Способы управления горным давлением

Процессы перераспределения напряжений с образованием вокруг контура выработки различных зон обрушений пород раз­виваются во, времени с разной скоростью в зависимости от горно-геологических условий: состояния пород, степени трещиноватости, глубины заложения выработки и ее размеров. При хрупкой горной породе и большой величине действующих на контуре напряжений (особенно при наличии тектонических про­цессов) возможно внезапное взрывообразное разрушение по­верхностей обнажений – горные уда­ры. Горным ударам иногда сопутствует отскок от плоскостей обнажения различных по размерам частей породы с большой скоростью — «стреляние» пород.

При большой пластичности пород и неустойчивом состоянии контура выработки иногда происходит медленное течение пород внутрь выработки без заметного разрушения сплошности мас­сива.

Совокупность сил, действующих в массиве вокруг горных выработок, принято называть горным давлением. В более уз­ком понимании горным давлением называют давление горных пород, окружающих выработки, на горную крепь.

Горное давление проявляется в разных формах, главными из которых являются деформации боковых пород, их обруше­ние, деформации и разрушение крепей, горные удары, пучение и др. Характер проявлений горного давления зависит от многих факторов: физико-механических свойств массива горных пород, их трещиноватости, формы и размеров подземных выработок, глубины их заложения, срока службы, наличия или отсутствия крепи и др.

Для охраны горных выработок от обрушения и безопасного ведения горных работ в них намечают мероприятия по регули­рованию проявлений горного давления, которые обычно назы­вают мероприятиями по управлению горным давлением. Эти мероприятия сводятся к выбору крепи и рациональных способов крепления выработок, а также проведению специальных мер по предупреждению массовых обрушений боковых пород в очист­ные выработки, предотвращению горных ударов и внезапных выбросов угля и газа. Для охраны капитальных и подготови­тельных выработок глубоких шахт перед постановкой крепи окружающий выработку массив иногда упрочняют различными специальными способами для повышения устойчивости пород­ных обнажений и крепи выработок.

По условиям поддержания выработки подразделяют на две основные группы:

- Первую составляют выработки, находящиеся вне зоны влияния очистных работ.

- Вторую группу составляют выработки, находящиеся в зонах опорного давления и сдвиже­ния пород выработанных пространств, создаваемых в резуль­тате выемки рудных тел или угольных пластов.

Известны следующие способы управления горным давлением для охраны выработок глубоких горизонтов:

1. использова­ние естественных горно-геологических условий;

2. снижение дей­ствующих напряжений в массиве пород, окружающих выра­ботку;

3. использование рациональных конструкций крепей;

4. упроч­нение пород;

5. применение современной рациональной технологии сооружения выработок.

1. Использование естественных горно-геологических условий для охраны капитальных выработок сводится к размещению их в прочных породах и расположению вкрест простирания пород. Опыт показывает, что выработки, пройденные вкрест простира­ния пород, имеют значительно большую устойчивость по срав­нению с выработками, пройденными, по простиранию.

Подготовительные выработки лучше проходить вне зоны влияния очистных работ или в обширных зонах разгрузки, кото­рые образуются над и под очистными выработками больших размеров.

2. Снижение напряженного состояния массива горных пород сводится к его подработке посредством выемки расположенного над массивом пласта. Напряжения в горном массиве в этом случае понижаются, что сказывается на повышении устойчи­вости выработок, расположенных ниже пласта. Иногда делают специальную разгрузку массива путем образования в нем вер­тикальных или горизонтальных щелей взрывными скважинами.

3. Управление горным давлением с использованием рациональ­ных конструкций крепей заключается в выборе и возведении для конкретных горно-геологических условий жестких или по­датливых видов крепей. Этот выбор производится при условии, что заранее известна величина смещений породного контура выработки.

4. Эффективным способом повышения устойчивости выработок в слабых и трещиноватых породах на глубоких горизонтах яв­ляется упрочнение массива способом тампонажа. Применение этого способа способствует восстановлению естественной проч­ности массива, а иногда и искусственному повышению его проч­ности. Наибольшее распространение получили механический (анкерная крепь), термический (замораживание) и физико-хими­ческий (цементация, химическое укрепление) способы упрочнения пород.

4.1. Анкерную крепь как средство упрочнения горных пород ши­роко применяют в угольной и горнорудной промышленности. Наибольший эффект достигается после нагнетания раствора в массив через шпуры с последующей установкой железобетон­ных анкеров.

4.2. Упрочнение горных пород способом замораживания приме­няют в основном при проходке вертикальных стволов в сильно обводненных породах. Это наиболее трудоемкий и дорогостоя­щий способ охраны выработок в период проходки.

4.3. Для обеспечения и повышения устойчивости капитальных выработок, пройденных в слабых легкообрушающихся породах, в последнее время применяют на шахтах Донбасса упрочнение пород посредством тампонажа (цементации) горного массива. Вокруг выработки, таким образом, создается прочная породная оболочка, способная выдержать значительное горное давление.

5. Управление горным давлением путем применения рацио­нальной технологии включает следующие способы:

- применение контурного взрывания, или комбайнового спо­соба проведения;

- проведение выработок в два этапа;

- возведение жестких крепей с отставанием от проходческих работ;

- последо­вательное ведение проходческих работ в выработках, распо­ложенных параллельно;

- забутовка (заполнение) пустот между крепью и породным обнажением.

5.1. Применение контурного взрывания, или комбайнового спо­соба проходки, способствует снижению коэффициента концент­рации напряжений на контуре выработки в 2—3 раза по срав­нению с обычным буровзрывным способом проходки. Неровности контура за крепью обычно создают сосредоточен­ную нагрузку на крепь, вызывающую ее деформацию и разру­шение.

5.2. Сущность способа двойной проходки выработки заключается в проведении передовой выработки с временной податливой крепью и последующим расширением ее до проектных разме­ров. Расширение выработки до проектных размеров произво­дится с отставанием во времени на 2—3 мес с одновременным возведением постоянной жесткой крепи. Такой способ проведе­ния способствует постепенному снижению напряжений в зоне неупругих деформаций и лучшей сохранности крепи выработки. Этот способ применяется в Донбассе.

5.3. Возведение жестких крепей с отставанием от проходческих работ на 1—4 месяца способствует тому, что за этот период реа­лизуется 50—80 % конечных смещений породного контура и крепь не разрушается. В слабых трещиноватых и обводненных породах, где смещение пород носит незатухающий характер, возведение жесткой крепи ведут с отставанием в 1,5—2 месяца от проходческих работ. При длительных перерывах в проходческих работах постоян­ная крепь должна отставать от забоя на 15—20 м, так как за­бой выработки сдерживает проявление смещений пород только на расстоянии 10—15 м. Время и место возведения податливой крепи не оказывают существенного влияния на устойчивость выработок при условии совпадения направлений податливости и наибольших смещений пород.

5.4. Существенное влияние на устойчивость капитальных выра­боток оказывают их взаимное расположение и последователь­ность проходческих работ. Практика показывает, что большая изрезанность массива пород в пределах околоствольных дворов является одной из причин разрушения крепи. Так, при располо­жении выработок на относительно небольшом расстоянии одна от другой коэффициент концентрации напряжений на контурах увеличивается в 1,2—1,5 раза. На основе наблюдений уста­новлено, что взаимное влияние выработок в породах с коэффи­циентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова f = 3÷8, пройденных на, глубинах 600—1000 м, исключается, если расстояние между ними не менее 15—20 м (для глубин 600 м) и не менее 20—50 м (для глубин 1000 м). Меньшие рас­стояния между выработками относятся к породам с f = 8. Если невозможно выдержать эти расстояния между выработками, то параллельные выработки должны провериться одновременно с последовательным ведением в них проходческих работ.

5.5. Для снижения и более равномерного распределения горного давления на крепь существенное влияние оказывает забутовка пространства за крепью выработки. Правильный выбор вида забутовки и ее параметров значительно способствует улучше­нию условий работы крепи.