Анализ причин провалов земной поверхности при отработке угольного пласта Байкаимский на шахте «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© О.И. Казанин, М.Г. Мустафин, A.A. Мешков, 2013

УДК 622.268

О.И. Казанин, М.Г. Мустафин, А.А. Мешков

АНАЛИЗ ПРИЧИН ПРОВАЛОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА БАЙКАИМСКИЙ НА ШАХТЕ «КРАСНОЯРСКАЯ.» ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»»

Представлены результаты исследований напряженно-деформированного состояния горных пород и сдвижений земной поверхности, обусловленных отработкой угольного пласта Байкаимский в поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс». Показан механизм формирования условий, при которых на земной поверхности могут возникать провалы.

Ключевые слова: угольный пласт, подработка земной поверхности, сдвижение горных пород, напряженно-деформированное состояние пород, компьютерное моделирование.

В поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» над выемочными участками 1310, 1308, 1306, 1304 пласта Байкаимский, мощность которого 2,6 м, при глубине ведения работ около 250 м образовались провалы земной поверхности, шириной до 7 м, глубиной до 3,5 м и протяженностью до нескольких сот метров (рис.1, [1]).

Сначала для выявления причин возникновения провалов на земной поверхности была проведена оценка напряженно-деформированного состояния пород квазиоднородного массива и расчет параметров сдвижений в соответствии с Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [2]. Для расчета параметров сдвижения использован программный комплекс «МАССИВ», разработанный в полном соответствии с Правилами [2]. На рис. 2 показаны панели ПК «МАССИВ» и результат расчета сдвижений земной поверхности при отработке одиночного выемочного участка.

Как видно из рис. 1, величины оседаний составляют 1,2 м. При отработке 4-х участков с длиной очистного забоя 200 м оседания составили 1,8 м.

Результаты расчетов свидетельствуют, что при последовательной отработке 4-х выемочных участков на земной поверхности формируется дно мульды сдвижения с максимальными значениями оседания 1,8 м.

Аналогичный результат был получен при анализе деформированного состояния горных пород и земной поверхности с использованием программного комплекса «Р1ах1э», в котором решалась объемная задача методом конечных элементов (МКЭ).

Параметры физико-механических свойств горных пород были смоделированы с учетом величин оседаний, полученных по ПК «МАССИВ». Такой подход для определения величин прочностных и деформационных параметров представляется наиболее надежным, так как расчет опирается на фактические данные, нормативно закрепленные в Правилах [2] на основе многочисленных наблюдений.

■- трещины, образовавшиеся в 2011 году; ■трещины, образовавшиеся в 2010 году и ранее Рис. 1. Выкопировка с плана работ шахты «Красноярская»

Рис. 2. Результаты расчета сдвижений земной поверхности в ПК «МАССИВ»

Результаты моделирования представлены на рис. 2. Модули упругости пород: наносы 50 МПа, покрываю-258

щие угольный пласт породы 3 ГПа, угольный пласт 1 ГПа, подстилающие породы 10 ГПа. Сцепление пород:

Рис. 3. Результаты моделирования деформированного состояния массива горных пород (а, б, в, г — оседания пород при последовательной отработке одного, двух, трех и четырех выемочных участков соответственно)

наносы 0,1 МПа, покрывающие угольный пласт породы 3 МПа, угольный пласт 1 МПа, подстилающие породы весьма крепкие. Коэффициенты Пуассона варьировали при моделировании от 0,25 до 0,35. Угол внутреннего трения пород также варьировался в пределах 27—33 градусов. Граничные условия - неподвижность границы модели.

Как видно из рис. 3, нарастание оседаний земной поверхности по мере последовательной отработки выемочных участков имеет плавный характер - без разрывов и аномалий. Таким образом, показано, что в квазиоднородном массиве провалы земной поверхности не возникают. При этом следует заметить, что в Правилах [2] отмечается, что провалы на земной поверхности могут возникать при глубине отработки угольного пласта, не превышающей 20 его мощностей. Это вполне объяснимо, так

как в пределах таких глубин на земной поверхности непосредственно отражается процесс обрушения покрывающих угольный пласт пород. С увеличением глубины последовательно над пластом формируются зоны прогибов пород, которые как бы экранируют процесс обрушения и сглаживают оседания земной поверхности.

Вместе с тем, если в подрабатываемых породах залегает крепкий слой породы, то он может существенным образом изменить картину деформирования пород и соответственно нарушить плавность оседания земной поверхности.

Возникает задача об изучении ли-тологического состава пород с целью выявления прочного слоя или выдачи заключения о его отсутствии. Рассмотрение литологического состава пород показывает, что на расстоянии примерно 10—20 м от пласта Байка-

а

Рис. 4. Зоны разрушения в подработанном массиве горных пород при наличии прочного слоя (а — при отработке 1-го выемочного участка, б — 2-х смежных выемочных участков, в — 2-х участков, разделенных целиком)

имский залегает мощный слой песчаника (45—50 м). Причем этот песчаник обнаруживается во всех геологических разрезах. Мощность его варьирует от 30 до 55 м.

С целью оценки влияния слоя песчаника на процесс деформирования земной поверхности было выполнено компьютерное моделирование с использованием ПК «НЕДРА» по расчету напряженно-деформированного состояния массива горных пород на основе МКЭ [3]. В ПК «НЕДРА» смоделированы условия, рассмотренные выше (ПК «МАССИВ» и «Р1аюэ»), однако при этом структурная модель

включала прочный слой (песчаник). Сцепление песчаника принято равным 5 МПа, модуль упругости 30 ГПа.

Результаты расчетов показали, что при моделировании отработки одной лавы прочный слой не разрушается (рис. 4, а). Смещения на земной поверхности значительно меньше тех, которые определены для однородного массива (см. рис. 2).

При отработке двух выемочных участков происходит разрушение прочного слоя и оседания становятся близкими к нормативным. В то же время при отработке 2-х участков, но

с оставлением целика, равного длине лавы, прочный слой не разрушается и соответственно является своеобразным экраном, препятствующим формированию больших деформаций на земной поверхности.

Выводы

Провалы земной поверхности при отработке пласта Байкаимский в поле шахты Красноярская обусловлены определенным сочетанием горногеологических и горнотехнических факторов, которые заключаются в значительной площади очистных пространств, относительно небольшой глубине отработки угольного пласта и наличии прочного слоя в надрабо-танном массиве.

Слой песчаника является своеобразным экраном, сдерживающим раз-

витие процесса сдвижения, характерного однородному массиву. Однако при определенном соотношении выработанного пространства, мощности прочного слоя и его прочности происходит разрушение прочного слоя. При этом, ввиду значительной запасенной энергии в налегающей толще пород и в самом прочном слое, разрушение (срыв консоли) возникает с динамическим эффектом, со сдвигом подработанного массива по сместителю от области разрыва прочного слоя до земной поверхности с образованием на ней провалов и трещин.

В качестве одной из мер предотвращения формирования разрывов на поверхности может быть изменение порядка отработки выемочных участков.

1. Исследование и разработка комплекса рекомендаций по повышению эффективности технологии и снижению негативного воздействия подземной угледобычи на подрабатываемые земельные участки шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс»: Отчет о НИР. — Рук. Ка-занин О.И. - СПб.: СПГГУ, 2011. 102 с.

2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния под-

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

земных горных разработок на угольных месторождениях. - СПб.: ВНИМИ, 1998. -291 с.

3. Мустафин М.Г., Петухов И.М. Механизм и энергия разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2002. — № 10. — С. 36—41. ШШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Казанин Олег Иванович — доктор технических наук, профессор, [email protected], Мустафин Мурат Газизович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected],

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

Мешков Анатолий Алексеевич — технический директор, ОАО «СУЭК-Кузбасс», [email protected].

Д._