CC BY
27
Т
Е. Н. Козырева
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
Я
М. В. Шинкевич
канд. техн. наук, старший научный сотрудник ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
Е. В. Леонтьева
младший научный сотрудник ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
УДК 622.831.2
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ СТРУКТУРИЗАЦИИ МАССИВА В ОКРЕСТНОСТИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ НА ПЕРИОДИЧНОСТЬ ПУЧЕНИЙ ПОЧВЫ ПЛАСТА ПРИ ОТРАБОТКЕ СБЛИЖЕННЫХ ЛАВ
Рассмотрены особенности техногенной структуризации вмещающего массива при движении очистного забоя на основе связи нелинейных закономерностей геомеханических процессов и изменений напряжений в приконтурной части массива.
Ключевые слова: МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД, УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ЛАВА, ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СТРУКТУРИЗАЦИЯ МАССИВА, ПУЧЕНИЕ ПОЧВЫ
Управление горным давлением связано с контролем деформаций вмещающего массива при ведении горных работ для обеспечения устойчивости подземных выработок. Одним из негативных следствий перераспределения горного давления при отработке выемочного столба является пучение пород почвы. Несмотря на широкую известность, актуальность этих особенностей не снижается. Продолжается совершенствование способов управления горным давлением при ведении горных работ [1-8], в том числе и для повышения устойчивости почвы, таких как: разгрузка почвы с помощью вертикальных щелей в центральной части выработок, гидроразрыв пород, анкерное крепление и полимерное упрочнение почвы и т. д. При этом рассматриваются условия нагружения массива в окрестности выработок и факторы, влияющие на прочностные свойства почвы выработок [9-12]. Уточнение закономерностей изменений горного давления и напряженного состояния пород в окрестностях выработок является одной из научно-технических задач обоснования мероприятий по предотвращению пучения почвы.
Представленные в настоящей работе результаты получены при анализе данных по пучениям почвы горных выработок, произошедшим на «Шахте «Ерунаковская VIII» при
последовательной отработке сближенных лав 48-2 и 48-3 пласта 48, представленных специалистами шахты (табл. 1). Ширина межлавного целика около 53 м. Пучения происходили в газодренажном штреке 48-3, находящемся на расстоянии 23 м от конвейерного штрека 48-2 и 25 м от вентиляционного штрека 48-3 (рис. 1).
Основная кровля пласта сложена мелкозернистым и крупнозернистым алевролитами и классифицирована как среднеобрушаемая. Непосредственная кровля сложена преимущественно алевролитом мелкозернистым, местами - крупнозернистым.
Мощность непосредственной кровли составляет 7,0-8,4 м; пласт 48 выдержанный, мощностью 1,84 - 2,65 м, распространен на всей площади горного отвода; имеет одну угольную пачку. Наиболее часто встречающийся породный прослой располагается несколько ниже середины пласта, а дополнительные прослои могут встречаться и в нижней и в верхней его частях. Прослои обычно сложены алевролитом мелкозернистым. На контакте с почвой пласта 48 залегает ложная почва в виде слоя слабого мелкозернистого алевролита,
либо углистого алевролита со скоплениями обуглившихся остатков флоры мощностью от 0,05 до 0,7
Таблица 1 - Параметры выемочных участков 48-2 и 48-3
Параметры Выемочный участок
48-2 48-3
Длина выемочного участка, м 1400 3000
Длина лавы, м 243 320
Средняя глубина залегания пласта, м 411 240
Мощность пласта, м 2,6 2,34
м и крепостью по шкале Протодьяконова до f=2,5. Непосредственная почва мощностью от 1,0 до 3,1 метров сложена мелкозернистыми алевролитами сf=3-4, в основном не склонными к пучению. В юго-восточной части выемочного столба 48-3 непосредственная почва представлена углем пласта 45, мощностью до 2,44 м с f=l.
В настоящей работе при рассмотрении условий отработки лав 48-2 и 48-3 использованы ранее установленные в ФИЦ УУХ СО РАН особенности формирования и развития нелинейной структуризации массива при движении очистного забоя и подготовительных выработок [13-19]. Расчетной основой является разработанная ФИЦ УУХ СО РАН параметрическая модель геомеханических процессов в массиве горных пород (рис. 2).
Массив в модели представлен в виде совокупности техногенных геомеханических слоев, формирование которых происходит от отрабатываемого пласта с учётом реализации упругой энергии массива при движении очистного забоя. Численные эксперименты показали, что влияние упругой энергии весьма значительно и в
отдельных случаях может вызывать «стреляние» забоя и разрушение угля вплоть до горных ударов. При техногенном изменении внешних условий массив снижает свой энергетический потенциал путем формирования объемных поверхностей и отторжения соответствующих масс породного массива. Тела отторжения имеют форму сводов сдвижений в виде параболоидов. Образование такой формы тел соответствует принципу затрат минимума энергии на создание новой поверхности при одноосной разгрузке. Высота сводов-параболоидов равна мощности геомеханических слоев различных уровней структурной иерархии. Размеры тел в плоскости пласта кратны длине очистного забоя.
Минимальными (критическими)
размерами принимаются параметры свода (10 и h0) в ближайшем к отрабатываемому пласту (критическом) геомеханическом слое:
I =1 /2*
(1)
где 1ч - длина очистного забоя, м; 10 - диаметр основания свода-параболоида, близкий шагу вторичного обрушения N - максимальный (для заданных горногеологических условий) уровень структурной
Рисунок 1 - Выкопировка из плана горных работ по пласту 48 в пределах сближенных лав 48-2 и
48-3 на «Шахте «Ерунаковская VIII»
м
Рисунок 2 - Параметрическая модель структуризации подрабатываемого массива горных пород
иерархии (принимается ближайшее целое число)
N = 0,6931п
■
г0
+ 3
(2)
здесь
г„
- шаг первичного обрушения основной кровли (определяется по известным зависимостям и уточняется по горнотехнологическим данным), м; hg - высота свода-параболоида или высота критического слоя
h=l /2, м (3)
о о ' 4 '
Периодичность формирования сводов сдвижений в условиях равных геостатических напряжений определяется правилом удвоения мощности геомеханических слоев п-го уровня структурной иерархии (п - целое число, изменяется в пределах: п = 1; 2; 3; ... Ы)
h ^ /2п, м (4)
п о 4 '
здесь hn - высота геомеханического слоя п-го уровня структурной иерархии без учета упругой энергии массива, м.
Доминирующим в развитии процессов в приконтурной области массива является слой мощностью h=loч/2. Ему соответствует свод-параболоид с диаметром основания D=loч^2.
Таким образом, на этапе рассмотрения процесса самоорганизации однородной изотропной геосреды в поле равных напряжений при ее одноосной разгрузке массив представляется в виде совокупности геомеханических слоев, мощности которых соответствуют принципу суперпозиции с
кратностью - два.
Для повышения адекватности модели в части учета неоднородности массива и переменных по глубине от дневной поверхности напряжений модель дополнена энергетической оценкой.
Упругая энергия пород критического слоя рассчитывается по формуле
Э =
6-(яр3-(яр -0,51о 6Ео
где
,МДж, (5)
Э - упругая энергия критического
(минимального, ближайшего к отрабатываемому пласту) геомеханического слоя; к=0,025 - коэффициент литологического давления, МПа;
Ед - модуль упругости пород критического слоя, МПа;
Нр - глубина залегания отрабатываемого пласта, м.
Распределение упругой энергии по глубине залегания слоев возрастает нелинейно. При размерах оснований сводов, однозначно связанных с длиной очистного забоя, эта нелинейность может проявляться только через высоту свода (мощность слоя, в пределах которого он формируется).
Мощность геомеханического слоя п-го уровня структурной иерархии вычисляется как
1 3 Е • 2пЭо
К,п = я р - 3 н р - 6
, м,
(6)
где Еп - средневзвешенный модуль упругости
57
пород геомеханического слоя п-го уровня структурной иерархии, МПа.
Согласно схеме, показанной на рисунке 3, положение фронта разгрузки в каждом слое можно описать синусоидами вида
Ч. =АШ^(2п/Т)+0,5ж]+Ч , ,м, (7) где А, Тп- амплитуда и период синусоиды, м; Ьх - отход забоя от монтажной камеры, м; hcn1 - мощность геомеханического слоя (п-1)-го уровня структурной иерархии, м.
Тогда параметры синусоид
непосредственно связаны с геометрическими размерами, глубиной залегания отработанной части выемочного столба и средневзешенным модулем упругости пород в рассматриваемом слое.
Амплитуды синусоид
Ч 1
'с,и-1
,м.
Ап —
Ч - Ч
с, п ~2
(8)
Периоды изменений
Т =
1п
I
оч
,м. (9)
Аналогичные процессы происходят и в надрабатываемом массиве, но особенности нелинейного изменения упругой энергии пород здесь приводят к снижению высоты сводов (мощности геомеханических слоев).
На рисунке 4 представлена горизонтальная схема геомеханической структуризации, где основания сводов п-ых уровней иерархии показаны сплошными линиями разных цветов (п=2 - зеленый, п=3 - синий, п=4 - розовый) для условий отработки сближенных лав. А пунктирными линиями обозначены снования сводов для условий, когда выемочный участок находится в целиках.
Первым отрабатывался столб лавы 482, затем лавы 48-3. После отхода лавы 48-3 от
монтажной камеры на 600 м зафиксировано пучение пород газодренажного штрека 48-3.
На рисунке 5 показан фрагмент газодренажного штрека 48-3 (обозначен цифрой 3) с нанесением пикетов (ПК), для которых выполнены зарисовки пучения пород (рис. 6). Заливка участка штрека красным цветом говорит о том, что на этих интервалах было зафиксировано полное перекрытие сечения выработки.
На рисунке 6 приведены зарисовки геодинамических явлений в газодренажном штреке с ПК 247 по ПК 253. При рассмотрении зарисовок необходимо обратить внимание на наибольшие деформации правого борта (со стороны вентиляционного штрека 48-3), что объясняется наличием справа от газодренажного штрека 48-3 выработанного пространства лавы 48-3, имеющей большую длину очистного забоя, чем лава 48-2 (см. табл. 1), обеспечившим большие деформации пород со стороны лавы 48-3.
Таким образом, апробация описанной выше параметрической модели геомеханических процессов в массиве горных пород к условиям отработки сближенных лав 48-2 и 48-3 позволила выявить особенности техногенной структуризации массива при движении очистных забоев и установить влияние структуризации на напряженное состояние пород в окрестности выработок. Установлено, что границами процесса дезинтеграции вмещающего массива с учетом реализации его упругой энергии при снижении вертикальных напряжений являются границы сводов сдвижений в виде параболоидных поверхностей. Однако, если прочностные свойства иерархически вложенных геомеханических слоев пород у контура выработки оказываются ниже
Рисунок 3 - Схема формирования сводов разгрузки в геомеханических слоях мощностью ¡!сп при отходе лавы от монтажной камеры ¿.в: 1пс0 - мощность критического слоя; ¡1с1,1пс2- мощность слоев 1 и 2-го уровней иерархии, соответственно; м/к - монтажная камера
58
Рисунок 4 - Горизонтальная схема геомеханической структуризации вмещающего массива при отработке сближенных лав 48-2 и 48-3: 1 - вентиляционный штрек 48-2; 2 - конвейерный штрек 48-2; 3 - газодренажный штрек 48-3; 4 - вентиляционный штрек 48-3; 5 - конвейерный штрек 48-3; 6 - вентиляционный штрек 48-4; 7 - конвейерный штрек 48-4
г.
Рисунок 5 - Фрагмент схемы, показанной на рисунке 4: 2 - конвейерный штрек 48-2; 3 - газодренажный штрек 48-3; 4 - вентиляционный штрек 48-3
опорного давления свода, в подрабатываемом массиве дезинтеграционный процесс продолжается. Тем более эта особенность находит свое отражение во взаимодействии сводов сдвижения соседних лав при отработке длинных столбов.
Газодренажный штрек 48-3 расположен на расстоянии 23 м от конвейерного штрека 48-2 и 25 м от вентиляционного штрека 48-3. Как видно на схеме (рис. 4 и 5), именно в середине межлав-ного целика происходит пересечение оснований сводов (уровень иерархии п=3 (синий цвет)), размеры которых соответствуют половине длине очистного забоя. В результате подрезки опор сводов возникает интеграция формирующихся сводов сближенных лав 48-2 и 48-3, что приводит к повышенному горному давлению на интервалах этой интеграции, и в результате - пучению почвы и выдавливанию борта газодренажного
штрека 48-3.
Причем наиболее сложная ситуация (с полным перекрытием сечения выработки) возникла при отходе от монтажной камеры лавы 48-3 на расстояние, когда полностью сформировался свод лавы, диаметр основания которого равен длине очистного забоя. Однако со стороны вышележащей лавы это расстояние соответствует началу объединения 2-х сводов лавы 482. Таким образом, интеграция сводов сдвижения сближенных лав привела к тому, что напряжения в породах, окружающих выработку достигли величины, которая превысила их механические характеристики, в результате чего, при неизменной несущей способности целика, породы почвы и бортов газодренажного штрека 48-3 подверглись наибольшим деформациям с выдавливанием их в выработку.
Отметим еще один важный момент, свя-
занный с газовой составляющей массива. Интеграция сводов сдвижений соседних лав 48-3 и 48-2 привела к объедению их выработанных пространств и перетоку газа из пространства ранее отработанного выемочного участка в действующий очистной забой, создавая при этом превышение допускаемой концентрации метана в исходящей струе воздуха из очистного забоя, дополнительную нагрузку на систему вентиляции, что требует дополнительных мер по снижению газовой опасности.
Из анализа вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
Разработанная параметрическая модель геомеханических процессов в массиве горных пород позволяет определить интервалы по площади выемочного столба и длине выработок, потенциально опасные с точки зрения повышенного напряженного состояния пород.
Проведение газодренажного штрека 48-3 в месте, не попадающем на пересечение конту-
ров сводов, позволило бы избежать пучений почвы. Следовательно, на стадии проектирования параметров выемочных участков необходимо руководствоваться правилами интеграции сводов сближенных лав, избегая проведения окон-туривающих выработок в местах пересечений сводов.
При проектировании параметров выемочных участков необходимо исключить интеграцию сводов сдвижений сближенных лав, или свести ее к минимуму, что достигается корректировкой длин очистных забоев или мест заложения монтажных и демонтажных камер.
Размер межлавных целиков необходимо определять с учетом формирования сводов сдвижений при отработке соседних выемочных столбов, используя нормативный документ [20] с уточнением согласно схеме геомеханической структуризации, величин воздействующего на них горного давления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хеллан, К. Введение в механику разрушения / К. Хеллан: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 364 с.
2. Джевецки, Я. Новые методы предотвращения опасности горных ударов / Я. Джевецки. - 2002. -№ 2(3). - С. 18-21.
3. Якоби, О. Практика управления горным давлением / О. Якоби: Пер. с нем. - М.:Недра, 1987. -566 с.
4. Бенявски, 3. Управление горным давлением / 3. Бенявски: Пер. с анг. - М.: Мир, 1990. - 254 с.
5. Артемьев, В. Б. Динамические формы проявлений горного давления / В. Б. Артемьев, Г. И. Коршунов, А. К. Логинов, В. М. Шик. - СПб: Наука, 2009. - 347 с.
6. Лыткин, В. А. Механизм пучения пород в подземных выработках / В. А. Лыткин. - М.:Наука, 1965.
- 205 с.
7. Черданцев, Н. В. Геомеханический подход к обоснованию рационального проведения выработок в массиве осадочных пород и повышению безопасности работ / Н.В. Черданцев, В.Т. Преслер // Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 5.- С. 13 -17.
8. Черданцев, Н. В. Сравнение нарушенности анизотропного и изотропного массивов горных пород в окрестности выработок / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер, В. Ю. Изаксон // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 8. - С. 72-78.
9. Клишин, В. И. Совершенствование геотехнологий и способов управления состоянием массива горных пород на основе их гидроразрыва / В.И. Клишин, М.В. Курленя, М.В. Писаренко // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 6. - С. 23-35.
10. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках.
- Л.: ВНИМИ, 1991. - 102 с.
11. Чернов, О. И. Гидродинамическая стратификация монолитных пород в качестве способа управления труднообрушаемой кровли / О. И. Чернов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1982. - № 2. - С. 18-22.
12. Чернов, О.И. О флюидоразрыве породных массивов / О. И.Чернов, Н. Г. Кю // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1988. - № 6. - С .81-92.
13. Полевщиков, Г. Я. Фрактальная особенность структуризации массива горных пород в изменениях давления на призабойную часть угольного пласта отрабатываемого длинным очистным забоем / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. В. Леонтьева, А. А. Черепов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 3. - С. 16-23.
14. Козырева, Е.Н. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, Н.В. Рябков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 3. - С. 356-359.
15. Козырева, Е.Н. Газокинетические следствия нелинейных геомеханических процессов в массиве горных пород на шахтах Кузбасса / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, Р.И. Родин // Нелинейные гео-механико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах: Труды 2-ой Российско-Китайской науч. конф., 2012. - С. 267-272.
16. Полевщиков, Г.Я. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих пород на выделение метана из разрабатываемого пласта / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. Н. Козырева, О.В. Брюзгина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 2. - С. 139-143.
17. Полевщиков Г. Я. «Деформационно-волновые» процессы в массиве горных пород при движении очистного забоя в угольных пластах / Г. Я. Полевщиков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 5. - С. 50-60.
18. Полевщиков, Г. Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г. Я. Полевщиков, М. С. Плаксин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 5. - С. 3-7.
19. Полевщиков, Г. Я. Нелинейные изменения метанообильности высокопроизводительного выемочного участка / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Безопасность труда в промышленности. - 2014. - № 6. - С. 50-54.
20. РД 05-328-99. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам / Утверждена постановлением Госгортехнадзора России от 29.11.99 № 87. Вводится в действие с 01.10.2000 постановлением Госгортехнадзора России от 22.06.2000 № 36.
MASSIF TECHNOGENIC
STRUCTURIZATION INFLUENCE AROUND THE EXTRACTION FACE ON THE SEAM FLOOR HEAVING WHEN WORKING CLOSE LONGWALLS
Kozyreva E. N., Shinkevich M. V., Leontieva
E. V.
Containing massif technogenic structurization peculiarities with the extraction face advance are reviewed basing on non-linear regularity connection of geomechanic processes and stress changes in the close area of massif.
Key words: ROCK MASSIF, COAL SEAM, LONGWALL, GEOMECHANIC PROCESSES, MASSIF STRUCTURIZATION, FLOOR HEAVING
Козырева Елена Николаевна e-mail: [email protected]
Шинкевич Максим Валериевич e-mail: [email protected]
Леонтьева Елена Владимировна e-mail: [email protected]
