Взаимодействие современных механизированных крепей с породами кровли и размеры зон незакрепленного пространства зависят от способа выемки и схемы передвижения секций крепи.

Рис. 4.17. Зависимость между смеще­ниями кровли и сопротивлением крепи

 

При струговой выемке и фронтальном передвижении секций образуется незакрепленное пространство шириной b по всей длине очистного забоя (рис. 4. 18, а). При комбайновой выемке незакрепленным остается пространство в месте рабо­ты исполнительного органа комбайна (рис. 4.18, в) F_н.п = bс м². Иные форма пространства F_н.п и характер взаимодействия крепи с породами кровли создаются при групповом пере­движении секций крепи (рис. 4. 18, в) F_н.п = (а + b)с/2 м².

 

 

4.9. Влияние производственных процессов на взаимодействие крепи с породами кровли

 

Основными производственными про­цессами, оказывающими влияние на взаимодействие крепи с породами кров­ли, являются выемка угля, крепление забоя и управление кровлей. Это от­носится к забоям как с индивидуаль­ной, так и с механизированной крепью.

Оптимальное взаимодействие крепи с породами кровли может способство­вать получению высоких технико-эко­номических показателей работы. Ос­новным показателем количественной оценки состояния пород и их взаимо­действия с крепью является величина опускания кровли или ее скорость. Общее опускание кровли в очистном забое складывается из опускания ее вследствие работы комбайна, передви­жения или переноски крепи, а также опускания кровли в период отсутствия производственных процессов.

Во время работы комбайна увеличивается площадь обнаженной кровли и соответственно изменяется напряженное со­стояние массива пород. Изменение напряжений в породах приводит к их деформации, которая проявляется с разной скоростью в зависи­мости от уровня напряжений и от расстояния до комбайна. Макси­мальные скорости опусканий кровли наблюдаются непосредственно вблизи места работы выемочной машины, с удалением от нее они уменьшаются.

Рис. 4.18. Зоны незакреплен­ного пространства по длине очистного забоя:

а — при струговой выемке и фрон­тальном или последовательном пе­редвижении секций; б — в месте работы исполнительного органа; в — при групповом передвижении секций крепи

Размеры зоны влияния выемки зависят от глубины захвата комбайна, типа, параметров и скорости установки крепи, скорости подачи выемочной машины и др.

Характер зоны влияния выемки на смещение пород впереди и по­зади забоя, а также по падению и восстанию (по А. А. Борисову) показан на рис. 4.19. Ориентировочные размеры этой зоны для средних условий: r₁» r₂ = 5 ¸ 20 м; r₃» 20 ¸ 60 м; r₄» 20 ¸ 40 м. Примерные соотношения размеров: r₁» r₂; r₃ = (2 ¸3)r₁; r₄ = 2r₁.

При обнажении новых площадей кровли проявляются упругие деформации, деформации ползучести и разрушения пород. Опуска­ние кровли вследствие деформаций упругости и ползучести практически невозможно предотвратить. Однако расслоение пород и их разрушение могут быть значительно уменьшены путем своевременной установки крепи с необходимым распором. Чем на большем расстоянии от комбайна она будет установлена, тем больше будут расслоение и разрушение пород кровли и потеря ее устойчивости.

Большое влияние на взаимодействие крепи с породами кровли оказывает глубина захвата выемочной машины. При широком захвате изгиб кровли в призабойной зоне происходит на участке шириной до 1,5 м, а при узком захвате при том же подвигании креп­ление производится 2—3 раза. Двух- или трехкратное приложение нагрузки к породам кровли при равном подви­гании очистного забоя создает попере­менно возникающие растягивающие и сжимающие усилия в нижних слоях непосредственной кровли и увеличивает потенциальную возможность более быстрого раз­рушения пород.

Большое влияние на взаимодействие пород и крепи очистного забоя оказывает тип крепи. При механизированных крепях абсолютные величины опускания кровли на пологих пластах тонких и средней мощности на 25—30% меньше, чем в очистных забоях с индивидуальной крепью. Объясняется это более высоким началь­ным распором и рабочим сопротивлением механизированных крепей, увеличенной площадью опорных поверхностей их перекрытий и осно­ваний, не допускающих вдавливания крепи в боковые породы. Несмотря на то, что величины смещений в очистных забоях, оборудо­ванных механизированной крепью, меньше, чем в забоях с индиви­дуальной крепью, состояние кровли в последних может быть лучше. Это связано с частыми передвижками механизированных крепей.

Рис. 4.19. Зона влияния выемки на смещения пород впереди и позади забоя

Тип применяемой крепи оказывает также влияние на распределе­ние смещений кровли при различных производственных процессах. Так, при индивидуальной крепи соотношение между опусканием кровли в период выемки U_В и посадки U_П составляет

(4.4)

При механизированных крепях процесс их передвижения оказы­вает значительно большее влияние на величину опускания кровли, чем выемка угля. Это объясняется тем, что при индивидуальной крепи извлекаются и переносятся только последние ее ряды от забоя, а на остальной части ширины призабойного пространства крепь поддерживает кровлю с достаточно высоким рабочим сопротивле­нием. Секции же механизированной крепи при передвижении к за­бою разгружают кровлю по всей ширине призабойного пространства и она поддерживается лишь за счет сопротивления соседних секций.

Важное значение имеют схемы передвижения крепи. При механизированных крепях наибольшее распространение полу­чили последовательные схемы, при которых секции передвигаются поочередно каждая или через одну, две и т. д., причем одновременно разгружается от давления и передвигается в лаве только одна сек­ция. Применяется также групповая шахматная схема передвижения, при которой по всей длине лавы одновременно разгружается и пере­двигается половина секций. Существует еще ряд промежуточных схем между последовательной и групповой шахматной.

Исследования ИГД им. А. А. Скочинского показали, что при одинаковом сопротивлении крепи последовательная схема передви­жения обеспечивает уменьшение величины опускания кровли на 27—32% по сравнению с шахматной схемой. Это является следствием того, что при шахматной схеме во время передвижения крепи сопро­тивление ее в целом по лаве уменьшается в 2 раза.

При последовательной схеме секции могут передвигаться непо­средственно за комбайном или с отставанием от него на величину участка изгиба конвейера. При передвижении крепи непосредственно за комбайном выемка угля и передвижение крепи влияют на состоя­ние кровли одновременно на одном участке. Это ведет к резкому повышению напряжений и, как следствие, к увеличению скорости опускания кровли (в 1,3—1,9 раза). Кроме того, при этом необхо­димо поддерживать увеличенную ширину призабойного простран­ства на величину шага передвижения крепи по всей длине лавы, что ухудшает условия поддержания кровли в лаве.

Скорость опускания кровли уменьшается при передвижении сек­ций механизированных крепей за участками изгиба конвейера на расстоянии 14—22 м от комбайна. Максимальная ширина призабой­ного пространства при этом поддерживается только на небольшой части лавы, равной участку изгиба конвейера, что улучшает условия поддержания кровли в целом по лаве.

Устойчивость кровли в очистном забое зависит от скорости движения выемочной машины и скорости подвигания очистного забоя. Чем быстрее движется выемочная машина, тем меньше времени кровля остается обнаженной и в меньшей степени происходит расслоение и разрушение пород непосредственной кровли.

Кроме того, при фланговой выемке угля в забоях длиной 150— 250 м производственные процессы производятся лишь на участках небольшой длины и опускание кровли при выемке не зависит от продолжительности цикла. В остальной же части очистного забоя смещения не прекращаются, так как являются следствием ползучести и пластичности пород и мало зависят от реакции крепи. Таким обра­зом, чем выше скорость движения выемочной машины, тем меньше продолжительность цикла и меньше опускается кровля на участках лавы, где не производится выемка угля.

Наблюдениями ДонУГИ установлено, что увеличение скорости подвигания очистного забоя в 2 раза приводит к уменьшению опус­кания кровли вблизи линии обрушения на 34—41 % и в то же время увеличивает скорость ее опускания на 34—46%.

Уменьшение величины опускания кровли в очистном забое увеличивает ее устойчивость. При существующих в настоящее время скоростях подвигания очистного забоя 15—45% общей величины опускания кровли происходит при выемке угля. Остальная доля смещений происходит при посадке кровли и при отсутствии произ­водственных процессов. Чем больше скорость подвигания очистного забоя, тем меньше времени породы опускаются при отсутствии производственных процессов и тем меньше величина их смещений.