Демин В.Ф., Сон Д.В., Саранчуков А.В., Демин В.В., Мальченко Т.Д.

Карагандинский государственный технический университет

Физическое моделирование процессов НДС вмещающих пород вокруг выемочных выработок

В целях комплексного исследования, а также для определения качественной оценки процесса деформации и смещения горных пород во времени и пространстве на физической модели из эквивалентных материалов была рассмотрена устойчивость выемочной выработки при отработке мощного пологозалегающего пласта к₁₀ мощностью 3,8 м на глубине 590-610 м - конвейерном штреке 42к₁₀–з при длине отрабатываемой лавы длиной 240 м шахты им. Кузембаева УД АО «АрселорМиттал Темиртау».

Прочностные характеристики моделируемых горных пород и эквивалентных материалов, подобранных в соответствии с геометрическим масштабом, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Прочностные характеристики моделируемых горных пород и эквивалентных материалов

Моделируемые породы	Прочностные характеристики
	В натуре		В модели
	δсж , МПа	γ, МПа^∙10^-3	δсж, МПа	γ, МПа ∙ 10^-3
Песчаник (основная кровля)	56	2,52	0,336	1,51
Аргиллит (непосредственная кровля)	24	2,38	0,144	1,43
Пласт угля	11	1,38	0,066	0,83
Аргиллит (непосредственная почва)	21	2,30	0,126	1,38
Песчаник (основная почва)	59	2,56	0,354	1,54

Размеры модели составляли 2,25х0,28х1,8 м. При высоте 1,8 м и масштабе 1:200 недостающая глубина моделирования (500м) воспроизводилась с помощью пневмопригрузки.

Во время отработки модели измерялись величины горизонтальных и вертикальных смещений боков, кровли и почвы по реперам. Прогиб и обрушения непосредственной и основной кровли, положение и величины трещин и т.д. фиксировалось путем зарисовок и описания боковых пород. Регулярно производилось фотографирование моделей и измерение величин смещений реперов вокруг выработок с точностью до 0,1 мм, что при масштабе моделирования 1:200 составляет 2 мм в натуре.

Результаты замеров деформаций кровли и почвы выемочной выработки приведены на рисунке 1.

а

б

в

1 – анкерно – рамная крепь; 2 – анкерная крепь; 3 – рамная крепь

Рисунок 1 – Опускания кровли ∆h_k (а), сближения боков на участках угольного пласта ∆l_y и подрывки ∆l_n (б) и расслоения Δh_p (в)

Установка анкеров в приконтурном массиве пород упрочняет его. В зависимости от плотности установки анкеров и их несущей способности коэффициент упрочнения различен. Для изучения на моделях влияния плотности установки анкеров на развитие вокруг выработки зон напряжений и деформаций было произведено моделирования анкерной крепи путем создания вокруг выработки упрочненной зоны. Для этой цели в полость моделируемой выработки вставлялась форма из полистирола с марками СД-3, СД-5, СД-7 с прочностью большей, чем прочность окружающего трещиноватого массива с увеличением предела прочности упрочненного анкерами массива пород вокруг выработки в 1,05, 1,1 и 1,2 раза. Такие коэффициенты упрочнения пород К_упр соответствуют установке анкерной крепи с несущей способностью 50 кН по сетке: 1,8х1,8; 1,6х1,6 и 1,2х1,2 м. Размер зоны упрочненных пород вокруг выработки принят равным половине ширины выработки. Если же повышается прочность пород непосредственной кровли за счет крепи усиления в виде анкерной крепи, то прочность вмещающих пород за счет их «сшивки», анкерами на модели увеличилась в 1,3 - 1,4 раза. Величина общей деформации боков выработки за один и тот же промежуток времени составляла в среднем 0,55 м или в 2 раза меньше смещения каждого из боков в отличие от варианта при отсутствии анкерной усиливающей крепи. Крепь подготовительных выработок будет работать в режиме допустимых пределов податливости с значительным снижением затрат на ее поддержание. При этом эпюры контактных давлений, действующих на арочную крепь, представлены на рисунке 2.

1 - 8 при расстоянии за лавой, равном соответственно 0, 15, 25, 35, 45, 55, 80, 160 м

Рисунок 2– Эпюры контактных давлений на арочную крепь

Нагрузка на анкерную крепь до и после прохода лавы характеризуется эпюрами рисунка 3, которые показывают рост напряжений в выработке, поддерживаемой за лавой на границе с выработанным пространством, с охранным породным сооружением для разгрузки выработки от горного давления.

а

б

Рисунок 3 – Нагрузка (кН) на анкерную крепь до (а) и после (б) прохода лавы

Как на величину смещения пород кровли, так и на пучение пород почвы существенное влияние оказывает применение анкерной крепи в комбинации с металлоарочной податливой крепью. В выработке с комбинированной и анкерной крепью пучение составило 0,1 - 0,15 м, а в выработке с металлоарочной крепью 0,4 - 0,5 м (в натуре). Опускание кровли во всех трех вариантах мало отличается и составляет 1,0 - 1,1 м.

Таким образом, проведенные исследования на модели из эквивалентных материалов показали эффективность крепления подготовительных выработок анкерной и комбинированной анкерно - арочной крепью для обеспечения их устойчивости и надежности поддержания, так как этих условиях смещение боков выработки в 3 раза, а пучение пород почвы в 4 раза меньше, чем при применении только металлоарочного крепления.

Сравнение результатов исследований физического моделирования с шахтными наблюдениями показали их удовлетворительную сходимость.