ГЛАВА 2
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОХРАНЫ ВЫРАБОТКИ ПОЛОСАМИ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ПРИ БУРОШНЕКОВОЙ ВЫЕМКЕ
2.1. Обоснование общей схемы нагружения системы
"крепь - охранные элементы"
В предыдущей главе выполнено геомеханическое обоснование целесообразности применения для охраны выработок при бурошнековой выемке полос переменной жесткости из твердеющих материалов. Для аргументированного выбора рациональных конструктивно-технологических параметров данного способа охраны выемочных штреков необходимо разработать соответствующий расчетный метод, учитывающий специфику геомеханических процессов в породном массиве при бурошнековой выемке угля. Эти особенности идеализируются определенными схематическими представлениями процессов сдвижения пород вокруг выработки, которые должны быть корректно обоснованы.
Одним из основных вопросов расчета параметров охранной полосы является определение действующей на нее нагрузки со стороны вышележащей подработанной толщи пород. Существующие в настоящее время методы прогноза нагрузки на охранную полосу [28] разработаны для традиционных схем отработки угольных пластов механизированными комплексами. При этом сдвижения пород вышележащей толщи для существующих глубин разработки доходят, как правило, до дневной поверхности, а граница данной области характеризуется углом ( полного обрушения подработанной толщи [10, 29, 30]. Сообразуясь с такими представлениями, нагрузку на охранную полосу определяют как сумму гидростатического давления плюс вес пород (полный или частичный) зависающей консоли, образуемой углом полного обрушения [24, 31, 32]. Но эти методы не отражают особенностей бурошнековой выемки угля, которые были рассмотрены в §1.3. Главная особенность заключается в том, что породы основной кровли плавно опускаются на межскважинные целики и породную подушку в отработанных скважинах с разрывом сплошности слоя в основном только в области растягивающих напряжений породной балки. Образуется распорная система из крупных породных блоков, которая и воспринимает вес вышележащей толщи пород до дневной поверхности и передает его на опорные и межскважинные угольные целики и породную подушку в полости отработанных скважин.
По этим причинам высота нарушенных пород при бурошнековой выемке довольно ограничена и, как правило, не менее, чем на порядок меньше глубины Н залегания угольного пласта. Соответственно вес пород зависающей консоли будет как минимум на порядок меньше гидростатического давления (H. К тому же эта небольшая пригрузка на охранный элемент опять многократно уменьшается из-за подпора нарушенных пород, возникающего за счет эффекта их разрыхления и увеличения в объеме.
Таким образом, при бурошнековой выемке достаточно обоснованным будет предположение о том, что охранные полосы будут воспринимать только гидростатическое давление (H на площади расположения самих полос и охраняемой выработки.
С другой стороны, принимая во внимание механизм ограниченного сдвижения пород основной кровли и ее плавного опускания на межскважинные угольные целики и породную подушку в отработанных скважинах, нельзя говорить о каком-либо шаге обрушения основной кровли в традиционном понимании этого процесса. По этой причине для оценки нагрузки на охранную полосу выемочного штрека не представляется возможным использовать отраслевую инструкцию [28], где определяющим параметром является именно шаг обрушения основной кровли.
Все вышеизложенное указывает на необходимость разработки нового метода прогноза нагрузки на охранные полосы, учитывающего специфику бурошнековой выемки.
Перейдем к построению расчетной схемы нагружения охранной полосы выемочного штрека при бурошнековой выемке. Первым вопросом является оценка степени влияния зоны активных сдвижений пород над выработанным пространством на нагружение охранной полосы. Ранее было установлено (см. §1.3), что межскважинные угольные целики разрушаясь оказывают достаточную реакцию сопротивления, что приводит к стабилизации процессов сдвижения подработанной толщи при относительно небольших смещениях основной кровли, которая вполне способна воспринимать гидростатическое давление . Поэтому нагрузка передается на нарушенные межскважинные целики и породную подушку за пределами охранной полосы, которая генерирует усилия бокового распора (1(H, действующие в боковом направлении на жесткую часть охранной полосы (рис.2.1). Тогда охранная полоса должна воспринимать суммарную гидростатическую нагрузку (H по площади расположения охранной полосы и выемочного штрека. Поскольку охранная полоса имеет переменную по ширине L жесткость, то более жесткая ее часть (шириной Lж) воспринимает большую нагрузку Кз(H, а податливая часть (шириной LП) - меньшую нагрузку К4(H, которая обуславливает усилия бокового распора (2(h на контакте жесткой и податливой частей охранной полосы.
Податливая часть полосы призвана обеспечить зону разгрузки породного массива в окрестности выработки шириной 2 (LП+rв). Высота h зоны разгрузки определяется высотой залегания устойчивого породного слоя мощностью m1 (см. рис.2.1). Устойчивый породный слой определяется его мощностью m1, прочностными свойствами, величиной пролета l1 и усилиями на контакте q1 с породами разгруженной зоны. При этом необходимо учитывать, что длина пролета l1 будет меньше величины 2(LП+rв) за счет образования над выработкой свода естественного равновесия в разгруженных породах.
На контакте с крепью выработки на породы зоны разгрузки действует реакция крепи q, как результатирующая вертикальной qв и боковой qб составляющих. Боковая реакция крепи qб воздействует также на примыкающую податливую часть охранной полосы (см. рис.2.1).
Данная общая схема нагружения охранной полосы переменной жесткости легла в основу разрабатываемого метода расчета ее рациональных параметров.
2.2. Критерии выбора рациональных режимов работы системы
"крепь - охранные элементы"
Учитывая особ