Министерстве угельней промышленнвсти СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

ВРЕМЕННЫЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ С УПРАВЛЕНИЕМ КРОВЛЕЙ ЦЕЛИКАМИ НА СЛАНЦЕВЫХ ШАХТАХ ПРИБАЛТИЙСКОГО БАССЕЙНА

Ленинград

1972

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

ВРЕМЕННЫЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ С УПРАВЛЕНИЕМ КРОВЛЕЙ ЦЕЛИКАМИ НА СЛАНЦЕВЫХ ШАХТАХ ПРИБАЛТИЙСКОГО БАССЕЙНА

Ленинград

1972

поддерживаются в выработанном пространстве бутовыми полосами и крепятся неполными дверными окладами (см.рис.З), а при камерной системе со столбчатыми целиками на Эстонском месторождении они поддерживаются в выработанном пространстве целиками (между-камерным и неждублоковым) (см.рис.4), и кровля их крепится штангами.

Выемка сланца на обоих месторождениях осуществляется с помощью буро-взрывных работ. При этом в лавах с частичной закладкой и в камерах-лавах предварительно производится подрубка забоя врубовой машиной, Погрузка сланца на конвейер в лавах с частичной закладкой производится вручную, а в камерах и в камерах-лавах ” погрузочными машинами.

9

П. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕЛИКОВ

Данные о механических свойствах горных порол, необходимые для определения размеров конструктивных элементов систем разработки, до последнего времени получали, главным образом, путем испытания образцов небольших размеров в лабораторных условиях. Однако механические характеристики горных пород, полученные.при лабораторных испытаниях, не отражают в полной мере свойств массива, поскольку при этих испытаниях не учитываются факторы, ослабляющие прочность материала в массиве: трещиноватость, слоистость, влажность и другие.

Предложенный ВНИМИ метод натурных определений механических свойств горных пород /2/, в частности прочности на сжатие, дает возможность получить более достоверные характеристики горных пород и подойти с большим обоснованием к расчету параметров систем разработки. Следует, однако, подчеркнуть, что метод натурных испытаний имеет ограниченные возможности и значительную трудоемкость. Поэтому для изучения физико-механических свойств горных пород широко применялись лабораторные исследования, а выполненные натурные испытания использовались для установления переходных коэффициентов от прочности пород в образце к прочности в массиве.

Лабораторными испытаниями определялись 'кубико-вая* прочность и деформационные характеристики горных пород, слагающих промышленный пласт. Испытания при одноосном сжатии производились на образцах цилиндрической формы с диаметром, равным высоте (    &    -    \v    *

3-5 см). Данные испытаний приведены в табл.1 и 2 (графы 5 и 6).

Сравнение данных испытаний образцов пород пласта на одноосное сжатие по Ленинградскому и Эстонскому месторождениям показывает, что прочность одних и тех же слоев на обоих месторождениях одинакова. Различие не превышает величины разброса значений показателей

1 I

Таблица I

эизико-кехаикческие свойства пород прошиаста Эстонского месторождения горючих сланцев

Породи	Индекс слоя	Мощ ность слоя,	0 съемный вес поро-	"Кубиковая" прочность породы при сжати^обраэцов.		Коэффициент снижения прочности	цкент струк турного ослаб ления к.	"Кубико-вая'проч-ность породы зри сжатии в массиве кг/см2	Нодуль упругости породы (сухой) ЕхКГ? кг/сиг	Коэффи циент Пауссока сухой породы Р
		м	ды Г. т/м3	сухих «с	при полном вла-гонасы-кениж	при ПОЛНОМ влаго- насыдснии Ч
I	2	?	4	5	6	7	8	9	10	II
Горючий сланец	F	0,92	1 1.5	370	250	0,68	0»33	120	0,24	0,30
Горючий сланец	К	0,31	1.3	350	230	0,66	0,32	ПО	1,16	0,30
Известняк		0,06	2.1	750	620	0,83	0,40	300	1,33	0,27
Горючий сланец ГЛИНИСТЫЙ	д	0.07	1.7	320	180	0,56	0,27	90	«.
Известняк	д/с	0,23	2.4	840	640	0,76	0,37	310	1,60	0,30
Горючий сланец	с	0,38	1.5	280	180	0,64	0,31	90	-	-
Известняк	с/в	0,11	2.1	800	640	0,00	0,38	300	-	-
Горючий сланец	э	0,58	1.4	370	250	0,68	0,33	120	0,20	0,30
Известняк	В/А*	0,18	2.2	690	480	0,70	0,34	240	2,1	0,30
Горючий сланец глинистым	А‘	0,10	1.5	250	150	0,60	0,29	70
Горючий сланец	А	0,13	1.5	280	160	0,57	0,27	80		•

Тяолица <

ужзихо-ысхин/ческке свойства ворон проипласта Ленинградского иосторожтеижя го речах слакцеэ

— Породы	Ин.екс	:*оц-	Объем-	"Кубикоаая" прой-		Коэффкци-	ХЬаффи-	"КуОико-	Ifcxj-ль	Коэффи-
	елся	1- ость	кый	кость породы прк		скт сине-	цкеит	вая'проч-	упру-	циект [Гауссова
		слоя,	вес	слатяж^оОразцов,		них проч-	струк-	кость по-	гостя
		м	породы	КГ/си		кости при	гуриого	РОДЫ прк	породы	сухой
			ТГ/Ы3				ос лад-	СЖаТаШ В	(сухой) ЕхКГ,5 хг/см	породи, м
				сухи 6,	прк ПОЛНОМ вла-гонасыие-кнх <3.	влагонасы- ценкк ч	ленхя	массиве кг/см2
I	г	3	4	5	б	7	0	9	10 _	II
иевеплетекио и» вестняхя и сдан-	«■	0.33	1.8	530	400	0,76	0.36	190	1.6	0.23
ца ложная кровля
Pggf СЛаНва*	£	0,52	1.5	360	250	0,70	0,34	120	0,24	0.24
Известиях "розовая плита"	г/ж	0,07	2.4	620	540	о.ет	0,42	260	3.0	0,24
Глинистый сланец	л	0,05	1.7	310	180	0,58	0,28	90	-	-
Известиях "двойная плата"	д/с	0.27	2.5	840	640	0,76	0,37	310	3,0	0,24
£о£«чкй сланец,	с	0.27	1.4	340	240	0.71	0,34	120	0,15	0.25
Известиях "ку-лах*	с/в	0,15	2.3	820	640	0,78	0,37	300	2.70	0,22
Горючий сланец.	в	0.25	1.3	380	260	0,68	0,33	130	0,18	0,23
Известняк "синюха	в/х	0,18	2.4	700	480	0,68	0,33	230	2.0	0,33
Глинистый сланец Горючий сланец ,	л	0,06	1.7	310	180	0,58	0,2С	90	-	-
4 СЛОЙ	л	0,09	1.5	310	180	0,58	0,20	90	0,16	0.30

крочности образцов, изготовленных из одной породы. Величина коэффициента вариации значений прочности одной породы колеблется, как правило, в пределах 10-15%. Эго подтверждает вывод о хорошей выдержанности свойств пород на площади обоих месторождений.

Кроме того, были проведены испытания пород кровли на изгиб (по методу ВУГИ). Образцы для испытания пород кровли на изгиб изготовлялись из кернов скважин,пробуренных до высоты 14 м в кровлю пласта горючего сланца. Анализ результатов испытаний позволил условно разделить все породы кровли на четыре группы по прочности, усредненные значения прочности которых приведены в табл.З, где также даны коэффициенты вариации.

Таблица 3

Название породы Прочность сухих образцов при изги- Коэффициент вариации, f * Прочность пород в массиве б-.-, кг/см2 Известняки слабоглинистые, чистые 190 II 80 Известняки с включением мергелей, горючих и горючих глинистых сланцев, известняки сильно глинистые 160 16 60 Переплетение известняков с горючими, горючими ГЛИНИСТЫМ1 сланцами и мергелями 150 7 60 Горючие и глинистые горючие сланцы 80 12 30

Влияние увлажнения горных пород на их прочность изучалось на образцах из глинистого известняка "синюха*'. Аналогичные испытания были проведены на горючем сланце Ю.М.Карташовым. Эти данные указывают на значительное снижение прочности горных пород сланцевых месторождений при увлажнении.

Специальными исследованиями горных пород Ленинградского месторождения, проведенными В.Я.Степановым (ВНИМИ), установлено, что естественнаг влажность П|Ород горного массива мало отличается от величины влаж-

14

В 'Указаниях . . тодика определения конструктивных элементов систем разработки с управлением кровлей целиками на сланцевых шахтах Прибалтийского бассейна.

Основой для определения размеров камер и целиков послужили шахтные исследования, по результатам которых устанавливались расчетные схемы и прочностные характеристики горных пород в массиве.

'Временные указания . . .' расчитаны на инженеров--ироизводственников, а также на работников проектных и научно-ииследовательских организаций, занимающихся вопросами разработки месторождений горючих сланцев и других месторождений со сходными геологическими условиями.

'Указания . . одобрены и приняты для практического применения трестам 'Эстонсланец' и шахтоуправлением ' Ленинградсланец'.

'Указания . . составлены канд.техн.наук Ф.П.Бубликом, инженерами С.Н.Жарковым и А.В.Плаховым.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ГОРНЫХ РАБОТ

1.Г еологиче^кая характеристика

Прибалтийский бассейн горючих сланцев условно подразделяется на два месторождения - Эстонское и Ленинградское.

Прибалтийский бассейн горючих сланцев сложен палеозойскими породами кембрия, ордовика и девона, последние распространены лишь на территории Ленинградского месторождения. Повсеместно развиты породы четвертичного возраста, преимущественно ледникового происхождения (рис.1).

Промышленный пласт горючих сланцев мощностью от 2 до 3 м приурочен к Кукрузескому горизонту среднего ордовика и состоит из пяти-семи слоев горючего сланца, разделенных слоями известняка (рис.2). Он залегает в нижней части продуктивного горизонта и падает согласно с вмещающими породами на юг под углом около 15' , характеризуется хорошей выдержанностью на большой площади. Глубина залегания пласта составляет 10-60 м на Эстонском и 50-140 м на Ленинградском месторождении.

Породы кровли сложены слоями известняков, мергелей, горючих и глинистых сланцев с прослойками глин. До высоты 25 м над кровлей промпласга отдельные слои пород, слагающих массив, имеют мощность 0,02-0,6 м. Выше мощность отдельных слоев достигает 1,0 м и только на высоте от 50 до 65 м от кровли промпласга (рис.1) залегают прочные слои доломитов мощностью 3-4 м /рак-верские (везенбергские) слои (рис.1)/. Особенно тонкими слоями сложена толша пород до 12 м над кровлей пром-пласта (кукрузеские слон), мощность отдельных слоев которых не превышает 0,4 м. Покрывающие промпласт породы кровли отличаются относительно хорошей выдержанностью слоев пород как по составу, так и по мощности, однако на участках месторождения с малой глубиной залегания часть верхних слоев массива отсутствует.

3

Карбонатные породы ордовика и приуроченные к ним слон горючих сланцев отличаются значительной трещиноватостью и закарсто-ванн остью. Различают литогенетн-ческие и тектонические трещины.

Согласно исследованиям М.С. Газизова /1/ в породах Прибалтийского месторождения горючих сланцев развиты следующие системы трещин Литогенетические трещины развиты внутри отдельных слоев горных пород. Их образование приурочено к стадии диагенеза и эпигенеза. Эти трещины имеют различное направление по падению и простиранию.

По форме различают прямые, кривые. извилистые, ломаные,; по рас-крытости - открытые и закрытые. Материал заполнения - налеты и пленки сульфидов. К этой группе относятся также трещины по напластованию, почти горизонтальные; по форме ровные, волнистые, заполненные глинистым материалом. От литогенетических трещин зависит устойчивость боКОВЫХ'ПО" род, а также размеры и форма кусков и влажность товарного сланца.

К тектоническим относятся трещины, ориентированные в северо-восточном. и северо-западном направлении, пересекающиеся почти под прямым углом, а также трещины, развитые по напластованию пород.

Трещины северо-восточного про-

стирания пересекают весь осадочный комплекс пород ордовика, падая под углом 81-89°. Выделяются два основных типа этих трещин. Трещины первого типа - "трещины-жилы', заполненные кварцевым песчаником с карбонатным и сульфидным цементом, имеют азимут простирания 50-60°, располагаются группами, образуя зоны тектонического дробления, состоящие в основном из 2-4 трещин,расположенных в 10-200 м одна от другой. Мощность "трещин-жил' достигает 7-12 см, местами они имеют ответвления в виде прожилков песчаника мощностью до одного сантиметра. Трещины второго типа, заполненные кальцитом и сульфидами, развиты в виде выдержанных жил и линзочек на контакте и внутри 'трещин-жил", а также в виде жеод и прожилков вблизи и параллельно карстовым нарушениям. Мощность прожилков внутри "трещин-жил" около 1 см, а мощность отдельных трещин, выполненных кальцитом и сульфидами, достигает 2-3 см.

Трещины северо-западного простирания пересекают "трещины-жилы" под углом 89-98° (в среднем 91°). Они располагаются параллельными рядами на расстоянии 12-75 м (в среднем 26-30 м) одна от другой, падая под углом 81-89°, и пересекают весь комплекс осадочных пород ордовика. В большинстве эти трещины открытые, некоторые заполнены глиной или раздробленным материалом. С увеличением глубины залегания величина раскры-тосги трещин уменьшается с 5 до 3 мм. Местами эти трещины служат водопроводяшими каналами для вод верхних горизонтов.

Горизонтальные трещины приурочены к плоскостям напластования, их положение определяется литологическим строением пород. Местами эти трещины вызывают осложнения при ведении очистных работ, так как отличаются высокой водообильносгью.

К трещинам северо-восгочног» простирания ("трещинам-жилам") приурочены ширак» распространенные на территории бассейна карстовые нарушения, развитые как в лромпласте, так и в подстилающих и покрывающих породах. Карстовые нарушения имеют сложную ф»р-му как в плане, так и в разрезе, н» вполне выдержанные

5

вростирание и зональность, прячем каждая выделенная зона отличается присущей ей особенностью строения, составом и свойствами пород* По структурным признакам в плане выделяют три зоны*

Зона остаточной глины располагается в центральной части карстового нарушения и представлена жирной пластичной глиной и обломками доломитизнрованных известняков. В этой зоне породы кровли совершенно неустойчивы, поэтому необходимо сплошное крепление пересекающих эту зону выработок.

Зона дробления простирается вдоль карстового нарушения, окаймляя с обеих сторон зону остаточной глины, в виде сравнительно выдержанной полосы шириною 10-20 м. Кровля горных выработок на этих участках весьма неустойчива, бывают внезапные обрушения и вывалы пород. Эта зона характеризуется значительной обводненностью горных пород.

Зона трещиноватости простирается вдоль* карстов ого нарушения в его периферийной части. Ширина зоны трещиноватости в среднем 20-30 м. В этой зоне значительно осложняется ведение горных работ.

Кроме упомянутых трещин следует отметить трещины карстовой тектоники, проявляющиеся в виде трещин расслоения, скола, отрыва, дробления со смещением и без смещения крыльев. Стенки этих трещин имеют следы выветривания. Эти трещины располагаются в породах, затронутых карстовыми процессами.

Наличие в кровле относительно слабых прослойков горючих л глинистых сланцев и глин предопределяет рас-слаиваемость и обрушелие массива пачками слоев при подработке.

В породах непосредственной и основной кровли выявлены следующие постоянные горизонты отслоения:

Эстонское месторождение - 0,2; 0,5; 0,7; 1,0; 2,0; 2,6; 3,8 и 11,9 м от кровли премпласга;

Ленинградские месторождение - 0,5; 0,9; 1,2; 1,9; 4,0; 6,2; 7,7; 9,6; 11,5 м от кровли промпласта,

6

Тектонические трещины северо-западного простирали* почти не оказывают влияния на несущую способность целиков, так как их падение вертикальное, а расстояние между трещинами несоизмерима больше минимального размера целые, н поэтому трепанами пересекаются только отдельные целики. Тектонические трещины северо-восточного простирания могут снижать несущую способность целиков только в том случае, когда они затронуты процессами карстообразования. Наибольшее снижение несущей способности целиков вызывают литогенетические трещины. Влияние этих трещин учитывается при определении прочности целиков путем натурных испытаний,

2, Характеристика горных работ

В настоящее время выемка горючего сланца осуществляется тремя системами разработки: системой длинных столбов с выемкой спаренными лавами и с управлением кровлей частичной закладкой (рис.З), камерной системой о управлением кровлей целиками (рмс.4), системой камер-дав, при крторой основная кровля управляется целиками, а непосредственная кровля поддерживается индивидуальной деревянной стоечной крепью (рис,5).

Схема подготовки выемочных участков, общая для всех применяемых систем разработки, состоит в следующем, Шахтное поле главными и панельными штреками разделяйся на панели шириной 300-600 м. Для каждой из них проходятся два спаренных панельных штрека - откаточный (1) и вентиляционный (2), соединяемые между собой сбойками. Сборные штреки (3) обычно проводятся

перпендикулярно панельным и крепятся штанговой крепью при камерной системе и системе разработки камерами-лавами, а при отработке сланца‘•лавами счастичлсй закладкой -неполными дверными окладами. Нарезка лав производится разрезными печами, проводимыми параллельно панельному штреку с оставлением около последнего охранного селика.На

сланцевых шахтах Прибалтийского бассейна на один сборный штрек отрабатываются две лавы. При подготовке камер-лав на шахтах Ленинградского месторождения допол-

7

: v •кшштмт/у.

' -^- ч — ....... ’К.././..-/.К ’/*./ • • -•/ ' \п

Рис.З,

нительнэ проходят два бортовых штрека (4) по границам блока или поддерживают их в выработанном пространстве органной крепью*

При отработке столба лавами с частичной закладкой на всех шахтах обоих месторождений бортовые штреки

8