РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ОБРУШЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ
2.1. Анализ источников информации в области исследования управляемого обрушения пород кровли в лавах
Задачи управления горным давлением в очистных выработках находятся в процессе постоянной разработки и реализации комплекса эффективных и достаточно экономичных способов обеспечения устойчивости как самих выработок, так и выработанного пространства в течении времени и их безопасной эксплуатации. Специфика управления горным давлением связана, прежде всего, с тем, что очистная выработка непрерывно перемещается в пространстве, что влечет за собой постоянное перераспределение концентрации напряжений вокруг выработанного пространства и проявлений горного давления. Широко распространенным видом проявления горного давления в очистных выработках является обрушение пород кровли, которое зависит от некоторых критических размеров обнажений, от уровня действующих напряжений, деформационно-прочностных свойств горных пород и их структурно-текстурных особенностей.
При отработке угольных месторождений чаще всего используют полное обрушение пород кровли над всем очистным пространством. Между размерами обрушающихся масс и размерами очистных пространств наблюдается достаточно хорошее соответствие, что позволяет в системах разработки с обрушением пород прогнозировать рациональный шаг самообрушения пород позади забоя лавы.
Различают два режима обрушения пород кровли: режим начального (генерального) и режим установившегося обрушения [11].
Существует ряд идей по образованию зон разрушенных пород и размеров сводообразования над очистными выработками при разработке угольных пластов, которые были высказаны учеными геомеханиками разного периода развития науки: В. Хааком [12], Ф. Шпрутом [13], Г. Жиллитцером [14], И. Шпарре, А. Шульцем, Ф.А. Белаенко [15], К. Кегелем [16], А.А. Борисовым [17], Г.Н. Кузнецовым [18, 19], А. Лабассом [20], П.М. Цимбаревичем [21], К.В. Руппенейтом [22].
Согласно гипотезам сводообразования [23] горное давление в породном массиве концентрируется в некоторой области, примыкающей к призабойной части лавы.
Предложенная идея свода давления В. Хааком [12] получила развитие в работах Ф. Шпрута [13]. Это идея предполагает рассмотрение механических процессов, протекающих в породном массиве вследствие образования и движения очистной выработки, в некоторой локальной области, примыкающей к забою лавы [23]. По Ф. Шпруту максимальные значения концентрации напряжений располагается в угле и в закладке, примерно, на расстоянии 15 м от границы рабочего пространства. Породный массив, расположенный вне этой зоны, не рассматривается. Накопленный же опыт показывает, что при образовании очистных выработок, в зависимости от мощности вынимаемого пласта, механические процессы затрагивают огромные области пород вплоть до земной поверхности. Зона опорного давления располагается вглубь нетронутого породного массива на расстояние от 10 до 50 м, а в сторону обрушенных пород - до 100 м [23-26]. Также необходимо учитывать связь глубины разработки угольного пласта с параметрами геомеханических процессов в окрестности очистной выработки.
Приведенные выше несоответствия идей В. Хаака и Ф. Шпрута с накопленным опытом исследований геомеханических процессов при образовании очистных выработок в породном массиве показывают, что гипотеза свода давления не имеет практического применения [23].
В 1867 году И. Шпаре и А. Шульцем была предложена гипотеза консольной балки. Сущность этой гипотезы заключалась в том, что породные слои над выработанным пространством рассматриваются как балки, закрепленные одним концом в целик. Другие концы балок могут иметь опору (крепь, закладка) или не иметь ее. В кровле отрабатываемого пласта, состоящей из нескольких породных слоев, образуется совокупность таких, налегающих друг на друга и взаимодействующих между собой консолей. Рассматривая схемы способов управления кровлей, сторонники гипотезы консольных балок обычно различали непосредственную и основную кровлю. Обрушившиеся породы кровли разрыхляются, увеличиваются в объеме и наступает момент, когда они подопрут вышележащие слои и обрушение прекратится.
Гипотеза консольных балок получила развитие в трудах Ф.А. Белаенко, К. Кегеля, А.А. Борисова и имела название гипотезы консольных плит. От предыдущей гипотезы она отличалась незначительными деталями, позволяющими учесть относительные размеры изгибающихся пластов, особенности технологии добычи угля, наличие трещин и кливажа.
Гипотеза Ф.А. Белаенко заключалась в том, что сложный породный массив, находящийся над выработанным пространством лавы, рассматривается как совокупность налегающих друг на друга плит, характер разрушения и опускания которых существенно зависит от кливажа и тектонических трещин.
Гипотеза консольный плиты Г. Кегеля была рассмотрена для случая плавного опускания пород кровли на закладку без разрыва их сплошности. Упрощения, принятые в теории Г. Кегеля, привели к рассмотрению отдельно взятого слоя без учета его взаимодействия со всеми остальными породными слоями.
Гипотеза стадийного обрушения А.А. Борисова существенно различает особенности разрушения пород непосредственной и основной кровли. Основной кровлей считается первый пласт крепкой породы, мощность которого примерно в 20 раз превышает мощность непосредственной кровли. Деформации и разрушения пород непосредственной кровли имеют четко выраженную стадийность. После первичного обрушения кровли, по мере отхода забоя лавы от разрезной печи, породы кровли асимметрично изгибаются. Угол наклона поверхности обрушения к горизонту колеблется от 65-850 (рис. 2.1.), радиусы изгиба слоев возрастают в восходящем порядке. Расчет параметров обрушения слоистых пород кровли выполняется методами сопротивления материалов, при этом изначальная расчетная схема идеализируется и ценность полученных зависимостей снижается.
Р