Исследование проявлений горного давления при отработке мощного пологого пласта наклонными слоями в восходящем порядке в шахтных условиях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.272.031:622.833.33

В. О. Торро, |Ю. И. Морозов, Н. Г. Сердобинцев, А. В. Ремезов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ НАКЛОННЫМИ СЛОЯМИ В ВОСХОДЯЩЕМ ПОРЯДКЕ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Исследования проявлений горного давления при отработке мощных пологих пластов наклонными слоями в восходящем порядке в лабораторных условиях были выполнены для выявления закономерностей процессов обрушения и разрушения вышележащей пачки угля и пород кровли.

Работа была выполнена с использованием моделей из эквивалентных материалов, на плоском стенде длиной 2,7м, высотой 1,7м и шириной

0,2м. Масштаб моделирования 1:50. В качестве эквивалентного материала использовалась песчано-цементная смесь с водоцементным отношением равным 1. При отработке модели использовалась модель крепи, которая по силовым и геометрическим параметрам была подобна крепи ОКП-70. моделируемый участок массива включал в себя в линейных размерах модели (натуры):

- почва пласта - алевролит - 5см (2,5м);

- пласт угля - 12см (6м);

- непосредственная кровля - алевролит - 17см (8,5м);

- основная кровля - песчаник - 31см (15,5м);

- подработанный массив - 45см (22,5м).

Подбор эквивалентных материалов производился по методике ВНИМИ [1, 2]. Закатка модели производилась слоями по 1,5см. слоистость толщи пород создавалась путем пересыпки между слоями сыпучего инертного материала - песка (рис. 1).

Отработка пласта в модели осуществлялась стружками со скоростью подвигания очистного

забоя 2,5 м/смену. Пласт отрабатывался двумя слоями. Вынимаемая мощность первого (нижнего, подсечного) слоя составляла 2,0-2,5 м, второго слоя - 3,5-4,0 м. отношение мощностей подсечного и второго слоев составило 1,4 и 2,0. Первое обрушение кровли произошло при отходе крепи на 5 м от монтажной камеры.

Дальнейшая отработка сопровождалась обрушением кровли с отставанием от крепи на 2,5-

5,0 м на высоту 2-5 м.

Между осадками основной кровли характер обрушения и разрушения был следующим:

Обрушение оставляемого в кровле слоя угля происходило или вслед за передвижкой крепи на высоту последовательно от 1 до 2-2,6 м плитами размером до 3^0,6 м, или с зависанием за крепью на 2,5 м, разрушением над крепью и обрушением на высоту до 2,6 м плитами размером до 57 х0,6 м. верхняя пачка слоя пласта мощностью около 1 м не обрушалась, а зависала вместе с кровлей (рис. 2).

Обрушение угля вслед за передвижкой крепи последовательно на высоту до 2 м было беспорядочным, при обрушении с зависанием и одновременно на высоту до 2,0 м - упорядоченным.

Очередное обрушение основной кровли произошло вместе с непосредственной кровлей, при отходе забоя на 22,5 м. При этом крепь была посажена «нажестко». Разрушение произошло над крепью под углом около 80° в сторону завала. При

Рис. 1. Схема модели отработки мощного пологого пласта двумя слоями в восходящем порядке

14 В. О. Торро,

Ю. И. Морозов

, Н. Г. Сердобинцев, А. В. Ремезов

обрушении непосредственная кровля расслоилась и расчленилась на блоки, которые в процессе обрушения опустились упорядоченно без значительного перемещения относительно друг друга. Основная кровля разрушилась монолитным блоком длиной около 20 м. между обрушенной непосредственной и основной кровлей образовалась полость.

При дальнейшем подвигании забоя на 22 м обрушение оставленного в кровле слоя угля происходило за крепью на высоту 2,6 м или разрушение над крепью с обрушением с непосредственной и нижними слоями основной кровли. Обрушение плит угля упорядоченно, особенно в верхней час-

средственная кровля - основная кровля по своему характеру было ближе к плавному опусканию, чем к обрушению.

Геометрия кровли оставляемого слоя угля, просевшего после отработки подсечного слоя, разной мощности различна. При мощности подсечного слоя 2,5 м линии кровли имеют волнообразный характер с амплитудой до 1,3 м. При мощности подсечного слоя 2,0 м линия кровли практически прямая без уступов. При отработке подсечного слоя вывалов в подкрепное пространство и отжима угля от забоя не наблюдалось.

Вынимаемая мощность второго слоя, состоящего из обрушенного угля при отработке нижнего

ти пласта.

При отработке подсечного слоя мощностью 2 м обрушение угля оставляемого слоя происходило за крепью на высоту 0,5-1,3 м. Вышележащий уголь расчленялся по напластованию на плиты длиной до 10 м, которые одним концом ложатся на крепь, в вторым концом - на обрушенные породы. Обрушение угля упорядоченное, кроме самых нижних слоев на высоту до 1,3 м. разрушение и обрушение непосредственной кровли происходило совместно с основной и верхними пачками оставляемого угля. Смещение массива в верхних пачках оставляемого слоя угля - непо-

подсечного слоя, составила 3,5 м до отметки 150 горизонтальной шкалы, и 4 м. слой отрабатывался крепью геометрически подобной крепи 2УКП, которая перемещалась в процессе выемки по почве пласта.

В процессе отработки второго слоя блоки основной кровли формировались по трещинам, образовавшимся при отработке первого слоя (рис.3).

При вынимаемой мощности второго слоя 3,5 м наблюдались частые случаи заколов впереди забоя, отжима угля от забоя и высыпание непосредственной кровли в подкрепное пространство. Особенно интенсивно это происходило в районе раз-

лома основной кровли, где уголь обрушаемого слоя более перемят и мощность его несколько увеличена.

При вынимаемой мощности второго слоя 4 м условия контактирования крепи с породами были лучше, чем при мощности 3,5 м ввиду более устойчивой непосредственной кровли. Непосредственная кровля обрушалась вслед за передвижкой крепи. Отдельные случаи отжима угля от забоя и вывалов непосредственной кровли в подкрепное пространство наблюдалось в районе разломов основной кровли. Блоки основной кровли формировались также по трещинам, образовавшимся при отработке первого слоя. Обрушение блоков основной кровли происходило совместно с непосредственной кровлей или позади крепи на расстоянии 10-15м.

Выводы

1. При отработке первого (подсечного) слоя беспорядочное обрушение оставляемого слоя угля происходит на высоту не более вынимаемой мощности подсечного слоя;

2. При отношении мощности оставляемого слоя угля к вынимаемой мощности подсечного слоя равном 2 и более, характер обрушения кровли приближается к плавному опусканию;

3. При отношении мощности оставляемого слоя угля к подсечному, равном 1,4 - в районе разлома основной кровли, наблюдается отжим угля от забоя и высыпание непосредственной кровли в подкрепное пространство. При отношении мощностей равном 2 - на аналогичных участках отжим угля и высыпание непосредственной кровли были незначительны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Требования по технике и методике моделирования методом эквивалентных материалов. ВНИМИ, Ленинград, 1973.

2. Методические указания по технологии изготовления и определения физико-механических эквивалентных материалов. ВНИМИ, Ленинград, 1980. - 48с.

3. Совершенствование технологии формирования эквивалентных материалов, отображающих действительное строение кровли и угольных пластов при создании подобия природных явлений на моделях для условий Кузбасса. Отчёт (КузНИУИ. Руководитель работы С. И. Запрев. Шифр работы № 28 - 1964; Прокопьевск, 1964. с. 131.

□ Авторы статьи:

Торро

Виктор Оскарович, ст. препод. каф. разработки месторождений полезных ископаемых филиала СибГУ в г. Междуреченк, тел. 905 071 7218.

Морозов Юрий Иванович, бывший сотрудник КузНИУИ.

Сердобинцев Николай Григорьевич, инженер технического отдела

ш. Ольжерасская-Новая, тел. 913 416 4153.

Ремезов

Анатолий Владимирович, докт.техн.наук, профессор каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом КузГТУ, тел. 903 946 1810.

УДК 622.272.031:622.833.33

В. О. Торро, |Ю. И. Морозов, Н. Г. Сердобинцев, А. В. Ремезов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНОГО ПОЛОГОГО ПЛАСТА НАКЛОННЫМИ СЛОЯМИ В ВОСХОДЯЩЕМ ПОРЯДКЕ В ШАХТНЫХ УСЛОВИЯХ

В результате исследований отработки мощных пологих пластов наклонными слоями в восходящем порядке в лабораторных условиях были выявлены закономерности процессов обрушения и разрушения вышележащей пачки угля и пород кровли. Это позволило разработать экспериментальные технологические схемы отработки мощных пологих пластов слоями в восходящем порядке. Испытания экспериментальной технологической схемы отработки пологих пластов мощностью 6-10 м производились на шахте «Усинская» в лаве 4 - 3 - 1 при отработке пласта IV - V.

Пласт IV - V в границах лавы 4 - 3 - 1 имеет

мощность 9,6 м, угол падения 7-10°, угол падения по штрекам 0-5°, по монтажной камере 9°, по лаве при отработке 6-10°. Непосредственная кровля пласта представлена конгломератом мощностью 0,6 м и песчаником мощностью 16 м пределом прочности на сжатие 120-140 МПа. Основная кровля сложена переслаиванием алевролитов и песчаников суммарной мощностью 18-20 м пределом прочности на сжатие 40-60 МПа. Активная кровля относится к трудноуправляемой с устойчивой непосредственной и тяжелой основной кровлей.

Уголь пласта ГУ-У полублестящий крепости

16

В. О. Торро, Ю. И. Морозов, Н. Г. Сердобинцев, А. В. Ремезов

0,8-1,5 допустимой площадью обнажения 5-10 м2, время обнажения до 20 мин. Строение пласта сложное, в 0,8-1,0 м от кровли присутствует прослой углистого аргиллита мощностью 0,6-0,8 м с коэффициентом крепости 1,5-2,0.

Непосредственная почва пласта представлена алевролитом мощностью 2-4 м с коэффициентом крепости 3-5.

Глубина горных работ изменяется от 165 м в районе монтажной камеры до 302 м в районе демонтажной камеры.

Выбор вынимаемой мощности подсечного слоя произведен из условия необходимости исключения влияния резких осадок кровли, и исключения возможности среза основной кровли из выражения:

= тй - Н'

Птт Кд -1

где ^т;п - мощность непосредственной кровли,

м;

Н' - предельный прогиб основной кровли в приделах призабойного пространства до потери его собственной несущей способности, м;

тв - вынимаемая мощность пласта (слоя), м;

Кр - коэффициент разрыхления пород непосредственной кровли, м.

Расчеты показали, что для пласта IV-V (лава 4-3-1) максимальная вынимаемая мощность нижнего подсечного слоя, обеспечивающая отсутствие влияния осадок основной кровли, составляет 2,9 м.

а) Схема разрушения угля у забоя

б) Преимущественная схема

«) У в ні при отходе 25.м от МК

г) И нарушении

д) У вш при отходе 20 м от МК

е) При значительных куполах

Рис. 1. Характерные схемы обрушения верхнего слоя угольного пласта

Обрушение оставляемого в кровле слоя угля началась в средней части лавы при отходе комплекса из монтажной камеры на 20 м. уголь обру-шался плитами толщиной 0,5-0,6 м на высоту до 1-1,5 м. При дальнейшем движении комплекса обрушение слоя угля распространилось в сторону конвейерного и вентиляционного штреков, захватывая вышележащие слои.

Первая осадка основной кровли произошла при отходе комплекса на 44 м. при этом характер первой посадки основной кровли в очистном забое отличался от ее проявлений при нисходящем порядке отработки слоев. При нисходящем порядке первая осадка сопровождалась высокими силовыми нагрузками на механизированную крепь, сопровождаемая в деформациях отдельных ее элементов (зажатие «нажестко», раздутие гидростоек, деформация ограждений), сильной воздушной волной. При отработке лавы 4-3-1 таких явлений не наблюдалось. Момент первой посадки установлен путем сопоставления визуальных наблюдений (треск и пыль в завале, небольшая воздушная волна) и анализа записей давления в гидростойках крепи. Механизированная крепь в очистном забое работала в режиме нарастающего сопротивления.

Разрушение нижних слоев оставляемого угля по отдельности происходило по системе кливаж-ных трещин, направленных под углом около 60° к линии очистного забоя и 75-85° к горизонту. Расстояние между линиями разрушений составило по падению пласта 1,5-4,0 м, по простиранию - 0,51,5 м (рис. 1).

По характеру обрушения слоя угля следует выделить следующие схемы: типичная схема обрушения (рис. 1, а, д), обрушение в значительных куполах (рис. 1, е), обрушение у сопряжений с конвейерными и вентиляционными штреками.

Типичная схема обрушения характерна на всем протяжении при подвигании забоя со скоростью не менее 1,5 м/сут. По этой схеме обрушение нижних слоев оставляемой толщи угля происходит сразу за перекрытием крепи на высоту 0,30,5 м в период до первой осадки основной кровли и между последующими осадками. Беспорядочное обрушение оставленного в кровле слоя угля происходило на высоту, не превышающую половины вынимаемой мощности подсечного слоя.

В период первой и последующих осадок высота обрушения достигала до 1,5-2,0 м. обрушение в сторону завала упорядоченно блоками преимущественно размерами 0,5-1,5 м по простиранию; 1,5-

4,0 м - по падению; 1,5-3,0 м - по высоте.

При работе в нарушенных участках происходило отслоение угля от забоя по трещинам параллельно линии очистного забоя плитами толщиной

0,3-0,4 м на мощность до 1,5 м и обрушением их в подкрепное пространство. При длительных простоях происходило образование куполов на всю мощность подкровельного слоя угля.

Выводы

1. Динамических и значительных статических нагрузок на крепь не наблюдалось.

2. Механизированная крепь в очистном забое работала в режиме нарастающего сопротивления.

3. Беспорядочное обрушение оставленного в кровле слоя угля происходит на высоту, не превышающую половины вынимаемой мощности подсечного слоя.

4. При наличии нарушений и низких темпах подвигания очистного забоя отработка лавы сопровождалась куполообразованием, особенно в нижней части лавы на сопряжении с конвейерным штреком.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м с углом падения до 35° ВНИМИ. Ленинград, 1982,136 с.

2. Разработать предложения по управлению тяжёлой кровлей пласта IV - V на шахтах Томусинского угольного района. Отчёт КузНИУИ. Ответственные исполнители Н.Г. Сердобинцев, С.Г. Дъяконов. Шифр работы 0592530000, Прокопьевск, 1989.

3. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях под (над) целиками и краевыми частями при разработке свиты угольных пластов мощностью до 3,5 м с углом падения до 35°. ВНИМИ, Ленинград, 1984, 62 с.

4. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. ВНИМИ. Ленинград, 1982, 120 с.

□ Авторы статьи:

Торро

Виктор Оскарович, ст. препод. каф. разработки месторождений полезных ископаемых филиала СибГУ в г. Междуреченк, тел. 905 071 7218.

Морозов Юрий Иванович, бывший сотрудник КузНИУИ.

Сердобинцев Николай Григорьевич, инженер технического отдела ш. Ольжерасская-Новая, тел. 913 416 4153.

Ремезов

Анатолий Владимирович, докт.техн.наук, проф.каф.

разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом Куз-ГТУ,

тел. 903 946 1810.