмещающего массива.
Существенными факторами, определяющими изменение закономерностей проявлений горного давления, являются непрерывный рост глубины разработки угольных месторождений и вовлечение в эксплуатацию участков со сложными горно-геологическими условиями. В настоящее время средняя глубина разработки угольных пластов в Карагандинском бассейне достигла 550-650 м. Увеличилось количество шахтопластов с неустойчивой (42 %) и труднообрушаемой (27 %) кровлей и геологическими нарушениями (55 %).
Важной проблемой при подготовке фронта очистных работ является обеспечение устойчивости подготовительных выработок на весь период их эксплуатации, особенно при выемке пластов на больших глубинах. Существующая тенденция применения бесцеликовой технологии отработки пластов требует изыскания надежных средств охраны подготовительных выработок, в первую очередь, примыкающих к очистному пространству.
Возможность эффективного применения анкерной крепи определяется целым рядом факторов, связанных с условиями залегания, особенностями технологии разработки, а также с самой технологией анкерного крепления.
Влияющими горно-геологическими факторами при этом являются: глубина залегания (что определяет величину вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления); мощность пласта; угол залегания пласта; свойства вмещающих пород. К горно-техническим факторам отнесены: расположение подготовительных выработок относительно очистных забоев и порядок с последовательностью их использования; требуемая форма и размеры поперечного сечения выработки.
Природные факторы включают геологические, тектонические и гидрогеологические условия, которые характеризуются залеганием угольного пласта (мощность, строение и степень метаморфизма) и свойствами вмещающих пород (непосредственной и основной кровли и почвы пласта), а также гранулометрическим и вещественным составами слагающих зерен и цементирующих их веществ, показателями сопротивления их сжатию, растяжению или сдвигу, нарушенностью и водообильностью, устойчивостью отдельных слоев пород.
Проявления технологических факторов обусловливаются глубиной разработки, направлением и скоростью подвигания подготовительных забоев, способами проведения и охраны, видами крепи и технологической схемой крепления горных выработок.
Основными видами деформаций горных пород являются: обрушение, высыпание, выдавливание, куполение, отжим угля, выбросы угля и пучение пород почвы.
Факторами, влияющими на возможность применения анкерной крепи в подготовительных выработках, являются: прочность закрепления анкеров во вмещающих породах; размеры области опасных деформаций пород вокруг выработок; величина смещения пород кровли, боков за срок службы выработки и предельная величина безопасного смещения (опускания) закрепленных анкерами пород кровли в выработке за срок ее службы. По мере увеличения глубины разработки наблюдаются различные виды деформаций вмещающих пород и угля, которые обусловливаются сочетанием различных факторов. Все виды деформаций определяются изменением естественного напряженного состояния пород при проведении выработок. Они могут проявляться в результате влияния природных и технологических факторов в определенных местах.
В связи с переходом к разработке угольных пластов на глубоких горизонтах, увеличению концентрации горных работ и повышению нагрузки на очистной забой возрастают требования к надежности эксплуатации подготовительных выработок. Схема образования вокруг выработки областей с различным напряжённым состоянием пород представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Схема образования вокруг выработки областей с различным напряжённым
состоянием пород:
I — область массива, не испытывающая влияния
выработки; II — область упругих деформаций;
III — область неупругих деформаций; IV — область разрушения пород вокруг выработки
Для оценки интенсивности горно-физических процессов, происходящих в массиве горных пород от влияния очистных работ, произведено физическое моделирование напряженно-деформированного состояния на эквивалентных материалах для условий пласта к7 шахты им. Т. Кузембаева. Экспериментальные исследования на плоской модели из эквивалентных материалов (рисунок 2) производились на стенде размерами: длина 1,5 м, ширина 0,22 м, высота 2,0 м. Высота модели при масштабе 1:200 составила 0,9 м, остальная часть нагрузки заменялась искусственным пригрузом.
Моделирование производилось на основе песчано-парафино-слюдяных смесей. Для измерения величины и выявления характера распределения опорного давления применялись деформометры Д-2. Толщина измерительной пластинки выбиралась в соответствии с ожидаемыми нагрузками и жесткостью эквивалентного материала. Пластинки изготавливались из стали Ст-5 (30х15х1)·10-3м. На измерительную пластинку наклеивались проволочные электротензометры типа 2ПКБ-20-100 с базой 0,2 м и сопротивлением 100,3 Ом. С помощью тензометров измерялся прогиб пластинок. Показания регистрировались электронным многоточечным мостом ИИД-3. Давление на границе с выработанным пространством составило 7,7 МПа, а вышележащих пород на уровне пласта — 0,025 МПа. Частота установки реперных марок для измерения перемещений вышележащих слоев составляла 0,025х 0,025 м в модели, что соответствовало в натуре 5х5 м.
а
б
в
г
Рисунок 2 — Физическое моделирование
геомеханических процессов при проведении
и поддержании выемочных выработок:
а — общий вид модели; б — деформационный процесс в пределах выемочного столба; в, г — деформации во вмещающих породах до и после прохода лавы
Смещения пород кровли и почвы продолжались в течение всего времени наблюдений. Уменьшение высоты выработки составляло около 1000 мм, сближение боков — 360 мм. Сближение кровли с почвой обусловливалось как смещением пород кровли, так и смещением почвы — в одинаковой степени. При этом около 70 % смещений определялось расслоением приконтурной толщи (около 2 м).
На участке с применением усиленной крепи первоначально наблюдалось интенсивное смещение пород кровли и почвы. После достижения заданного сопротивления крепи сближения пород и почвы практически не отмечалось. Уменьшение высоты составило 600 мм, а сближение боков выработки — 120 мм.
В зоне влияния очистной выемки отмечались существенные изменения в динамике интенсивности роста смещений. Уменьшение высоты выработки составило 920 мм, в то время как на участке с усиленной крепью — 300 мм. Расслоение приконтурной толщи продолжало увеличиваться.
Значения деформаций вне зоны и в зоне влияния очистных работ приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы, на участках с усилением крепи величина сближения пород почвы и кровли уменьшилась в 1,5-3 раза, а величина сближения боков выработки — в 2,5-3 раза.
Сопротивление крепи влияет на деформирование слоев и выражается в сжатии слоев, расположенных ближе к контуру выработки. Применение крепи более высокого сопротивления препятствует росту общих смещений контура выработки, так как она ограничивает развитие деформаций ползучести в глубине массива из-за уплотнения слоев у контура выработки. При этом уплотненные слои создают в вышележащих слоях напряженное состояние, близкое объемному. Влияние крепи на смещение пород кровли и боков выработки наиболее сильно проявляется на участке выработки за зоной влияния очистных работ.
Полученные результаты позволили установить возможность уменьшения в 2-3 раза величины смещений пород в выемочных выработках пласта путем повышения сопротивления крепи с 3-4 до 15-20 т/м2. Крепь должна немедленно включаться в работу во время проведения выработки за счет установки крепи усиления с отставанием от забоя выработки не более чем на 7-10 мм.
Эпюры контактных давлений, действующих на арочную крепь, представлены на рисунок 3.