Разработка алгоритма расчета метанообильности очистного забоя с учетом геомеханических процессов в углепородном массиве Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

боя, как правило, отличается от метанообиль-ности, полученной при расчете. В результате этого воздуха, подаваемого на выемочный участок, недостаточно для ритмичной и безаварийной работы комплексно-механизированного забоя. Этот факт свидетельствует о том, что задача управления метановыделением при отработке газоносных угольных пластов до сих пор не решена.

По результатам анализа действующих нормативных документов [1, 2] выявлено, что при расчете метанообильности выемочных участков не в полной мере учитываются изменения физико-механических свойств углепородного массива во время ведения очистных работ. В частности, принята идеализированная модель геомассива с постоянными фильтрационными свойствами угля и пород. Для прогноза мета-нообильности используется лишь один фактор - степень метаморфизма углей.

Однако на практике из графиков, полученных на основе данных концентраций метана, фиксируемых аппаратурой системы АГК, установленной в выработках с исходящей из очистного забоя струей воздуха, следует, что метановыделение с отрабатываемого пласта в процессе выемки угля происходит неравномерно. В этой связи обоснована актуальная научно-практическая задача, которая заключается в разработке алгоритма расчета метано-обильности очистного забоя с учетом изменения фильтрационных свойств угля отрабатываемого пласта под действием геомеханических процессов.

Решение обозначенной задачи осуществлялось в два этапа:

1 - численное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) углепо-родного массива в окрестности очистного забоя;

2 - создание алгоритма расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя, в котором учитывается изменение фильтрационных свойств массива.

Моделирование НДС геомассива в окрестности очистного забоя осуществлялось с использованием пакета компьютерных программ, разработанных на кафедре геотехнологии в Сибирском государственном индустриальном университете. Комплекс программ адаптирован для решения двумерных задач геомеханики и выявления закономерностей изменения механических, реологических и плотностных свойств углепородного массива [3 - 9].

В качестве объекта исследования принят углепородный массив Байдаевского месторож-

дения в пределах шахтного поля ООО «Шахта «Есаульская», Кузбасс. Исследования проведены в период отработки выемочного столба 26-28 по пласту 26а.

Средняя глубина ведения горных работ составляет 490 м, вынимаемая мощность разрабатываемого пласта 2,1 м, угол падения от 1 до 10°. Горный массив представлен алевролитами и песчаниками, а также включает семь угольных пластов, ближайший из которых пласт 29а залегает в 130 - 150 м выше отрабатываемого пласта 26а. Шахта отнесена к сверхкатегорной по газу метану. Система разработки столбовая, с полным обрушением пород кровли, подвига-нием очистного забоя длиной 300 м по восстанию. Схема выемки угля в лаве - челноковая, снизу вверх по ходу струи свежего воздуха.

При моделировании определялись следующие параметры НДС геомассива: главные, вертикальные и горизонтальные составляющие тензора напряжений и деформаций массива пород; вертикальные и горизонтальные смещения; отношение остаточной прочности пород к исходной. Выбор этих параметров обусловлен возможностью их использования для обоснования технологических решений при проектировании выемочных участков.

Составляющими метанообильности очистного забоя являются интенсивность метановы-деления с поверхности забоя и из транспортируемой по забойному скребковому конвейеру горной массы. В этой связи составлено следующее уравнение:

—пч з -^пп + —т

(1)

где 1оч.з - метанообильность очистного забоя, м3/мин; 1пл - метанообильность отрабатываемого пласта, м3/мин; /т.г.м. - метанообильность транспортируемой по забойному конвейеру горной массы, м3/мин.

Для определения дебита метана, выделившегося с поверхности очистного забоя, возможно применение закона Дарси, который характеризует скорость фильтрации газа в направлении к свободной поверхности отрабатываемого пласта [10]:

3 =

к ёР(х) ц ёх

(2)

где 3 - скорость фильтрации газа, м/с; к - коэффициент проницаемости массива; ц - динамическая вязкость газа, Па с; Р - давление газа, МПа; х - расстояние до поверхности очистного забоя, м.

Рис. 1. Вариант результатов моделирования изменения горизонтальных деформаций угольного массива впереди очистного

забоя для заданных условий ведения горных работ (е-10-3): 0 - 18 - изолинии горизонтальных деформаций; I, II, III - характерные линии изменения деформаций

В реальных условиях давление газа и проницаемость угольного массива не постоянны и меняются в процессе ведения очистных работ. С целью учета меняющихся физико-механических свойств массива предлагается использовать формулу, предложенную Б.Г. Тарасовым [11]:

k = 2,08d:

m0 + du/dx 1 + du/dx

(3)

где d - эквивалентный диаметр породообразующего зерна; т0 - природная пористость массива; du/dx -деформация массива.

По результатам численного моделирования НДС массива установлено, что величина и зона распространения деформаций угольного массива зависят от изменчивости горногеологических и технико-технологических условий ведения горных работ. Для расчета проницаемости отрабатываемого пласта предлагается использовать результаты моделирования изменения вертикальных и горизонтальных деформаций.

Принято условие, что в краевой части отрабатываемого пласта, где проявляются растягивающие деформации, повышена проницаемость угольного массива.

Как следует из результатов исследования НДС массива, в отрабатываемом пласте впереди очистного забоя преобладают сжимающие вертикальные и растягивающие горизонтальные деформации. Поэтому за основу расчета проницаемости предлагается использовать растягивающие горизонтальные деформации. Суммарную величину деформаций в краевой части угольного пласта в процессе ведения

очистных работ предлагается определить по формуле

е0б = j s(x)dx,

(4)

где £об - суммарные деформации в краевой части угольного пласта; s - распределение деформации в краевой части пласта по направлению x; l - зона активной фильтрации газа, м.

Для использования формул (3) и (4) необходимо установить функциональную зависимость между деформациями и зоной активной фильтрации газа. В этой связи предлагается использовать результаты моделирования изменения горизонтальных деформаций массива (рис. 1).

Введем локальную систему координат Olh с началом координат на пересечении линии очистного забоя и почвы отрабатываемого пласта (рис. 1). Ось абсцисс указывает расстояние до поверхности очистного забоя, ось ординат - расстояние до почвы пласта. Согласно результатам проведенных исследований, деформации угольного массива изменяются не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной (рис. 1). В этой связи определены функции, описывающие зависимость деформаций от расстояния до очистного забоя в следующих характерных горизонтальных линиях: у кровли пласта (на рис. 1 линия обозначена цифрой I); в центральной части мощности пласта (на рис. 1 линия обозначена цифрой II); у почвы отрабатываемого пласта (на рис. 1 линия обозначена цифрой III). Общий вид зависимостей следующий:

Sk = al2 + ü\l + a2; (5)

о

8Ср = Ы2 + ЪХ1 + Ъ2;

8п = С12 + С\1 + С2,

(6) (7)

Р, = Ра-

(12)

где ек, 8ср и 8п - изменение деформаций по характерным линиям у кровли пласта, в центральной части мощности пласта и у почвы пласта соответственно; I - зона активной фильтрации газа, м; аь Ъь сг- - коэффициенты эмпирических зависимостей по отдельным плоскостям.

Из функций (5) - (7), описывающих изменение деформаций по отдельным плоскостям, получена обобщенная зависимость изменения деформаций в пределах всей зоны активной фильтрации газа в краевой части пласта:

8об = (ук2 + ухк + у 1) /2 + (вк2 + в2к + в2) I +

+ (£к2 + ^2к + ^2), (8)

где у-, вг-, - коэффициенты эмпирической зависимости.

С учетом полученных зависимостей функция (4) примет следующий вид:

I к

8об = Ц (ук2 + у к + у]) I2 + (вк2 + в2к + в2) I +

0 0

+ + g2к + g2)dldк.

(9)

Для определения градиента газового давления, используемого в формуле (2), предлагается применить зависимость, предложенную В.А. Колмаковым [10]:

Для того, чтобы определить среднее значение градиента газового давления в зоне повышенной фильтрации пласта предлагается следующая формула:

| Р'^х

Рср =■

I

(13)

где Рср - среднее значение градиента газового давления, МПа/м; Р'х - первая производная от газового давления, МПа; I - зона активной фильтрации пласта, м.

Интенсивность метановыделения с поверхности очистного забоя зависит от времени его обнажения. Через определенный промежуток времени, после выемки полосы угля, глубина зоны активной фильтрации пласта увеличивается, а давление газа в краевой части отрабатываемого пласта снижается, что приводит к уменьшению дебита выделяющегося метана. Таким образом, формула (10) справедлива для давления газа на вновь обнаженном участке очистного забоя, который соответствует длине полосы угля, вынимаемой очистным комбайном за одну минуту. С целью учета изменения градиента газового давления с течением времени формулу (10) предлагается модернизировать следующим образом:

Рх = Р0 + (Р -Р0) • е

212(г )

(10)

где Рх и Р0 - соответственно давление газа на любом расстоянии от обнаженной поверхности пласта и начальное давление в пласте, МПа; Р1 - давление газа на обнаженной поверхности пласта, МПа; х - расстояние до поверхности пласта; Щ) - глубина зоны разгрузки пласта.

Начальное давление газа в пласте определяется при помощи формулы Г.Д. Лидина [12]

Р0 = 0,01(Яг - Я0)13+2,

(11)

в которой Р0 - давление газа в пласте на расчетной глубине, МПа; Нг и Н0 - соответственно глубина разработки и зоны газового выветривания, м.

Условимся считать, что давление газа на поверхности очистного забоя в течение процесса фильтрации метана с краевой части отрабатываемого пласта равно атмосферному давлению:

Рх = Р0 + (Р -Р0) • е

2(1 2(г )Ф(< ))2

(14)

где - функция ползучести угля.

Изменение реологических свойств угольного массива с течением времени предлагается определить при помощи формулы Ж.С. Ержа-нова [13]:

Ф,

1 +

ы

1-а

1 - а

(15)

где 5 и а - параметры ползучести, характеризующие реологические свойства угля; ^ - время цикла выемки угля, с.

Параметр 5 рассчитывается так:

5 = 4,73 10-3 - 6,9-10-9- Е0; (16)

здесь Е0 - модуль упругости угля, т/м [14], определяемый как

0

2

х

х

Ео = 200 осж, (17)

где осж - предел прочности угля при сжатии, т/м2.

В результате расчета проницаемости угольного массива и давления газа в нем для конкретных горно-геологических и технико-технологических условий и подстановки полученных данных в закон Дарси (2) получен удельный дебит метана, выделяющегося с поверхности отрабатываемого пласта в пространство очистного забоя:

Ч = — Рр, (18)

Ц

где ц - удельный поток метана в угольном пласте в направлении к свободной поверхности забоя, м3/(м2 мин); к(В) - коэффициент проницаемости с учетом изменения деформаций угольного массива; ц - динамическая вязкость газа, Пас.

Модернизация формулы (2) состоит в следующем:

- для определения коэффициента проницаемости массива применяется формула Б.Г. Тарасова (3), при вычислении по которой используются результаты численного моделирования и функции изменения деформаций угольного массива впереди очистного забоя (5) - (7), применение которых позволяет учитывать изменение фильтрационных свойств массива под влиянием геомеханических процессов;

- при вычислении градиента газового давления за основу принята формула В.А. Колма-кова (10), в которой учитывается изменение давления в зависимости от расстояния до поверхности очистного забоя, однако она была модернизирована (14) за счет того, что глубина зоны активной фильтрации газа принимается по результатам проведенного моделирования, а учет влияния фактора времени на градиент газового давления осуществляется по функции ползучести Ж.С. Ержанова (15), что позволило частично автоматизировать вычисление градиента давления и снизить трудоемкость расчета;

- синтез уравнений Дарси, Б.Г. Тарасова, В.А. Колмакова, Ж.С. Ержанова и результатов численного моделирования обеспечит вычисление дебита метана, выделившегося с поверхности очистного забоя, с использованием вместо постоянных параметров, которые не в полной мере соответствуют реальным горнотехнологическим условиям, переменных значений деформаций и пористости массива. Предложенный подход позволит учитывать

изменение фильтрационных свойств угля в процессе ведения очистных работ.

На основе модернизированных уравнений Дарси, Б.Г. Тарасова, В.А. Колмакова общее количество метана, выделившегося с поверхности отрабатываемого пласта в исходящую струю, предлагается определять по формуле

Qпл = Яв.об + Яюб, (19)

где Япл - количество метана, выделившегося в исходящую струю с поверхности отрабатываемого пласта, м3/мин; Явоб - количество метана, выделившегося в исходящую струю с вновь обнаженной поверхности отрабатываемого пласта, м3/мин; - количество метана, выделяющегося с ранее обнаженной поверхности очистного забоя, м3/мин.

Количество метана, выделившегося в исходящую струю с вновь обнаженной поверхности отрабатываемого пласта, составит

Яв.об = Цв.об ^в.об m, (20)

где цв.об - удельный дебит метана, выделившегося с вновь обнаженной поверхности очистного забоя м3/(м2мин); £в.об - длина вновь обнаженного участка очистного забоя, м; т -мощность отрабатываемого пласта, м.

Количество метана, выделившегося в исходящую струю с ранее обнаженной поверхности очистного забоя, составит

Яюб = Цюб Ьюб т, (21)

где ц1об - удельный дебит метана, выделившегося с поверхности очистного забоя до начала нового цикла выемки угля, м3/(м2 мин); Ь1об -длина очистного забоя за вычетом вновь обнаженного участка, м.

С целью учета метановыделения из транспортируемого по забойному скребковому конвейеру угля предлагается использовать поправочный коэффициент Кту, который определяется следующим образом [1]:

К = а 0,6 4 /от + /птк + /кш ; (22)

т у 2 4 60&т.оч 60&т.п^ 60&т.кш ( )

здесь Кту - коэффициент, учитывающий степень дегазации отбитого угля при его транспортировании по выработкам участка; а2 - коэффициент, характеризующий газоотдачу отбитого угля; /оч - длина забойного скребкового конвейера, м; 5т.оч - скорость транспортирования угля по очистному забою, м/с; /птк - длина подлавного перегружателя, м; 5птк - скорость транспортирования угля по подлавному пере-

Рис. 2. Схема вентиляции выемочного участка 26-28 ООО «Шахта «Есаульская», Кузбасс: 1 - направление движения очистного забоя; 2 - опережающая сбойка; 3 - ходок 26-53; 4 - вентиляционный штрек 26-28;

5 - газодренажный ходок 26-53; 6 - вентиляционный штрек 26-31; 7 - магистральный путевой штрек 26-5; 8 - изолирующая перемычка; 9 - свежая струя воздуха; 10 - исходящая струя воздуха; 11 - выработанное пространство; 12 - датчик метана системы АГК, с которого считывались показания газа метана при проведении эксперимента;

13 - место замера скорости воздуха

гружателю, м/с; 1к.ш - длина конвейера, расположенного в конвейерном штреке, м; 3к.ш -скорость транспортирования угля по конвейерному штреку, м/с.

Коэффициент, характеризующий газоотдачу отбитого угля а2, равен

а2 = 0,25 а3, (23)

где а3 - коэффициент, характеризующий газоотдачу угля в массиве.

Таким образом, формула (1) примет следующий вид:

предназначенного для непрерывного контроля концентрации метана на угольных предприятиях.

Таким образом, за период проведения эксперимента сделано более 100 замеров скорости воздуха и проведен газовый анализ 90 забое-дней.

Согласно «Инструкции по контролю состава рудничного воздуха, определению газообильности....» [15] средний расход газа метана, проходившего в пункте измерения в исходящей струе очистного забоя за определенный период времени, определяется по формуле

^оч.заб

- 1пл ( 1 + К.у),

(24)

L, = 0,01

X 0уч X см

где /оч.заб - метанообильность очистного забоя, м3/мин; 1пл - метанообильнось отрабатываемого пласта м3/мин.

С целью оценки адекватности предложенного алгоритма расчета ожидаемой метано-обильности очистного забоя проведен шахтный эксперимент. Для исследования аэрогазовой обстановки за основу принят инструментальный метод. В ремонтные и добычные смены в вентиляционном штреке 26-28, в 20 м выше сопряжения с очистным забоем, при помощи переносного анемометра АПР-2, предназначенного для измерения средней скорости движения воздушных потоков в шахтах, были проведены замеры скорости воздуха (рис. 2). Кроме того, использовались показания скорости воздуха, полученные горными мастерами участка вентиляции и техники безопасности (ВТБ). Учет концентрации метана в исходящей струе очистного забоя осуществлялся при помощи стационарного датчика метана (ДМС01),

(25)

где 1м - средний расход газа метана, проходившего в пункте измерения, м3/мин; 0уч -расход рудничного воздуха в исходящей струе выемочного участка, м3/мин; См - концентрация метана в исходящей струе выемочного участка по данным системы аэрогазового контроля (АГК), %; пв - количество измерений расхода рудничного воздуха; пм - количество учитываемых значений метана за исследуемый период по данным системы АГК.

С целью выявления зависимости газообильности очистного забоя от скорости движения выемочного комбайна определялись среднестатистические значения концентрации газа метана и скорость движения очистного комбайна за рабочую смену. На основе полученных данных по формуле (25) вычислена фактическая абсолютная метанообильность очистного забоя в зависимости от скорости движения комбайна, а также по разработанно-

п

п

в

м

12108 -6 -4 -2 -

х Ж ХЙЙЙВЯОЗ* хх

• M

• • •

^ | 0 1 2 3 4 5 6 Скорость движения очистного комбайна, м/мин

Рис. 3. Зависимости фактической (•) и расчетной (х) абсолютной метанообильности очистного забоя от скорости движения очистного комбайна

му алгоритму рассчитана ожидаемая абсолютная метанообильность для тех же скоростей.

На рис. 3 изображены результаты расчета фактической и расчетной абсолютной метанообильности очистного забоя 26-28, откуда следует, что разработанный алгоритм обеспечивает прогноз максимально возможной метано-обильности очистного забоя.

Выводы. На основе полученных ожидаемых значений метанообильности очистного забоя становится возможным вычисление параметров проветривания выемочного участка, соблюдение которых исключит возникновение загазирований выработок и обеспечит устойчивую и безопасную работу комплексно-механизированного забоя.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Инструкция по применению схем проветри-

вания выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасы-вающих установок. Утверждена приказом № 680 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 01.12.2011.

2. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - Макеевка-Донбасс, 1989.

3. Риб С.В., Фрянов В.Н. Разработка комплекса

проблемно-ориентированных программ для численного моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных угольных целиков // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 3. С. 367 - 371.

4. Риб С.В., Волошин В.А., Максимов А.А.,

Борзых Д.М., Никитина А.М., Фрянов В.Н. Численное моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния углепород-ного массива при переходе очистным забо-

ем передовой выработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 3. С. 414 - 422.

5. Петрова О.А., Васильев П.В., Фрянова О.В.,

Фрянов В.Н. Модель формирования напряжений, деформаций и повреждений в углепородном массиве при интеграции гравитационного и геотектонического полей напряжений. Материали за VIII международна научна практична конференция «Новината за напреднали наука - 2012». Т. 26. Технологии. - Бял ГРаД-БГ ООД. София: 2012. С. 10 - 19.

6. Фрянов В Н., Петрова О.А., Петрова Т В.

Комплекс проблемно-ориентированных программ для моделирования формирования и распределения опасных зон в газоносном геомассиве: свидетельство о регистрации электронного ресурса. № 21123, дата регистрации 03 августа 2015 года // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» № 08-09 (75-76) август-сентябрь 2015. С. 2. Режим доступа: http://ofernio.ru/portal/ newspaper05.php.

7. Fryanov V.N., Pavlova L.D. Prospects for ap-

plication of robotic mechano-hydraulical excavation of gas-bearing coal layers at great depths // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 45. (012002). Режим доступа:

http://iopscience.iop.org/issue/1755-1315/45/1.

8. Tsvetkov A.B., Pavlova L.D., Fryanov V.N.

Construction of the approximant of complete diagram for rock deformation // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 45. (012009). Режим доступа: http://iopscience. iop.org/issue/1755-1315/45/1.

9. Pristupa Yu.D., Fryanov V.N., Pavlova L.D.

Construction of a conceptual model of transport system for a coal mining region // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 45. (012014). Режим доступа: http://iopscience.iop. org/issue/1755-1315/45/1.

10. Колмаков В.А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. - М.: Недра, 1981. - 134 с.

11. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А. Газовый барьер угольных шахт. - М.: Недра, 1978. - 200 с.

12. Лидин Г.Д. К вопросу о закономерности выделения метана из угля, отторгнутого из массива. - В кн.: Управление газовыделением и пылеподавлением в шахтах. - М.: Наука, 1972. С. 50 - 52.

СибГИУ, 1988. - 139 с.

15. Инструкция по контролю состава рудничного воздуха, определению газообильности и установлению категорий шахт по метану и/или диоксиду углерода. Утверждена приказом № 704 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 06.12.2012.

© 2017 г. И.А. Поздеев Поступила 1 февраля 2017 г.

УДК 622.831

А.А. Исаченко, А.А. Петров ООО «Распадская угольная компания»

ОБОСНОВАНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ СБОЕК КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК, ПРОЙДЕННЫХ В НЕОДНОРОДНОМ УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ

При подземной разработке свиты угольных пластов при вскрытии и подготовке шахтных полей возникает необходимость проведения вскрывающих и подготавливающих выработок в неоднородном углепородном массиве. К таким выработкам следует отнести квершлаги, бремсберги, уклоны, сбойки, камеры различного назначения, газодренажные выработки и др. Устойчивость вмещающих пород на различных участках таких выработок существенно зависит от свойств этих вмещающих пород, формы и размеров поперечного сечения линейной части выработки и ее сопряжений с другими выработками.

В существующих нормативных документах рекомендуется выработку по ее длине делить на отдельные участки по горно-геологическим признакам и для каждого участка проводить расчеты параметров крепи, выбирать способы и схемы поддержания.

Однако при проведении наклонных или горизонтальных квершлагов (сбоек) между выработками соседних угольных пластов свиты весьма сближенных пластов выделить участки с однородными горно-геологическими параметрами горных пород не представляется возможным. Например, при проведении наклонного квершлага с нижнего пласта на верхний необходимо выделять отдельные участки сопряжений квершлага (сбойки) с выработками нижнего и

верхнего пластов, а также участки пересечения выработки с породными слоями разной прочности, и для каждого участка осуществлять выбор параметров крепи с учетом взаимного влияния свойств пород на соседних участках. Естественно, использовать действующие методики в этом случае не представляется возможным.

В этой связи возникает актуальная научно-практическая задача прогноза геомеханических параметров, типа и конструкции крепи с учетом интегрального влияния разных свойств пород на соседних участках выработок, а также формы и размеров сопряжений и пересечений выработок.

В настоящей работе решение поставленной задачи осуществлено при разработке паспортов крепления квершлагов (сбоек) капитальных выработок в условиях одной из шахт Кузнецкого угольного бассейна. Для обеспечения основного и вспомогательного транспорта, вентиляции и запасных выходов между уклонами пластов 1 и 2 (рис. 1) предложено проведение наклонных сбоек. Обоснование параметров крепи квершлагов на отдельных этапах их проведения и крепления осуществлено с использованием численного моделирования напряженно-деформированного состояния пород в окрестности сбойки, пройденной от вентиляционного уклона пласта 1 до конвейерного уклона пласта 2.

Вентиляционный ^УКтнпл ЫйТранспортный уклон пл. 1 / — уклон пл. 1

Транспортный уклон пл. 2

20

§ с <4 ¡4 10

^ а

;т о 0

с? «3

£ «

о ^ г ч -10

40

о «к -20

10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 Расстояние от западного бока вентиляционного уклона пласта 1, м

Рис. 1. Схема расположения уклонов

Цель настоящей работы - обосновать рекомендации для обеспечения устойчивости горных выработок при взаимном влиянии элементов сложной системы «весьма сближенные пласты 1 и 2, четыре охраняемые угольными целиками уклона, сбойки между уклонами пластов».

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- разработана методика исследований и проведена адаптация пакета компьютерных программ к горно-геологическим и горнотехническим условиям весьма сближенных пластов 1 и 2;

- проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния уг-лепородного массива в окрестности сбоек уклонов;

- обоснованы по результатам моделирования параметры крепи сбоек для обеспечения их устойчивости в условиях весьма сближенных угольных пластов с изменчивыми природными условиями.

Объектом исследования являются процессы деформирования горных пород под влиянием взаимодействующих техногенных и природных напряжений в окрестности четырех уклонов на весьма сближенных угольных пластах 1 и 2 .

Методы исследований: экспертная оценка, математическое моделирование численными методами механики горных пород, обобщение результатов исследований.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния геомассива использованы следующие исходные данные:

- план горных выработок по пласту 2;

- геологические колонки по геологоразведочным скважинам (рис. 2);

- рабочие чертежи пространственного положения следующих уклонов: вентиляционно-

го уклона пласта 1, конвейерного уклона пласта 2, транспортно-го уклона пласта 1, транспортного уклона пласта 2;

- прогнозный геологический разрез по транспортному уклону пласта 1.

Мощность пород между пластами 1 и 2, представленная переслаиванием аргиллитов и алевролитов, по трассе уклонов составляет 7,09 м. В кровле пла-ста 2 залегает алевролит мелкозернистый сухой без расслоения, а в почве пла-ста 1 - алевролит мелкозернистый (рис. 2).

Учитывая отсутствие результатов натурных измерений деформаций по-род в сбойках уклонов в качестве основного при исследовании принят метод конечных элементов [1 - 3] с использованием авторских пакетов программ KLATRAT, разработанных на кафедре геотехнологии Сибирского государственного индустриального университета [4 - 6]. В качестве исходных приняты данные геологической колонки. Геометрическая модель представлена в виде вертикального разреза, перпендикулярного осям уклонов. Начало условной системы координат принято на пересечении кровли пласта 2 и западного бока вентиляционного уклона пласта 1 (рис. 1). Размеры модели по простиранию приняты с учетом возможного влияния очистного выработанного пространства выемочных столбов пласта 2 на состояние пород в окрестности уклонов. Размеры геометрической модели по простиранию - 480 м. Глубина залегания пласта 2 - 270 м.

Рассмотрено три этапа проведения сбойки прямоугольной и арочной формы поперечного сечения.

Первый этап проведения сбойки с присеч-кой пород кровли пласта 1 (рис. 3). Выявлено начало активного влияния пласта 2 на устойчивость пород кровли сбойки на расстоянии 4,5 м от почвы пласта 2.