МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЗМЕРОВ ЦЕЛИКОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

н и н г р а д 1979

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОЮ КРАСНОЮ ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

Согласовано:

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЗМЕРОВ ЦЕЛИКОВ РАЗЛИЧНОЮ НАЗНАЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Ленинград

1979

Т емпература массива 1-«с	Влажность W, %	Кубиковая прочность на сжатие о кгс/см	Прочность на растяжение ч кгс/см
месторож	д е н и е
-3,0	18,5	80	11,6
-2,2	18,5	30	4,5
-3,0	11,3	8	6,1
-3,0	13	13	10
-2,2	7,6	40	14
месторож	д е н я е
-1,0	_	62	4,5
-1,4	-	78	10,0
Джебарик	и - X а я
-2,5	8,6	80	12,5
-5,7	-	45	6,5
-3,0	-	70	10
-з,и	_	05	9,5
месторож	Денис
-0,5	_	16	3
-0,2	-	12	2
месторож/	1 е н и е
-0,3	_	100	11, 4

11

С увеличением глубины от земной поверхности естественная температура массива горных пород повышается. Кроме того, прк ведении горных работ от прис>тствия людей и действия механизмов также происходит повышение температуры пород, окружающих выработки, а вследствие теплообмена с воздушной струей наблюдаются сезонные колебания их температуры.

4. 3. 2. В результате испытаний горных, пород, весьма отличающихся по прочности (от 150 до 2000 кгс/см^), было установлено, что породы, имеющие небольшую прочность на сжатие (150-350 кгс/см^) пр] положителыой температуре, а также породы, отличающиеся значительной пористостью (8-12%) и трещиноватостью (слабый песчаник, сланец, уголь), прк замораживание увеличивают свою прочность на 15-45%. В то же время прочность таких пород, как диабаз, крепкий песчаник, известняк и мрамор при замораживании уменьшается на 20-40%.

4. 3. 3. При повышении температуры от отрицательной до положительной прочность угля снижается (рис. 2), причем основное )меньше-ние прочности происходит при повышении температурь' от -6 до -2°С. При изменении температуры ниже -6 и выше -2°С прочность угля практически не изменяется.

4. 3. 4. Прочность угля на сжатие при изменении его температуры от О до -6°С необходимо определять по следующей формуле:

£м

^{1 +(}в.

Рис. 3. Влияй.* т аппаратуры на «ю и В, - значения прочно-прсчьссп образце >гля    ^сти    У^гля    соответственно при тек-

пературе -6°С и при положительной температуре, кгс/см-; t_M “ -6°С; \ - фактическая температура перед. °С.

1.    5.    Изменение    влажности    мерзлого    угля    в    диапазоне    0,2-9%

практически не влияет на его прочность при сжатии.

5. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕЛИКОВ

Несущая способность целика Р_н зависит, главным образом, от таких факторов, как прочность его материала, площадь поперечного сечения, соотношение между высотой и шириной. В общем виде она определяется из выражения:

Рн * &c^S V

где R-_c - кубиковая прочность на сжатие материала целика, тс/м²;

S - площадь поперечного сечения целика, м^; К, - коэффициент формы.

5. 1. Определение коэффициента формы

5. 1. 1. Коэффициент формы Ьф характеризует изменение прочности целика в зависимости от соотношения между его шириной Ь и высотой Vv . Исследованиями ВНИМИ установлено, что для мерзлых углей характер изменения Ьф в интервале 0,25<^< 4 подчиняется следующей зависимости:    <

1о_ф - 0,75 + 0,25•    (9)

5. 1. 2. При наличии в пласте угля ледяных прослоев значение Ъ.

необходимо вычислять по следующей формуле:

Ьф - 0.9 + 0,1-ЯГ-    U0)

На основании исследований Ф. П. Бублика /4/, а также М. Борецкого и А. Кидибинского /9/ считаем допустимым пользоваться выражениями (9) и (10) для целиков с отношением    от    0,25    до    10-12.

5. 2. Выбор коэффициента запаса прочности

5. 2. 1. Устойчивые размеры целиков определяют исходя из предположения, что действующая на них нагрузка Рф уравновешивается несущей способностью Р_н с некоторым коэффициентом запаса w , т. е.

Р

^РФ ^в

5. 2. 2. Значение коэффициента запаса прочности целика принимают в зависимости от степени достоверности данных по прочностным характеристикам горных пород, слагающих целик, точности расчетной схемы и других факторов. В общем случае коэффициент запаса прочности подсчитывают по формуле:

w-H,H₂W₃... vv_n,    ₍₁₂₎

где w_1t w₂,    w_n-    коэффициенты,    учитывающие    отдельные    факторы,

в частности, - разброс показателей прочностных свойств угля, w₂- изменение прочности угля под влиянием температуры, Wj - масштабный фактор. Согласно исследованиям ВНИМИ, для угольных пластов в зоне многолетней мерзлоть следует принимать w, ■ 1,3. Поскольку температура горных пород может изменяться от естественной отрицательной (-2-г -8) до положительной, то значение необходимо выбирать дифференцированно. Например, при температуре пород -2°С

13

и выше его следует принимать равным 1, а при температурах пород от -2 до -6°С и ниже его значения выбирают от 1 до 1,8-2 методом линейной интерполяции. Если в расчетах используют прочностные характеристики, полученные при натурных испытаниях, то можно принять Wj - 1.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЦЕЛИКОВ

Согласно исследованиям, существенное влияние на прочность мерзлых углей оказывают лепные прослои. Поэтому определять размеры целиков необходимо с учетом эффекта снижения прочности угля при наличии в нем ледяных прослоев.

6. 1. Междукамерные целики

6. 1. 1. В случае, когда в пласте угля ледяные прослои отсутствуют, ширину целика определяют из следующего уравнения:

R    ,

(А +Ъ)(1+4)уН_н.    (b-q)U-q)    (0,75+    0,25    (13)

где А - ширина камеры, м; Ъ - ширина целика, м; q - поправка, учитывающая влияние на целик взрывных работ, м; К - высота целика, м; d - ширина сбойки, м; длительная прочность материала целика, которая рассчитывается в зависимости от срока его службы по формуле

где R*. - предел длительной прочности на сжатие угля данного пласта, тс/м ; R_c - прочность угля на сжатие при условно-мгновенном нагружении, тс/м^;    -    срок службы целика, сут; - эмпири

ческий коэффициент (по данным Ж. С. Ержанова /10/ для горных пород сО ^е 0,7). Остальные обозначения в формуле (13) те же. что указывались ранее. Значение £„ для мерзлых пород, согласно исследованиям /11/, принимается рапным 0,5R_C

to. 1. 2. Если в пластах угля имеются ледяные прослои, то ширину целика необходимо определять из уравнения:

R

(А +Ъ)(I +cl)yH_H= ~-(b-q)(l -q)(0,9 + 0,1 ~Ц.    (15)

В этом случае при определении величины R^ в формулу (14; необходимо подставлять значение прочности, вычисленное но формуле (5), если ледяные прослои расположены параллельно напластованию, или по формуле (6) - в случае залегания их под углом к напластованию.

УДК 622. 831. 246: 622. 838. 53: 551. 345

Методические указания доопределению размеров целиков различного назначения в условиях многолетней мерзлоты. Л., 1979,    23    с.    (М-во угольной пром-сти

СССР. Всесоюэ. науч.-исслед. ин-т горн, геомех. и маркшейд. дела).

Приведены расчетные схемы и формулы для определения нагрузок и несущей способности целиков различного назначения в условиях многолетней мерзлоты. Показаны примеры определения размеров целиков и приведены данные о прочностных свойствах многолетнемерзлых углей и пород для основных, разрабатываемых в настоящее время, угольных месторождений Якутии и Магаданской области.

Методические указания рассмотрены и одобрены секцией горного давления Ученого совета ВЫ ИМ И, согласованы с производственными объединениями Северовостокуголь, Якутуголь, Арктикуголь и институтами Востсибгипрошахт, Дальгипрошахт, Сибгипрошахт.

Предназначены для специалистов, занимающихся исследованиями, проектированием и разработкой месторождений в зоне многолетней мерзлоты.

Ил. 3, табл. 1, библиогр. 12.

(С) Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ВНИМИ, 1979.

1. ВВЕДЕНИЕ

При подземной разработке угольных месторождений, расположенных в зоне многолетней мерзлоты, широко применяются системы, при которых управление кровлей в очистных забоях, охрана подготовительных выработок, а также изоляция отработанных участков осуществляется с помошью угольных целиков. Выбор оптимальных размеров целиков определяется, как известно /1-4/, целым рядом факторов горногеологического и экономического характера. При этом принятые размеры угольных целиков должны обеспечивать максимальную полноту извлечения полезного ископаемого и достаточную безопасность ведения горных робот.

Известные методы определения размеров целиков, разработанные для обычных горногеологических условий, при расчете целиков в условиях многолетней мерзлоты приводят к неверным результатам. Эго объясняется спецификой свойств многолетнемерзлых пород и особенностями их поведения в процессе очистной выемки.

При разработке данной методики определения размеров целиков приняты к учету такие факторы, как трещиноватость горного массива, наличие в пласте ледяных прослоев и их ориентация относительно элементов залегания пласта, соотношение вертикальных и горизонтальных размеров целика, неоднородность строения и разнопрочность отдельных слоев, характер нагружения, длительность действия нагрузки, возможное ослабление целиков взрывными работами и тепловыми воздействиями.

В основу Методических указаний положены специальные исследования, проведенные лабораторией горного давления на пологих пластах в 1972-1978 гг. Кроме того, использованы основные положения методики расчета целиков различного назначения для обычных горногеологических условий, разработанные ранее проф. , д-ром техн. наук Ф. П. Бубликом, канд. техн. наук Г. А. Ивановым, инж. А. В. Плаховым.

2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЦЕЛИКОВ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ РАЗМЕРОВ

2. 1. Анализ горногеологических условий угольных месторождений, расположенных в области распространения многолетнемерзлых пород, позволяет выделить ряд особенностей, присущих этим месторождениям. К ним относятся: незначительная (30-150 м) глубина разработки пластов, преимущественно пологое их падение; расположение большинства запасов в мощных сближенных пластах; отрицательная температура горных пород и ее изменение с глубиной до лоложитель-

3

ной в пределах шахтного поля; наличие в породах и угольных пластах льда. В зоне мерзлоты обводненность горных пород, как правило, отсутствует. Воды, появляющиеся в переходной и подмерзлотной зонах, нередко бывают напорными.

2. 2. Отьгт и проведенные исследования /5, 6/ показывают, что, несмотря на различие в литологическом составе углевмещающих пород, существуют общие закономерности в характере поведения многолетне-мерзлой толщи при выемке пластов угля. В первую очередь к ним следует отнести повышенные устойчивые пролеты обнажений многолетне-мерзлой кровли и зависимость прочностных свойств пород и углей от их температуры.

2. 3. При проведении выработок нарушается естественный тепловой режим горных пород. Эго обстоятельство сказывается на прочностных свойствах многолетнемерзлых горных пород, а следовательно, и на несущей способности угольных целиков, оставляемых при отработке месторождений. При этом, в зависимости от места расположения целиков, срока их службы и принятого теплового режима шахты в целиках могут происходить процессы промораживания или оттаивания угольного массива, т. е. горные породы могут подвергаться неоднократным воздействиям знакопеременной температуры. Кроме того, вследствие интенсивного тепломассообмена с воздушной струей, проходящей по выработкам, изменяется влажность и льдистость материала целика.

2. 4. В соответствии с особенностями обрушения и сдвижения мерзлой толщи пород угольные целики в течение длительного времени могут оставаться лригруженными лишь частью вышележащей толщи пород.

С увеличением глубины горных работ повышается температура угольного массива, появляются подмерзлотные воды, изменяются прочность и устойчивость горных пород, а также характер нагружения целиков.

2. 5. Расчет целиков, как известно, сводится к решению трех основных задач: 1) определению нагрузки, действующей на целики; 2) определению несущей способности целиков; 3) обоснованию и выбору коэффициента запаса прочности. Каждая из этих задач является достаточно сложной и требует учета множества факторов, основные из которых перечислены выше.

Расчет целиков производится двумя методами:    1)    по допускаемым

нагрузкам и деформациям и 2) по предельным напряжениям и деформациям .

2. 6. Способ расчета по предельным напряжениям более точен, однако его применение требует определения параметров длительной прочности и ползучести массива, получение которых связано со значительными трудностями. В отечественной горной практике имеется достаточно сведений о действующих в целиках напряжениях, об их деформировании, частичном и полном разрушении и об условиях, в которых такие явления происходят. Эго позволяет для определения размеров целиков в обычных условиях использовать способ расчета по их предельной несущей способности. Однако для условий многолетней мерзлоты такие данные практически отсутствуют. Кроме того, на пути применения тео-

4

рии предельного равновесия возникает препятствие, которое объясняется тем, что в мерзлых горных породах в результате изменения их прочности под влиянием температурных воздействий переход в предельное состояние будет происходить неодновременно по всему объему целика. В связи с этим известные теоретические решения применительно к условиям многолетней мерзлоты имеют ограниченные возможности и не позволяют учитывать все многообразие условий с достаточной полнотой и достоверностью.

2. 7. Для условий многолетней мерзлоты принят метод расчета целиков по допускаемым нагрузкам, который включает экспериментальные определения прочностных свойств углей и пород и исследование проявлений горного давления и сдвижения толщи пород в целях обоснования действующих на целики нагрузок.

2. 8. С целью получения достоверных значений прочностных характеристик многолетнемерзлых горных пород применяли комплексный метод. Он включал лабораторные исследования основных факторов, влияющих на прочность многолетнемерзлых горных пород, установление качественной стороны этих зависимостей и натурные испытания для получения исходных значений прочности. Исходные значения прочности затем корректировали в соответствии с зависимостями, полученными при лабораторных испытаниях для изменяющихся временных и температурных условий. Такой подход позволял с достаточной надежностью определить несущую способность целиков с учетом влияния на нее всех основных факторов.

2. 9. Областью применения данной методики является зона многолетнемерзлых пород с глубиной разработки до 200 м. При переходе в зону таликов изменяются как прочностные свойства пород, так и характер нагружения целиков, что, естественно, потребует проведения дополнительных исследований.

2. 10, Требования, предъявляемые к целикам, определяются их назначением. Все виды целиков, применяющихся в рассматриваемых условиях, можно разделить на две группы: для систем разработки короткими и длинными очистными забоями.

2. 11. При камерной и камерно-столбовой системах разработки (короткими забоями) в вариантах, наиболее распространенных в условиях многолетней мерзлоты, между камерные целики должны обеспечивать такой характер обрушения кровли, при котором в течение заданного времени сохранялась бы устойчивость камер. Срок службы таких целиков исчисляется от нескольких суток до нескольких недель.

2. 12. При системе разработки камерами-лавами целики, оставляемые между камерами, должны обеспечить управление основной кровлей и всей толшей пород до поверхности. Управление непосредственной кровлей в этом случае полностью осуществляется крепью. При такой системе разработки устойчивость целиков должна сохраняться, как правило, в течение нескольких месяцев.

2. 13. При системах разработки длинными очистными забоями управление кровлей осуществляется полным обрушением с применением

посадочных или механизированных крепей. В этом случае целики оставляют только для охраны подготовительных выработок, они служат в течение длительного времени (несколько лет).

2. 14. Кроме целиков, предназначенных для управления кровлей и защиты подготовительных выработок, оставляют различного рода предохранительные и барьерные целики, срок службы которых исчисляется годами и десятилетиями.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ ИА ЦЕЛИКИ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

3. 1. Величины нагрузок на междукамерные целики зависят от размеров отрабатываемого участка, объемного веса покрывающих пород и характера их обрушения. Исследованиями /7, 8/ установлено, что нагрузка на междукамерные целики формируется в основном под влиянием по|юд непосредственной кровли. Ее мощность для различных пластов колеблется в пределах 8-20 м. Необходимый срок службы таких целиков в среднем составляет 15-20 сут. Их основное назначение - предохранить пространство рабочей камеры от прорыва обрушенных пород из соседней отработанной камеры. Нагрузка на целики определяется,исходя из веса первично осрушаюшейся породной пачки:

Рф * (А + Ь ) (I +оПГЬ_н,    (1)

где А - ширина камеры, м; Ъ - ширина между камерного целика, м; t - длина целика, м; d - ширина сбойки (рассечки), ограничивающей целик, м; у - средний объемньЛ вес пород, т/м^; 1*_н - мощность непосредственней кровли, м.

3.2. Междублоковые (барьерные) целики отделяют выработанное пространство отработанного блока (камеры-лавы) от смежного, находящегося в работе. Они могут быть сплошными (ленточными) или разрезанными сбойками. Нагрузка на целики такого рода определяется прежде всего весом покрывающих пород в объеме приамы с площадью поперечного сечения KEFN (рис. 1). Кроме того, на целик могут передавать давление с обеих сторон обломившиеся блоки перод. Эти блоки опираются с одной стороны на обрушенные породы, а с другой - на массив пород над целиком.

3. 2. 1. Полная нагрузка на сплошной (ленточный) междублоковый целик будет равна

Рф - (В +Htgo(, ) уН,    (2)

где В - ширина барьерного целика, м; Н - глубина работ, м; с£ «

90° —    ( ф - угол йолных сдвижений пород).

6

0 в С L	и F С о,
\ X/Y \ \ у: \\\ / \\ и \ \В А %■		i / 7 / \ ! у]/ U Л' 40 1 1 sf-’J ж/ 1 ■W / VH л
1444444SI		чччу[ ьчччччст:
		п=

Рис. 1. Схема к расчету барьерных целиков

3. 2. 2. При необходимости оставления междублоковых целиков с рассечками фактическую нагрузку на такие целики следует определять из выражения;

F-ф - (В + Н tg<& ) ( d + l )JH    (3)

3. 3. Офеделение нагрузки на целики, оставляемые для охраны подготовительных выработок, поддерживаемых позади очистного забоя, при сплошной системе разработки (между конвейерным штреком вышележащего отработанного столба и вентиляционным штреком нижележащего отрабатываемого столба) в принципе не отличается от способа определения нагрузок на барьерные целики (см. п. 3. 2).

3. 3. 1. При системе разработки длинными столбами с погашением подготовительных выработок вслед за подвиганием очистного забоя нагрузка на целик между конвейерным штреком отрабатываемого столба и вентиляционным штреком нижележащего определяется по формуле:

Р_ф « (В + 0.5D + 0,5H*tgot/) уН,    (4)

где D - ширина охраняемой вьгработхи, м.

3. 3. 2. Ширина целика между параллельными выработками принимается равной 10-15 м, исходя из условий исключения утечек воздуха между ними. При этом проверяется устойчивость целика под влиянием нагрузки, равной весу столба породы над ним. Нагрузка на целики, оставляемые со стороны выработанного пространства, определяется из условия, что они воспринимают на единицу своей длины вес толши налегающих пород (см. фигуру OGQK на рис. 2) и может быть вычислена по формуле (4).

7

Рис. 2. Схема к расчету охранных целиков

4. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

4. 1. Общие положения

Для практических целей наиболее достоверные сведения о прочностных свойствах многолетнемерзлых пород можно получить только в результате натурных испытаний. В таблице приведены данные, которые следует принимать в качестве исходных при определении размеров угольных целиков. Они получены в результате исследований, выполненных ВНИМИ в 1973-1977 гг. , в натурных условиях, на шахтах основных угольных месторождений Якутии и Магаданской области.

При изменении мерзлотно-геологических условий данные таблицы могут быть использованы только после соответствующей корректировки согласно зависимостям, полученным в результате исследований в лабораторных условиях.

4. 2. Влияние ледяных прослоев на прочность многолетнемерзлых горных пород на сжатии

4. 2. 1. Изучение строения пластов угля, залегающих в зоне многолетней мерзлоты, показывает, что в этих условиях, как правило, на контактах пласта с почвой и кровлей, а также на различной высоте от них расположены ледяные прослои мощностью от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Ледяные прослои располагаются как параллельно, так и под различными углами к напластованию. Наличие ледяных прослоев d горной породе, согласно исследованиям ВНИМИ, уменьшает ее прочность на сжатие в 2-8 раз.

8

4. 2. 2. Прочность мерзлой горной породы на сжатие при наличии в ней ледяных прослоев, расположенных горизонтально, необходимо определять по следующей зависимости:

*А-

где К

м R^ - прочность льда на сжатие, равная - * —    ,    ,„_м

К- А - высота целика без ледяных прослоев, м; R - прочность материала целика без ледяных прослоев, кгс/см^.

4, 2. 3. При определении прочности по формуле (5) значение А следует принимать равным сумме ледяных прослоев, если толщина отдельных прослоев не превышает 0,081г. Если хотя бы один из прослоев больше или равен 0,081г, то вместо суммы подставляют только толщину этого прослоя.

4. 2. 4. Формула (5) справедлива только при горизонтальном расположении ледяных прослоев. При изменении угла их наклона прочность необходимо определять по следующей зависимости:

- -Sa_,    (в)

^кК    .    Rx V 3

1 +    l)sino)

2

где С - величина сцепления льда м <i 'риалом целике, кгс/см ;

(л) - угол наклона ледяного прослоя к плоскости напластования, градус.

Формула (6) справедлива при углах наклона прослоев от С до 35°. При углах наклона от 35 до 60° прочность на сжатие равна сцеплению льда с материалом целика. При углах свыше 60° прочность целика равна ого прочности на сжатие в мерзлом состоянии, но без ледяного прослоя, т. е. наличие прослоя можно не учитывать.

4. 2. 5. Изучение строения пластов угля в зоне многолетней мерзлоты свидетельствует, что ледяные прослои залегают на различных расстояниях от лочвь: и кровли пласта. Максимальную прочность имеют целики, у которых ледяные прослои расположены по середине их высоты или на опорных поверхностях. При расположении прослоя между серединой целика и его торцами прочность снижается всего на 10-35%. Поэтому при определении несущей способности целиков влияние места расположения ледяного прослоя по высоте целика можно не учитывать, поскольку эта незначительная ошибка пойдет в сторону увеличения запаса несущей способности целика.

4. 3. Влияние температуры и влажности на прочность мерзлых коронных пород

4. 3. 1, Горные породы в зоне многолетней мерзлоты имеют естественную отрицательную температуру и определенную влажность.

! *