Процессы взаимодействия крепи с массивом пород

Эффективность работы очистных забоев в значительной степени зависит от состояния пород кровли и почвы. Состояние же пород определяется их свойствами и структурой, а также, что не менее важно, типами и параметрами крепей, порядком и последователь­ностью их установки или передвижения.

Установленная в очистном забое крепь непрерывно взаимодей­ствует с непосредственной кровлей и периодически — с основной кровлей (по мере увеличения ее консоли и обрушения). В определен­ных условиях основная кровля не оказывает влияния на поведение непосредственной кровли и тогда крепь в очистном забое взаимо­действует лишь с непосредственной кровлей.

Непосредственная кровля в процессе деформаций, обусловлен­ных нарушением состояния равновесия пород при выемке, расслаи­вается и растрескивается и отдельные ее части теряют связь между собой. В таком случае породы непосредственной кровли всем своим весом оказывают давление на крепь и крепь должна воспринимать эту нагрузку, т. е. работать в режиме заданной на­грузки. В кровле могут залегать мощные прочные породы, опусканию которых в процессе выемки неспособна воспрепятство­вать никакая экономически целесообразная крепь. В таком случае говорят, что крепь работает в режиме заданной дефор­мации. Режим заданной деформации наблюдается также тогда, когда прогиб основной кровли превышает прогиб непосредственной кровли и весь вес пород основной кровли передается на непосред­ственную кровлю.

Работа крепи в режиме заданной нагрузки возможна при условии удержания сравнительно небольшой пачки пород, вес которой не превышает рабочего сопротивления крепи. Работа крепи в ре­жиме заданной деформации связана со сдвижением больших площа­дей вышележащей толщи кровли в нетронутом массиве и в вырабо­танном пространстве. Величина и скорость опускания массива определяется суммарным сопротивлением тех опор, которые воспри­нимают его вес, т. е. опорных целиков, закладочного массива, обру­шенных пород, крепи и т. п. Доля сопротивления крепи в общем сопротивлении очень мала, и как бы ни увеличивалось ее рабочее сопротивление, крепь не окажет сколько-нибудь заметного влияния на величину и скорость опускания всего массива пород.

При работе в режиме заданной деформации величина воспри­нимаемой крепью нагрузки находится в прямой зависимости от ее рабочей характеристики. Крепь с нарастающим сопротивлением по мере опускания кровли будет набирать свое рабочее сопротивление до расчетной величины, и при дальнейшем опускании пород может произойти ее поломка. Рабочая нагрузка крепи с характеристикой постоянного сопротивления по мере опускания пород кровли остается постоянной, соответствующей расчетной величине. Поэтому такая крепь является более рациональной при работе в режиме заданной деформации. В качестве упрощенного примера принципиального различия работы крепи в условиях заданной нагрузки и заданной деформации рассмотрим элементарные схемы, приведенные на рис. 4.16.

На рис. 4.16, а представлена работа в режиме заданной нагрузки жесткоупругой крепи, установленной на жестком основании. Груз Q (непосредственная кровля) передает свой вес на две пружины (упру­гую крепь), сопротивляемость которых достаточна для его уравно­вешивания. Равновесие наступает при опускании груза до уровня 1—1 на величину Dm₁, определяемую весом Q и жесткостью пружин. Реакции пружин R₁ зависят только от веса груза Q. При этом вели­чина заданной нагрузки не превышает несущей способности крепи.

На рис. 4. 16, б на пружины (жесткоупругую крепь) действует помимо груза Q (непосредственная кровля) еще и груз P (основная кровля), причем суммарная нагрузка Q + P превышает предельную сопротивляемость пружин. Однако крепь не разрушается, поскольку в точках С и D на расстоянии Dт_с от груза P имеются опоры, вос­принимающие на себя нагрузку и приостанавливающие движение груза P. В качестве таких опор можно представить себе невынутый еще массив угля впереди лавы, обрушаемые породы и т. п. В этом случае величина сжатия пружин до уровня 2 — 2 Dт₂ = Dт_с опре­деляется не их жесткостью и нагрузкой Q + P, а положением тор­мозящих опор и реакции пружин R₂ зависят не от нагрузки Q + P, а от величины зазора Dт_с и пропорциональны жесткости пружин h). Этот случай представляет собой упрощенную аналогию работы крепи в условиях заданной деформации.

 

 

Pис. 4.16. Схемы взаимодействия крепей с породами кровли

 

Принципиальное различие двух рассмотренных режимов сохра­няется и при податливой крепи и наличии в системе боковые породы— крепь других упругопластических или вязких элементов (рис. 4. 16, в, г).

Конечные значения сжатия пружин (Dт₃, Dт₄) и величины реакций стержней (R₃, R₄) будут такими же, как в соответственных случаях без вязких элементов (Dт₃ = Dт₁; R₃ = R₁; Dт₄ = Dт₂ = Dт_с; R₄ = R₂), и определяются различными условиями работы пружин в случае заданной нагрузки и заданной деформации.

В режиме заданной нагрузки (см. рис. 4. 16, в) реакция пру­жины будет все время постоянной (R₃ = R₁ = Q/2), не зависящей от вязкости поддерживающих элементов, смещение же Dт_3t, груза Q будет меньше, чем в случае жесткоупругой крепи (Dт_3t < Dт₁ при t®¥). B режиме заданной деформации (см. рис. 4.16, г), напротив, реакция пружин R₄ будет зависеть от соотношения между вязкостью элементов h₁, определяющих скорость опускания груза P, и вязкостью элементов h₂ (способность обрушенных пород уплот­няться, деформационные и прочностные свойства угольного пласта и пр.), сопряженных с пружинами. При h₂ > h₁ реакции стержней R₄ могут быть очень большими, приближаясь к значению (P + Q)/2. В общем же случае в момент времени t = 0 Dт₄ < Dт₂ < Dт_с, a R₄ >< R₂. Рассмотренные элементарные схемы во многих случаях позволяют более глубоко понять механизм работы крепи очистных выработок.

Исходя из изложенных представлений, рабочее сопротивление крепей должно быть достаточным для предотвращения обрушения пород зоны 1 (см. рис. 4. 14), а их податливость должна быть не меньше непредотвратимых смещений пород, слагающих вышележа­щие зоны. В начальный период работы стойки, до того как она ра­зовьет полное рабочее сопротивление, необходима максимальная ее жесткость, чтобы сопротивляемость стойки была достаточной для удержания пачки слоев непосредственной кровли высотой, рав­ной высоте зоны беспорядочного обрушения. В последующий период жесткость должна заменяться податливостью при постоянном или медленно возрастающем сопротивлении; податливость должна соот­ветствовать величине максимального опускания кровли в рабочем пространстве, вызываемого осадкой больших массивов основной кровли. Наиболее отвечают этим требованиям податливые крепи постоянного сопротивления с высоким начальным сопротивлением.

Помимо конструктивной характеристики стоек, немаловажную роль в поддержании кровли играют условия контакта элементов крепи с боковыми породами, а также своевременность установки крепи, поскольку никакая крепь, установленная с опозданием, уже не сможет предотвратить начавшееся расслоение пород.

Выше было отмечено, что для удержания пачки слоев непосред­ственной кровли сопротивляемость стойки должна быть равна весу пород в зоне беспорядочного обрушения. Однако состояние массива пород, определяющее нагрузку на крепь, зависит от того, насколько этот массив нарушен трещинами и расслоениями. Чем больше со­храняется целостность массива, тем меньше нагрузка на крепь. Для сохранения же целостности пород непосредственной кровли последняя должна закрепляться сразу после обнажения. Опускание кровли будет тем меньше, чем больше сопротивление крепи, умень­шающее разрушение и расслоение пород непосредственной кровли. Однако полностью предотвратить опускание кровли крепь не может. Такой режим работы крепи называют режимом взаимовлияющей деформации. В этом случае взаимодействие крепей с массивом пород будет зависеть от способности пород расслаиваться. Чем тоньше нижние слои, тем легче они разрушаются под действием собствен­ного веса. С увеличением же толщины слоя возрастает его жесткость и уменьшается прогиб, а соответственно и расслоение. Естественно, что сопротивление крепи должно по-разному влиять на состояние пород кровли при значительном и малом расслоении.

В первом случае с уменьшением сопротивления крепи P увели­чиваются смещения кровли U_к (рис. 4. 17). На графике гиперболи­ческой зависимости U_к = f (P) различаются три участка: 1—P £ P_н; 2 — Р_н< P < Р_Д; 3 — P > Р_Д, где P — текущее значе­ние сопротивления крепи; P_н — сопротивление, соответствующее величине заданной нагрузки в данных условиях; Р_Д — наименьшее сопротивление, при котором почти вся величина смещений кровли обусловлена заданной непреодолимой деформацией.

Из рис. 4. 17 видно, что управлять смещениями кровли путем изменения сопротивления крепи можно лишь в пределах участка 2. При конструировании крепи нужно обеспечить такое ее оптимальное расчетное сопротивление P_о.к, которое позволило бы управлять кровлей в пределах всего участка 2, т. е. P_о.к = Р_Д,

При однородных условиях эксплуатации крепи и при работе ее вблизи верхнего предела раздвижности оптимальное рабочее сопро­тивление может приниматься близким к величине сопротивления, соответствующего величине заданной нагрузки.

В условиях, когда проявления горного давления неоднородны, особенно при работе крепи у нижнего предела раздвижности, опти­мальное рабочее сопротивление должно быть ближе к величине P_Д, иначе даже небольшое увеличе­ние смещений может привести к зажатию крепи.

Уравнение гиперболы для определения связи между сме­щениями и сопротивлением крепи имеет вид

U_к=а/(Р-b) (4.3)

где U_к — податливость гидро­стоек крепи, мм;

а и b — эмпирические коэф­фициенты;

P — сопротивление гидро­стоек, тс.

Таким образом, при работе крепи в режиме взаимовлияющей де­формации важное значение имеет расчетное сопротивление крепи. В то же время большую роль играет расстояние первого ряда стоек крепи от забоя. Это расстояние характеризует ширину призабойного пространства, поддерживаемого передними консолями, и вели­чины этих консолей.

Наблюдения показывают, что максимальная скорость опускания имеет место вслед за обнажением пород. Поэтому для уменьшения расслоений и опускания кровли необходимо большое усилие началь­ного распора крепи. С точки зрения взаимодействия пород кровли с крепью наилучшие условия могут быть получены при равенстве начального распора рабочему сопротивлению. Однако создать такой начальный распор затруднительно. В настоящее время считается, что начальный распор должен быть не менее 50% номинального сопротивления крепи, под которым понимается среднее значение максимально допустимого сопротивления стойки опусканию пород кровли.

Наиболее рациональным режимом взаимодействия крепи с боко­выми породами является режим, при котором все стойки секции вступают в работу при номинальном сопротивлении сразу же после ее передвижки и который может быть обеспечен только при равен­стве начального распора и номинального сопротивления.