Головні технологічні властивості гірничих порід і масивів

Вугільні родовища мають ряд специфічних природних властивостей, що впливають на умови, технологію і техніку їх розробки. До них відносяться:

1. Значне площинне розповсюдження вугільних пластів при невеликій їх потужності. Це визначає великі розміри шахтних полів, ділянок і очисних вибоїв та пов’язану з цим складність забезпечення стійкості гірничих виробок з урахуванням гірничого тиску, зсуву і обвалювання вміщуючих порід і вугілля;

2. Висока мінливість морфології, потужності і будови вугільних пластів, їх розщеплення, наявності локальних розмивів, складчастості, тектонічних розривів, що ускладнюють ведення гірничих робіт;

3. Різка різниця в речовиннім складі і властивостях вугілля і вміщуючих порід, значна фаціальна мінливість вміщуючих порід на відносно невеликих відстанях, що обумовлює необхідність великого обсягу вивчення інженерно-геологічних властивостей порід покрівлі і підошви вугільних пластів;

4. Підвищена складність гідрогеологічних умов, наявність ізольованих та взаємопов’язаних водоносних горизонтів, при цьому найбільш висока багатоводність пов’язана з підвищеною тріщинуватістю і водопроникливістю;

5. Метаноносність, що досягає 40-45 м³/т пальної маси. Нерідко метан утворює крупні накопичення і інтенсивно виділяється при руйнуванні гірського масиву, при викидах вугілля, породи і газу, розкритті тектонічних і послаблених зон, обваленнях покрівлі, суфлярних виділеннях, що суттєво ускладнюють ведення гірничих робіт і є дуже небезпечні для життя людей;

6. Схильність вугілля до самозаймання, утворенню вибухонебезпечного та шкідливого для здоров’я людей вугільного і природного пилу.

Вказані особливості поведінки вміщуючих порід суттєво впливають на їх властивості, що характеризують деформації, осідання, обвалення тощо при вийманні вугільних пластів.

Покрівлю пластів підрозділяють на несправжню, безпосередню і основну. Несправжня покрівля – шари порід невеликої потужності (0,5-0,7 м), що знаходяться безпосередньо над вугільним пластом і обвалюються одночасно з вийманням вугілля. Безпосередня покрівля – товща порід, що залягає безпосередньо над вугільним пластом або несправжньою покрівлею, обвалення яких в вибійному або відробленому просторі виникає слідом за зніманням кріплення або його пересуванням. Тривалість безпосередньої покрівлі невелика, тому без кріплення вона обвалюється протягом кількох годин на висоту до 10 м. Основна покрівля – товща міцних і тривких порід, що залягають над вугільним пластом або над безпосередньою покрівлею, і здатна зависати й обвалюватися при вийманні вугілля на значних площах.

Стійкість порід безпосередньої покрівлі залежить від літологічного і мінерального складу, здатності до розшарування, характеру тріщинуватості, інтенсивності прояву малоамплітудних розривів, обводненості тощо. Незалежно від потужності шарів обвалюються після зняття кріплення породи з міцністю при стискуванні 45-55 МПа; нижче певної межі потужності шару обвалюються і більш міцні породи. Незалежно від літологічного складу нестійкими є інтенсивно вивітрені обводнені і інтенсивно порушені породи, а також породи на ділянках, що знаходяться поблизу крупних тектонічних порушень.

Гірничо-геологічні властивості основної покрівлі виявляються у формі первісних і вторинних (періодичних) осадок після їх зависання при посуванні вибою. Чим більше міцність порід, тим більшим є шаг первинного і вторинного обвалення. Шаг обвалення крім міцності визначається також глибиною і величиною гірничого тиску попереду лави. На великих глибинах він визначається в основному величиною гірничого тиску і основна покрівля обвалюється у вигляді рівномірних осадок невеликих блоків.

Підошви вугільних пластів звичайно представлені різними породами (глинистими і піщано-глинистими породами, рідше піщаними і карбонатними різностями порід). Для більшості пластів характерні: відсутність шаруватості, неоднорідна грудкувата будова, наявність залишків коріння та інших залишків рослинності. Перехід їх у вугілля в цьому випадку поступовий. Але бувають і різні поверхні розподілу і чітка шаруватість.

Підошви пластів також підрозділяють на несправжні, безпосередні і основні. Несправжньою називають підошву потужністю до 1 м з низькою механічною міцністю з вугільними прошарками, підвищеною вологістю, структурними послабленнями. Як правило, це вуглисто-глинисті аргіліти і сильно глинисті алевроліти.

Із властивостями несправжньої та безпосередньої підошви пов’язані явища сповзання, здимання та вдавлювання в неї кріплення.

Стійкість гірських порід не може характеризуватись тільки показниками міцності, а знаходиться в залежності від цілого ряду факторів.

З точки зору технології, вміщуючі вугільний пласт породи характеризуються наступними властивостями:

обрушуваність (керованість) масиву гірських порід над пластом (умовне позначення категорій – А);

стійкість нижнього шару покрівлі (умовне позначення категорії – Б);

стійкість безпосередньої підошви (умовне позначення категорії – П).

Категорії встановлюються за технологічними ознаками та геомеханічними критеріями. Основними критеріями є технологічні ознаки, що встановлюються з досвіду роботи у аналогічних умовах.

Технологічними критеріями обрушуваності порід є: спосіб управління покрівлею з технологічними рішеннями, необхідними для його виконання; оптимальні силові параметри кріплення, а також показники кратності його посилення до первісної осадки покрівлі.

Технологічними критеріями стійкості нижнього шару покрівлі є: схеми кріплення з заходами по підвищенню його стійкості та крок установлення кріплення.

Технологічним критерієм стійкості підошви є її спроможність утримувати обладнання, яке застосовується, в тому числі і кріплення, не руйнуючись під їх силовим впливом.

Геомеханічні критерії:

обрушуваності масиву порід – середня відносна величина приростання опускання покрівлі на 1 м ширини привибійного простору, показник її мінливості – коефіцієнт варіації К, а також крок першої (Ш_о) і послідуючих (Ш_п) осадок масиву порід;

стійкості нижнього шару покрівлі – його потужність (висота) В та відстань між тріщинами в ньому Г, а також розмір стійкого кроку зависання його у виробленім просторі Д після виймання (зняття, пересування) кріплення;

стійкості підошви – міцність її на вдавлювання (σ_вд).

По обрушуваності покрівлі розрізняють.

А₁ – легкообрушувані породи – масив порід з чергуванням шарів аргілітів, сланців, вуглистих прошарків, алевролітів, розшарованих пісковиків (f_ср = 4), що здатні регулярно обвалюватися у виробленому просторі, починаючи з монтажного ходка (печі), поступово утворюючи всі зони зсуву порід. При таких масивах характер зміщення порід по ширині привибійного простору і характер навантаження кріплення рівномірний, періодичні осадки масиву спокійні, зовні непомітні.

Середня відносна величина прирощення опускання покрівлі на 1 м ширини привибійного простору складає α = 0,04 від потужності пласта, коефіцієнт варіації < 15 %. Шаг первісної осадки Ш_о 10 м, послідуючих осадок – не проявляється. При таких масивах доцільно використовувати найлегше кріплення, в тому числі і дерев’яне. При управлінні покрівлею повним обваленням і використанні дерев’яного кріплення, необхідно посилювати його останній ряд органним кріпленням або пересувними кострами.

А₂ – породи середньої обрушуваності. Представлені чергуванням шарів міцних сланців, алевролітів, пісковиків, вапняків (4 ≤ f_ср < 6), що при управлінні покрівлею повним обваленням здатні зависати в якій-небудь з зон зсування над виробленим простором (нерегулярне обвалення з осадками покрівлі різної інтенсивності, з яких найбільш небезпечна – перша).

Характер зміщень покрівлі цієї категорії менш рівномірний α = 0,025, ≤ 30 %, Ш_о ≤ 25 м, Ш_п ≤ 15 м.

При застосуванні механізованого кріплення необхідно приймати мехкріплення з високим початковим і робочим опором (0,5-0,72) МН/м. При застосуванні індивідуального кріплення – стійки нового технічного рівня, а при відході з розрізної печі – посилювати його ще однією стійкою, бутовими смугами, бутокострами. Можна використовувати примусове обвалення покрівлі.

А₃ – важкообрушувані породи. Представлені однорідним масивом міцних алевролітів, сланців, пісковиків, вапняків (6 < f_ср < 10), при яких управління покрівлею повним обваленням супроводжується періодичними інтенсивними осадками шарів, що зависають на великих площах, створюючи аварійні ситуації у привибійному просторі.

α = 0,015, < 50 %, 25 м < Ш0 ≤ 50 м, 15 м < Шп ≤ 30 м.

При таких породах у лавах можуть використовуватись тільки мехкріплення важкого типу (КМТ, КД-90, ДТ), або управління покрівлею частковим обваленням або частковою закладкою. Також доцільно використовувати штучне ослаблення порід.

А₄ – дуже важкообрушувані породи. Представлені однорідним масивом пісковиків, вапняків або сланців (f_ср > 10). Використання управління покрівлею при таких породах повним обваленням виключається. недоцільно також використовувати часткове обвалення або часткову закладку. В таких умовах доцільна повна закладка, або залишення ціликів між блоками.

А₄' – породи, що схильні до плавного прогину (6 ≤ f_ср < 12). Це вапняки або сланці, що гарно прогинаються і управляються способом плавного опускання. потужність пласта при використанні плавного опускання не більше 1 м, при цьому підошва повинна бути схильною до здимання.

По стійкості нижнього шару покрівлі.

Б₁ – дуже нестійкі породи – вуглисто-глинистий аргіліт або сланець (f < 2), що обвалюється разом з вийманням вугілля («хибна» покрівля). В=0,01-0,2 м, Г = 0,005-0,1 м, Д=0.

Б₂ – нестійкі породи – тріщинуваті, неміцні (2 < f ≤ 3) вуглисто-глинисті, глинисті або пісковиково-глинисті сланці (аргіліти, алевроліти). Для підвищення стійкості використовують зміцнення хімічними розчинами, анкерами, штанговим кріпленням. В=0,05-0,3 м, Г=0,1-0,4 м, Д → 0.

Б₃ – малостійкі породи. Сланці, пісковики і вапняки (3 < f ≤ 5), що здатні створювати відносно стійкі оголення на невеликій площі і припускають використання механізованого кріплення з коефіцієнтом затяжки покрівлі ≥ 0,8, а індивідуального кріплення з шпальними брусами і стійкою під вибоєм.

Б₄ – породи середньої стійкості. Сланці або пісковики, вапняки (5 < f ≤ 7), які утворюють стійкі оголення у привибійному просторі. Припускають використання механізованого кріплення з коефіцієнтом затяжки покрівлі < 0,8, а при індивідуальному кріпленні – металеві верхняки.

Б₅ – стійкі покрівлі. Монолітні пісковики, вапняки, пісковикові сланці (f > 7), при яких припускається використання любого кріплення.

По стійкості підошви.

П₁ – дуже нестійкі породи. Неміцні (f < 1 МПа) сланці «кучерявої» текстури («хибна» підошва), що руйнуються при взаємодії з технологічними засобами видобутку і транспорту вугілля.

П₂ – малостійкі породи. Сланці (f ≤ 2,5), які не руйнуються при взаємодії з технологічними засобами при вийманні вугілля, але не можуть бути надійною опорою для секцій і стійок кріплення, що вдавлюються в ці породи або зразу при розпорі, або в процесі підтримання покрівлі. Для попередження вдавлювання використовують поширювачі, дерев’яні лежні.

П₃ – стійкі породи. Сланці або пісковики (f > 2,5), при яких нема ускладнень з використанням засобів кріплення.