Крепление очистного пространства при подземной разработке россыпей

Горное давление. После выемки песков давление горных пород вызывает в очистных выработках прогиб и обрушение кровли, а иногда пучение почвы и стенок выработок. Наибольшее напряжение в толще пород кровли первоначально испытывает слой, непосредственно прилегающий к поверхности кровли, вследствие чего в направлении наиболее слабых прослойков возникают трещины. Этот слой называют непосредственной кровлей, и в породах, обладающих значительным сцеплением частиц, при расширении трещин в одном направлении, возникают нависающие отслоения пород кровли, т. е. образуются заколы, которые затем обрушаются. При возникновении трещин во встречных направлениях происходит отслоение и вывалы больших кусков — коржей. Если кровля образована породами с малым сцеплением частиц, то сразу же после обнажения она начинает обрушаться. Очистное пространство, прилегающее к забою, необходимо поддерживать в безопасном состоянии. Это достигается креплением его деревянной крепью, закладкой выработанного пространства валунами или с помощью оставленных целиков. Кроме того, применяют смешанные способы крепления, например крепью и оставлением целиков, крепью и закладкой. Металлическая крепь не получила распространения на россыпях.

Горное давление влияет на состояние кровли выработок и проявляется различно в зависимости от устойчивости пород, площади обнажения кровли и времени, в течение которого необходимо поддерживать выработку в безопасном состоянии. Первоначально крепь испытывает давление, вызванное отслоениями непосредственной кровли. В дальнейшем давление увеличивается за счет влияния оседания основной кровли.

Породы кровли обладают неодинаковой устойчивостью, допускают различные площади обнажения и требуют разных способов крепления и управления горным давлением. По степени устойчивости породы кровли подразделяют на весьма устойчивые, устойчивые, средней устойчивости, малоустойчивые, неустойчивые, весьма неустойчивые, совершенно неустойчивые (плывуны).

К весьма устойчивым породам относятся мерзлые однородные глинистые речники без валунов и прослойков льда при отрицательной температуре более 4—5° С. В этих породах кровлю можно обнажать от нескольких сотен до 1000 м2 без поддержания.

Устойчивые породы позволяют обнажать кровлю не более 200 м2. Такие породы образуются мерзлыми речниками с тонкими прожилками льда, но без прослойков и отдельных включений льда.

Породы средней устойчивости — это мерзлые речники, имеющие ледяные прослойки, включающие лед или крупные валуны, способствующие заколообразованию с отслоением кровли на значительных площадях. К этому виду относят достаточно сцементированные породы на талых россыпях.

К породам малой устойчивости относят мерзлые сушенцы и слабосцементированные породы на талых россыпях.

Неустойчивые породы состоят из талых глинистых речников, допускающих проведение выработок с одновременным возведением крепи при обнажении кровли не более 2—5 м2.

К весьма неустойчивым породам относят неглинистые речники и песчаные породы, которые не допускают обнажения кровли при проходке выработок.

Совершенно неустойчивые породы — плывуны и сыпучие породы — требуют применения опережающей крепи.

Горное давление при весьма устойчивой кровле вызывает постепенное опускание кровли, которое возникает при забоях длиной более 15—20 м и при значительной площади обнажения кровли. Так, при ширине шахтного поля 50 м опускание кровли начинает проявляться при удалении лавы от целика на 40 м, а осадка на 30—70 мм наблюдается при удалении на 80 м; соответственно для ширины 100 м эти удаления составят 28 и 42 м. Только при площадях обнажения 2—3 тыс. м2 начинается оседание кровли. На величину естественной податливости деревянных стоек кровля оседает при площадях обнажения 6 тыс. м2. При больших обнажениях наблюдается более быстрое оседание кровли и в центральной части выработанного пространства может достигать 3—5 мм/ч. Увеличение прогиба кровли и скорости оседания сопровождается усиленным образованием заколов и обрушением.

Горное давление, оказываемое на крепь в очистном пространстве, возрастает до тех пор, пока кровля не опустится на плотик. После этого давление уменьшается; затем по мере удаления очистного забоя оно вновь возрастает до тех пор, пока не произойдет новое опускание кровли. При выемочной мощности 1,4 м кровля опускается на плотик в 40—60 м от забоя (рис. 215, а).

С увеличением длины лавы усиливается проявление горного давления в призабойном пространстве. Однако, по наблюдениям, в лавах длиной до 50 м в призабойной части это мало заметно и более сильно проявляется в средней части выработанного пространства. В призабойном пространстве обрушаются в отдельных местах слои кровли толщиной 30—50 см. Площадь распространения заколов увеличивается по мере удаления от забоя. Так, в 10—15 м от забоя площадь кровли, на которой имелись заколы, на разных шахтах составляет 2—7%, а в 35—40 м увеличивается более чем в 3 раза. При этом площадь обрушившихся заколов была в 2—5 раз меньше общей площади их распространения.

В породах средней устойчивости оседание кровли сопровождается появлением в ней значительных трещин, отслоениями и заколообразованиями по отдельным, менее прочным прослойкам и вывалам непосредственной кровли на значительных площадях. Заколообразование кровли начинается уже при площадях обнажения более 50 м2. При наличии непрочных прожилков на значительном протяжении кровли и при остановке очистного забоя наблюдались случаи обрушения кровли до забоя лавы, что заставляло производить нарезку нового забоя и оставлять предохранительные целики.

В неустойчивых породах кровля начинает обрушаться при небольших обнажениях площади. На талых россыпях изменение горного давления на крепь наиболее удобно объяснять на основании гипотезы свода. По этой гипотезе, давление на крепь равняется весу пород, находящихся над выработкой в пределах параболического свода (рис. 215, б). Высота свода принимается равной половине пролета, деленного на тангенс угла внутреннего сопротивления пород, который на талых россыпях близок к 45°. Поэтому высота свода обычно равна половине пролета очистной выработки.

Давление на единицу площади кровли возрастает с увеличением пролета и достигает наибольших значений, когда свод доходит до поверхности. Для уменьшения давления на крепь необходимо уменьшать длину очистного забоя и вести работы в таком порядке, чтобы оседание кровли в ближайшем очистном забое оказывало меньшее влияние на увеличение горного давления. Горное давление на крепь проявляется не сразу, а нарастает постепенно и достигает наибольших значений ко времени образования свода наибольшей высоты. Поэтому для уменьшения давления на крепь необходимо добиваться достаточной скорости подвигания очистного забоя, чтобы очистное пространство успевало уходить от нарастающего горного давления.

Исходя из положений, изложенных выше, при разработке мерзлых россыпей крепь призабойного пространства в основном должна поддерживать непосредственную кровлю, не препятствуя ее постепенной осадке (см. рис. 215, а). Для поддержания рабочего пространства в очистных забоях с затратой наименьших средств необходимо крепление сочетать с управлением горным давлением. Для этого на мерзлых россыпях необходимо: при разделении россыпи на шахтные поля соблюдать наивыгоднейшие соотношения длины и ширины площадей обнажения кровли; устанавливать такой порядок отработки шахтных полей, чтобы они с двух сторон примыкали к нетронутым массивам россыпи; опережение лав на соседних шахтах должно быть более 50 м, с тем чтобы кровля в опережающем поле при подходе лав соседнего поля осела, а опережение смежных лав на одном шахтном поле составляло 4—7 м; увеличивать скорость подвигания лав и не допускать остановки работ в них; сокращать рабочую ширину призабойного пространства. На мерзлых россыпях устойчивость непосредственной кровли изменяется по временам года. Так, летом наблюдаются более усиленные отслоения кровли.

Поддержание кровли оставлением целиков. В выработанном пространстве или вдоль откаточных выработок оставляют целики эллипсовидного, прямоугольного или квадратного сечения размером 3—5 м с промежутками между ними 7—20 м. В последующем целики частично отрабатывают. При целиках усложняется скреперная уборка песков, буровзрывные работы, управление горным давлением и возрастают потери. Однако в определенных условиях при большой мощности пласта поддержание кровли целиками значительно уменьшает стоимость крепления и повышает безопасность работ. Поэтому кровлю поддерживают целиками при большой мощности пласта (более 2,5—3 м) или оставляют по мере необходимости в местах, когда возникает опасность преждевременного обрушения непосредственной кровли или ледяных включений.

Для предохранения очистных работ от поступления воды из старых выработок на границе шахтного поля, прилегающего к выработкам прошлых лет, оставляют целик шириной 3—7 м (см. рис. 201, а). Целики оставляют также в случае обрушения кровли по забою лавы.

Поддержание кровли крепью. При разработке россыпей выработанное пространство поддерживают деревянной крепью. На мерзлых россыпях рабочее пространство закрепляют и поддерживают на расстоянии 12—20 м, а в отдельных случаях и до 30 м от забоя. При устойчивой однородной кровле призабойное пространство закрепляют стойками и кустами. В 4—8 м от забоя устанавливают ряд стоек с промежутками между ними 1,5—3 м. Стойки диаметром 15—18 см устанавливают в лунки глубиной 5—8 см без подсыпки и с верхней подкладкой из досок толщиной 3—4 см. Стойки устанавливают перпендикулярно плотику и кровле выработки. На расстоянии 2—4 м от первого ряда стоек устанавливают ряд кустов, состоящих из двух — трех стоек. Расстояние между кустами в ряду 2,5—6 м. Ряды стоек и кустов в выработанном пространстве чередуются. Места кровли с заколами закрепляют предохранительными стойками и кустами.

В зависимости от ширины рабочего призабойного пространства в работе находится от трех до пяти рядов стоек и кустов. Под влиянием осадки кровли стойки вдавливаются в плотик и кровлю и выдерживают осадку кровли на 5—7 см. При большей осадке стойки ломаются. В зависимости от устойчивости кровли и площади обнажения стойки ломаются в рядах, отстоящих от забоя на расстоянии 10—30 м. После зачистки плотика стойки из отработанных площадей ртремятся извлечь для повторного использования. Расход леса при этом способе крепления составляет 10—16 м3 на 1000 м3 добытых песков; количество леса, пригодного для повторного использования, составляет 5—25%. В каждой лаве крепь устанавливают два крепильщика.

На мерзлых россыпях при менее устойчивой кровле, когда возможны обрушения отслоений непосредственной кровли до 1—1,5 м, кроме стоек и кустов иногда применяют еще и органную крепь. Стойки в органной крепи устанавливают с промежутками 0,2—0,4 м, а через 4—5 м оставляют окна для прохода шириной не менее 0,8—1 м. При более устойчивой кровле окна увеличивают до 3 м. Расстояние между рядами органной крепи 4—12 м, причем в наиболее тяжелых условиях первый ряд устанавливают в 5—6 м от забоя. Расход леса при использовании органного крепления увеличивается до 18—20 м3 на 1000 м3 песков. На мерзлых россыпях количество добытых песков на шахтах, использующих этот способ крепления, не превышает 5%.

Костры для крепления кровли в очистных выработках на мерзлых россыпях применяют: для закрепления очень медленно подвигающихся участков лавы при веерной системе, расположенных вблизи околоствольного двора; при обычном стоечно-кустовом креплении в местах образования больших заколов; очень редко в виде обычной призабойной крепи вместе со. стойками и кустами. В последнем случае первый ряд костров устанавливают в 6—10 м от забоя с расстоянием в ряду 4—8 м, а второй ряд — на расстоянии 6—16 м. Обычно применяют простые костры шириной не менее выемочной мощности. Верхнее звено костра должно быть плотно подогнано под кровлю. Костры, поддерживающие большие глыбы и заколы, а также установленные под трещинами в кровле, не извлекают. Расход леса при использовании костров увеличивается до 22— 25 м3, а при мощных пластах и до 40 м3.

При устойчивой мерзлой кровле для предупреждения образования заколов и обрушения отслоений непосредственной кровли в призабойном пространстве может быть применена штанговая крепь.

Во время разработки мерзлых россыпей необходимо в выработанном пространстве предусматривать выход из лавы на вентиляционный шурф шириной 2 м (см. рис. 216, а), который является запасным выходом. Он расположен вдоль массива песков и от выработанного пространства отгораживается органной крепью. Когда он не нужен, крепь частично извлекают.

На талых россыпях при неустойчивой кровле деревянная крепь очистных выработок состоит из неполных рам (дверных окладов) без подхватов или с различными видами подхватов. Особенности этого вида крепления изложены при описании систем разработки. Очистные работы на талых россыпях часто производят с искусственным обрушением кровли в выработанном пространстве, при этом крепь частично извлекают. Работы по извлечению крепи и обрушению выработанного пространства производят особые бригады под руководством горного мастера. Обрушение начинают от наиболее удаленных площадей по направлению к выходу. Рабочие и горный надзор на работах по обрушению кровли должны проходить особый инструктаж по правилам безопасности ведения работ.

При разработке валунистых талых россыпей для поддержания кровли используют валуны и крупный булыжник, из которых возводят каменные столбы. Организация закладочных работ изложена при описании соответствующих систем разработки.