Под выработанным понимается пространство, расположенное позади рабочего пространства, непосредственно примыкающего к очистному забою. Этот термин обычно относится к очистным выработкам. Выработанное пространство не служит для производственных целей. Однако состояние этого пространства оказывает существенное влияние на рабочее пространство и на соседние подготовительные выработки. Если бы это влияние возможно было полностью устранить, то юрное давление в рабочем пространстве и на соседних участках штреков было бы значительно уменьшено и характер его проявления был бы более умеренным. Однако такое полное устранение неосуществимо и вопрос сводится к уменьшению указанного влияния. Для этого существуют два основных способа: периодическое обрушение кровли в выработанном пространстве (работы с обрушением) и закладка эгого проарансгва (работы с закладкою). Последний способ имеет два видоизменения: полную и частичную закладку.
Фи1. 81. Работы с обр>шением кровли. Фиг. 82. Работы с закладкою
Принципиальное 01личие способа обрушения кровли от способа иоддержтния ее закладкой заключается в том, что в первом случае кровля иоддерживае1СЯ только над рабочим пространством, а во втором случае она поддерживается над всем выработанным пространством, включая и рабочее.
При работах с обрушением непосредственная кровля на пролете, отвечающем ширине рабочего .пространства, имеет крайними опорами с одной стороны забой и с другой стороны органный (или из костров) ряд крепи. При работах же с закладкою такими опорами служат забой и закладка.
Если рассматривать непосредственную кровлю над рабочим пространством между двумя сечениями, проведенными перпендикулярно к напласювапшо и к забою на расстоянии одно от другого равном единице, то при работах с обрушением кровля будет подобна консольной балке, заделанной над забоем, а при работах с закладкою —- подобна балке, заделанной с одной стороны над забоем и с другой — у края закладки.
Наиболыпин прогиб коовли в первом случае будет на краю консоли, над органным (косфовым) рядом (фиг. 81), а во втором случае — теоретически посередине пролета, а фактически — ближе к краю
15 i
закладки (фиг. 82). Наибольшая величина пролета кровли отвечает наибольшей величине горного давления в данном месте.
Допустим, что все естественные условия постоянны и что непосредственная кровля способна пластически прогибаться и не имеет 1рещин. Тогда при одном и том же пролете наибольшая величина горного давления будет в несколько раз больше при работах с обрушением, чем при работах с закладкою. Это следует непосредственно из сравнения простейших схем работы консоли и заделанной балки при равномернораспределенной нагрузке. Для того чтобы при работах с обрушением не имело место значительное горное давление, необходима кровля, не способная к сколько-нибудь заметному пластическому прогибу. Наоборот, такой прогиб при работах с закладкою может быть допущен. Отсюда — работы .с обрушением наиболее целесообразны при породах кровли, находящихся в хрупком или близком к нему состоянии и не имеющих трещин (хрупкие слоистые глинистые сланцы, песчанистые сланцы, малой мощности известняки и т. п.). Такие породы удобны, кроме того, для искусственного обрушения с помощью режущих опор (органного или кострового ряда). Работы же с закладкою целесообразны при породах кровли, склонных к значительному пластическому прогибу.
При наличии естественных трещин в породах кровли важное значение приобретает хрупкое или пластическое состояние пород. В первом случае трещины как очаги концентраций напряжений быстро приводят породы к потере прочности и крепь получает значительную нагрузку в виде веса отдельных кусков или глыб. Очевидно, что при таких условиях выбор между обрушением и закладкою должен остановиться на последней. Такое же решение должно быть принято и при пластическом состоянии трещиноватых пород'кровли. Это состояние при деформации породы способствует выравниванию напряжений. Пластический прогиб идет с упрочнением. Отсюда — при наличии трещиноватых пород более целесообразен способ pa6oi с закладкою.
Рассмотрим более подробно оба способа поддержания выработанного пространства.
а) Работы с обрушением
По достижении предельного пролега кровли BmdX наибольшая величина горного давления получится, как было уже отмечено, у края консоли. Наибольшие же значения растягивающих и сдвигающих напряжений в непосредственной кровле будут над забоем. В это время возникает опасность образования сквозных трещин в кровле у забоя („обрез" кровли), которые при известных условиях приводят к обрушению кровли в рабочем пространстве („завал" лавы). Для того, чтобы этого не произошло, пролет кровли укорачивается путем обрушения с помощью режущей опоры, устанавливаемой на расстоянии от забоя Bmin■ Это расстояние определяется на основе производственных требований. Таким образом, пролет кровли в результате обрушения укорачивается на величину
В~Вшах - В,„in,
называемую шагом обрушения непосредственной кровли. С целью обеспечения обрушения, на этом пролете убирается по возможности вся крепь.
Величина шага обрушения В выбирается на основе опыта так, чтобы: I) обрушение (посадка) кровли было легким и полным при
отсутствии к концу цикла (периода времени от обрушения до следующего обрушения) недопустимых деформаций крепи и 2) были одновременно удовлетворены производственные требования, например: кратность величине шага переноски конвейра, глубине вруба и т. п.
Обрушение кровли с помощью режущей опоры будет тем более легким и полным, чем ближе напряжения в непосредственной кровле у режущей опоры к предельным. Однако, в целях безопасности они не должны полностью отвечать таковым, а должны быть несколько меньше их.
Величины напряжений в кровле, у режущей опоры зависят от величины пролета кровли, подлежащего обрушению, в свою очередь зависящего от мощности непосредственной кровли, параметров состояния последней, мощности и состава вышележащих пород. При прочих одинаковых условиях этот пролет тем больше, чем больше мощность непосредственной кровли, и наоборот. Шаг обрушения, при котором напряжения в кровле, у режущей опоры, близки к предельным (временным), назовем предельным шагом обрушения.
При известных условиях (труднообрушаемые кровли) величина предельного шага обрушения может быть настолько значительной, что по производственным условиям оказывается неприемлемой (большой расход крепи, в течение цикла требуется несколько переносок конвейера, затрудняе!ся надзор за крепью, расположенной позади конвейера, и т. п.). В таких случаях предельный шаг обрушения уменьшается до необходрмого по производственным условиям. Напряжения в кровле, у режушеи опоры, оказываются при этом значительно меньше предельных и для обрушения кровли нужны понудительные мероприятия (практически — применение взрывных работ).
Таким образом, шаг обрушения может быть выбран предельным или уменьшенным, что зависит от производственных условий. В Подмосковном бассейне, например, предельный шаг обрушения составляет для кровель труднообрушаемых свыше 3,0—3,5 м и для кровель яегкообрушаемых — меньше 2,5 м. Там же нередко применяют уменьшенный шаг обрушения в 1,6 и 2,0 м (обрушение кровли после каждого вруба).
Изложенное действительно, если состав пород кровли таков, что отношение каждой из вих к устойчивости и обрушению приблизительно одинаково В этом достаточно обычном на практике случае выбранный шаг обрушения, предельный или уменьшенный, является по существу постоянной величиной, если постоянны условия. Однако положение вещей изменяется, если в составе пород кровли имеется близко расположенная к угольному пласту порода (основная кровля), резко отличающаяся от других в отношении устойчивости и обрушения. Здесь надлежит различать: предельный шаг обрушения основной кровли - В0 и предельный uiai обрушения непосредственной кровли — Ва .
Наиболее существенным на практике является случай Ва , т. е когда основная кровля сложена из устойчивой и труднообрушаемой породы. Опыт показывае!, что при уходе забоя от обреза основной кровли на величину большую, чем величина В0 , на каждом последующем шаге обрушения непосредственной кровли Ви (если он остается постоянным) горное давление значительно увеличивается и появляются производственные затруднения. Избежать этого можно трояко- 1) на каждом шаге обрушения Вн увеличивать скорость подвигания забоя и, таким образом, ге допускать развития горного давления до опасной величины, 2) np'i постоянной скорости подвигания забоя на каждом шаге обрушения В„ усиливать крепь и 3) применяя одну и
ту же крепь, постепенно уменьшать шаг обрушения 5„ при постоянной скорости подвигания забоя. Все эти три способа практически являются мало удобными. Однако если выбирать один из них, ю целесообразнее остановиться на последнем, а именно: применять постепенно уменьшающийся в интервале между О и В0 шаг обрушения В„ Таким образом, получается переменный шаг обрушения непосредственной кровли. Величина его устанавливается, конечно, только опытом.
Если мощность труднообрушаемой основной кровли весьма значительна по сравнению с мощностью легкообрушаемой непосредственной кровли, то величина В„ получается весьма большой и тогда по понятным причинам более рациональным является применение не обрушения, а закладки.
Применение работ с обрушением на практике в целях безопасности ограничивается пологим падением и мощностью пласта 0,8 — 2,0 м.
б) Р а б о 1 ы с заклад ко ю
При этом способе рабочее просфансчво можно предсгавигь в виде узкой выработки .постоянной при данных условиях длины. Забоем служит одна длинная стеика этой выработки, а другая противоположная ей стеика образована закладкой. Ширина рабочего пространства отвечает ширине этой выработки. Подвиганию забоя должно отвечать подвигание и линии закладки. Тогда пролет выработки будет всегда некоторым постоянным по длине и условия проявления горного давления будут однообразными. В этом—теоретически принципиальное отличие работ с закладкою от работ с обрушением, где ширина рабочего пространства, или, что то же, пролет кровли, постепенно увеличивается от Втт до Вта.
Закладка должна обладать определенной жесткостью, так как является искусственной опорой кровли. В идеальном случае sia жесткость должна быть равна жесткости другой опоры — полезного ископаемого в забое. Однако практически это недостижимо. Наиболее совершенная закладка, гидравлическая, дает усадку до 10% и больше (по отношению к высоте), а усадка наиболее часто применяемой на практике сухой ручной закладки достигает 50%. В то же время усадка забоя обычно практически ничтожна. Такое различие в жесткости опор кровли ведет к тому, что прогиб кровли-выходит за пре делы ширины рабочего пространства, и действующий пролет кровли увеличивается (фиг. 82). При этом увеличение его будет тем большим, чем больше податливость закладки и давление. Отсюда необходимость применять возможно более плотную закладку.
Способность слоистых пород кровли к прогибу, вообще говоря, является различной. Нередко имеют место отслоения пород и образование в толще кровли пустот. Такие пустоты уменьшают сопротив - ление кровли изгибу. Предупредить образование этих пустот можно лишь при наиболее плотной закладке-
Прогиб непосредственной кровли в рабочем пространстве должен быть плавным, без образования опасных трещин. Вслед за прогибом этой кровли прогибаются и вышерасположениые породы. Прогиб с»тот является пластическим, требующим для своего развития времени. Поэтому забой должен постоянно подвигаться вперед, и вслед за ним должна подвигаться и линия закладки с сохранением постоянства ширины рабочего пространства. При таком положении вещей прогиб вышележащих пород будет происходить иад заложенным выработанным пространством и не будет оказывать заметного влияния на состояние рабочего пространства.
f '^swism -
На нракшке нередко применяется частичная закладка (фиг. 83). В этом случае кровля над выработанным пространством поддерживается стенками (полосами), выкладываемыми вручную из кусков пус- юй породы. Стенки выкладываются на пологом падении перпендикулярно забою, а расстояние между ними выбирается таким, чтобы непосредственная кровля между стенками по удалении крепи легко обрушалась (работы с частичным обрушением) или же стояла без обрушения (собственно частичная закладка).
На пологом падении породные стенки обычно перпендикулярны к забою. Они постепенно удлиняются по мере подвигания забоя. Здесь кровля над рабочим пространством находится в своеобразных условиях: с одной стороны она имеет жесткую опору — забой, а с другой,— опору, состоящую из чередующихся участков закладки и крепи. Для обеспечения плавною прогиба кровли эта последняя опора 1,олжна иметь однообразную жесткость. В противном случае неизбежны в кровле неравномерность распределения напряжений и появление трещин, местных обвалов и т. п.
Обрушение непосредственной кровли между стенками целесообразно при наличии легко обрушающихся на пролете, равном рас- l гоянию между стенками пород и когда кровля при обрушении дает увеличение объема породы, достаточное для заполнения выработанного пространства на bhcoiv до основной кровли. При этом в конечном счете получается полная закладка. Расстояние между стенками выбирается тлким, чтобы по удалении крепи непосредственная кровля легко обрушалась. Обрушение, конечно, не должно распространяться на рабочее пространство. С целью предупреждения этого применяется соответствующая крепь.
Способ обрушения непосредственной кровли между стенками служит средством поддержания пород основной кровли, способных к значительному пластическому прогибу и тем оказывающих влияние на рабочее пространство. Если же такие породы отсутствуют и непосредственная кровля способна держаться без обрушения, то собственно одна частичная закладка является вполне достаточной.
Для породных стенок материал обычно получается из бутовых штреков, путем подрывки кровли или почвы. Подрывка почвы более рациональна при применении собственно частичной закладки, а подрывка кровли - при применении частичного обрушения.
Собственно частичная закладка и частичное обрушение — изобре- 1ения практики, имеющие целью до известной степени заменить при соответствующих условиях полную закладку, которая вообще представляет сложное и дорогое мероприятие.
На практике встречаются условия, когда осуществляется так называемая самозакладка (фиг. 81). Условия эти следующие: малая мощное ib пласта (меньше 0,7 м), прочное полезное ископаемое в пласте и пластичные кровля и почва. Кровля дает значительный пластический прогиб и при этом передает большое давление на забой, в результате которого происходит вспучивание почвы. На некотором расстоянии от забоя прогибающаяся кровля и поддувающая почва сходятся, образуя идеальную закладку.
§ 93". Размеры рабочего пространства
Рабочее пространство представляет в плане прямоугольник, длинной стороне которого отвечает ширина очистного забоя (или, что одно и то же, длина лавы) L, а короткой стороне--ширина рабочего пространства В. Для данных условий величина L является посто янной, а величина В — переменной (в пределах от ВШа работах с обрушением и приблизительно постоянной закладкою.
Ширина забоя L назначается на основании производственных соображений. При прочих одинаковых условиях этот размер вообще больше при работах с закладкою, чем при работах с обрушением. В целях безопасности ширина забоя на пологом падении при работах с
обрушением обычно не превышает 100 м, а при применении, например, частичной закладки доходит до 300 м и больше. е
Размер L не оказыват на величину горного давления заметного влияния. По любой линии, параллельной забою, горное'давление во всех точках является одним и тем же за исключением участков, примыкающих к верхнему и нижнему штрекам, на которых величина давления меньше вследствие влияния Ч торцевых частей выработки.
Иное значение имеет ширина рабочего простран:тва. Роль ее бы- " ла подроби j выяснена в § 92.
Фиг. 84. Самозакладка.
§ 94. Скорость подвигания забоя
Деформации кровли в большинстве случаев являются пластическими. Для развития их нужно время. Чем меньше дается времени для
Фиг. 83. Частичная закладка.
проявления деформаций боковых пород в рабочем пространстве, тем меньше величина деформаций на единицу ширины рабочего пространства.
Определенной скорости подвигания забоя отвечают и определенные величины деформаций боковых пород, а следовательно, и определенный режим горного давления в рабочем пространстве. Поэтому в целях управления горным давлением важно обеспечение некоторой постоянной скорости подвигания очистного забоя, определяющей необходимый режим горного давления.
§ 95. Крепь
Крепь — основное средство управления горным давлением. Она оказывается особенно эффективной, если в данных условиях режим горного давления достаточно изучен и ему отвечает применяемая крепь.
ПО В та) nprt при работах с
Па /-/
В очистных выработках издавна применяется крепь из стоек. В зависимости от условий стойкам придаются вспомогательные элемен-
Ты: в кровле — подлапкй, верхняки (подводы) и зйтяжки, и в поЧве ^
соответственно — подкладки, лежни и затяжки; последние — на крутом ч
падении. К крепи из стоек принадлежат также кустовая и органная ^
крепь. Отдельно ctohi костровая крепь. Стойки применяются деревянные, металлические и смешанные. Верхняки — обычно деревянные или металлические; затяжки чаще всего деревянные '!
Деревянные стойки работают в основном на осевое сжатие. В чистом I
виде продольный изгиб их исключается, так как гибкость применяемых ;еревянных стоек не превышает 100. В пределах упругости укорочение стойки под действием осевой силы весьма незначительно и прак- t гического значения не имеет. Действительно, сосновая стойка длиною ; 1 м и толщиною 12 см при напряжении сжатия 100 кг/еж2 и при Е= \ ^=90 000 кг\см2 дает укорочение всего на 1,1 мм, т. е около 0,1% i Однако такая жесткость стойки возможна лишь при наличии совершенно жесткой нижней опоры, и так как под влиянием давления, пе- 1 редаваемого стойкой, почва дает усадку и притом тем большую, ! чем более слабой она является, крепь из стоек в целом оказывается до известной степени податливой. Ее податливость особенно усиливается вследствие работы на смятие поперек волокон концов, перекладов над стойками, клиньев и затяжек в этих местах. Смятие почвы и этих элементов крепи носит пластический характер и не может быть определено расчетом. Здесь нужны данные опыта, которые, - к сожалению, в подробном виде почти отсутствуют. Насколько значительной может быть податливость крепи из стоек, показывает сле- 1ующий пример из практики (Подмосковный бассейн):
Смятие горбыльиой затяжки толщиной 5 см над стойкой ... 1,20 см
верхняка из распила толщиной 10 см......................................... 2,50 „ ~
Усадка почвы из плотной глины............................................................... 0,80 „ г
4,50 см
что при первоначальной высоте рабочего пространства в 1,8 м состав- i
ляет 2,5%. 1
Однако если крепь металлическая, то степень жесткости или по- г
1,атливости ее определяется главным образом конструкцией стоек.
Податливость костровой крепи из притесанных кругляков дохо- лит, за счет смятия дерева поперек волокон, до 20—30%, а из железнодорожных шпал—до 15—20%. Это—типично податливая крепь. J
Практически жесткие костры могут быть получены из металлических элементов (рельс и т. п.). Однако при мягкой почве и они дают усадку.
Требования к крепи различны в зависимости от способа поддержания выработанного пространства.
а) Работы с обрушением
Здесь наибольший прогиб hmax непосредственной кровли имеет место к концу цикла у свободного края консоли (фиг. 81.) Теоретически этот прогиб вообще не должен был бы быть допущен вовсе. Однако вследствие податливости крепи он все же имеет место. Следует, конечно, стремиться всячески его уменьшить. Это легче всего достигается при наличии прочной почвы и при применении металлических стоек и верхняков.
При слабой почве управление горным давлением с помощью периодического обрушения кровли вообще не является эффективным, в особенности при кровлях небольшой пластичности. Применение деревянных подкладок и лежней может до некоторой степени быть полезным лишь в случаях, когда местное сжатие их под стойками меньше смятия самой почвы. Другой путь ограничения податливости
крепи — выбор соответствующих расстояний между стойками и толщй- ны верхних вспомогательных элементов, если они деревянные.
Чем меньше толщина верхняков, затяжек и клиньев над стойками, гем меньше общая величина их смятия. Однако это связано с уменьшением прочности этих элементов. Стрела поперечного прогиба верх- няка посередине пролета (расстояния между двумя соседними стойками) должна отвечать величине смятия концов переклада над стойками, а гакже смятию клиньев и затяжек, если они в этих местах имеются. В противном случае, при преобладании деформации изгиба, в кровле будет иметь место неравномерное распределение напряжений, крайне неблагоприятное для общего ее состояния.
Чем больше расстояние между стойками, тем больше при прочих одинаковых условиях прогиб верхняка и тем больше величина смя- 1Ия поперечных элементов над стойками. Отсюда—расстояние между стойками представляет фактор, определяющий работу всей системы крепления. Это расстояние может быть выбрано следующим образом.
На основании опыта при данном шаге обрушения В устанавливается наибольшая величина опускания кровли hmar, измеряемая на средней линии рабочего пространства, перпендикулярной линии забоя. Вычитая из hmaK величину осадки стойки (смятие почвы), получим величину смятия вспомогательных элементов крепи над стойкой he. Этой величине и должен равняться прогиб верхняка между соседними стойками, у края консоли. По величине прогиба и при известной толщине леса легко може! быть найден и искомый пролет, т. е. расстояние между стойками. Это расстояние должно, конечно, отвечать производственным условиям
Если крепь металлическая, го расстояние между стойками берется вообще большим, чем при деревянной крепи, так как жесткость при работе на изгиб верхняков из двутавровою железа или из рельсов весьма значительна.
На практике верхняки располагают в направлении, перпендикулярном или параллельном линии забоя. При горизонтальном залегании пласта более правильным является перпендикулярное расположение верхняков, так как при этом они противостоят деформации пород кровли в наиболее важном направлении от забоя к завалу. Такое же расположение верхняков должно было бы иметь место и при наклонном залегании пласта. Однако здесь появляется сдвигающая составляющая горного давления, а потому верхняки лучше располагать параллельно линии забоя.
б) Работы с закладкою
При этом способе работ непосредственная кровля дает значительный пластический прогиб, устранить который, конечно, не может никакая крепь. Впрочем, этого и не требуется, так как закладка под влиянием давления дает усадку. При совместной же работе закладки и крепи теоретически необходимо, чтобы жесткость (податливость) их была одинакова. Таким образом, при работах с закладкою должна быть применена податливая крепь. При управлении горным давлением важно лишь не допустить опасных деформаций кровли (трещин и т. п.). Ширина рабочего пространства выбирается на основании опыта так, чтобы наибольший допустимый прогиб кровли не сопровождался такими деформациями.
Податливость крепи достигается за счет внедрения стоек в слабую почву и смятия вспомогательных элементов над стойками. Наи большая величина податливости крепи теоретически должна быть равна опусканию кровли у края закладки.
Особенно эффективными являются металлические стойки, обладающие значительной податливостью, которая берется тем большей, чем больше мощность пласта. При работах же с обрушением податливость таких стоек должна быть весьма ограничена при повышенной несущей способности стойки.
Способ выемки
На режим горного давления в рабочем пространстве существенное влияние оказывают способы выемки с предварительным подбоем, в^особенности глубоком (1,5 — 2,0 м), и применение взрывных работ.
При подбое в виде зарубной щели, выполняемом врубовой машиной, пролет кровли над рабочим пространством в данном месте забоя увеличивается на величину, равную глубине вруба. Опыт показывает, что в связи с этим вскоре же по прохождении машины горное давление вблизи забоя заметно увеличивается. Это увеличение имеет место не только в направлении к выработанному пространству, но и вперед, вдоль нетронутого еще забоя на некоторое небольшое расстояние. Если производство подбоя приостановить, то по истечении сравнительно короткого промежутка времени рост давления прекращается, остановившись на достигнутом уровне.
Увеличение горного давления у забоя сопровождается уменьшением высоты зарубной щели. Подбитый уголь дает пластический прогиб, который тем больше, чем большую глубину имеет вруб и чем более склонен уголь к прогибу. В случаях, когда вруб не крепится, наблюдается почти полное закрытие зарубной щели. С целью уменьшить рост горного давления и предупредить оседание подбитого угля врубовая щель закрепляется подшашками и т. п. Это мероприятие оказывается особенно действительным, если такая крепь будет возможно более жесткой и почва — возможно более прочной.
При работах с обрушением наибольшая ширина рабочего пространства в общем случае составляет:
В max = Вт щ 4~ П.Ь ,
где b -глубина вруба и и — число врубов. При обрушении кровли через один вруб п — 1, через два вруба п = 2 и т. д.
При работах с закладкою
Вта% = Вт\п -р Ь.
Здесь должен сохраняться по возможности постоянно один и тот же пролет кровли Втак. Закладка не должна отставать от забоя.
Применение взрывных работ может существенно влиять на режим горного давления в рабочем пространстве. При взрывании шпуров возникают ударные волны, влияющие на устойчивость пород кровли. Опытом должны быть установлены для данных условий элементы комплекта шпуров, при которых избегаются опасные деформации пород кровли.