Проблема збереження стійкості виробок, які прилягають до очисних вибоїв, при розробці вугільних пластів постійно знаходиться у центрі уваги вітчизняної і зарубіжної гірничої науки і техніки. Досягнення у розв'язанні цієї проблеми багато в чому визначаються основними дослідженнями ДонУГІ, ВНДМІ, ІГС ім.О. О. Скочинського, ІГТМ АН України, ДГІ, ДПІ, МГІ, ЛГІ та інш. Істотний внесок у дослідження різних аспектів указаної проблеми внесли М.П. Бажин, В.І. Барановський, О.П. Бахтін, В.Т. Глушко, А.С. Діманштейн, М.П. Зборщик, Ю.З. Заславський, К.В. Кошелєв, В. Краммер, С.М. Липкович, Г.Г. Литвинський, О.І. Мельников, А.Л. Селезень, Я. Фармер, Г.Л. Фісенко, І.Л. Черняк, Є.І. Шемякін, Г. Еверлінг, О. Якобі та інші. Зростання глибини розробки і пов'язані з цим погіршення гірничо-геологічних умов постійно висувають нові вимоги, пов'язані з ресурсозбереженням, до охорони пластових підготовчих виробок, які підлягають активному впливу очисних робіт.

Перший розділ роботи присвячений аналізу стану охорони пластових дільничних виробок та досягненням гірничої геомеханіки щодо збереження їх стійкості.

На шахтах Донбасу пластові виїмкові, підготовлюючі виробки становлять відповідно приблизно 50 і 20% від їх загальної протяжності. Умови охорони і підтримки цих виробок ускладнюються із збільшенням глибини розробки (пересічно 8м на рік). Упровадження безціликової технології охорони до кінця сімдесятих років стосувалось здебільшого виїмкових виробок. Підготовлюючі виробки охороняються широкими ціликами (близько 88%). Із зростанням глибини розробки простежується тенденція збільшення ширини охоронних ціликів, що не завжди доцільно з точки зору заощадження. У ряді випадків при пластовій підготовці неминуче застосування охоронних ціликів, отже, виникає потреба зменшення їх ширини і збереження належної стійкості виробок.

У східному регіоні Українського Донбасу відпрацьовуються здебільшого тонкі пологі пласти високометаморфізованого вугілля марок Т, ПА і А, вміщаючі породи яких більш міцні проти пластів нижчого ступеня катагенезу. Згідно з існуючими дослідженнями міцність одних і тих же порід зростає із збільшенням глибини розробки. У таких умовах породи покрівлі у лаві більшою мірою здатні до зависання і мають великий крок обвалення. Якщо у підроблюваній товщі надто міцні шари порід потужністю понад 3м залягають на відстані од пласта менше 5-кратної його потужності, то вони утворюють важкообвалювані покрівлі. Такими в об'єднаннях “Лисичанськвугілля” та “Краснодонвугілля" є пласти відповідно к8 та к2 (марки вугілля Г і К), покрівлі яких являють собою шар надто міцного вапняка. У літературі немає кількісного критерію, яким можна було б схарактеризувати поведінку важкообвалюваної покрівлі стосовно умов Донбасу.

Вперше шахтні дослідження впливу періодичних осідань одношарової важкообвалюваної покрівлі на виїмкові виробки були проведені в кінці сімдесятих років на шахтах Інтинського родовища при розробці вугільних пластів середньої потужності на невеликій глибині. Однак цими дослідженнями повністю не розкритий механізм впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі на стійкість охоронних опор і підготовчої виробки, що прилягає до лави. При цьому як захист підтримуваної виробки від впливу періодичних осідань покрівлі запропоновано спосіб її відсічки зарядами ВР у випереджаючих лаву похилих свердловинах.

Аналіз літератури показав, що відсутні дослідження впливу кута нахилу свердловин на ефективність знеміцнювання порід важкообвалюваної покрівлі.

В.Ю. Кардаков (КГМІ) у шістдесяті роки на неглибоких шахтах Донбасу для охорони виїмкових виробок запропонував застосовувати як захисні опори обмеженої податливості тумби із збірних залізобетонних блоків (БЗБТ). Однак відсутність достатнього геомеханічного обгрунтування механізму взаємодії цих опор з боковими породами в умовах глибоких шахт, особливо при періодичних осіданнях важкообвалюваних покрівель, стримує процес розширення сфери застосування цього способу охорони. Істотною вадою у застосуванні БЗБТ є відсутність засобів механізації для їх установлення. Застосування для охорони виробок литих смуг з тверднучих матеріалів, які майже повністю виключають ручну працю, не вийшло за межі експерименту. При збільшенні інтенсивності проявів гірського тиску на кінцевій ділянці лави, пов'язаної із зростанням глибини розробки, а також періодичними осіданнями важкообвалюваних покрівель, досить проблемним залишається створення швидкотверднучого матеріалу, який забезпечує відповідні швидкість набирання опору та жорсткість литої смуги. Як показали дослідно-промислові випробування, у окремих випадках споруджувані литі смуги, які у період активних зближень бокових порід не досягають необхідних податливості і опору, передчасно руйнувались із втратою стійкості виробки, яка охороняється. Однак не повною мірою вивчені особливості механізму і характеру зміщень бокових порід на кінцевій ділянці лави, де починається формування навантаження на зведені штучні захисні опори. При цьому не досить вивчене питання допустимих величин податливості та опору захисних опор на різній відстані від лави і виробки, що охороняється, які забезпечують функцію різальної опори для обвалюваних покрівель. Немає аналітичних досліджень щодо визначення впливу періодичних осідань важкообвалюваних покрівель на ці захисні опори і виробку, яка охороняється ними.

У гірничо-технічній літературі суперечливою залишається оцінка впливу окремих чинників на інтенсивність зміщення контуру виїмкових виробок. Всі автори потверджують, що із збільшенням швидкості посування лави інтенсивність зміщень контуру знижується, а навантаження на захисні опори постійно зростає. Неоднозначно трактується положення, що на кінцевій ділянці лави зміщення порід менші, ніж у її центральній частині. Такі висновки зроблені за малої кількості чинників, тобто без врахування особливостей проявів гірського тиску у лаві, характеру і тривалості зсування підроблюваної товщі. У натурних умовах не установлені закономірності зміни у часі зближення бокових порід на кромці вугільного масиву, ступінь руйнування порід покрівлі у зоні його природного розвантаження, глибина поширення цієї зони.

Є теоретичні докази, що напружено-деформований стан порід у приконтурній частині вугільного масиву залежить від кроку обвалення порід покрівлі і незмикання її шарів з підошвою. Ці висновки не підтверджуються шахтними спостереженнями і враховують обмежений діапазон умов. При цьому взагалі не приділяється увага питанню зміни у часі довжини завислих прольотів покрівлі.

З огляду на це для розкриття повноти механізму взаємодії опорних елементів з боковими породами за різних способів охорони виробок необхідні додаткові дослідження, які охоплюють умови регіону.

Спосіб охорони пластових виробок проведенням їх вприсічку до виробленого простору успішно застосовується за стовпової системи розробки на неглибоких шахтах і, як правило, на пластах з низьким ступенем категенезу вміщаючих порід (марка вугілля Г і Д). На глибинах понад 700 м навіть за наявності стійких вміщаючих порід (марка вугілля ПА, А) зберегти присічну виробку попереду лави на відстані 30 40 м (у зоні сумарного динамічного опорного тиску) практично неможливо через великі зміщення контуру виробки і повну деформацію кріплення. Якщо присічну виробку проходять услід за лавою, то залишається не досить повно вивченим механізм взаємодії охоронних опор із зруйнованими боковими породами на межі старого і нового вироблених просторів. Зокрема, немає чітких обгрунтувань вибору параметрів розташування присічної виробки, не установлений період її безремонтного підтримування тощо.

Відомі у практиці спроби використати для охорони дільничних виробок способи розвантаження ціликів або приконтурної частини вугільного масиву за допомогою свердловин, щілин, підривання комуфлентних шпурових зарядів ВР, як правило, не справляють позитивного впливу на збереження стійкості підтримуваних виробок. Причина в тому, що наявність малих розвантажувальних порожнин у законтурному просторі виробки не може компенсувати інтенсивних зміщень порід контуру, викликаних впливом очисних робіт.

На підставі викладеного вище сформульована мета роботи і визначені такі завдання дослідження.

1. Вивчити особливості структури, властивостей і обвалюваності порід покрівлі у лавах, установити ступінь і характер впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі на величину навантажень, яку сприймають охоронні конструкції, споруджені з боку лави уздовж підтримуваної пластової виробки.

2. Вивчити закономірності зсувань і зміщень вміщаючих порід на кінцевій ділянці лави при підтримуваній виробці у зоні впливу очисних робіт за змінної швидкості посування очисного вибою.

3. Обґрунтувати модель формування навантажень на споруджені біля пластової виробки охоронні конструкції, за даними натурних спостережень визначити її параметричні характеристики для розробки інженерного методу розрахунку сприйнятих навантажень, в тому числі і з урахуванням періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі.

4. Розробити метод розрахунку параметрів розташування свердловин для торпедування і ефективного знеміцнювання порід важкообвалюваної покрівлі, визначити при цьому раціональні параметри розташування виробок, які проводяться вприсічку до виробленого простору услід за посуванням лави.

5. При охороні з боку лави пластових виробок ціликами вугілля віднайти шляхи і способи розвантаження ціликів від підвищеного гірського тиску, зберігаючи при цьому належну стійкість підтримуваних виробок та істотно зменшуючи експлуатаційні втрати вугілля.

6. Розробити ефективні способи охорони пластових виробок, які зазнають активного впливу очисних робіт, провести їх промислові випробування і впровадження на пологих пластах східного регіону Українського Донбасу.

У другому розділі наведені результати шахтних інструментальних спостережень бокових порід у лавах з важкообвалюваною покрівлею, на кромці вугільного вибою лав після їх остаточної зупинки, а також на кінцевих ділянках лав і у підготовчих виробках, які до них прилягають, для визначення особливостей проявів гірського тиску у вищевказаних виробках і виявлення ступеня впливу основних чинників на їх стійкість. При цьому використані розроблені за участю автора нові методи шахтних вимірювань із застосуванням нівеліра НШТ-1 та фотограмметрії, які дозволяють у сукупності з відомими методами визначити відповідно порізно підняття підошви і опускання покрівлі, зміщення контуру виробки, а також ступінь руйнування відслонених навколо неї порід та вугілля.

На підставі вивчення структури бокових порід пологих вугільних пластів шахт Донбасу установлено, що майже 83 % важкообвалюваних покрівель складаються більше ніж з двох шарів порід, неоднорідних за літологічним складом і міцністю. Неоднорідність будови цих покрівель справляє істотний вплив на періодичність їх осідань у лаві. Виходячи з геомеханічних основ процесу деформації і руйнування відслоненого лавою масиву порід покрівлі у виробленому просторі, зробили висновок, що періодичність цих осідань зумовлена граничною довжиною консолі зависання важкообвалюваних шарів, тобто кроком їх обвалення. Величина цього кроку залежить насамперед від положення центру ваги обвалюваної консолі покрівлі та основних вихідних структурно-міцнісних характеристик шарів, з яких вона складається (потужності і послідовності їх залягання, коефіцієнту міцності та щільності, тріщинуватості порід). Згідно з інтерпретацією будови масиву покрівлі і можливістю тривимірної системи координат пов'язати сукупний вплив вищевказаних параметрів отримана залежність для визначення умовного кількісного критерію обвалюваності порід покрівлі в межах її 20-метрової товщі. Величина цього критерію

, рад., (1)

, ,

, , ,

де коефіцієнт міцності порід у шарі потужністю (м);

щільність їх природної тріщинуватості (м) при n кількості шарів.

Якщо щільність природної тріщинуватості невідома, то критерій обвалюваності покрівлі визначається за аналогією з (1):

, рад. (2)

Обидва ці критерії відображають положення загального центру “ваги" об'ємної з координатами , та (для ) і плоскої фігур та (для ) через кутовий параметр (величина кута між віссю ординат і лінією, яка з'єднує цей центр “ваги" з початком координат). Для важкообвалюваних і вельми важкообвалюваних покрівель тонких пологих пластів Донбасу вказані критерії становлять відповідно 0.1 0.3 та 0.31 0.65; 0.46 0.64 та 0.65 0.82.

Як показує статистична обробка даних, крок періодичних осідань важкообвалюваних покрівель у лаві ( та ) має тісний зв'язок з вищевказаними критеріями по наведених відповідних залежностях:

, м, (3) , м. (4)

Кореляційне відношення та коефіцієнт надійності зв'язків (3,4) відповідно 0.86 та 25; 0.82 та 21.2 На підставі статистичної обробки шахтних спостережень установлено також, що збільшення кута зустрічі між лінією очисного вибою і лінією простягання площини основної природної тріщинуватості порід на 1о дає прирощення кроку періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі в залежності від його величини на 0.12 0.37 м.

Інтенсивність зміщень порід навколо підготовчих виробок, які сполучені з лавою, істотно залежить від зміни швидкості її посування. Натурними спостереженнями встановлено, що різкі перепади швидкості посування лави у межах 1.7 12.6 м / доб. зумовлюють різну динаміку обвалювання покрівлі у виробленому просторі, яка має істотний вплив на динаміку зміщення контуру підготовчої виробки у випереджаючій лаву зоні опорного тиску. З урахуванням добового прискорення посування лави і прискорення зміщень порід у вказаній зоні за певний період часу одним і тим же умовним кутовим знакозмінним параметром отримана оцінка характеру і ступеня впливу швидкості посування лави на активність зміщення порід у прилягаючій до неї виробці. При змінному у максимальних межах вказаному параметрі від 1.55 до + 1.55 рад., коли швидкість посування лави коливається у межах 1.7 12.6 м / доб., середня кутова величина неузгодженості процесів, які розглядаються, становить 0.75 рад. за частості різних знаків параметра 0.53, коли 2.0 7.5м/доб. відповідно +0.16 рад. і 0.21. Це свідчить про те, що за великої швидкості посування лави вплив її на інтенсивність зміщення порід у виробці неоднозначний.

За узгодженого режиму динаміки зміщення порід у підготовчій виробці і посування лінії очисного вибою (однакові знаки параметра) із збільшенням або зменшенням швидкості посування лави швидкість зміщень порід у підготовчій виробці попереду лави відповідно зменшується або зростає, за неузгодженого (знаки різні) навпаки. Величина кутової неузгодженості цих режимів відображає інтенсивність цього заниження або зростання. При великих швидкостях посування очисного вибою та їх перепадах, що викликають гранично неузгоджений режим, охорона виробок штучними захисними опорами через високу інтенсивність зміщення відслонених лавою бокових порід недоцільна як з технічної, так і з економічної точки зору.

Для установлення закономірностей зміщень бокових порід на кінцевих ділянках лави, де відбувається спорудження охоронних опор, а також впливу основних чинників на їх величину, проведені шахтні інструментальні вимірювання за допомогою стояка СУВ-ІІ у 26 лавах за різних умов. При цьому здійснювалось порівняння величин зміщення бокових порід у середній частині лави і її кінцевій ділянці на відстані від прилягаючої до неї підготовчої виробки 1.5 3 м. За пересічними фактичними даними величина зближення бокових порід на вищевказаній ділянці становить

, мм; =, (5)

де опускання покрівлі у середній частині лави (мм) на межі з виробленим простором за ширини привибійного простору (м); та ширина привибійної частини відповідно кінцевої ділянки та ніші (м); ,, коефіцієнти, які враховують відповідно форму сполучення лави у площині пласта, спосіб охорони виробки і схему підривання бокових порід; відношення опору кріплення на кінцевій ділянці лави до опору на решті її частин.

У залежності від поєднання і ступеня впливу вищевказаних чинників на момент спорудження захисних опор зміщення бокових порід на кінцевій ділянці лави можуть бути за величиною меншими, однаковими або більшими, ніж у середній її частині. Аналіз отриманих результатів показав, що для зменшення зміщень порід у місцях спорудження захисних опор з метою підвищення ефективності їх функції як різальної опори необхідне в основному підвищення опору кріплення сполучення, а також застосування менш податливих охоронних споруд за безнішового виймання і повного підривання порід підошви.

Для виявлення зміни опускання покрівлі по всій площі кінцевих ділянок лави проведені шахтні вимірювання її нахилу за допомогою нівеліра НШТ1 та вимірювального стояка СУВІІ. На підставі цього установлено, що ізолінії зміщень покрівлі на кінцевій ділянці лави віддаляються від лінії очисного вибою по кривій, близькій до кола з центром, розташованим приблизно на бісектрисі кута між лініями очисного вибою та кромкою бокового вугільного масиву. Ці спостереження дозволили виявити характер зміни зміщень зависаючих порід покрівлі над кутовою частиною підтримуваного і виробленого просторів, утворених кромкою вугільного масиву та лінією очисного вибою, які перетинаються, що сприяло обгрунтуванню механізму впливу зависаючих порід покрівлі на їх взаємодію з охоронними опорами.

Для визначення характеру зміни навантаження на захисні опори, які споруджені на кінцевій ділянці лави, проводились її шахтні інструментальні вимірювання динамометрами типу 50Д 180 та КД 50. На підставі результатів цих досліджень за різних умов відпрацювання пластів визначено, що навантаження на ці захисні опори після їх установки зростає з відходом лави на 30 80 м, а також при віддаленні захисних опор від кромки бокового вугільного масиву у бік виробленого простору. Згодом відбувається зниження величини цього навантаження в 1.1 1.8 раза до деякої постійної величини за рахунок перерозподілу напружень і деформацій порід навколо підготовчої виробки у часі.

Оскільки стійкість пластової підготовчої виробки, яка охороняється за схемою “захисні опори вугільний масив”, залежить також у часі від стану останнього на кромці, включаючи і бокові породи навколо нього, проведені шахтні інструментальні спостереження за зближенням цих порід у 36 остаточно зупинених лавах за різних умов (коефіцієнти міцності порід покрівлі та вугілля відповідно 4 10 і 1.2 2.4, виймана потужність пласта 0.5 1.8 м, глибина розробки 200 850 м). Періоди спостереження становили від 20 до 50 діб.

Як показала статистична обробка отриманих даних, зближення бокових порід на кромці вугільного масиву у часі () змінюється за нижченаведеною залежністю:

, мм, (6)

де зближення порід покрівлі та підошви через одну добу з моменту їх відслонення, мм; час, доб. Кореляційне відношення зв'язку (6) 0.94. Характерно, що ранг впливу вищевказаних чинників на ці зближення з часом змінюється. Після 20 діб основними з них є глибина розробки та виймана потужність пласта. Приблизно через один рік слід чекати на глибині до 850 м втрату висоти очисної виробки біля її вибою 173 567 мм, що у цьому діапазоні вийманої потужності пласта становить близько 1/3 її величини. При цьому спостерігається екстенсивне відтискання та вивалоутворення вугілля.

Проведені натурні спостереження, які відбивають реальні особливості проявів гірського тиску у лаві і сполученій з нею підготовчій виробці, покладені в основу розвитку концепції взаємодії охоронних елементів з боковими породами під впливом очисних робіт.

У третьому розділі роботи подаються обгрунтування моделі взаємодії бокових порід з охоронними опорами та визначення аналітичним і натурним шляхом її основних параметрів.

Як аналітична модель використана залежність Г.Г. Литвинського, оскільки вона відображає закономірність розподілу нормальних напружень () на рівні розроблюваного лавою пласта як стосовно осі х, перпендикулярної лінії очисного вибою (вісь y), так і у виробленому просторі (від'ємна частина осі x), від величини граничного прольоту зависання покрівлі (Lxy) над цим простором:

, (7)

де геостатичний вертикальний тиск у незайманому гірському масиві.

Виходячи з повної відповідності розрахункової схеми, на підставі якої отримана залежність (7), аналогічній схемі визначення нормальних напружень () щодо кромки бокового вугільного масиву по довжині підготовчої виробки, що збігається з віссю , маємо:

, (8)

де абсолютна величина граничного прольоту зависання покрівлі по осі щодо кромки бокового вугільного масиву (від'ємна частина осі також розташована у межах виробленого простору).

Проліт граничного зависання покрівлі, куди входить також і крок її періодичних обвалень, змінюється у часі і є основним інтегральним параметром, який визначає навантаження як на природну (приконтурну частину бокового вугільного масиву), так і на штучні (охоронні споруди) опори. Зависання порід важкообвалюваних покрівель дає найбільшу частину прирощення напружень у зоні опорного тиску, оскільки величина кроку їх періодичних обвалень, як правило, більша ніж довжина підтримуваної над виробленим простором породної консолі, яка спирається з одного боку на кромку вугільного масиву, з другого на зведені охоронні споруди. На підставі прийнятої моделі навантаження на останні має два основні складники: вагу порід покрівлі навколо підтримуваної виробки на висоту, яка дорівнює висоті їх руйнування у виробленому просторі, та частину тиску шарів покрівлі, що знаходяться вище і прогинаються, і ця частина не компенсована реакцією і жорсткістю кромки вугільного масиву. По суті це узгоджується з натурними проявами гірського тиску в очисній і сполученій з нею підготовчій виробках, раніш установленими інструментальними спостереженнями. Із збільшенням ширини зони природного розвантаження приконтурної частини вугільного масиву до деякої постійної величини проліт зависаючих порід покрівлі зменшується одночасно із зниженням максимуму опорного тиску при його віддаленні вглиб цього масиву.

Для використання формули (8) з практичною метою слід визначити значення ряду вихідних параметрів, що характеризують зональні зміни напружено-деформованого стану бокових порід і пласта навколо приконтурної частини вугільного масиву, сполученого з підготовчою виробкою і такого, що підлягає впливу очисних робіт.

Після інтегрування рівняння (8) отримана формула (9) для визначення нормальних напружень порід на рівні пласта у будь-якому інтервалі їх низхідної гілки опорної зони при ( ширина зони бокового опорного тиску, віддалення його максимального значення від кромки бокового вугільного масиву):

, кН/м2. (9)

Внаслідок математичних перетворень з використанням формули (8), якщо припустити, як це і передбачено залежністю (7), що у межах змінюється за прямолінійною залежністю, можна отримати рівняння для визначення очікуваної максимальної величини коефіцієнта концентрації напружень в опірній зоні бокового вугільного масиву.

, (10)

де ширина зони штучного розвантаження вугільного масиву під впливом очисних робіт, м.

Мінімальна величина прольоту зависання покрівлі становить суму абсолютних величин ширини підтримуваних над підготовчою виробкою і в межах її охоронної смуги ділянок покрівлі, включаючи і довжину консолі її залишкового зависання, а також ширину зони відтискання вугільного пласта.

За даними шахтних фотограмметричних спостережень за зміною щільності техногенних тріщин у породах покрівлі висотою 2 м при проведенні пластової підготовчої виробки на різному її віддаленні від кромки вугільного масиву в умовах глибокої антрацитової шахти установлено, що =14 м (приблизно 10кратна вийманій потужності пласта) за глибини повного відтискання вугілля =2 м (близько 1.3 потужності пласта). На підставі статистичної обробки цих спостережень установлено, що щільність цієї тріщинуватості з віддаленням углиб вугільного масиву в межах зменшується за експоненційною залежністю (ІІ), котра найбільш близька до фактичних даних:

, м-1. (11)

При цьому щільність тріщинуватості порід покрівлі, починаючи від межі зони відтискання пласта, вглиб масиву падає від 22 до 2 тріщин на 1 м.

У таких же умовах за результатами шахтних вимірювань вертикальних зміщень порід уздовж підготовчої виробки, пройденої у виробленому просторі перпендикулярно контуру бокового вугільного масиву, установлено, що ці зміщення при вийманні останнього лавою затухають на відстані від указаного контуру 100 150 м. Отримана величина для тих умов, що розглядаються, становить ширину установленої зони незімкнення порід покрівлі та підошви у вибраному просторі, де на рівні пласта менше вихідного у незайманому масиві.

Грунтуючись на виявлених у шахтних умовах особливостях проявів гірського тиску за періодичних осідань покрівлі, а також характері розподілу зміщень порід покрівлі на кінцевій ділянці лави, з урахуванням прийнятої моделі взаємодії бокових порід з охоронними опорами аналітичним шляхом установлена залежність для визначення додаткового привантаження на 1 м довжини захисних опор, викликаного впливом цих осідань. Найбільш близько ця залежність апроксимується нижче поданою безперервною періодичною функцією:

, кН/м, (12)

де середньозважена об'ємна щільність порід шарів важкообвалюваної покрівлі (кН/м3) потужністю (м); Х абсолютна величина віддалення від лави, м; крок періодичних осідань покрівлі, ( довжина кінцевої ділянки лави, м); та коефіцієнти, які враховують повторювані привантаження у фіксованому місці по довжині виробки, що охороняється (табл.1).

Таблиця 1

Повторювані привантаження на захисні опори слід очікувати при наступних періодичних осіданнях важкообвалюваної покрівлі з кроком понад 20 м, коли > 1.2.

Спираючись на прийняту інтерпретацію формування навантаження на охоронні опори під впливом очисних робіт, а також використовуючи статистичні дані за результатами шахтних вимірювань цих навантажень на захисні опори з БЗБТ у 126 підготовчих виробках шахт Донбасу, отримали емпіричну залежність, яка відображає сукупний вплив основних чинників на максимальну величину цього навантаження на 1 м довжини підготовчої виробки без впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі.

, кН/м, (13)

де

та ширина відповідно неперекритої захисною опорою частини породного уступу, включаючи консоль зависаючих порід безпосередньої покрівлі, і самої захисної опори; і відповідно об'ємна щільність (кН/м3), середньозважений коефіцієнт міцності обвалюваних порід (безпосередньої і основної) покрівлі; виймана потужність пласта; критерій обвалюваності покрівлі; глибина розробки, м; ширина виробки, що охороняється, начорно, м. Величина навантаження не повинна перевищувати граничного опору різальної охоронної опори обмеженої податливості, якою є ряд з БЗБТ.

Експериментально встановлено, що величина податливості захисної опори повинна становити 0.15.

Несуча здатність вузької охоронної смуги залежить також від стійкості породного уступу, утвореного підривкою порід, які вміщають вугільний пласт. На підставі усереднених статистичних даних, отриманих у натурних умовах, допустима ширина цього уступу

, м, (14)

де коефіцієнт міцності порід уступу висотою ; коефіцієнт бокового розпору порід, що дорівнює 0.4 0.8; та коефіцієнти, які враховують втрату міцності породного уступу за рахунок відповідно щільності природної тріщинуватості і напряму її простягання стосовно поздовжньої осі виробки, котрі змінюються у межах 0.5 1; коефіцієнт затухання напружень з віддаленням від опори в покрівлю або підошву, який змінюється від 0.8 до 0.1 на відстані відповідно від 0.4 до 2.8 м. Формули (12, 13, 14) рекомендовані до використання для розрахунку параметрів паспортів охорони виїмкових виробок із застосуванням захисних опор.

Згідно з прийнятою розрахунковою схемою формування навантаження на охоронні опори у різні періоди інтенсивності зміщення бокових порід очікуване залишкове навантаження на захисні опори після затухання цих зміщень без урахування сил опору по площині зсування порід, коли висота склепіння обвалених порід середньої об'ємної щільності , дорівнює сумарній потужності безпосередньої і основної покрівель ,

, кН/м, (15)

де і ширина відповідно виробки начорно та охоронної смуги, включаючи і консоль зависання порід, яке залишилось, щодо останньої, м. Отриману величину , котра менша , рекомендується використати для установлення параметрів можливого часткового витягання захисних опор для їх повторного використання.

Якщо потужність зруйнованих порід покрівлі над виробкою невідома, то її очікувану величину рекомендується визначити за нижченаведеною емпіричною залежністю, отриманою за результатами статистичної обробки натурних спостережень автора та інших дослідників за поширенням тріщин руйнування порід у підроблюваній товщі при різних гірничо-технічних умовах:

, м, (16)

де коефіцієнт пропорційності, який враховує групу катагенезу порід, що дорівнює 0.042 0.07; середньозважений коефіцієнт міцності порід у межах 50 метрової товщі покрівлі; , коефіцієнти штучного розпушення порід відповідно максимальний на межі з площиною їх відслонення і мінімальний при переході порід у позаграничний стан; ( емпіричний коефіцієнт, що залежить від частки вмісту у підроблюваній товщі піщаників та вапняків , =0.120.26); ( та довжина відповідно лави та закладки уздовж неї). Зокрема, для шахт, які розробляють тонкі пологі вугільні пласти на глибині 900 1100 м, слід чекати максимальну розрахункову за формулою (16) висоту руйнування порід покрівлі над лавою, що становить не більше 50-кратної потужності пласта.

Подані емпірико-аналітичні дослідження правлять за вихідну розрахункову базу для розробки ефективних методів розвантаження порід навколо пластових підготовчих виробок, що зазнають впливу очисних робіт способів і засобів їх охорони.

У четвертому розділі наведені дослідження з обгрунтування параметрів попереднього знеміцнювання структурно неоднорідних важкообвалюваних покрівель із застосуванням зарядів ВР у випереджаючих очисний вибій свердловинах, яке дозволяє не допускати їх зависання у виробленому просторі і внаслідок цього локалізує динамічні прояви періодичних осідань цих покрівель у лаві, а також зменшує навантаження на охоронні опори у сполучених з нею підготовчих виробках.

З метою раціонального розташування підривних свердловин щодо напластування порід важкообвалюваної покрівлі, виходячи із розрахункової схеми (рис.1), проведені аналітичні дослідження для визначення впливу кута нахилу цих свердловин на енергетичну дію ударних і відображених хвиль, які поширюються від циліндричного заряду ВР (1). Відносна енергія вибуху, яка припадає на одиницю об'єму породи біля поверхні поділу середовищ 2 3

3. (17)

З урахуванням напружень та , які виникають відповідно від переламаної на межі середовищ 2 3 і відображеної 3 4 хвиль, середні величини відносної енергії вибуху W2 та W1 відповідно при і становлять:

, (18)

, (19)

де хАО поточна координата точки Ао по осі х, м; віддалення заряду ВР у точці А по нормалі до осі свердловини до межі поділу середовищ 2 3, м; W01 середня величина відносної енергії вибухової хвилі у шарі порід 3 при одному її заломленні; і коефіцієнти відображення вибухових хвиль на контакті середовищ відповідно 2 3 і 3 4; і кути відповідно нахилу свердловини до площини поділу середовищ і заломлення вибухової хвилі, град.; і відповідно напруження, що виникає при підриванні циліндричного розряду радіусом , та модуль пружності порід, кН/м2; потужність знеміцнювання шару, м; мінімальне віддалення заряду від межі поділу середовищ, м; інтервал часу між заломленою і відображеною хвилями у точці М, сек.

За формулою (17) визначені відносні величини енергії вибухової хвилі на поверхні поділу середовищ при різному віддаленні заряду від площини контакту породних шарів і куті його нахилу до напластування. Графічна інтерпретація залежності між указаними параметрами подана на рис.2. Перевірка достовірності отриманої теоретичним шляхом закономірності (17) проведена шахтними вимірюваннями об'ємів відкольних воронок, утворених в усті 49 підірваних свердловин передового торпедування при різних кутах їх нахилу (у діапазоні 5 35о) до важкообвалюваного шару порід. При цьому, природно, об'єм відкольної воронки за всіх інших рівних умов залежить від величини витраченої енергії вибуху, котра могла б бути використана для знеміцнювання порід у необхідній їх зоні. За питомої забивки свердловини торпедування понад 0.9 відкольні воронки біля її устя не утворюються. Об'єм воронок при питомій забивці свердловин менше 0.1 і кутах їх нахилу до площини напластування понад 20о в середньому на 36 % більший, ніж при кутах менше 20о. Розрахована за формулою (17) величина відносної втрати енергії вибуху в даному інтервалі кутів нахилу свердловин становить 45 %, що вказує на задовільну збіжність порівнюваних взаємозв'язаних параметрів, отриманих аналітичним і натурним шляхами. Рівняння (1719) з урахуванням фізико-механічних характеристик порід покрівлі рекомендується використати для визначення раціонального нахилу свердловинного заряду ВР і його віддалення від знеміцнюючого шару.

Проведений експеримент щодо знеміцнювання важкообвалюваної покрівлі шаровими свердловинами в умовах пласта кн8 шахти ім. Капустіна об'єднання “Лисичанськвугілля” дозволив попередити шкідливі впливи її періодичних осідань на лаву. При цьому установлено, що максимальний знеміцнюючий ефект вибуху досягається при віддаленні свердловини, пробуреної паралельно важкообвалюваному шару (вапняк потужністю 2.5 3.5 м), на відстані від нього менше 0.5 м, що також підтверджується розрахунковими даними для цих умов.

При розташуванні заряду паралельно напластуванню породи важкообвалюваної покрівлі будуть руйнуватися рівномірно і з найбільш повним використанням енергії вибухової хвилі. Відсічні свердловини теж доцільно розташовувати паралельно поздовжній осі виробки, що охороняється, на контакті з важкообвалюваною покрівлею у площині її розлому.

У п'ятому розділі подані обгрунтування, розробка, лабораторні та шахтні експерименти, промислові випробування і упровадження нових, ефективних способів і засобів охорони пластових підготовчих виробок глибоких шахт.

В основу розробки цих способів і засобів визначення раціональних параметрів і сфери їх застосування, а також дальшого їх удосконалення на базі нових технічних рішень покладені результати проведених автором комплексних досліджень геомеханічних процесів, які впливають на стійкість прилягаючих до лави виробок.

Виходячи з очікуваного навантаження на захисні опори виїмкової виробки і їх віддалення від останньої (формули 12 14), з урахуванням дерев'яної прокладки висотою від =0.5m, а також опірності суцільної охоронної смуги з БЗБТ (табл.2), розроблені технологічні схеми (рис.3) спорудження вказаних збірних конструкцій обмеженої податливості для охорони цих виробок у таких умовах глибоких шахт: потужність пласта, що виймається, не більше 1.6 м, коефіцієнт міцності порід, що контактують з БЗБТ, не менше 4. Цей спосіб охорони широко використовується на шахтах, які розробляють тонкі пологі пласти.

Загальний обсяг виготовлення БЗБТ (за даними 1982р.) становить близько 31 тис. м3 на рік. Основними їх споживачами є шахти Донецької (15.2 тис. м 3) та Луганської (13.55 тис. м 3) областей.

Таблиця 2

А, Б при розташуванні блоків гранями відповідно до ширини 0.5 та 0.4 м до виробки, яка охороняється.

Обсяг упровадження БЗБТ на глибоких шахтах Донбасу становив тільки за 1981 1982рр.29.9 тис. м з фактичним економічним ефектом 730.5 тис. крб., в тому числі частка автора 146.1 тис. крб. (тут і далі у цінах до 1985р.).

Проведені лабораторні випробування нових елементів (замість БЗБТ) шахтного кріплення (ЕШК) розміром 0.4 х 04 х 0.15 м з круглим отвором по центру і пазами на контактуючих поверхнях. ЕШК за своєю масою в 1.3 раза менші, ніж БЗБТ, але границя їх міцності на стискання нижча тільки в 1.2 раза. До того ж економія становить 1.8 крб. на 1 м3 матеріалу. Установлені міцнісні характеристики нових матеріалів для блоків збірних захисних опор, основними компонентами яких є відходи виробництва. Пресовані блоки, виготовлені з деревно-стружкових матеріалів та різних в'яжучих, за масою в 3 5 разів менші, ніж БЗБТ, найбільш ефективно з технічної та економічної точки зору можуть бути використані як захисні опори.

За важкообвалюваних покрівель доцільно застосовувати захисні опори із збірних залізобетонних блоків змінної по довжині опірності і здійснювати за допомогою БПР їх відсічку при розташуванні випереджаючих свердловин у площині розлому порід покрівлі на межі виробленого простору і кромки бокового вугільного масиву (рис.4). При цьому не виключається і шарове розташування відсічних свердловин в цій же площині. Найбільш раціонально витримувати максимальну відстань між групою віялоподібно розташованих відсічних свердловин, як і між охоронним кріпленням посилення, що дорівнює 2/3 кроку періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі.

Для пластових підготовчих виробок розроблений спосіб їх охорони спареними податливими ціликами, заснований на значному розвантаженні порід від напружень у зоні їх пружно-пластичних деформацій і зниження жорсткості цілика шляхом утворення вздовж його безперервної порожнини (розвантажувальної виробки), котра поділяє одинарний цілик на різні за шириною та опірністю частини.