Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и анализ методов прогноза и построения зон повышенного горного давления 10
1.1 Характеристика и анализ зон повышенного горного давления 10
1.2 Анализ существующих методов определения параметров зон повышенного горного давления 14
1.3 Выводы по главе 1 23
Глава 2 Критерий построения границ зон повышенного горного давления для воркутинского месторождения 25
2.1 Общая характеристика Воркутинского месторождения 26
2.2 Применимость метода численного моделирования для условий Воркутинского месторождения 28
2.3 Анализ динамических явлений и разработка критерия построения зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения 33
2.4 Анализ сейсмической обстановки на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» 45
2.5 Выводы по главе 2 51
Глава 3 Исследование влияния основных горнотехнических факторов на формирование зоны повышенного горного давления 52
3.1 Влияние ширины выработанного пространства на формирование зоны повышенного горного давления в краевой части пласта 54
3.2 Влияние ширины целика на формирование зоны повышенного горного давления 59
3.3 Расчет ширины зоны опорного давления 67
3.4 Влияние угла падения пласта на размеры и конфигурацию зоны повышенного горного давления 69
3.5 Взаимовлияние зон повышенного горного давления от целиков на смежных пластах свиты 72
3.6 Влияние глубины отработки на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта 75
3.7 Влияние мощности междупластья на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта 80
3.8 Выводы по главе 3 83
Глава 4. Геомеханическое обоснование планируемых вариантов отработки свиты пластов и рекомендации по обеспечению безопасного ведения горных работ 87
4.1 Прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская» 87
4.2 Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская» 93
4.3 Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Пятый и Мощный шахты «Северная» 111
4.4 Выводы по главе 4 125
Заключение 126
Список литературы 127
- Анализ существующих методов определения параметров зон повышенного горного давления
- Применимость метода численного моделирования для условий Воркутинского месторождения
- Влияние ширины целика на формирование зоны повышенного горного давления
- Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская»
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивная отработка как одиночных, так и свиты угольных пластов при определенных условиях приводит к формированию зон повышенного горного давления в угольных пластах. При разработке угольных пластов, склонных и опасных по горным ударам, уровень напряжений, действующий в зоне повышенного горного давления, может превосходить прочность угля, и вызывать его хрупкое разрушение, приводя к потере устойчивости. Определение размеров зоны повышенного горного давления регламентируется «Инструкцией по безопасному ведению горных работ … РД 05-328-99», и, до настоящего времени, не предполагало выделение в ней зоны, опасной по горным ударам, расположенной в непосредственной близости от обнажений выработок, представляя этим опасность для рабочих и горной техники. Поскольку ее параметры будут зависеть от широкого диапазона влияния геологических и горнотехнических факторов, то поиск закономерностей изменения опасной зоны от их влияния, непосредственно в шахтных условиях, будет носить локальный характер, не позволяя тем самым распространить их на другие участки. Решение данной проблемы может быть достигнуто путем применения современного программного обеспечения, позволяющего эффективно моделировать геомеханические процессы при отработке пластовых месторождений.
Значительный вклад в теорию и практику геомеханического обоснования безопасного ведения горных работ при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как С.Г. Авершин, И.В. Баклашов, З.Т. Бенявски, Я.А. Бич, А.А. Борисов, Н.С. Булычёв, А.П. Господариков, Ю.В. Громов, П.В. Егоров, В.П. Зубов, В.В. Зубков, Б.А. Картозия, О.В. Ковалев, А.А. Козырев, А.В. Леонтьев, А.М. Линьков, А.Г. Оловянный, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, Н.М. Проскуряков, М.А Розенбаум, В.М Серяков, С.Е. Чирков и многие другие.
В виду того, что при планировании горных работ в отрабатываемых блоках необходимо заблаговременное установление местоположения и границ зон повышенного горного давления, то рассмотрение вопросов их прогнозирования является актуальной задачей для безопасной отработки удароопасных угольных пластов.
Цель работы состоит в геомеханическом обосновании параметров построения границ опасных зон повышенного горного давления для условий отработки удароопасных угольных пластов Воркутинского месторождения.
Идея диссертационной работы. Для геомеханического обоснования проектных решений отработки удароопасных угольных пластов границы опасных зон повышенного горного давления следует строить по критерию, установленному на основе анализа и обобщения данных о проявлении горных ударов на конкретном месторождении.
Основные задачи исследований:
выполнить анализ существующих методов математического моделирования напряженно – деформированного состояния массива горных пород около очистных выработок при отработке свиты угольных пластов и выбрать подходящий для условий Воркутинского месторождения;
выполнить анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»;
установить критерий построения границ опасных зон повышенного горного давления для условий Воркутинского месторождения;
установить закономерности формирования опасных зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов, и выявить их соответствие «Инструкции по безопасному ведению горных работ … РД 05-328-99»;
- провести геомеханический анализ, и разработать
рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты
угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь».
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: результаты ранее выполненных исследований в области прогноза зон повышенного горного давления для их анализа и сопоставления; данные шахтных экспериментов для оценки изменения напряженного состояния породного массива; данные о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; данные сейсмической активности при отработке угольных пластов; методы современной геомеханики для моделирования напряженного состояния массива горных пород около очистных выработок; достижения в современных вычислительных средствах, информатики и компьютерной графике для представления результатов исследований.
Научная новизна:
- установлен критерий построения границ опасных зон
повышенного горного давления, в которых возможно проявление
горных ударов, для условий отработки Воркутинского угольного
месторождения;
- установлена степень влияния ряда основных горнотехнических
факторов на формирование опасных зон повышенного горного
давления при отработке угольных пластов, и получено соотношение
зоны, опасной по горным ударам, от зоны повышенного горного
давления.
Основные защищаемые положения:
1. Критический уровень вертикальных напряжений,
определяющий границу опасной зоны повышенного горного
давления, в которой возможно проявление горных ударов, на шахтах
ОАО «Воркутауголь» составляет sy/gH=1,25.
2. Для условий разработки Воркутинского угольного
месторождения размеры зоны, опасной по горным ударам, в краевой
части угольного пласта могут достигать 35 % от зоны повышенного
горного давления.
3. Определение параметров межшахтных целиков в условиях
разработки Воркутинского угольного месторождения необходимо
осуществлять с учетом нелинейного характера изменения размера
зоны, опасной по горным ударам, при увеличении суммарной ширины прилегающих к целику выработанных пространств.
Практическая значимость работы.
1. Предложен критерий построения границ зон, опасных по
проявлению горных ударов, позволяющий при перспективном
планировании очистных работ проводить прогноз формирования
опасных зон повышенного горного давления для выбора
геомеханически обоснованного варианта отработки свиты
удароопасных угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь».
-
Предложены параметры опасных зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения в зависимости от основных горнотехнических факторов, и произведено сопоставление с параметрами зон повышенного горного давления, определенными в соответствии с Инструкцией … РД 05-328-99.
-
Разработаны рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов, и предложены безопасные параметры межшахтных целиков на Воркутинском месторождении.
Реализация результатов работы. Установленный в процессе выполнения диссертационного исследования критерий был использован при построении границ опасных зон повышенного горного давления, геомеханическом анализе планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов и определении безопасных параметров межшахтных целиков на шахтах «Комсомольская», «Северная» и «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь».
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций обеспечивается значительным объемом
проанализированной и обобщенной информации о динамических
явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»;
применением современных методов математического
моделирования и их сопоставление с данными шахтных наблюдений; высокой сходимостью данных сейсмической активности с результатами расчета; безопасной отработкой выемочных столбов на шахтах ОАО «Воркутауголь» в соответствии
с предложенными рекомендациями; экспертной оценкой специалистов ОАО «Воркутауголь».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и российских научно-технических конференциях, симпозиумах и заседаниях, в том числе: Научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2014 г.); XLXII научно-практической конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2011 г., 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами; международном симпозиуме горняков «День горняка и металлурга» (Фрайберг, 2013 г.); заседаниях Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и
задач исследования; анализе существующих методов
математического моделирования; анализе и обобщении шахтных
экспериментов и их сопоставлении с данными расчетов,
подтверждающим правомерность использования выбранного метода
расчета для условий Воркутинского месторождения; сборе и анализе
фактического материала о динамических явлениях на шахтах ОАО
«Воркутауголь»; оценке напряженного состояния массива горных
пород и отрабатываемого пласта на участках, где произошли горные
удары; установлении критерия, определяющего границу опасной
зоны повышенного горного давления для Воркутинского
месторождения; моделировании влияния основных
горнотехнических факторов на формирование зоны повышенного горного давления; геомеханическом анализе и разработке рекомендаций для планируемых к отработке участков шахт ОАО «Воркутауголь»; анализе результатов исследований и формулировке выводов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом
136 страница машинописного текста, содержит 87 рисунков и 13 таблиц, а также список литературы из 94 источников.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., с.н.с. В.В. Зубкову, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета за ценные советы и полезные замечания.
Анализ существующих методов определения параметров зон повышенного горного давления
В начале 50-х годов под руководством И.М. Петухова была сформулирована проблема горных ударов и намечены пути ее решения [71]. На первом этапе (около десяти лет) были выполнены широкомасштабные инструментальные наблюдения в удароопасных шахтах. Разработанные в этот период методы и приборы использовались для установления особенностей деформирования угольных пластов, образования зон опорного давления и разгрузки, в том числе зон предельного состояния в краевых частях пластов. Результаты этих исследований позволили сформулировать «рабочую гипотезу» о природе и механизме возникновения горных ударов. В начале 60-х годов начались исследования на моделях из эквивалентных и оптически активных материалах. Результаты этих исследований позволили уточнить представления о сдвижении горных пород, образовании зон опорного давления и разгрузки около очистных выработок.
Изучение сдвижения, деформирования и перераспределения напряжений в массиве горных пород и деформирования горных пород под влиянием очистных работ на моделях из эквивалентных материалов, на моделях из оптически активных материалов и непосредственно в натурных условиях проводились С.Г. Авершиным, А.Г. Акимовым, К.А. Ардашевым, Я.А. Бичом, Ф.Н. Воскобоевым, В.Т. Глушко, В.Н. Земесовым, А.А. Орловым, И.М. Петуховым, С.Е. Чирковым, И.А. Фельдманом, В.М. Шиком В.Д. Слесаревым, А.А. Борисовым, Н.П. Бажиным, Ю.И. Бурчаковым, В.И. Дорошенко, В.П. Зубовым, А.М. Ильштейном, Г.Н. Кузнецовым, С.Н. Комиссаровым, С.А. Летовым, И.А. Петуховым, В.В. Ржевским, И.А. Турчаниновым, И.Л. Черняком, В.И. Барановским, С.Т. Кузнецовым, А.П. Федотовым, И.А. Фельдманом, М.Ф. Шклярским, В.М. Барковским, Г.А. Иевлевым, Г.А. Крупенниковым, Н.А. Филатовым, А.Т. Карманским, Ю.М. Карташовым, Е.В. Лодусом, А.Н. Ставрогиным, Б.Г. Тарасовым, С.Е. Чирковым и другими [1,22,51,70,82]. Их исследования охватывали следующие направления: изучение и анализ геологических и горнотехнических условий возникновения горных ударов; изучение деформаций и сдвижения горных пород; изучение механических свойств горных пород и угля на образцах; натурные испытания угольных пластов под давлением; изучение проявлений горного давления геофизическими методами; относительная оценка напряженности угольного пласта; моделирование горных ударов, условий и процессов их вызывающих; аналитические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в области влияния горной выработки; создание мер борьбы с горными ударами; проведение экспериментальных работ в шахтных условиях [71].
Для проведения этих исследований был разработан широкий спектр новых методов и приборов. В частности разработаны: метод наблюдения за сдвижением горных пород и угля при помощи глубинных реперов, позволяющий отслеживать изменения их напряженного состояния; реостатные и импульсные датчики для дистанционного и автоматического измерения сдвижений пород; скважинные деформометры; метод натурных испытаний угольных пластов при помощи давильных устройств; методы относительного напряженного состояния краевой части пласта путем регистрации процессов и явлений, протекающих при бурении (сейсмоакустическая активность, выход штыба и его крупность), по изменению электрического сопротивления, за счет вдавливания штампа в забой и стенки скважины; давильные установки с автоматической регистрацией электропроводности, пористости и проницаемости образцов горных пород в условиях объемного напряженного состояния и др. [71]. Описанные комплексные исследования горных ударов, разработка и внедрение мер борьбы выполнялись совместно с научно-исследовательскими институтами СССР в сотрудничестве с комбинатами Кизелуголь, Приморскуголь, Воркутауголь, Киргизуголь, Кузбассуголь, Грузуголь, рудоуправлением Таджикуголь, институтами ВНИМИ, ПермНИУИ, Уралгипрошахт, ПечорНИУИ, ВостНИИ, Грузгипрошахт, Дальгипрошахт, Пермгипрогормаш, а также Пермским, Печорским, и Приморским округами Госгортехнадзора страны. Таким образом, за последние 50 лет накоплен и обобщен обширный фактический материал, решены теоретические и практические задачи. Широкомасштабные комплексные исследования позволили разработать теорию горных ударов, внедрить ряд эффективных способов и средств прогноза и борьбы с горными ударами на шахтах [73,77,79,85]. В связи с этим число динамических явлений на шахтах сократилось. Несмотря на достигнутые успехи, в настоящее время, еще наблюдаются случаи горных ударов, в том числе с тяжелыми последствиями, не полностью закончено внедрение комплекса мер по предотвращению и прогнозу горных ударов на шахтах, и опасность их проявления остается [79].
Рассмотрим основные методы определения зон, опасных по проявлению динамических явлений, существующие к моменту настоящих исследований. Например, экспериментальный метод позволяет наиболее достоверно оценить напряжения в зоне ПГД. При этом определяются ориентировочные величины, характеризующие напряженное состояние в пласте, а не абсолютные значения. Реализация этого метода выполняется различными способами: по выходу буровой мелочи, по сейсмоакустической активности, по величине начальной скорости газовыделения и др. Применяются также другие методы, которые косвенно связаны с уровнем горного давления. Например, подсчитывают удельную площадь обрушений в очистном забое, производят мониторинг давления в гидростойках механизированных крепей и т.п. Степень надежности оценки параметров зоны ПГД повышается при комбинировании или дублировании способов. [21,63]. Однако они не позволяют выполнять прогноз параметров зон ПГД. И используются с целью окончательного уточнения границ, когда выемочный участок уже находится в зоне ПГД, для выбора оптимального порядка применения комплекса мер борьбы с горными ударами и выбросами [21].
Применимость метода численного моделирования для условий Воркутинского месторождения
Прежде чем перейти к решению задачи по определению критерия построения границ зон ПГД для Воркутинского месторождения, проверим применимость выбранного метода математического моделирования для данных условий [25,33]. Для этого производилось сопоставление результатов расчетов напряженного состояния массива горных пород, выполненных с использованием выбранных методов [25,33], с данными шахтных исследований. Экспериментальные исследования за изменением напряженного состояния массива на шахте «Комсомольская» проводились в выработках пласта Мощного методом буровых скважин в геологических скважинах, пробуренных вдоль конвейерного штрека 522-с пласта Мощного (рисунок 2.1) [58]. Определение напряжений методом буровых скважин основано на измерении деформаций ползучести. Сущность метода заключается в следующем: из горной выработки на определенную глубину бурится скважина диаметром r, в которой устанавливается деформометр, фиксирующий изменение диаметра измерительной скважины во времени (рисунок 2.2).
Для замеров использовались деформометры балочного типа, точность замеров которых не ниже 0.001 мм. После снятия начальных показаний деформометра на расстоянии L и параллельно измерительной скважине проводится скважина большего радиуса R. В результате этого поле напряжений вокруг измерительной скважины изменяется, что вызывает деформацию ее контура и изменения в показаниях деформометра.
Схема к определению перемещений контура малой скважины путем возмущения поля напряжений в ее окрестности скважиной большего диаметра Переход от замеренных перемещений к действующим напряжениям в массиве осуществляется расчетным путем. Расчетный аппарат метода получен из решения задачи о напряженном состоянии упругого изотропного массива вокруг одиночной скважины. В результате решения основного уравнения для перемещений получено выражение, устанавливающее связь радиальных перемещений u1, u2 контура скважины малого диаметра (после образования скважины большого диаметра) с напряжениями a1, a2 в массиве и направлением их действия.
Для нахождения искомых значений напряжений a1 и а2 , а также угла 0, определяющего направление их действия в плоскости измерения, необходимо замерить радиальные перемещения контура скважины малого диаметра по направлению действия главных напряжений.
Результаты замеров горизонтальных напряжений в конвейерном штреке 522-с пласта Мощного методом буровых скважин представлены в таблице 2.2. Согласно данным замеров горизонтальные напряжения изменяются от 0.45уН до 1.69уН, величины вертикальных напряжений - от 1.ОуН до 1.8уН. На некоторых участках значения главных напряжений превосходили уровень 2.0уН.
Была проведена оценка напряженного состояния пласта Мощного (рисунки 2.3-2.4) на участке эксперимента в конвейерном штреке 522-с. По результатам расчетов видно, что горизонтальные напряжения ах в районе эксперимента около 0.9уН (рисунок 2.3), а горизонтальные напряжения az - в пределах 1.30уН-1.35уН (рисунок 2.4), т.е. сопоставление результатов расчетов с данными шахтных наблюдений показало их согласие. Следовательно, используемые методы математического моделирования могут применяться для расчетов напряженного состояния массива горных пород на шахтах ОАО «Воркутауголь».
Первые горные удары на месторождении были зарегистрированы на пласте Мощном в 1964 – 1965 гг. на глубине 400 м, а внезапные выбросы угля и газа на пласте Пятом начали проявляться в 1950 г. с глубины 420 м. Практически все горные удары проявлялись в предохранительных целиках угля около горизонтальных и наклонных выработок на шахтах «Комсомольская», «Центральная», «Юр-Шор» и «Воркутинская» [51]. Как правило, сопровождались сильной сейсмической волной и распространялись на большое расстояние, подвергая подготовительные выработки существенным разрушениям. В отдельных случаях при проявлении ударов выработки подвергались разрушению на протяжении до 300 м. Внезапные выбросы угля, породы и газа происходили в основном в подготовительных выработках, а также в очистных забоях на шахтах «Юр-Шор», «Заполярная», «Воркутинская», «Комсомольская», «Северная» [60].
Опыты, проведенные ВНИМИ на верхнем слое пласта Мощный и на пластах Тройной и Четвертый, а также на нижнем слое пласта Мощный и пласте Четвертый, показали, что эти пласты способны накапливать энергию упругих деформаций и являются в этом смысле удароопасными, даже независимо от самих фактов горных ударов, которые отмечались на этих шахтах [51].
Горные работы на момент удара Очистные работы в районе посадочной площадки гор. -400 м не велись. Прогнозом установлена П категория Характеристика проявления удара Людской уклон между посадочной площадкой и откаточным штреком гор.- 400 м: на 20 рамах элементы крепи проскользнули на 10-30 см; почву вспучило на 10-30 см; силовые кабели сбросило на почву, трубопровод и трапы отбросило на 0,5-1 м. Откаточный штрек гор. -40 м: на 10 рамах элементы крепи проскользнули на 5-10 см, 5 рам завалены углем, пучение -10-20 см Выполнение мер по предупреждению горных ударов Бурение разгрузочных скважин в охранных целиках и камуфлетное взрывание. Параметры камуфлетного взрывания оказались недостаточно эффективными Таким образом, на шахтах ОАО «Воркутауголь» установлено 268 выбросов и 51 горный удар [41,42,43,51,60].
Согласно статистике проявления динамических явлений, к настоящему времени, их число на шахтах ОАО «Воркутауголь» сократилось. Но при дальнейшей доработки Воркутинского месторождения следует учитывать следующие факторы: большая глубина ведения горных работ, сложная блочная структура недр с активными разрывными нарушениями, выбросоопасность и удароопасность угольных пластов и огромные площади выработанного пространства с большим количеством оставленных целиков. Все это создает условия для динамических разрушений.
С ростом глубины ведения горных работ и увеличением отработанных площадей шахтных полей на Воркутинском месторождении существенно изменился характер и интенсивность перераспределения напряжений в горном массиве. Этому замечанию свидетельствует факт возникновения динамических явлений по мере приближения горных работ к оси мульды, глубина которой составляет 1050 – 1100 м. Основными формами газодинамических проявлений на достигнутой глубине ведения горных работ являются: динамические явления комбинированного типа с разрушением угля и породы в глубине массива, динамические разрушения почвы выработок в зонах повышенных напряжений и расслоений пласта, а также техногенные землетрясения при отработке выемочных столбов. Анализом обстоятельств возникновения динамических явлений установлено, что первостепенными являются техногенные факторы, определяемые планированием развития и ведения горных работ [76]. Для расчета напряженного состояния использовались ситуации, позволяющие на плане горных работ возобновить картину отработанного поля на момент возникновения динамического явления. Было установлено местоположение динамических явлений и положение фронта очистных работ на момент проявления каждого из них. Проведена оценка напряженного состояния массива для конкретных ситуаций отработки угольных пластов, на момент возникновения динамического явления. Из сопоставления расчетных значений напряжений с фактическим положением динамического явления определялся уровень вертикальных напряжений, при котором произошел горный удар, а граница определялась из условия, что все динамические явления данного месторождения попадают в эту зону. Рассмотрим некоторые из них.
Влияние ширины целика на формирование зоны повышенного горного давления
Рассмотрим, как с ростом размера выработанного пространства происходит изменение ширины зоны опорного давления. С этой целью для случая горизонтальной очистной выработки в пласте мощностью 2,5 м проведено моделирование напряженного состояния породного массива, при этом: - ширина выработанного пространства (a) – 150 м - 1000 м; - глубина отработки (H) – 300 м- 1200 м. По результатам моделирования был построен график, отражающий влияние ширины выработанного пространства на размер зоны опорного давления (рисунок 3.10). Из графика видно, что с увеличением глубины ведения горных работ размер зоны опорного давления увеличивается, а стабилизация ее величины наступает при более больших размерах выработанного пространства. На глубине ведения горных работ Н=300 м величина зоны опорного давления при ширине выработанного пространства 200 м достигает своего максимального значения 80 м, а на глубине Н=1200 м максимального значения, равного 316 м, зона опорного давления достигает при ширине выработанного пространства, равной 800 м. Таким образом, анализ результатов расчета показал, что при ширине выработанного пространства а=0,7Н зона опорного давления стабилизируется. Другими словами происходит стабилизация напряженного состояния, так как имеет место полная подработка массива горных пород. Дальнейшее увеличение ширины выработанного пространства не приводит к изменениям ширины зоны опорного давления. При ширине выработанного пространства, меньшей 150 м, зона опорного давления слабо зависит от глубины ведения горных работ, и при а=100 м при изменении глубины Н от 300 м до 1200 м ширина зоны опорного давления меняется от 56 м до 66 м.
График зависимости ширины зоны опорного давления от ширины выработанного пространства 310 -300 -290 -280 -270 -260 -250 -240 -230 -220 -210 - 200 - 190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -15 при H=300 M при H=400 M при H=500 M при H=600 M при H=700 M при H=800 M при H=900 M при H=1 000 M— при H=1 200 M // / /A // 0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000a, м Рисунок 3.10 – График зависимости ширины зоны опорного давления от ширины выработанного пространства (при мощности пласта 2,5 м)
Сопоставление инструктивного значения ширины зоны опорного давления с расчетным при мощности пласта 2,5 м показало, что расчетное значение превосходит. И это различие растет с увеличение ширины выработанного пространства и глубины отработки. Так на глубине отработки Н=300 м при ширине выработанного пространства 150 м различие составляет в 1,3 раза (20 м), а при ширине выработанного пространства 1000 м в 1,4 раза (25 м), а на глубине отработки Н=1000 м - в 1,1 раза (7 м) и 9 раза (177 м) соответственно. При этом глубину Н=1200 м Инструкция … РД 05-328-99 не учитывает.
Рассмотрим, как с ростом угла падения пласта происходит изменение глубины распространения зоны ПГД. С этой целью проведено моделирование напряженного состояния для случая двух очистных выработок, разделенных целиком шириной L=40 м, при этом: - ширина выработанных пространств (а) - от 150 м до 500 м; - глубина отработки (Я) - 700 м; - мощность пласта (т) - 2,5 м. В таблице 3.6 приведены данные о формировании зоны ПГД в кровлю и целика в зависимости от ширины выработанного пространства и угла падения пласта, полученные расчетным и инструктивным методами.
Например, на рисунке 3.11 показана зона ПГД при угле падения пласта 50, построенная по результатам расчета и Инструкции … РД 05-328-99 [38]. На рисунке 3.12 построен график влияния угла падения пласта на размер зоны ПГД в кровлю пласта при разной ширине выработанных пространств. В почву пласта наблюдаются аналогичные зависимости. Видно, что, с изменением угла падения пласта от 0 до 60 и фиксированной глубине залегания, размер зоны ПГД уменьшается. При этом в 1,4 раза (22 м) при ширине выработанного пространства 150 м и в 4 раза (104 м) при ширине выработанного пространства 500 м, а в почве пласта в 1,3 раза (18 м) и 3 раза (79 м) соответственно. Исключение составляет ситуация при угле падения пласта свыше 60, когда зона ПГД распространяется в горизонтальном направлении.
При сравнении инструктивных и расчетных размеров зоны ПГД из таблицы 3.6 видно, что при ширине прилегающих выработанных пространств по 150 м инструктивное превосходит расчетное. И чем больше угол наклона пласта, тем больше это различие. Так при а=150 м и угле наклона 00 инструктивный размер зоны ПГД превосходит расчетный размер зоны ПГД в 1,6 раза в кровлю и почву пласта, а при угле наклона 600 – в 2 раза соответственно. При ширине прилегающих выработанных пространств более 200 м расчетная зона ПГД превосходит инструктивную. И чем больше угол наклона пласта, тем их различие меньше. Так при ширине прилегающих выработанных пространств 500 м и угле наклона 00, размер расчетной зоны ПГД превосходит инструктивный в 3 раза в кровлю и почву пласта, а при угле наклона 500 - 600 их значения сравниваются. 3.5 Взаимовлияние зон повышенного горного давления от целиков на смежных пластах свиты
Рассмотрим, как с увеличением мощности междупластья происходит изменение глубины распространения зоны ПГД от соосных целиков. С этой целью для случая двух отрабатываемых пластов с целиками шириной L=40 м проведено моделирование напряженного состояния породного массива при ширине прилегающих выработанных пространств (а) от 150 м до 300 м и глубине отработки (Н) 800 м. В таблице 3.7 приведены размеры зон ПГД в зависимости от мощности междупластья, а на рисунке 3.13 приведена конфигурация зоны ПГД для соосных целиков при мощности междупластья 80 м. Для сравнения построена зона ПГД от одиночного целика и по инструктивной методике.
Исследования взаимовлияния зон ПГД от целиков на смежных пластах показали, что в породах междупластья зона ПГД от соосных целиков остается единой при увеличении мощности междупластья от 20 м до 100 м. В том числе при ширине прилегающих выработанных пространств по 300 м. В породах почвы дальность ее распространения практически не меняется. В породах кровли, при увеличении мощности междупластьяот 20 м до 100 м, дальность распространения зоны ПГД уменьшается в 1,2 раза (12 м) при ширине прилегающих выработанных пространств 150 м и в 1,3 раза (29 м) при ширине выработанных пространств 300 м рисунок 3.14). Следует отметить, что для соосных целиков зоны ПГД меньше, чем от одиночного целика (это видно на рисунке 3.13). И чем больше мощность междупластья, тем больше становится разница. Например, при мощности междупластья 20 м, зона ПГД в кровлю и почву пласта от соосных целиков меньше в 1,1 раза (6 м), чем от одиночного целика, а при мощности междупластья 100 м – в 1,3 раза (18 м).
Для рассматриваемого диапазона параметров при мощности междупластья равной 164 м (когда ширина прилегающих выработанных пространств а=150 м) и 224 м (когда ширина прилегающих выработанных пространств а=300 м) зона ПГД разделяется на две зоны от одиночных целиков. Она разделяется также и при смещении одного из целиков более чем на ширину целика (при смещении более чем 1,5L, где L – ширина целика).
Как видно на рисунке 3.13, построение зоны ПГД по инструктивной методике производится отдельно от каждого целика. Исходя из этого, наблюдаются большие отличия в размерах зоны ПГД. При ширине прилегающих выработанных пространств по 150 м инструктивное превосходит расчетное значение зоны ПГД. И чем больше мощность междупластья, тем больше это различие. Так при а=150 м и мощности междупластья 20 м инструктивный размер зоны ПГД превосходит расчетный размер зоны ПГД в 1,8 раза в кровлю (53 м) и почву (48 м) пласта, а при мощности междупластья 100 м – в 2 раза соответственно (65 м и 53 м). При ширине прилегающих выработанных пространств более 200 м расчетная зона ПГД превосходит инструктивную. И чем больше мощность междупластья, тем их различие меньше. Так при ширине прилегающих выработанных пространств 300 м и мощности междупластья 20 м, размер расчетной зоны ПГД превосходит инструктивный в 2,4 раза (65 м) в кровлю и в 2 раза (42 м) в почву пласта, а при мощности междупластья 100 м - в 1,8 раза (36 м) и в 2 раза (45 м) соответственно.
Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская»
После отработки лавы 412-ю пласта Четвертый в декабре 2012 и лав 112-ю– 212-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 412-ю на расстояние от 80 м до 130 м (рисунок 4.13), а вдоль лавы 312-ю – от 77 м до 195 м. После отработки лавы 412-ю пласта Четвертый в марте 2013 и лав 112-ю– 212-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 412-ю на расстояние от 85 м до 140 м (рисунок 4.14). После доработки лавы 412-ю пласта Четвертый в июне 2013 и лав 112-ю– 212-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 412-ю на расстояние от 75 м до 146 м (рисунок 4.15). После отработки лавы 512-ю пласта Четвертый в сентябре 2013 и лав 112-ю–212-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 512-ю на расстояние до 80 м в центральной ее части, а вдоль лавы 412-ю на расстояние от 40 м до 180 м (рисунок 4.16). После отработки лавы 512-ю пласта Четвертый в декабре 2013 и лав 112-ю– 212-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 512-ю на расстояние до 120 м в центральной ее части, а вдоль лавы 412-ю на расстояние от 40 м до 215 м (рисунок 4.17). После отработки лавы 512-ю пласта Четвертый в марте 2014 и лав 112-ю– 212-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 512-ю на расстояние до 130 м в центральной ее части, а вдоль лавы 412-ю на расстояние от 60 м до 200 м (рисунок 4.18). После доработки лавы 512-ю пласта Четвертый в июне-сентябре 2014 и лав 112-ю–312-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 512-ю на расстояние от 60 м до 145 м (рисунок 4.19-4.20). После отработки лавы 612-ю пласта Четвертый в декабре 2014 и лав 112-ю– 312-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 612-ю на расстояние до 80 м в центральной ее части, а вдоль лавы 512-ю на расстояние от 60 м до 185 м (рисунок 4.21). При этом в северной части Южного блока зона ПГД охватывает Северный грузовой-людской уклон (СГЛУ-12ц) на промежутке 360 м от лавы 412-ю до середины лавы 512-ю пласта Четвертый (рисунок 4.21). После отработки лавы 612-ю пласта Четвертый в июне 2015 и лав 112-ю– 312-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 612-ю на расстояние до 145 м в центральной ее части (рисунок 4.22). При этом в северной части Южного блока зона ПГД охватывает Северный грузовой-людской уклон (СГЛУ-12ц) на промежутке 755 м от середины лавы 212-ю до середины лавы 512-ю пласта Четвертый (рисунок 4.22).
После доработки лавы 612-ю и начала отработки лавы 712-ю пласта Четвертый в декабре 2015 и лав 112-ю–412-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 612-ю на расстояние от 75 м до 160 м (рисунок 4.23). При этом в северной части Южного блока зона ПГД охватывает Северный грузовой-людской уклон (СГЛУ-12ц) на промежутке 1010 м от середины лавы 212-ю до середины лавы 612-ю пласта Четвертый(рисунок 4.23). После доработки лавы 712-ю пласта Четвертый в июне 2016 и лав 112-ю– 512-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 712-ю на расстояние до 120 м в центральной ее части (рисунок 4.24). При этом в северной части Южного блока зона ПГД охватывает Северный грузовой-людской уклон (СГЛУ-12ц) на промежутке 990 м от середины лавы 212-ю до середины лавы 612-ю пласта Четвертый (рисунок 4.24). После отработки лавы 812-ю пласта Четвертый в июне 2016 и лав 112-ю– 512-ю пласта Тройной зона ПГД распространяется вдоль лавы 812-ю на расстояние до 75 м в центральной ее части (рисунок 4.25). При этом в северной части Южного блока зона ПГД охватывает Северный грузовой-людской уклон (СГЛУ-12ц) на промежутке от лавы 112-ю до середины лавы 712-ю пласта Четвертый (рисунок 4.25). Исходя из геомеханического анализа на пласте Тройной при существующей площади отработанного пространства и мощности междупластья опасных зон не образуется, т.е. подработка пластом Четвертый обеспечивается защита очистных работ на пласте Тройной. Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Пятый и Мощный шахты «Северная» ОАО «Воркутауголь» для выявления местоположения и конфигурации зон повышенного горного давления при их отработке в 2011-2016 годах. План развития горных работ по пластам Пятый и Мощный4 в 2011 – 2016 годах представлен на рисунок 4.26 и 4.27.
Для прогнозирования границ опасных зон при отработке лав 412-з–512-з проведена оценка напряженного состояния пласта Пятый на планируемые этапы его отработки в 2011 – 2016 годах. По результатам расчетов построены прогнозные карты напряженного состояния пласта Пятый на моменты, соответствующие плану отработки лав 412-з–512-з и 612-712 пласта Пятый и лав 312-з–512-з пласта Мощный в июне2011 – декабре 2016, которые представлены на рисунок 4.28 – 4.40.
Результаты расчетов следующие. После отработки лавы 412-з пласта Пятый в июне2011 и лав 112-з–212-з пласта Мощный зона ПГД распространяется в поле лавы 412-з на расстояние до 90 м на границе с лавой 512-з до 190 м в центральной части лавы 412-з (рисунок 4.28). Влияние опорного давления от отработанных полей шахт «Центральная», «Северная» и «Юр-Шор» таково, что в формирующемся целике между шахтами «Северная» и «Центральная» напряжения превосходят 1.4Н и граница зона ПГД уходит в сторону лавы 1014-в шахты «Центральная». Поэтому зона ПГД в поле лавы 512-з пласта Пятый простирается от 1320 м до 1680 м на границе с лавой 412-з. После отработки лавы 412-з пласта Пятый в декабре 2011 и лав 112-з–212-з пласта Мощный зона ПГД распространяется в поле лавы 512-з на расстояние от 1390 м до 2020 м в центральной ее части (рисунок 4.29). После отработки лавы 512-з пласта Пятый и лавы 312-з пласта Мощный в июне 2012 зона ПГД распространяется в поле лавы 512-з на расстояние 160 м от фронта очистных работ и на расстояние от 50 м до 200 м вдоль лавы 412-з (рисунок 4.30). После отработки лавы 512-з пласта Пятый и лавы 312-з пласта Мощный в декабре 2012 зона ПГД распространяется в поле лавы 512-з на расстояние 250 м от фронта очистных работ и на расстояние от 50 м до 200 м вдоль лавы 412-з (рисунок 4.31). После отработки лавы 512-з пласта Пятый и лавы 312-з пласта Мощный в июне 2013 зона ПГД распространяется в поле лавы 512-з на расстояние 140 м от фронта очистных работ и на расстояние от 50 м до 160 м вдоль лавы 412-з (рисунок 4.32). После отработки лавы 512-з пласта Пятый и лавы 412-з пласта Мощный в декабре 2013 зона ПГД распространяется в поле лавы 512-з на расстояние 90 м от фронта очистных работ (рисунок 4.33). После доработки лавы 512-з пласта Пятый в марте 2014 зона ПГД распространяется в поле лав 612 и 712 до предполагаемого фронта очистных работ (рисунок 4.34). После первого этапа отработки лавы 712-з пласта Пятый в июне 2014 зона ПГД распространяется в поле лавы 712-з на расстояние 70 м от фронта очистных работ, а в поле лавы 612 на расстояние 16 м от фронта очистных работ (рисунок 4.35). Влияние опорного давления от отработанных полей шахт «Центральная» и «Северная» таково, что в формирующемся целике между шахтами Северная и Центральная напряжения превосходят 1.4Н и граница зона ПГД уходит в сторону лавы 914-в шахты «Центральная».
