Управлении кровлей и видах крепления

До проходки выработок массив горных пород находится в состоянии напряженного равновесия. Напряженность массива появляется в результате совместного воздействия силы тяжести всего слоя налегающих пород и сил сцепления между их частицами. После проходки выработок равновесие нарушается, возникают силы, действующие в направлении выработок и ничем не компенсирующиеся. Проявление этих сил и называется горным давлением. Величина горного давления и его проявления изменяются в зависимости от условий залегания россыпи (глубины, угла падения и мощности разрабатываемого пласта), физико-механических свойств, температуры и обводненности пород, характера геологических нарушений массива. Горное давление зависит также от формы и размеров выработок, их взаимного расположения и последовательности проходки, порядка отработки шахтного поля, скорости подвигания забоев, способа управления горным давлением и пр.

При разработке россыпей наиболее характерны следующие случаи проявления горного давления.

     1. Кровля весьма неустойчива и склонна к вывалам и обрушениям, практически не допускает обнажений и требует сплошного крепления. Это наиболее характерно для разработки талых россыпей, но иногда имеет место и в тех случаях, когда в условиях мерзлоты кровля представлена слабосцементированными галечниками.

     2. Кровля обрушается после обнажения определенной площади. Такое поведение кровли может иметь место при разработке талых и мерзлых россыпей. Однако площади обнажения, при которых происходит обрушение, различны. Если талая россыпь сложена сухим глинистым материалом, то допустимая площадь обнажения измеряется несколькими десятками квадратных метров. Если же разрабатывается мерзлая россыпь, то площадь обнажения может достигать 2—3 тыс. м². Следует отметить, что размеры площади обнажения также зависят от ее конфигурации.

3. Кровля не обрушается, но по мере подвигания забоя плавно прогибается и на определенном расстоянии от него опускается на почву. Этот случай весьма распространен при разработке многолетнемерзлых россыпей. Интенсивность опускания кровли зависит от площади обнажения и возрастает с ее увеличением.

4. Кровля даже при значительных площадях обнажения не имеет видимых признаков деформации и устойчива неопределенно долгое время. При этом возможно образование отдельных (даже весьма крупных) заколов и отслоений. Такое поведение кровли наблюдается при разработке многолетнемерзлых россыпей, имеющих небольшую ширину при большой устойчивости вмещающих пород.

Вся совокупность мероприятий по регулированию величины горного давления с целью создания безопасных условий труда называется управлением горным давлением. При разработке пластообразных горизонтальных залежей, какими являются россыпи, управление горным давлением чаще сводится к управлению кровлей, так как проявления давления в бортах и почве выработок практически отсутствуют. Способ управления кровлей выбирается в зависимости от свойств пород и характера проявлений горного давления. Различают способы управления кровлей ее поддержанием, обрушением и плавным опусканием. При разработке талых россыпей в основном применяются способы управления кровлей ее поддержанием и обрушением (реже). В случае разработки мерзлых россыпей в основном применяются способы управления кровлей ее поддержанием и плавным опусканием. Способ обрушения кровли применяется редко.

Управление кровлей способом ее поддержания может осуществляться при помощи целиков, возведением искусственного крепления и закладкой выработанного пространства. Возможны различные комбинации (например, крепление и закладка, крепление и целики и др.). Иногда применяются специально намораживаемые ледяные целики.

Управление кровлей способом ее обрушения заключается в том, что по мере увеличения площади обнажения кровля обрушается в выработанное пространство. Обрушение может быть естественным (самообрушение) и принудительным (взрывным способом). Во всех случаях для ограничения площади обрушения кровли используется обрезная крепь, которая представляет собой ряды органной крепи.

Управление кровлей способом плавного ее опускания возможно только в тех случаях, когда кровля способна к такому опусканию, т.е. сложена связными пластичными породами. Интенсивность опускания регулируется установкой рядов деревянной или металлической крепи и скоростью подвигания забоя.

Таким образом, искусственное крепление необходимо при всех способах управления кровлей. Наиболее универсальным способом управления, который применим во всех случаях, является управление кровлей ее поддержанием при помощи крепления.

Формы обрушения кровли и теории горного давления. Природу горного давления наиболее полно объясняют теория проф. М.М. Протодьяконова (применительно к талым россыпям) и гипотеза консольной плиты (применительно к многолетнемерзлым россыпям).

Теория проф. М.М. Протодьяконова основана на принципе образования параболического свода естественного равновесия в кровле выработки, который разгружает крепь выработки от давления лежащих выше пород. По этой теории давление на крепь равно силе тяжести породы внутри параболического свода (рис. 12.2), высота (м) которого определяется по формуле

где а — половина ширины выработки, м; f — коэффициент крепости породы по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Вертикальная нагрузка, Н/м² длины выработки, в этом случае определяется по формуле

где g_п — плотность пород кровли выработки, т/м³.

Теория проф. М.М. Протодьяконова применима при расчете горного давления для подготовительных, нарезных и очистных выработок при ограничении их устойчивыми целиками и разработке россыпей заходками.

Сущность гипотезы консольной плиты состоит в том, что горное давление определяется силой тяжести пород консольной плиты, которая представляет собой весь массив пород, висящий над выработанным пространством. Если сила тяжести пород превысит силу их сцепления, то происходит отрыв консольной плиты от массива. Горное давление по этой гипотезе нарастает пропорционально длине выработки (длине нагруженной консольной балки). Длина периодически обрушающегося пролета называется шагом обрушения. Гипотеза консольной плиты хорошо согласуется с практикой разработки пластичных (глинистых) талых и мерзлых пород широким забоем, когда обнажаются большие площади кровли.

Устойчивость и расчет целиков. Устойчивость целиков при разработке россыпей определяется их способностью поддерживать кровлю в безопасном состоянии в пределах призабойного пространства и сохранять несущую способность при ведении горных работ. Учитывая, что при разработке россыпей часто отсутствует необходимость сохранения дневной поверхности, а потери в целиках должны быть минимальными, расчет целиков производят с запасом прочности, равным единице. В случае разработки небольших шахтных полей запас прочности можно принимать равным 0,7-0,8.

Оценка размеров целиков может быть сделана по методу Турнера, который основан на предположении, что целики несут нагрузку от всей толщи покрывающих пород. Размеры целиков в этом случае должны удовлетворять условию

где s_ц — суммарная площадь целиков, м ; S_paз — суммарная площадь разработки, м²; Н_раз — глубина разработки, м; s_сж — предел прочности пород на сжатие, МПа.

По акад. Л.Д. Шевякову, размеры целиков должны соответствовать условию

где Н' — глубина от земной поверхности до верхней части опорного целика, м; h ' — высота опорного целика, м; s' — площадь горизонтального сечения опорного целика, м²; S ' — площадь горизонтального сечения горных пород, приходящаяся на один целик, м²; q_cp — средняя плотность лежащих выше пород, г/м³; q₁— плотность пород опорного целика, т/м³; п_зап ~ коэффициент запаса прочности. Для предельного случая имеем

Пусть А — ширина камеры, l_ц— ширина целика (рис. 12.3). Тогда из уравнения (12.1) получим формулы для определения ширины целиков.

Для ленточных (сплошных) целиков

откуда

Для квадратных целиков

откуда

Для целиков длиной l_ц

откуда

Крепление и требования к нему. При разработке россыпей для крепления горных выработок в основном применяется деревянная, а в отдельных случаях бетонная или металлическая крепь. В талых породах используются валуны в качестве закладочного материала или для создания искусственных целиков.

Для деревянной крепи в северных районах используются хвойные породы деревьев (лиственница, сосна, ель). Характеристика пород деревьев, используемых для изготовления крепи, приведена в табл. 12.4. Широкое применение деревянной крепи объясняется ее небольшой стоимостью и продолжительным сроком службы. Из круглого леса делаются крепежные рамы (для крепления горизонтальных, наклонных, камерных выработок), накатник для перекрытий, венцовая крепь вертикальных стволов и шурфов прямоугольного сечения. Верхняки, подхваты и венцы делаются чаще из лиственницы, а стойки, подхватные столбы, расколоты — из сосны или ели. В условиях Северо-Востока страны все элементы деревянного крепления делаются из даурской лиственницы.

На талых россыпях с крайне неустойчивой кровлей горных выработок обычно применяют костровую крепь, которая представляет собой кругляк (крепежник), уложенный продольными и поперечными прерывистыми (рис. 12.4, б) или сплошными (рис. 12.5) слоями вкрест друг другу до упора с кровлей, что создает ей относительно более высокую степень противостояния обрушению.

Таблица 12.4

Для крепления применяются также пиломатериалы из тех же сортов древесины. Длина пиломатериалов из хвойных пород 1—6,5 м, а из лиственных 1—4,5 м. Доски имеют толщину 25—50 мм и ширину 150—300 мм. Они применяются для затяжки боков и кровли выработок, изготовления полков и настилов, обшивки людских ходков и перемычек. Брусья применяются для армировки стволов, а также для крепления вертикальных стволов, шурфов, гезенков и наклонных выработок прямоугольного сечения. Обаполы (горбыль) применяются для затяжки боков и кровли выработок, а также устьев наклонных шахт.

Для защиты деревянной крепи от возгорания ей придаются огнезащитные свойства путем пропитывания специальными составами (антипиренами) или покрытия огнезащитными пастами и красками. Допустимые сопротивления нагрузкам пород деревьев, используемых для крепления, приведены в табл. 12.5.

Таблица 12.5

Бетонное крепление при разработке россыпей применяется очень редко. Однако в некоторых случаях необходимость в нем возникает. Так, может возникнуть необходимость закрепить бетоном устье наклонного ствола или околоствольные выработки.

В рудничном креплении применяются жесткие бетоны марок 100, 150, 200. Для получения бетона марок 100, 150, 200 рекомендуется применять марки цемента соответственно 200—300, 250— 400, 400—500. Водонепроницаемость бетона достигается путем ввода в него раствора хлорного железа (6—12 л на 1 м³ бетона). В случае крепления бетоном выработок, где температура воздуха и горных пород отрицательна (например, при разработке многолетнемерзлых россыпей), возможны следующие способы бетонных работ: бетонирование с противоморозными добавками и по методу термоса, электропрогрев уложенного бетона и предварительный электроразогрев бетонной смеси. В качестве противоморозных добавок применяются NaCl (хлористый натрий), СаСl₂ (хлористый кальций), NaNО₂ (нитрит натрия), К₂СО₃ (поташ). Общее количество вводимых в бетонную смесь солей колеблется от 1,5 до 15 %массы цемента. Применение бетона с противоморозными добавками NaCl, СаСl₂, NaNO₂ допускается при температуре не ниже минус 15 °С, а с поташем — не ниже минус 25 °С.

Метод термоса заключается в укладке бетона в утепленную опалубку, защищающую его от быстрого остывания и замерзания до момента приобретения им прочности не менее 5 МПа. По методу термоса бетон можно укладывать в тепляках или в шатрах, которые обогреваются. Без дополнительного обогрева метод термоса применяется преимущественно для массивных конструкций.

Метод электропрогрева. Электропрогрев бетона осуществляется путем включения бетона (как сопротивления) в цепь переменного тока с помощью стальных электродов, располагаемых внутри прогреваемого бетона или на его поверхности. Электропрогрев ведется при напряжении 36—220 В. Продолжительность электропрогрева колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Расход электроэнергии 90—120 кВт-ч на 1 м³ бетона.

Предварительный электроразогрев бетонной смеси находит широкое применение. Сущность метода состоит в разогреве бетонной смеси до 70—85 °С непосредственно на строительной площадке с немедленной укладкой горячей бетонной смеси в опалубку. Бетонная смесь разогревается в бункере, оборудованном пластинчатыми электродами. Разогрев ведется при напряжении 110—380 В. Продолжительность электроразогрева 5—20 мин. Расход электроэнергии 40—60 кВт-ч на 1 м³ бетона. При зимнем бетонировании используются также цементы быстротвердеющий, особо быстротвердеющий или высокоэкзотермичный (например, глиноземистый).

Используются также комбинированные способы защиты бетона от мороза (метод термоса в сочетании с противоморозными добавками или электроразогревом, электропрогрев в сочетании с противоморозными добавками и др.).

Металлическое крепление. Металлические стойки иногда применяются для крепления выработанного пространства при разработке многолетнемерзлых россыпей с управлением кровлей плавным ее опусканием (см. рис. 12.4). В этом случае в призабойном пространстве возводится несколько рядов стоек (2—3 ряда), которые переносятся вслед за подвиганием забоя. Расстояние от первого ряда стоек до забоя не менее 7,5 м и не более 12 м. На первый ряд стоек навешивается специальный экран для предотвращения разлета кусков породы при взрывных работах.

Анкерное крепление до сих пор применялось при разработке многолетнемерзлых россыпей в порядке эксперимента для крепления кровли призабойного пространства. Применение этой крепи возможно при отслоении кровли небольшой мощности (до 1 м). Анкерное крепление может обеспечить большую устойчивость кровли, не загромождая выработок и не мешая работе оборудования. Минимальная длина анкеров 1,4 м. Анкеры могут применяться как металлические, так и деревянные с замками различной конструкции. Применение анкерного крепления в данных конкретных условиях возможно лишь после изучения свойств кровли и проведения специальных экспериментов.