II. Технологические характеристики вмещающих пород и угольного пласта

II. Технологические характеристики вмещающих пород и угольного пласта

 

Сдвижение массива при выемке угля

 

Очистные работы вызывают деформации пород кровли, которые проявляются в виде ее обрушений и разломов, образования трещин и опускания без разрыва сплошности. При больших размерах выра­ботанного пространства процесс сдвижения достигает поверхности. Вначале разрушаются породы непосредственно над пластом, а затем, с развитием выемки, происходит облом вышележащих слоев пород кровли.

В подработанной толще в направлении вверх от выработанного пространства можно выделить три зоны, характеризующиеся разной степенью нарушенности горных пород: обрушения, прогиба с нарушением сплошности слоев в виде трещин и плавного прогиба без нарушения сплош­ности слоев.

В зоне обрушения несвязное сдвижение отдельных кусков и бло­ков породы периодически повторяется по мере подвигания очистного забоя. При большой площади обнажения высота этой зоны составляет 2—4 мощности пласта. При управлении кровлей полной закладкой выработанного пространства зона обрушения может отсутствовать. Одновременно со сдвижением пород перераспределяются напряже­ния в массиве с образованием зон повышенного (опорного) давления и пониженного давления (разгрузки). Увеличение напряжений обусловлено зависанием слоев горных пород над выработкой и пере­дачей части веса зависающих пород на неподработанный массив.

Слои горных пород над и под очистной выработкой разгружаются от горного давления.

По характеру деформирования слоев горных пород и причинам, вызвавшим сдвижения, в подработанной толще можно выделить три характерные зоны (рис. II.1): I — полных сдвижений (разгрузки); IIа, II6 — наибольшего прогиба; IIIa и IIIб — сжатия пород (опорного давления).

Зона I ограничивается линиями, проведенными от границ выра­ботки под углами полных движений y₁ и y₂, однако вблизи отра­ботанного пласта контур этой зоны не доходит до границ выработки. В пределах этой области находится зона обрушения 4. На участке СОД после окончания сдвижения породы занимают положение, параллельное первоначальному.

Зоны опорного давления IIIa и IIIб распространяются от гра­ниц сдвижения подработанного массива ЛБ и МЗ до линий ВГ и EK, проведенных через границы выработки. Между зонами полных сдвижений и опорного давления расположены зоны наибольшего прогиба пород IIa и IIб.

В породах почвы пласта образуются зоны опорного давления IVa и IV6, разгрузки VI и неравномерных поднятий Va и V6.

В зонах опорного давления породы сжимаются (эпюры 1), а в зоне разгрузки расширяются (эпюры 2) в сторону выработки.

Внешняя огибающая перечисленных зон образует контур влия­ния горной выработки АЛБИЗМЖ. Часть массива в области влияния

Рис. II.1. Схема сдвижений массива пород при очистной выемке

 

очистной выработки, расположенная над пластом, называется подработанной, под пластом — надработанной. Соответственно этому различают, например, зоны разгрузки при подработке и при надработке.

 

 

Основные технологические свойства массива пород

 

Сдвижение массива пород при очистной выемке и сопутствующие ему физические процессы обусловлены сложным взаимодействием множества факторов, характеризующих поведение массива, и в зна­чительной мере зависят от технологии ведения работ. Один и тот же горный массив может вести себя различно при отработке пластов длинными или короткими забоями, при широкозахватной и узко­захватной выемке, при различных скоростях подвигания очистных забоев и способах управления кровлей и т. д.

Совокупность свойств массива горных пород, определяющих его поведение при воздействии горных работ, называют технологи­ческими свойствами. Основные из них: устойчивость, слоистость, трещиноватость, обрушаемость и управляемость.

Сочетания различных технологических свойств массива исключи­тельно многообразны и определяют выбор технологии горных работ и их эффективность.

 

 

Классификация горных пород по слоистости

	Толщина слоя, м
Весьма тонкослоистые	Меньше 0,2
Тонкослоистые	0,2—1
Среднеслоистые	1—3
Крупнослоистые	3—10
Весьма крупнослоистые	Больше 10

 

 

Трещиноватость горных пород

 

По своему происхождению трещины разделяются на:

эндогенные, являющиеся результатом усадки вещества и разрыва его в процессе диагенеза;

экзогенные, являющиеся результатом нарушения равно­весия естественно сложившегося массива на более поздних стадиях его истории в результате воздействия тектонических процессов;

трещины от горного давления, обусловленные техноло­гической деятельностью человека в недрах земной коры и вызванные нарушениями естественного состояния массива в областях, где широко ведутся горные работы.

Устойчивость пород в горных выработках в значительной сте­пени зависит от трещиноватости. В известняках расстояние между трещинами в 2—10 раз превышает мощность пластовой отдельности. В мелкозернистых песчаниках в 78% случаев расстояние между тре­щинами превышает мощность пластовой отдельности в 1—3 раза, а в

20% случаев — в 3—10 раз. В крупнозернистых песчаниках в 92% случаев расстояние между трещинами превышает мощность пластовой отдельности в 1—3 раза. В песчанистых сланцах во многих случаях расстояние между трещинами близко к мощности слоя. Наибольшей трещиноватостью характеризуются глинистые породы, в которых расстояние между трещинами часто бывает меньше мощ­ности пластовой отдельности.

Трещины характеризуются протяженностью и шириной раскры­тия. При ширине раскрытия менее 0,5 мм их называют волосяными, при раскрытии от 0,05 до 2 мм - очень тонкими, при ширине от 2 до 10 мм - миллиметровыми, от 10 до 100 мм - сантиметровыми и от 100 до 1000 мм - дециметровыми.

Естественно, что устойчивость породы в значительной степени зависит от густоты трещин, которая определяется числом трещин на 1 м².

В зависимости от степени трещиноватости различают горные породы:

нетрещиноватые;

слаботрещиноватые - с одной системой трещин при расстоянии менаду ними более 1 м;

среднетрещиноватые - с двумя системами взаимно пересекающихся трещин при расстоянии между трещинами более 1 м;

сильнотрещиноватые - с несколькими системами взаимно пересекающихся трещин при средней частоте расположения трещин до 0,5м;

весьма сильнотрещиноватые - с несколькими системами трещин, расположенных на расстоянии менее 0,2 м одна от другой.

Устойчивость пород кровли очистного забоя в большой степени зависит от угла, образованного линией очистного забоя с направле­нием основной трещиноватости. Этот угол называют углом встречи. Одни и те же породы, слагающие кровлю, в зависимости от величины угла встречи могут быть устойчивыми или неустойчи­выми. Это объясняется тем, что сдвижение пород кровли в первую очередь происходит но уже имеющимся трещинам.

Трещины основной прирожденной трещиноватости имеют выдер­жанное направление и расположены параллельно, поэтому они разби­вают породы на ряд блоков, которые при благоприятных условиях легко отделяются друг от друга. При совпадении линии очистного забоя с направлением основной трещиноватости блоки породы зави­сают вдоль забоя по всей длине лавы и всей своей тяжестью ло­жатся на крепь.

 

 

Таблица 2.3

 

Категория углей по разрушаемости	Классы углей по сопротивляемости резанию	Наиболее представительные районы распространения	Количество шахтопластов с углями данной категории, %
хрупкие	вязкие
Весьма слабые		-	Угли коксовых марок и весьма слабые антрациты украинской части Донбасса	10,2
Слабые		-	Некоторые антрациты и угли коксовых марок украинский части Донбасса; угли -коксовых марок восточной части Донбас­са и месторождений Дальнего Востока	21,9
Средней крепости			Антрациты и некоторые угли коксовых марок украинской части Донбасса; угли Кузнецкого и Карагандинского бассей­нов; бурые угли Подмосковного, Челя­бинского бассейнов и месторождений Дальнего Востока; угли Воркутинского месторождения	24,7
Выше средней крепости			Угли марок Г, Д и некоторые антрациты украинской части Донбасса; угли Кузнецкого и Карагандинского бассейнов; бурые угли Подмосковного бассейна и месторождений Дальнего Востока; угли Интинского месторождения	26,4
Крепкие			Угли марок Г, Д украинской части Донбасса; антрациты восточной части Донбасса; некоторые угли Кузнецкого и Карагандинского бассейнов; угли марок Г, Д месторождений Дальнего Востока	9,2
Весьма крепкие	-	5-6	Угли марок Г, Д украинской части Донбасса; некоторые антрациты восточной части Донбасса; угли Кизеловского бассейна; угли марок Г, Д месторожде­ний Дальнего Востока	6,6
Особо крепкие	-	7-9	Некоторые угли марок Г, Д украин ской части Донбасса; угли марок Г, Д западной части Донбасса; угли Кизелов­ского бассейна	1,0

 

Таблица 2.4

Категория угля	Относительная энергоемкость разрушения углей при сопротивляемости резанию А, кгс/см
<60	60-120	120-180	180-240	240—300	300-360	360—420	>420
Хрупкие Вязкие	0,2	0,6 0,9	1,0 1,35	1,4 1,9	1,9 2,4	3,0	3,5	4,0

 

По данным E.3. Позина, зависимость коэффициента отжима от ширины захвата (выраженной в долях от мощности пласта) может быть описана смещенной гиперболой вида

(2.8)

где k_{0Т 0} — значение коэффициента отжима на кромке забоя;

r — ширина захвата;

т — мощность пласта;

с и d — коэффициенты, зависящие от свойств угля и горнотехнических условий выемки.

Коэффициенты отжима для карагандинских и донецких углей при разном заглублении в массив в долях от мощности пласта при­ведены в табл. 2.2.

По разрушаемости угли разделяются на восемь классов (по E.3. Позину) (табл. П.З).

Сопротивляемость углей резанию и относительная энергоемкость разрушения для хрупких и вязких углей приведены в табл. 2.4.

 

 

II. Технологические характеристики вмещающих пород и угольного пласта