CC BY
40
---------------------------------------- © Г.Д. Задавин, Л.М. Гусельников,
А.А. Вьюников, П.И. Литовченко,
2009
УДК 622.831.32
Г.Д. Задавин, Л.М. Гусельников, А.А. Вьюников,
П.И. Литовченко
О ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ КРИТЕРИЯХ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРИ ОТРАБОТКЕ УДАРООПАСНЫХ И ПОДРАБОТАННЫХ ПЛАСТОВ
Проведен анализ применения многоштрековых технологических схем при высоких скоростях подвигания, предложены новые подходы при планировании развития горных работ с учетом формирования геодинамическиопасных участков.
Ключевые слова: удароопасные пласты, подработанные пласты, мульда, геомеханиче-ский прогноз, геодинамическая безопасность.
Семинар № 15
G.D. Zadavin, L.M. Guselnikov, A.A. Vyuni-kov, P.I. Litovchenko
GEOMECHNAICAL CRITERIA FOR CHOOSING TECHNOLOGICL SCHEMES DURING MINING BUMP HAZARDOUS AND UNDERWORKED SEAMS
The analysis of multi-gallery technological schemes during high speeds of developing is carried out; new approaches of planning the developing of mining works subject to geodynamic dangerous area forming are proposed.
Key words: bump hazardous banks, undermined banks, trough, geomechanical forecast, geodynamic safety.
ноголетний опыт отработки запасов Воркутского угольного месторождения шахтами ОАО “Воркутауголь” позволял выделять особенности геомеханических проявлений недр на разных участках шахтных полей, были определены ключевые и наиболее эффективные критерии геодина-мической безопасности, дававшие возможность избежать удароопасных и вы-бросоопасносных проявлений угольных пластов, в т.ч. в особо сложных горногеологических условиях, а также сохранять горные выработки для повторной
или длительной эксплуатации. Все это создавало на определённом этапе предпосылки для успешного решения проблемы горных ударов и внезапных выбросов уже на стадии проектирования, кроме того устанавливать технологические решения и рациональные параметры способов подготовки и отработки запасов опасных участков. Но вместе с усложняющейся геотехнологической средой, показывая неотрывную диалектическую связь, геодинамические проявления продолжают менять и усложнять свои качественные характеристики, делая многие ранее выявленные закономерности недостоверными.
Геодинамическая ситуация при отработке мульдовой части Воркутского месторождения будет иметь постоянную тенденцию к усложнению и повышению категорий опасности. Следует отметить, что в условиях шахт ОАО «Воркутауголь» фактор увеличения скорости отработки выемочных столбов до 300 м при длине очистных забоев равных 0,3 Н, приводит к невозможности использования старой базы критериев шага посадки основной кровли, зоны
опорного давления, защитной зоны, га-зовыделений в горные выработки и т.д. Кроме того, при отработке защитных пластов сокращается разрыв во времени и пространстве между опережающей отработкой защитных пластов и выемкой подработанных пластов, изменяются динамические параметры сдвижения подработанных пород. Поэтому не исключается вероятность ведения отработки выемочных столбов защитных пластов в зоне активизации сдвижения от выемочных столбов подработанных пластов. С ростом глубины ведения горных работ и увеличения отработанных площадей шахтных полей на Воркут-ском месторождении существенно изменился характер и интенсивность перераспределения напряжений в горном массиве, которое существенно определяет состояние устойчивости геологических и горнотехнических систем. По мере приближения горных работ к оси мульды возникают интенсивные динамические разрушения горного массива. Анализом обстоятельств возникновения гео-динамических явлений установлено, что первопричинами их являются техногенные факторы, определяемые технологическими схемами ведения горных работ.
В ОАО “Воркутауголь” в настоящее время создаётся система непрерывного мониторинга геодинамической ситуации недр, что позволит в ближайшем будущем моделировать в реальном времени происходящие геомеханические процессы.
За последнее время 75% выемочных столбов Воркутского месторождения были подготовлены и отработаны с отклонениями от первоначальных проектных технологических схем. Рассмотрим на примере ведения горных работ шахты “Северная” по пласту “Тройной”. Проектные решения и принятые изменения сведены в таблице, а схема
отработки лав представлена с плана горных работ на рисунке.
Как видно из анализа внесённых изменений в технологические схемы основными причинами являются геомеха-нические факторы, которые не смогли быть учтены в полной мере при проектировании схем подготовки и отработ-кивыемочных столбов.
До настоящего времени доминирующей концепцией проектирования технологических схем являются законченные проектные решения, принятые в виде утвержденных документов, с однозначно закрепленными в них технологическими процессами.
Для выбора конечной технологической схемы предварительно изучается весь комплекс известных данных об участке недр для которого создается проект: горногеометрические параметры залегания и размещения свойств полезного ископаемого, геологические характеристики блока, геодинамические свойства среды и т.п. Далее на основании изученных данных производится создание и сравнение многих вариантов технологических схем, с целью выбора оптимальной из них и которая принимается, как проектное решение.
На пройденном этапе развития технологической науки данный алгоритм принятия детерминированных проектных решений для горного производства является общепринятым и закреплен существующими нормативными документами. Это означает то, что проектное решение является догматической моделью для ведения производственных процессов. Изменение или внесение дополнений в технологические схемы возможно лишь при процедуре внесения изменений в принятые проектные решения.
363
Лава
Проектная технологическая схема
Изменённая технологическая схема
Причина по которой произошли измеизменения
о
о
а
Н
Способ подготовки - погоризонтный; Система разработки - длинные столбы по падению, повторно используемый конвейерный бремсберг 92-ю, использовался как вентиляционный, закреплен арочной металлической трёхзвенной крепью-, конвейерный бремсберг 102-ю пройден парно с вентиляционным бремсбергом 102-ю трапецевидного сечения закрепленные сталеполимерными анкерами.___________________
Была произведена попытка пройти третью выработку конвейерный бремсберг 102-2-ю в поле лавы 1012-ю. На 280 м при проявлениях удароопасности забой был остановлен.
Конвейерный бремсберг 102-ю из-за неустойчивых пород кровли, был усилен крепью МТПШ и стойками, но продолжались обрушения пород кровли выработки .
й
о
о
р
н
ю
-
Способ подготовки - погоризонтный; Система разработки - длинные столбы по падению, вентиляционный бремсберг 102-ю трапецевидного сечения закреплен сталеполимерными анкерами, конвейерный бремсберг 112-ю пройден парно с вентиляционным бремсбергом 112-ю трапецевидного сечения закрепленные сталеполимерными анкерами.________________________
Изменений не вносилось
й
о
о
р
н
ю
-
Способ подготовки - погоризонтный; Система разработки - длинные столбы по падению, вентиляционный бремсберг 112-ю трапецевидного сечения закреплен сталеполимерными анкерами, конвейерный бремсберг 122-ю должен был пройден парно с вентиляционным бремсбергом 122-ю трапецевидного сечения закрепленные сталеполимерными анкерами.
Проводится третья выработка в поле лавы 1212-ю вентиляционный бремсберг 112-2-ю с целиком переменной ширины 18/15м, закрепленная на первых 168м сталеполимерными анкерами, далее арочной металлической трёхзвенной крепью с проведением профме-роприятий по приведению массива в неудароопасное состояние.
Конвейерный бремсберг 122-ю закреплен арочной металлической трёхзвенной крепью и комбинированно с использованием сталеполимерных анкеров, для повторного использования при отработке лавой 1312-ю_________________
Вентиляционный бремсберг 112-ю был отремонтирован- произведена подрывка почвы, установлена новая рамная крепь МТПШ и пробиты ремонтины, но продолжалась конвергенция боковых пород выработки и деформации крепи.
Конвейерный бремсберг 122-ю оказался в зоне воздействия горных работ пл. “Четвертого”
'гор.-7^8м
Регламент принятия решений об изменении проекта однозначен принятию проекта.
В практической деятельности происходит следующее, принятые проектные решения не успев покинуть проектные и экспертные организации уже требует внесения изменений и дополнений. Связаны подобные ситуации зачастую не с тем, что принятые решения были изначально плохие, а с тем, что на достигнутых глубинах и объёмах производства геомеханическая ситуация в недрах меняется для нас непредсказуемо быстро. Проект базировался на данных, которые мы могли получить в тот момент времени и достоверность прогноза соответствовала той теоретической базе, которую имели в тот момент времени, когда закладывались проектные решения.
Стремление создать “современные” технологические схемы, которые могли однозначно вписываться в те или иные условия практикой не подтверждаются.
Использование детерминированных технологических схем является отживающим принципом проектирования, который при быстротекущих геомеха-нических процессах в недрах реально не способен обеспечить устойчивого горного производства.
Достижение достоверного геомеха-нического прогноза является идеальной целью, к которой мы стремиться и которая нам необходима для создания базовой модели, но вариантные проектные модели должны строится исходя из вероятных или возможных сценариев развития геомеханической ситуации.
Практика ведения горных работ эмпирически подводит нас к созданию новой концепции проектирования при которой базовому проекту, учитывающему основные первоначальные критерии геодинамической безопасности, заложена изначально система мониторинга за
параметрами геосреды и новые проектные решения вводимые при выявлении отклонений выше допустимых тех параметров, которые могут повлиять или уже влияют на устойчивость производственного процесса. Таким образом базовый вариант должен, из-за возможных внесений возмущений в прогнозную ситуацию, рассматривается с цепью трансформируемых технологических схем.
С учетом планируемых работ по реконструкции действующих шахт с целью создания одной моношахты “Воркута” разработаны рекомендации, представленные в виде практического руководства, в котором в обобщенном виде представлены результаты многолетних исследований ВНИМИ и Печорниипро-екта [3].
Ввиду отсутствия нормативных документов, отражающих аналогичные условия, и наличия постоянной потребности рассмотрения оптимальных вариантов развития горных работ при доработке месторождения, практическое руководство подготовлено для согласования и утверждения в установленном порядке.
Была выполнена прогнозная оценка напряженного состояния целиков на шахтах "Комсомольская", "Северная", "Воркутинская" и "Заполярная". Обобщая результаты прогнозной оценки напряженного состояния целиков определена величина II, которая необходима для установления оптимальных размеров межшахтных и межблоковых целиков, в том числе около геологических нарушений. Размер межшахтного целика предлагается принимать равным II. Размер межшахтного целика около геологического нарушения с амплитудой смещения 20 предлагается принимать равным 1% + 2.5. Минимальный раз-
мер межблокового целика предлагается принимать равным 0.510Я. В случае наличия в межблоковом целике горных выработок (уклон, бремсберг) его размер предлагается принимать равным Ь1+Ь2+Ь3. При этом Ь1=0.251н, Ь2=0.510, Ь3=0.2511. Причем величина Ь1 и Ь3 выбирается с учетом размера прилегающей очистной выработки, 10 -выбирается из “Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах ...”. В случае наличия в межблоковом целике геологического нарушения с амплитудой смещения 20 его размер предлагается принимать равным
0.51И0 + 2.5^. Для контроля по программе РЛиЬТЗБ необходимо проводить прогноз состояния разрывных нарушений. Анализ опыта ведения горных работ на шахтах ОАО "Воркутауголь", результаты инструментального обследования фланговых и примыкающих к ним выработок и теоретическое обобщение данных прогнозной оценки напряженного состояния отрабатываемых пластов и массива горных пород при ведении очистных работ позволяют сделать следующие выводы по порядку ведения горных работ. Междушахтные целики должны располагаться вдоль наиболее протяженных границ блоков. Расположение капитальных выработок следует предусматривать вне зон влияния крупных тектонических нарушений и за пределами тектонически напряженных зон (ТНЗ).Магистральные выработки, обслуживающие блок или несколько блоков шахты, необходимо располагать на достаточном расстоянии от тектонических структур, способных к подкачке энергии в сторону проведенной выработки (согласно установленной закономерности «перетока энергии» при оценке воздействия тектонических нарушений на напряженно-деформированное
состояние массива горных по-род).Направление проведения протяженных выработок должно совпадать или быть близким с ориентацией действия максимальных напряжений в нетронутом массиве. Направление ведения горных работ предпочтительнее вести от крупного нарушения тектонического типа в сторону менее крупного. Не рекомендуется проведение магистральных наклонных выработок по тектоническому нарушению или вблизи его при ведении отработки выемочных полей на эту выработку. Охрана этих выработок возможна при оставлении рекомендован-н^1х целиков. Целик шириной до 100 м, разрезанный вдоль одиночной пластовой выработкой, является потенциально опасным по ГДЯ. В зависимости от срока отработки запасов необходимо заменять эти выработки магистральными общешахтными выработками. Магистральные выработки в этих случаях должны располагаться в надработанной толще на участках, которые больше не будут находиться в зонах влияния очистных работ. Отработка выемочных столбов параллельно разрывному нарушению способствует его пригрузке и создает условия возможной подвижки по контактирующим поверхностям. При необходимости сохранения фланговых выработок, пройденных параллельно нарушению, следует вести отработку выемочными столбами перпендикулярно ему. Охранная зона фланговых выработок от выработанного пространства должна приниматься >1,5 Ь или не менее 100 м. Междушахтные целики могут приниматься шириной 0.15 Н (но не менее 150 м) при отсутствии опасности затопления со стороны соседней шахты (по опыту шахты "Северная"). Для исключения взаимного влияния горных работ шахты "Воркутинская" на выработки шахты "Северная" рекомендуется
их заложение в 140 м от тектонического нарушения "Л". Для исключения взаимного влияния горных работ при отработке приосевого участка блоками шахт "Северная", "Комсомольская" и "Ворку-тинская" не рекомендуется одновременная работа блоков вдоль границ. Охранная зона фланговых выработок от выработанного пространства при ведении очистных работ в блоке "Центральный" принимается равной 1,5Ь. При подготовке выемочных столбов парными выработками, закрепленными сталеполимерной анкерной крепью с податливыми межштрековыми целиками, предельные значения их ширины на глубине 930 м -1000 м при последовательном проведении парных выработок вне зоны опорного давления составят: для пласта Четвертого - 6,9 м; для пласта Тройного -10,3 м ; для пласта Мощного - 12,3 м и для пласта Пятого - 5,7 м.Анализ опыта ведения горных работ на шахтах ОАО "Воркутауголь", результаты инструментального обследования фланговых и примыкающих к ним выработок и теоретическое обобщение данных прогнозной оценки напряженного состояния отрабатываемых пластов и массива горных пород при ведении очистных работ позволили разработать проект Практического руководства по планированию горных работ в мульдовой части Вор-кутского месторождения. Реализация разработанных в Практическом руководстве [3] положений при внедрении непрерывного мониторинга за напряжен-но-деформиро-ванным состоянием углепородного массива в пределах участков шахтных полей и мульдовой части месторождения позволит выйти на более качественный уровень управления гео-динамической безопасностью и высокие технико-экономические показатели технологии добычи угля.
Изучение опыта применения многоштрековых технологических схем при высоких скоростях подвигания показало необходимость разработки новых нормативных подходов при планировании развития горных работ с учетом формирования геодинамически опасных (зон) участков, являющихся составными элементами технологических схем подготовки и отработки выемочных столбов. Геодинамически опасные участки приурочены: к краевым зонам на границе с отработанным пространством, к краевым частям на границе с тектоническим нарушением, в краевой части у массива при проведении подготовительной выработки с податливым целиком вне зоны опорного давления и зоне опорного давления очистного забоя, для ведения работ в которых необходимо учитывать время перераспределения напряжений для подготовки которых необходимо учитывать время перераспределения напряжений.
Для установления геодинамически безопасных параметров многоштрековой и парной подготовки необходимо постоянное ведение инструментальных замеров и мониторинга состояния целиков, краевых частей массива в зависимости от времени увеличения напряжений с учетом скорости подвигания и созданных отработанных площадей.
Воркутское угольное месторождение вступило в новую фазу геомеханической ситуации, обусловленное накоплением количественных техногенных изменений горной среды переходящих в новые формы проявления геодинамики.
Проектирование однозначно определенных технологических схем, когда проект строится исходя из доступного нам на тот момент понимания происходящих процессов в недрах, должен быть заменен на ряд цепей трансформируемых технологический схем, которые по-
зволят принимать, при необходимости, ранее подготовленные технические и организационные решения.
Переход на новый принцип проектирование технологических схем, когда мы закладываем в базовую модель возможные изменяющиеся, вслед за геосредой, технологические схемы и параметры - явление прогрессивное в сложившейся горнотехнической ситуации.
В практическом производственном процессе базовая модель технологической схемы является наилучшей, так как не требует дополнительных инноваций.
Выбор достоверных геомеханиче-ских критериев будет являться опреде-
1. Геомеханические аспекты, опыт и перспектива решения проблем геодинамиче-ской безопасности на предприятиях топливно -энергетического комплекса: доклад на совещании/Проблемы геодинамической безопасности. II Международное рабочее совещание 24-27 июня 1997 / - СПб. : ВНИМИ, 1997. - 19-32 с.
2. Исследование эффективности способов создания безопасных условий отработки
ляющими для практической реализации только базового варианта или выполнения короткой цепи технологических схем. Поэтому ближайшими задачами научно - исследовательской деятельности при отработке Воркутского месторождения является проверка и уточнение существующих геомеханических критериев. Это особенно необходимо при возрастающей интенсивности ведения горных работ, когда любые осложнения в технологическом процессе приводят к значительному экономическому ущербу. Не менее важен фактор повышения безопасных условий работы.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Воркутского месторождения путем изменения влияния техногенных факторов: ста-
тья/Горный информационно-аналитический бюллетень №1 / - М. : МГУ, 2000. - 155-157 с.
3. Практическое руководство по планированию горных работ в мульдоволй части Воркутского месторождения: НИР по договору №УН-020-05/ А.Н. Шабаров. и др.- СПб-Воркута: ВНИМИ, 2006. - 201 с. и'.'-ч
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Задавин Г.Д. - горный инженер, технический директор ОАО “Воркутауголь”;
Гусельников Л.М. - горный инженер, зав. лабораторией геомеханики института ПечорНИ-Ипроект;
Вьюников А.А. - горный инженер, гл. технолог по динамическим явлениям ОАО “Воркутауголь”;
Литовченко П.И. - горный инженер - маркшейдер, гл. маркшейдер шахты “Северная”
ОАО “Воркутауголь”,
pniip. mail@vorkuta. stvtrstalgroup .com
