Воды шахтного водоотлива, благодаря высокой минерализации (до 20 г/литр) и агрессивных свойств по отношению к бетону и железу, используются только для целей обогащения углей на обогатительных фабриках района. Для орошения и питьевых целей эти воды не пригодны.
Подземные воды угольных пластов характеризуются весьма различным солевым составом: от пресных до сильно минерализованных, агрессивных по отношению к бетону и железу. Содержание отдельных ионов следующие:
хлора от 125 до 15000 г/л.
сульфатов от 40 до 4800 г/л.
гидрокарбонатов от 70 до 1200мг/л.
при общей жёсткости от 2,8 до 107 мг.экв/л.
По химическому составу шахтные воды преимущественно хлоридно-сульфатно-натриевые, обладают повышенной минерализацией (от 3 до 11,2 г/л.), общей жёсткости до 55,4 мг.экв/л. и агрессивны по отношению к несульфатостойкими портландцементу и железу.(Средний приток воды 20 м^/час.)
Основной приток воды в шахту происходит из выработанного пространства смежных шахт.
Фактический водоприток в шахту составил 365 м3 /ч., из них 50 м3 /ч. по стволам, 315 м^ /ч. по горным выработкам. Ожидаемый приток воды в шахту составит: нормальный- 380 м2 /ч., максимальный с учётом возможного прорыва с погашенных выработок смежных шахт- 580 м2 /ч.
1.2.6 Горно-геологические условия
Горно-геологические условия разработки пластов сложные. Шахта относится к сверхкатегорным по газу и опасной по пыли. На шахте производится дегазация пластов вертикальными скважинами с поверхности и наклонными скважинами с вентиляционного штрека на спутники пластов. Ведение горных работ затрудняется слабой устойчивостью непосредственной кровли и почвы угольных пластов, а так же развитой мелко амплитудной нарушенностью. Маломощные прослои углистых аргиллитов и высокозольных углей, залегающие непосредственно на угольных пластах, образуют «ложную» кровлю, которая обрушается при выемки угля и засоряетего. Практикой эксплуатации принято оставление пачки угля в кровле для поддержания «ложной» кровли. Такая же пачка угля оставляется у почвы пласта, если она сложена аргиллитами, склонными к пучению.
Управление кровлей - полное обрушение.
Физико- механические свойства пород. Вмещающие угольные пласты породы карагандинской свиты разнообразны. Литологический состав пород от крупнозернистых песчаников до тонкоотмученных пород- алевролитов и аргиллитов. Основную кровлю и почву угольных пластов слагают, как правило песчаники, которые сменяются алевролитами.
Каменноугольные отложения на всей площади покрыты мезокайнозойскими образованиями, представленными юрскими осадочными породами, пестро цветными плотными глинами неогенами и четвертичными делювиальными песками.
Наибольшей прочностью обладают песчаники, наименьшей- аргиллиты; переслаивание песчано-глинистых пород и алевролиты имеют промежуточные значения.
Песчаники по гранулометрическому составу разделяются на тонко, мелко и среднезернистые. Прочность песчаников находится в пределах 400-900 кг/см3 . Переслаивание песчано-глинистых пород характеризуется прочностью 400-600 кг/см3 .
Алевролиты характеризуются однообразным минералогическим составом обломочного материала. Прочность алевролитов колеблется в широких пределах от 300 до 600 кг/см3 , реже менее 200 кг/см3 и более 600 кг/ см3 .
Непосредственно налегающие на пласты аргиллиты мощностью до 1 м., как правило, является неустойчивыми, они разбиты густой сетью трещин эндо- и экзокливажа, насыщены отпечатками флоры по наслоению, легко расслаиваются на тонкие плиты и прочность их редко превышает 150 кг/см . Остальные аргиллиты непосредственной кровли и почвы являются плотными, менее трещиноватыми и характеризуются прочностью от 150 до 300 кг/см .
Временное сопротивление растяжению пород уменьшается от песчаников (40-70 кг/см3 ) к аргиллитам (13-40 кг/см3 ). В таком же порядке изменяются плотности, как действительная, так и кажущаяся, от песчаников (соответственно 2,75 и 2,5 г/см3 ) к аргиллитам (2,68 и 2,45 г/см3 ).
Влажность и пористость пород возрастает от песчаников (соответственно 1,9-2,6 и 6,5-9%) к аргиллитам (2,6-4,9 и 10-13%).
Легкая размокаемость аргиллитов в почве угольных пластов обуславливается их склонность к пучению. Величина пучения в сухих выработках достигает 0,2 м. в год. Существенное влияние на интенсивность пучения оказывает влажность. При наличие водопритоков интенсивность пучения подошвы выработки возрастает в несколько раз.
Газоностность. По химическому составу газы угольных пластов принято подразделять на 4 группы:
1) азотно-углекислые или воздушнохимические, где содержание СО2 превышает 20%;
2) азотные или воздушные, содержание более 80%;
3) азотно-метановые или воздушнометаморфические, содержание метана менее 80%;
4) метановые или метаноморфические, содержащие более 80% метана.
Для большей части Карагандинского бассейна характерно наличие всех 4 зон.
Максимальная газоностность по группе пластов К12 - К6 достигает 20 м3 /т, К4 -К1 -15-20 м3 /т. Газоностность вмещающих пород и породных прослоев имеет значение газоностности равные 2-3 м3 /т.
Выбросоопасность угольных пластов. Пласт к 12 , следует относить к опасным по выбросам с глубины 400-420 м. от поверхности. Пласт К7- относится с глубины 600-650 м. от поверхности к угрожающим по выбросам. Пласты К3 , К6 , К13 , К14 и К18 - относятся к неопасным до глубины 500-550 м. от поверхности. Пласты К1 , К2 , К3 и К10 на глубине 600-800 м. относятся к угрожающим по выбросам.
Склонность углей к самовозгоранию определяется по содержанию фюзенита и подразделяются на 3 группы:
I группа - склонные к самовозгоранию при Р>23%
II группа - малосклонные к самовозгоранию при 15<Р<23%
III группа - несклонные к самовозгоранию при Р<15%
Пласты К2 , К7 , К10 , К12 , К13 , К14 , К18 относятся к I группе; К4 , К6 - ко II группе; К1 и К3 - к III группе.
Пожароопасность углей. Пожароопасность угольных пластов в пределах поля шахты зависит не только от их склонности к самовозгоранию, но от ряда других факторов и, в первую очередь, от мощности пласта и потерь угля, которые остаются в завале.
Пласт К1 - малоопасный.
Пласты К2 , К7 , К10 , К13 , К14 , К18 - среднеопасные.
Пласт К12 - опасный.
Степень взрывчатости угольной пыли. Пласты К1 , К2 , К10 , К13 , К14 относятся к маловзрывчатым и имеют норму осланцевания до 50%, пласт К12 относится к взрывчатой категории и имеет норму до 60%.
Температурный режим. При работе действующих шахт в Карагандинском бассейне температура шахтной атмосферы и горных пород, не создавала затруднений для эксплуатации. Температура горных пород у нижней технической границы составит 17,9 - 19 С.
Силикозоопасность. Все вмещающие породы Карагандинской свиты следует отнести к силикозоопасным.
Раздел II. Определение податливости ожидаемых нагрузок на крепь подготовительных и капитальных горных выработок
2.1 Расчет напряженно-деформированного состояния вязко-упруго-пластического массива горных пород вокруг протяженной горизонтальной выработки
Изучение вопросов распределения напряжений вокруг выработок является одной из основных и важнейших задач механики горных пород, так как они непосредственно связаны с прочностью (устойчивостью) горных выработок и с решением ряда практических инженерных задач в области их крепления.
При решении задач по определению напряжений вокруг выработок часто удобнее пользоваться полярными координатами. Если считать, что массив находится в сжатом состоянии и сжимающие напряжения считаются положительными, то определяющие компоненты напряжении вокруг выработки круглой формы будут иметь следующий вид [1,2]:
; ; (1)
,
где 
и 
; 
- коэффициент бокового распора (давления), 
- радиус выработки в проходке, м; Н
– глубина от поверхности; 
- угол между осью Х и направлением радиального напряжения; 
- средний вес пород покрывающей толщи; 
,
,
- соответственно радиальные, тангенциальные и касательные напряжения.
= 
= 0,563
= 0,219 
= 0,781
Если напряженное состояние ненарушенного массива гидростатическое, т.е. 
, то на контуре круглой выработки 
окружающее напряжение будет постоянным и равным:
; (2)
Данные расчетов заносим в таблицу 1
Таблица 1
| r/r0 |
1 |
1.2 |
1.4 |
1.6 |
1.8 |
2 |
2.2 |
2.4 |
2.6 |
2.8 |
3 |
| r0 2 /r2 |
1 |
0,69 |
0,51 |
0,39 |
0,3 |
0,25 |
0,2 |
0,173 |
0,147 |
0,127 |
0,111 |
| r0 4 /r4 |
1 |
0,48 |
0,26 |
0,15 |
0,095 |
0,062 |
0,04 |
0,03 |
0,021 |
0,016 |
0,012 |
| 1-r0 2 /r2 |
0 |
0,31 |
0,49 |
0,61 |
0,7 |
0,75 |
0,8 |
0,827 |
0,853 |
0,873 |
0,889 |
| 1+r0 2 /r2 |
2 |
1,69 |
1,51 |
1,39 |
1,3 |
1,25 |
1,2 |
1,173 |
1,15 |
1,13 |
1,11 |
|
|
0 |
6,12 |
9,151 |
10,852 |
11,898 |
12,586 |
13,063 |
13,407 |
13,664 |
13,861 |
14,016 |
|
|
9,739 |
11,271 |
12,854 |
14,147 |
15,154 |
15,934 |
16,544 |
17,026 |
17,413 |
17,726 |
17,983 |
|
|
0 |
3,104 |
4,084 |
4,360 |
4,387 |
4,324 |
4,141 |
4,053 |
3,974 |
3,974 |
3,905 |
Смещения контура выработки (при 
):
, (4)
где Е
– модуль упругости; 
- коэффициент Пуассона.
Данные расчетов заносим в таблицу 2
Таблица 2
|
|
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
|
|
0,005 |
0,0055 |
0,0069 |
0,0088 |
0,0108 |
0,0122 |
0,0127 |
, 0
, мВ массиве в окрестности выработки возникает область деформации растяжения 
:
, (6)
Данные расчетов заносим в таблицу 3
Таблица 3
|
|
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
2,2 |
2,4 |
2,6 |
2,8 |
3,0 |
|
|
0 |
6,12 |
9,151 |
10,852 |
11,898 |
12,586 |
13,063 |
13,407 |
13,664 |
13,861 |
14,016 |
|
|
9,739 |
11,271 |
12,854 |
14,147 |
15,154 |
15,934 |
16,544 |
17,026 |
17,413 |
17,726 |
17,983 |
| 3 |
-9,739 |
7,088 |
14,598 |
18,411 |
20,542 |
21,825 |
22,646 |
23,196 |
23,580 |
23,857 |
24,063 |
|
|
-0,00064 |
0,00003 |
0,00022 |
0,00034 |
0,00039 |
0,00042 |
0,00044 |
0,00044 |
0,00045 |
0,00045 |
0,00045 |
-
Координату границы зоны растяжения 
получаем из условия 
. Подставляя значения напряжений, получаем окончательно следующее решение уравнения (6):
при 
, 
:
, (7)
где 
; 
; 
;
при 
и 
:
, (8)
Конфигурацию зоны деформации растяжения можно установить, определяя координаты 
для лучей 0,300
,600
и 900
.
Таблица 4
| Ѳ,град |
00 |
300 |
600 |
900 |
| а |
0,6570 |
0,3285 |
-0,3285 |
-0,6570 |
| b |
0,2204 |
0,5007 |
-1,0612 |
-1,3416 |
| с |
-0,003 |
-0,1092 |
-0,3282 |
-0,4377 |
| rхх |
8,171 |
6,567 |
4,758 |
4,386 |
Смещения контура выработки со временем определяются с помощью метода переменных модулей, сущность которого заключается в замене упругих констант в решении упругой задачи переменными модулями. При наследственной ползучести с ядром типа Абеля переменные модули имеют вид:
, 
, 
(9)
= 0,31*104
МПа;
= 0,466;
= 1,9
Вертикальные смещения кровли выработки:
(10)
= 0,012429 м.
2.4. Определение податливости крепи
Податливость крепи выработки 
должна выбираться с учетом возможных смещений контура, которые развиваются вследствие деформации ползучести и разрыхления пород.
В последнем случае вследствие разрыхления пород происходят дополнительные смещения контура из-за увеличения объема при растрескивании. Величина смещения определяется из выражения:
, (11)
где 
-коэффициент разрыхления; 
- радиус пластичности.
, (12)
где 
,
- предел прочности на одноосное сжатие; 
- угол внутреннего трения породы; 
- сцепление.
= 
= 1,37;
= 
= 5,79;
= 3,3 м;
= 0,011 м,
Уменьшение высоты выработки вследствие ползучести определяется выражением 
(10), а вследствие разрыхления -
(11).
Таким образом податливость крепи:
, (13)
2,5 м.
2.3 Расчет нагрузки на крепь
В результате систематизации данных о взаимодействии крепи и массива горных пород разработаны следующие основные расчетные схемы режимов ее работы:
1. Режим заданной нагрузки;
2. Режим заданной деформации;
3. Режим взаимовлияющей деформации;
4. Комбинированный режим.
Тот или иной режим работы крепи обусловлен конкретными горнотехническими условиями. Если крепь работает в режиме заданной нагрузки, то давление на нее определяется весом отделившихся от массива объемов породы.
Горные породы в окрестности выработки могут быть разрушены в пределах зоны деформации растяжения или пластичности.
Среднее значение координаты границы зоны растяжения:
, (14)
где
29-04-2015, 00:30