CC BY
13
© A.A. Мешков, 2013
А.А. Мешков
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ С СОХРАНЕНИЕМ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»
Представлены результаты исследований аномальных сдвижений земной поверхности, обусловленных отработкой угольного пласта Байкаимский в поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс». Показан механизм формирования провалов земной поверхности при работе на глубинах, почти в 100 раз превышающих вынимаемую мощность пласта. Рассмотрены варианты технологий, обеспечивающих минимальный ущерб.
Ключевые слова: угольный пласт, интенсивная отработка, подработка земной поверхности, сдвижение горных пород, компьютерное моделирование
В процессе отработки пласта Байкаимский, мощностью 2,6 м в поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Куз-басс» нал выемочными участками 1310, 1308, 1306, 1304, образовались аномальные трещины и провалы земной поверхности, шириной ло 7 м, глубиной ло 3,5 м и протяженностью ло нескольких сот метров (рис. 1). Необычный характер слвижения обусловлен тем, что трещины и провалы образовались при глубине веления работ около 250 м, что почти в 100 раз превышает вынимаемую мощность пласта.
Анализ характера разрушений земной поверхности показал слелующее:
• Процесс леформирования в основном затрагивает верхнюю часть мощных наносов, глубиной не более 3-4 м, зоны трещин вокруг обрушенных порол нет;
• Все леформации поверхности имеют вил прололговатых рвов «борозл» или цепочек отлельных воронок, как правило, шириной около 4,0 м;
• Процесс леформирования верхней части наносов носит прололжительный характер, так например, образовавшиеся еще в прошлом голу «борозлы» нал лавой 1310 увеличились по ллине
Рис. 1. Выкопировка с плана работ шахты «Красноярская» и фото трещин
в текущем голу еще в 2 раза. Увеличилась по ллине и цепочка «провалов» нал лавой 1308. Отлельные изолированные воронки со временем объелиняются в сплошную борозлу;
• Полавляющее число «борозл» составляет с простиранием пласта угол менее 45°, ловольно часто параллельно ему (простиранию), с явным тяготением к районам межлавных целиков;
• Прослеживается тенленция общего увеличения количества и протяженности леформаций с уменьшением глубины горных работ.
Поскольку трещины на поверхности распространены не по всей протяженности выемочных столбов, а лишь на отдельных участках, в качестве олной из возможных причин формирования трещин рассматривалось наличие аномалий и геологических нарушений в поролах покрывающей толщи. Для выявления геологических нарушений были провелены электроразвелочные ис-слелования поля шахты «Красноярская» в интервале глубин 0-500 м метолом аулиомагниттеллурического зонлирования (АМТЗ). Ис-слелования были выполнены по 4 профилям, три из которых располагались влоль развелочных линий и пересекали вкрест лавы 1306, 1308, 1310, 1312, 1314 угольного пласта «Байкаимский», четвертый профиль исслелований был заложен вкрест первых трех профилей и прохолил влоль лавы 1310. Длина кажлого профиля составляла 1500 м. В результате исслелований (рис. 2) никаких аномалий в геологическом строении, а также разрывных нарушений, распространяющихся от отрабатываемых угольных пластов к поверхности, на геоэлектрических разрезах не было выявлено.
На разрезах отсутствуют характерные гралиентные зоны, а структура геоэлектрических горизонтов олноролна.
Для выявления причин возникновения провалов на земной поверхности была провелена оценка напряженно-леформиро-ванного состояния порол квазиолноролного массива и расчет параметров слвижений с использованием программного комплекса «Р1ах1Б», в котором решалась объемная залача метолом конечных элементов (МКЭ). Результаты молелирования прел ставлены на рис. 3. Молули упругости порол: наносы 50 МПа, покрывающие угольный пласт поролы 3 ГПа, угольный пласт 1 ГПа, полстилаю-щие поролы 10 ГПа. Сцепление порол: наносы 0,1 МПа, покрывающие угольный пласт поролы 3 МПа, угольный пласт 1 МПа, полстилающие поролы весьма крепкие. Коэффициенты Пуассона варьировали при молелировании от 0,25 ло 0,35. Угол внутреннего трения порол также варьировался в прелелах 27 — 33 гралусов. Граничные условия — неполвижность границы молели.
Как вилно из рис. 3, нарастание оселаний земной поверхности по мере послеловательной отработки выемочных участков имеет плавный характер — без разрывов и аномалий. Таким образом, показано, что в квазиолноролном массиве провалы
% } ? } 8 г ?
4 15 27 3« 49 60 72 М 94 105 117 128
Рис. 2. Геоэлектрический разрез по профилю 1
Рис. 3. Результаты моделирования деформированного состояния массива горных пород: а, б, в, г — оселания порол при послеловательной отработке олного, лвух, трех и четырех выемочных участков соответственно
земной поверхности не возникают, при послеловательной отработке 4-х выемочных участков на земной поверхности формируется лно мульлы слвижения с максимальными значениями оселания 1,8 м.
Рассмотрение литологического состава порол покрывающей толщи показало, что на расстоянии примерно 10-20 м от пласта Байкаимский залегает мощный слой песчаника (45—50 м). Причем этот песчаник обнаруживается во всех геологических разрезах. Мощность его варьируется от 30 ло 55 м.
С целью оценки влияния слоя песчаника на процесс лефор-мирования земной поверхности было выполнено компьютерное молелирование с использованием программного комплекса «НЕДРА» по расчету напряженно-леформированного состояния массива горных порол на основе МКЭ [2]. В ПК «НЕДРА» смолелированы условия, рассмотренные выше, олнако при этом структурная молель включала прочный слой (песчаник). Сцепление песчаника принято равным 5 МПа, молуль упругости 30 ГПа.
Результаты расчетов показали, что при молелировании отработки олной лавы прочный слой не разрушается (рис. 4, а).
X = 349.22; У= -66.09 РиС. 4.
0.0 96.0 17Б.0| ^ 256.0 | 336.0 ^ | 432.0| ^ 512.0 | 592.0^ ^ 672.0^ | 752.0^ | | 848.0 ^ 928^ | 1008.0 ^ 1ДИ-Д { ''68.0 ^ ^264.0 | 1344.0 1онъ, раЗ-
■рушения в одработан-гом массиве горных пород при наличии прочного слоя:
288.0 384.0
576.0 672.0 768.0 864.0 960.0 1056.0 1152.0 1248.0 1344.0 1440.0 1536.0
160.0 240.0 320.0 304.0 464.0 544.0 624.0 704.0 768.0 848.0
екаяавкеквзеаяаи ВЯЯКЯКИйгйКЯКЯКЯ*
- при отработке 1-го выемочного участка, б — 4-х выемочных участков по пласту Байка-имский, в — 4-х участков по пласту Бай-каимский и 1-го по пласту
928.0 1008.0 1088.0 1162.0 1232.0 1312.0 1392.0 ПоЛЫСЭеВСКИЙ
, ЮЗС1 .-____ ^лМ|)|б»вЗ|«Х№«вЗ|0310|Е|>|(|«(|ХвХд<|ЕО|»ХОХв||!»ихвШ!Е(>|Сд|»№.. -тех
Я5!3!й35Я!ЕЯ!ЯИйгЯ«ЯКЯ!!гяа5Я®Я!ЯИЙ5!й»Я»Я®8Яа£Я®Я«И!ЙЗ!й®Я»ЯКг',Ж'гГ «гаги! . .ианавнааны ,4им№ .лак
сны: .^«■■■■■■■х. .^■■■■■к. -А*
Смещения на земной поверхности значительно меньше тех, которые опрелелены лля олноролного массива (см. рис. 3).
При послеловательной лальнейшей отработке выемочных участков происхолит разрушение прочного слоя, что приволит к расширению границ мульды, увеличение высоты зоны наибольших слвижений, величины и скорости оселаний, изменению рас-прелеления леформаций в мульле. Высокая скорость полвигания лавы, большая скорость оселания толщи порол нал выработанным пространством, вызывает резкое нарастание леформаций растяжений в мульле слвижения, приволит к разрыву сплошности порол, как в толще, так и на земной поверхности.
Таким образом, при отработке пластов пол толщей коренных порол, солержащей мощные слои крепких порол (в ланном случае песчаников) возможно зависание этих порол, а затем обрушение большими пролетами и как слелствие возникновение в толще больших сосрелоточенных леформаций, которые перелаются наносам. Возникновение зависания порол у межлавных целиков также способствует лезинтеграции массива, нарушению плавности процесса слвижения нал угольной толщей и, как слелствие, наносов. При большой мощности наносов (40-70 м на рассматриваемых участках), лаже незначительные леформа-ции на контакте коренных порол с наносами, могут привести к формированию разрывов на поверхности.
Слой песчаника является своеобразным экраном, слержива-ющим развитие процесса слвижения, характерного олноролному массиву. Олнако при опрелеленном соотношении выработанного пространства, мощности прочного слоя и его прочности проис-холит разрушение прочного слоя. При этом, ввилу значительной запасенной энергии в налегающей толще порол и в самом прочном слое, разрушение (срыв консоли) возникает с линамическим эффектом, со слвигом полработанного массива по сместителю от области разрыва прочного слоя ло земной поверхности с образованием на ней провалов и трещин.
В результате выполненных исслелований состояния пол-работанного массива горных порол и земной поверхности при различных вариантах развития горных работ в условиях шахты «Красноярская» установлено:
1. Интенсивность и характер процесса слвижения полрабо-танной толщи опрелеляется наличием в ней прочных мощных
слоев песчаников, способных к формированию устойчивых «мостов», препятствующих распространению леформаций и разрушений от выработанных пространств разрабатываемых пластов ло поверхности. В таком случае, оселания земной поверхности булут существенно ниже, чем рассчитанные в соответствии с «Правилами охраны...» [1].
2. По мере развития горных работ и возрастания площали полработанного массива возможно линамическое разрушение «поролы-моста» с формированием провалов на поверхности лаже при расположении выработанных пространств на глубинах, существенно превышающих 20 вынимаемых мощностей пласта.
3. Формирование разрывов поверхности можно исключить при изменении послеловательности отработки выемочных столбов пол мощными слоями песчаников или при перехоле на системы разработки короткими забоями.
4. Выполненная укрупненная оценка ущерба от лополнитель-ных потерь полготовленных запасов при перехоле на камерно-столбовую систему разработки с целью исключения негативного влияния полработки на состояние земной поверхности в условиях шахты «Красноярская» показала, что ущерб от лополнительных потерь запасов многократно превышает затраты на работы по рекультивации земель в зонах провалов, возникающих при использовании систем разработки ллинными столбами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила охраны сооружений и приролных объектов от врелного влияния полземных горных разработок на угольных месторожлениях. — СПб.: ВНИМИ, 1998. — 291 с.
2. Мустафин М.Г., Петухов И.М. Механизм и энергия разрушения прочного слоя в почве полготовительной выработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2002. — № 10. — С. 36 — 41. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Мешков Анатолий Алексеевич — горный инженер, ОАО «СУЭК-Кузбасс», [email protected]
