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. Несправжняпокрівля – шари порід невеликої потужності (0,5-0,7 м), що знаходяться безпосередньо над вугільним пластом і обвалюються одночасно з вийманням вугілля. Безпосередняпокрівля – 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. Основнапокрівля – 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.