Влияние глубины разработки мощности пласта, свойств пород почвы, способа охраны со стороны выработанного пространства и краевых частей по соседним пластам

В дальнейшем изложении под конвергенцией понимается ее конечное значение.

Наиболее существенными факторами, влияющими на среднюю конвергенцию пород в штреках с односторонним выработанным пространством, не подверженных воздействию параллельных этим штрекам краевых частей по соседним пластам, являются глубина, мощность пласта, свойства пород почвы (определяемые условным показателем), способ охраны штрека со стороны выработанного пространства (оцениваемый условным индексом) и высота штрека (определенная как средняя величина по 130 штрекам).

Конвергенция, выраженная в долях исходной высоты выемочного штрека, в средних для Рурского бассейна условиях: повышается на 6,6% на каждые 100 м роста глубины разработки H (рис. 6.14);

- возрастает на 4,3% при увеличении мощности пласта M на 1 м (рис. 6.15);

- уменьшается на 4,3 M % при переходе от способа охраны выработки деревянными кострами к жестким околоштрековым полосам или же, когда в штреке, вообще не охраняемом со стороны выработанного пространства, начинают устанавливать деревянные костры;

- увеличивается на 24,3 VGL%, где GL — условный показатель прочности пород почвы (рис. 6.16).

Абсолютная конвергенция возрастает пропорционально увеличению исходной высоты штрека.

Таким образом, относительная конвергенция KEV в штреке с односторонним выработанным пространством выражается следующим уравнением регрессии:

где SV — индекс способа охраны штрека со стороны выработанного пространства (его значения приведены в табл. 6.7); GL — условный показатель прочности пород почвы (его значения приведены в табл. 6.7).

Это выражение может быть представлено в виде номограммы (рис. 6.17), дающей возможность приближенно оценить ожидаемую конвергенцию. В качестве примера показано определение конвергенции для следующих условий: глубина разработки H=900 м, способ охраны штрека — деревянные костры (SV=2), мощность пласта M=2 м, условный показатель прочности пород почвы GL = 3.

В правой нижней части номограммы по заданной мощности пласта и запроектированному способу охраны штрека со стороны выработанного пространства находим исходную точку для дальнейшего определения. Затем по показателю GL = 3 и глубине разработки H = 900 м устанавливаем, что ожидаемая относительная конвергенция равна 40%. Абсолютная конвергенция при исходной высоте штрека 4 м составит примерно 1,6 м.

Свойства пород почвы должны учитываться на глубину до 6 м. Если в этой породной пачке находятся слои разной прочности, то из показателей прочности отдельных слоев определяют средневзвешенную величину. При этом учитываются лишь те слои, толщина которых более 10 см.

Условные показатели прочности пород почвы в данном случае те же (до GL = 6), которые обычно применяют и наносят на маркшейдерские планы горных работ на угольных шахтах ФРГ. Их достоинством является то, что для определения указанных показателей не требуется испытаний физико-механических свойств горных пород. В то же время условные показатели прочности пород почвы отнюдь не являются произвольными. Их величина находится в количественной взаимосвязи с пределом прочности пород на сжатие (рис. 6.18).

Приведенное выше уравнение регрессии имеет с данными натурных измерений достаточно высокую сходимость — 93%. Это означает, что все поддающиеся измерениям другие влияющие факторы, если только речь не идет о статистически редких явлениях, таких как тектонические нарушения или усиленный приток воды, не оказывают существенного влияния на конвергенцию в выработках при современной технологии горных работ.

Стандартное отклонение средних величин для условий проанализированных штреков, согласно уравнению (6.1) составляет 3%. Разброс отдельных измеренных значений вокруг средней величины по одному штреку примерно равен 9%. Он возрастает пропорционально квадратному корню из величины конвергенции. Среднее отклонение отдельной измеренной величины от вычисленной по уравнению средней величины для конкретного штрека составляет 9,5% его исходной высоты. Оно лишь ненамного больше, чем разброс измеренных величин вокруг среднего значения для какого-то штрека.

Практическое значение этого анализа заключается в том, что можно определить ожидаемую конвергенцию для штрека с односторонним выработанным пространством, притом с такой точностью, которая практически соответствует разбросу измеренных значений конвергенции штрека по его длине.

Для того чтобы можно было выявить влияние отдельных наиболее существенных факторов, при помощи уравнения (6.1) условия штреков были унифицированы (например, если в каком-либо штреке при мощности пласта 1,8 м применялись жесткие околоштрековые полосы, то от измеренной конвергенции отнимали 4,3%, чтобы привести условия этого штрека к способу его охраны деревянными кострами). С помощью такого приведения можно раздельно дать зависимость конвергенции от глубины разработки (см. рис. 6.14), условного показателя прочности пород почвы (см. рис. 6.16) или от произведения мощности пласта на индекс способа охраны штрека (см. рис. 6.15).

Конвергенцию в выемочных штреках на шахтах Саарского и Нижнесаксонского бассейнов вычисляют по тем же коэффициентам в уравнении, что и для Рурского бассейна. Применимость этого уравнения для условий Саарского бассейна была подтверждена данными наблюдений в 19 выемочных штреках, а Нижнесаксонского бассейна (шахта «Иббенбюрен») — данными наблюдений в 12 штреках. Для любого другого бассейна следует проверить возможность применения уравнения (6.1) и при необходимости заново определить числовые коэффициенты.

Так, например, проведенные исследования показали, что конвергенция в выемочных штреках на шахте «Эмиль Майриш» (Ахенский бассейн) хотя и определяется теми же факторами, что и в Рурском бассейне, но степень их влияния различна. Для условий этой шахты влияние на конвергенцию мощности пласта (умноженной на индекс способа охраны штрека) и условного показателя прочности пород почвы проявляется в 3,3 раза сильнее, чем в Рурском бассейне:

Линейная плотность спецпрофиля крепи и расстояния между рамами крепи при существующих в настоящее время пределах их изменения не оказывают какого-либо ощутимого влияния на конвергенцию. То же относится и к прочности пород кровли, что справедливо, правда, только для штреков с арочной крепью, обладающей характерной несущей способностью (при все еще преобладающем заполнении закрепного пространства вручную).

Конвергенция в выработке оказывает значительное влияние на деформирование арочной крепи.

Связь между удельным расходом металла на крепление выработки А (кг/м) и относительной конвергенцией К (%) можно описать уравнением

Если удельный расход металла соответствует расчетной конвергенции или превышает ее, следует ожидать лишь незначительного деформирования крепи.

При слабых породах почвы доля их пучения в общей величине конвергенции увеличивается. Так как пучение почвы лишь незначительно повышает нагрузку на крепь, расход металла при одной и той же ожидаемой конвергенции, но с большей долей поднятия почвы может быть соответственно уменьшен, т. е. могут быть выбраны рамы из более легкого спецпрофиля. Расчет удельного расхода металла с учетом условного показателя прочности пород почвы GL производится по формуле

Часто приходится располагать выемочные штреки под краевыми частями по вышележащим пластам. Для геометрически несложных случаев, при которых подрабатывают одну, две или три находящиеся друг под другом краевые части вышележащих пластов, увеличение конвергенции можно заранее оценить по результатам статистического анализа, не прибегая к расчетам на ЭВМ (вначале лишь для штреков, проводимых с опережением лавы и поддерживаемых в условиях одностороннего выработанного пространства),

В соответствии с результатами анализа данных производственных наблюдений несколько находящихся друг над другом краевых частей по вышележащим пластам оказывают на конвергенцию такое же действие, как краевая часть пласта мощностью 1 м, находящаяся на небольшом расстоянии над штреком. Такое расстояние называют эквивалентным. Как его определяют, поясним на следующем примере.

Выемочный штрек находится под двумя краевыми частями по вышележащим пластам мощностью 1,7 и 1,6 м. Первый из них расположен в 65 м от штрека по разрабатываемому пласту, второй — в 130 м. Деля мощность каждого пласта на величину междупластья и складывая частные от деления, получаем 1,7/65+1,6/130=1/26. Полученная сумма — показатель влияния краевых частей по соседним пластам, а находящееся в знаменателе число — эквивалентное расстояние между пластами tэ.

Следовательно, под показателем влияния краевых частей по соседним пластам подразумевается сумма частных от деления мощности каждого из вышележащих пластов на его расстояние до разрабатываемого пласта. Чем больше число вышележащих пластов с краевыми частями, чем мощнее эти пласты и чем ближе они находятся от штрека, тем больше показатель влияния краевых частей по вышележащим пластам. Краевые части двух пластов мощностью 1,7 и 1,6 м, находящиеся на расстоянии 65 и 130 м от штрека, оказывают на конвергенцию в нем такое же действие, как краевая часть пласта мощностью 1 м, расположенного в 26 м над штреком.

При расчете эквивалентного расстояния между пластами можно определить влияние краевых частей на конвергенцию в штреке (рис. 6.19). Оно уменьшается в гиперболической зависимости по мере увеличения эквивалентного расстояния между пластами. Эквивалентное расстояние, равное 26 м, увеличивает, например, конвергенцию в 1,5 раза.

Кроме того, исследования показали, что конвергенция под отработанной частью по вышележащему пласту уменьшается в среднем в 0,7 раза. Влияние краевой части пласта сказывается на расстоянии в среднем ±70 м вдоль штрека, считая от нормальной к напластованию проекции этой краевой части.