Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1. Прогноз и предотвращение динамических явлений при подземной разработке пластовых месторождений 11
1.2. Гидравлический способ отработки угольных пластов короткими очистными забоями 15
1.3. Основные формы и особенности проявления горного давления при гидродобыче угля на пологих пластах 21
1.4. Решение вопросов безопасной и эффективной выемки угля короткими очистными забоями 26
1.5. Выводы, цель и задачи исследований 36
2. Методика проведения исследований 40
2.1. Геомеханические и геофизические исследования напряженного состояния массива горных пород 40
2.2. Аналитический расчет напряжений 45
2.3. Исследование эффективности ведения очистных работ 47
3. Исследования напряженного состояния массива горных пород 48
3.1. Результаты экспериментальных исследований 48
3.2. Результаты аналитических исследований 65
4. Геомеханическое обоснование и разработка параметров безопасного и эффективного способа ведения горных работ 92
4.1. Гео механическое обоснование безопасного и эффективного способа гидравлической выемки угля короткими очистными забоями 92
4.2. Разработка параметров технологического способа предотвращения динамических явлений 100
4.3. Геомеханическое обоснование прогноза напряженного состояния выемочных столбов 121
4.4. Разработка параметров оперативного контроля проявлений повышенного горного давления 126
5. Опытно - промышленная проверка параметров безопасного и эффективного ведения горных работ 141
5.1. Результаты опытно-промышленной проверки параметров способа гидравлической выемки угля короткими очистными забоями 141
5.2. Результаты опытно-промышленной проверки экспресс - контроля напряженного состояния выемочных столбов 149
Заключение 157
- Гидравлический способ отработки угольных пластов короткими очистными забоями
- Решение вопросов безопасной и эффективной выемки угля короткими очистными забоями
- Результаты аналитических исследований
- Разработка параметров технологического способа предотвращения динамических явлений
Введение к работе
Актуальность работы. Основным требованием эффективной разработки угольных пластов является обеспечение минимальных затрат на их извлечение и снижение потерь угля в недрах при высоком уровне безопасного ведения горных работ.
Гидравлическая добыча угля короткими очистными забоями отвечает предъявляемым требованиям. Она является одной из прогрессивных, безопасных, экологически чистых и высокопроизводительных технологий, получившей развитие и успешное применение в Кузнецком угольном бассейне.
При данной технологии отбойка угля осуществляется струей воды высокого давления. Управление процессом гидроотбойки производится дистанционно без присутствия рабочих в очистном забое. Обрушение пород кровли в выработанном пространстве регулируется подзавальными целиками угля (ножками). Линия фронта ведения очистных работ представляет собой форму уступа, размер которого равен ширине выемочного столба. Изменение ширины уступа и его местоположение существенным образом оказывают влияние на формирование опорного давления по линии фронта ведения очистных работ, на характер и величину его проявления как в очистном забое отрабатываемого выемочного столба, так и в передовых выемочных выработках.
Наивысшие технико-экономические показатели работы добычных участков были достигнуты в первые годы применения гидродобычи, когда глубины разработки были незначительны и проявления горного давления не оказывали существенного влияния на условия безопасного и эффективного ведения горных работ. При переходе на большую глубину разработки начало проявляться повышенное горное давление в динамической форме. Это привело к нарушению технологических процессов ведения очистных и подготовительных работ. И, как следствие, произошло снижение технико-экономических показателей и сокращение объемов добычи угля данным способом.
Негативное влияние увеличивающейся глубины разработки, практическая неуправляемость горным давлением, отсутствие надлежащего контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород потребовало разработку комплекса мер по прогнозу и предотвращению динамических явлений в условиях гидродобычи. Поэтому исследования, направленные на усовершенствование гидравлического способа выемки угля короткими очистными забоями при отработке пологих пластов угля, склонных к горным ударам, являются актуальными.
В основу диссертации положены результаты исследований, выполненных при непосредственном участии автора в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ ВНИМИ по темам: 0239016000 -«Разработка технических требований и составление рекомендаций по соз-
данию и с о в е р ш безопарч!^едщ|ф<дЩцЩ^хникии техно"
логии ведения горных работ на удароопасных угольных пластах, одновременно склонных к горным ударам и выбросам» (№ гос. регистрации 01860048993, 1989 г); 0292096000 - «Разработка и внедрение рекомендаций по выбору эффективных параметров отработки угольных пластов, опасных и угрожаемых по горным ударам, гидравлическим способом на шахтах «Инская» и «Юбилейная» НПО «Прокопьевскгидроуголь» (№ гос. регистрации 01880013010, 1989 г.); 0292591000 - «Разработка новых технических и технологических решений, направленных на повышение безопасности и эффективности отработки пластов, склонных к горным ударам, короткими очистными забоями с гидравлической выемкой угля, и оказание технической помощи при их внедрении» (№гос. регистрации 01900003193, 1991 г.).
Цель работы заключается в обосновании и разработке методики прогноза напряженного состояния угля и способа предотвращения опасных форм проявления горного давления на пологих пластах, склонных к горным ударам, в условиях гидравлической выемки угля короткими очистными забоями.
Основная идея работы заключается в изменении параметров системы разработки (ширины выемочного столба и ширины выемочной заходки) в соответствии с данными текущего прогноза напряженного состояния угольного пласта в процессе ведения горных работ.
Задачи исследований:
-
Изучить закономерности изменения напряженного состояния массива угля и характер динамического проявления горного давления на пластах пологого залегания при гидравлическом способе их разработки короткими очистными забоями.
-
Разработать методику комплексной оценки напряженного состояния выемочных столбов на различных этапах их отработки.
-
Разработать безопасный и эффективный способ ведения горных работ при гидравлической выемке угля короткими забоями, исключающий проявления повышенного горного давления в опасной форме.
-
Провести опытно-промышленную проверку комплекса мер по обеспечению безопасного и эффективного способа ведения горных работ при гидравлической выемке угля короткими очистными забоями на пологих пластах, склонных к горным ударам.
Методика исследований включала научное обобщение и анализ опыта применения гидравлической выемки угля короткими очистными забоями, научных публикаций и результатов исследований по безопасному и эффективному ведению горных работ, аналитические, шахтные геомеханические и геофизические исследования напряженного состояния массива горных пород.
Научныеположения,выносимыеназащиту:
1. Предотвращение опасных форм проявления горного давления на пологих удароопасных' Пластах при'гидравлическом способе выемки угля
короткими очистными забоями достигается изменением параметров системы разработки (ширины выемочного столба и ширины выемочной заход-ки), оптимальные размеры которых должны определяться с учетом изменения геомеханической обстановки.
-
Условием безопасного ведения горных работ в передовых выработках является выполнение требования при определении параметров системы разработки, при котором линейный размер упругого деформирования угля по ширине выемочного столба, расположенного на границе с выработанным пространством, должен составлять 40 %.
-
Исключение условий хрупкого разрушения угля и предотвращение предельно допустимых нагрузок на пласт достигается периодическим обрушением пород кровли над выработанным пространством отрабатываемого выемочного столба за счет отработки заходок с переменной шириной, оптимальный размер которых зависит от величины опорной нагрузки в уступе.
-
Надежный прогноз проявления повышенного горного давления при гидродобыче угля короткими очистными забоями должен включать определение действующих на выемочные столбы опорных нагрузок расчетным методом, выявление участков повышенной концентрации напряжений по изменению амплитуды наведенного электромагнитного поля и уточнение их степени удароопасности по выходу буровой мелочи.
Научная новизна работы:
1. Установлена зависимость характера проявления горного давления от геомеханических и горно-технических условий ведения горных работ.
2. Разработана методика проведения комплексного прогноза напря
женного состояния угольного пласта, включающая математическое моде
лирование характера изменения опорного давления в процессе ведения
горных работ, проведение в шахтных условиях геофизических исследова
ний амплитуды наведенного электромагнитного поля с целью выявления
участков повышенной концентрации напряжений в выемочных столбах и
последующим уточнением их категории удароопасности по выходу буро
вой мелочи.
-
Установлены критерии определения параметров системы разработки (ширины выемочного столба и ширины выемочной заходки) с учетом удароопасности при гидравлическом способе выемки угля короткими очистными забоями.
-
Разработан безопасный и эффективный способ ведения горных работ, исключающий проведение дополнительных мероприятий по предотвращению опасных форм проявления горного давления в условиях гидродобычи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (изменение ширины выемочной заходки от 3 до 9 м), положительными результатами проведенных шахтных исследований (достигнуто снижение потерь угля с 42,0
до 15,7 %), внедрением разработанных технологических решений по безопасной и эффективной отработке пластов угля гидравлическим способом на шахте «Инская» ООО «Беловоуголь». При разработке рекомендаций по определению параметров системы разработки, включенных в проектную документацию, на пластах Полысаевский-2 и Несложный было добыто 45 тыс. тонн угля. Опасных проявлений горного давления в динамической форме при этом не происходило.
Личный вклад автора выражается:
в постановке задач, организации и проведении многолетних шахтных исследований на гидрошахтах Кузнецкого угольного бассейна (с 1986 г.) по проблеме прогноза и предотвращения динамических явлений при отработке пологих пластов угля, склонных к горным ударам;
в установлении закономерностей динамических форм проявления горного давления и в обосновании способа их предотвращения при гидравлической выемке угля короткими очистными забоями;
в создании методики проведения оперативной оценки напряженного состояния угля в условиях гидродобычи;
в разработке безопасного и эффективного способа ведения горных работ при гидравлической выемке угля короткими очистными забоями с учетом удароопасности пластов;
в проведении опытно-промышленной проверки разработанного автором комплекса мероприятий.
Практическая ценность работы заключается в разработке безопасного и эффективного способа ведения горных работ при гидравлической выемке угля короткими очистными забоями и разработке методики оценки напряженного состояния массива угля, позволяющей прогнозировать возможный характер проявления опорного давления и проводить оперативный контроль изменения напряженного состояния выемочных столбов.
Реализация работы. Результаты исследований и опытно-промышленной проверки технологических решений использованы при разработке рекомендаций по повышению безопасной и эффективной отработке пластов угля короткими очистными забоями на шахте «Инская» 0 0 0 «Беловоуголь».
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертации докладывались и получили одобрение на секции горных ударов и внезапных выбросов угля (породы) и газа Ученого совета ВНИМИ (Ленинград, 1985-1990 гг., С.-Петербург, 1991-1992 гг.), на конференции молодых специалистов ВНИМИ (Ленинград, 1988, 1990 гг.), на Международном симпозиуме по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах (С.-Петербург, 1994 г.); на Международных конференциях по эффективной и безопасной подземной добыче угля на базе современных достижений геомеханики, по проблемам геодинамической безопасности (С.-Петербург,
1996-1997 гг.), по геомеханике в горном деле (Екатеринбург, 2000 г.); по энергетической безопасности России, новые подходы к развитию угольной промышленности (Кемерово, 2001 г.); на технических советах шахты «Инская» ООО «Беловоуголь».
Публикации. По теме исследований опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем. Диссертационная работа изложена на 172 страницах. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 131 наименования, содержит 57 рисунков и 14 таблиц.
Автор выражает благодарность: канд. техн. наук А. А. Филинкову за научное руководство; проф., д-ру техн. наук И. М. Петухову, кандидатам техн. наук А. Н. Шабарову, В. С. Сидорову за методическую помощь при работе над диссертацией; А. П. Скакуну и работникам инженерно-технических служб шахт «Инская» и «Юбилейная» за помощь, оказанную при проведении экспериментальных исследований.
Гидравлический способ отработки угольных пластов короткими очистными забоями
Использование воды в качестве средства разрушения горных пород известно из древних времен. В те времена воду направляли по жолобам, выдолбленных из стволов деревьев, сверху вниз и разрушали горные породы. При этом усилие разрушения регулировалось высотой ее падения. Используя этот принцип, B.C. Мучником обоснован нетрадиционный - гидравлический способ подземной отработки пластов угля короткими очистными забоями [76]. При данной системе разработки выемка угля осуществляется струей воды под высоким давлением, управление процессом гидроотбойки производится дистанционно без присутствия рабочих в очистном забое, обрушение пород кровли в выработанном пространстве регулируется целиками угля. Все это вместе взятое должно удовлетворять требованиям безопасности и обеспечивать преимущества гидродобычи перед существующими традиционными способами подземной разработки полезных ископаемых. Гидравлический способ выемки угля получил развитие и успешное применение на протяжении десятков лет в Кузнецком угольном бассейне при отработке пластов угля в различных геологических и горнотехнических условиях. Высокие технико-экономические показатели работы добычных участков и условия безопасного ведения горных работ были достигнуты в первые годы применения гидродобычи, когда глубины разработки были незначительны. Это позволяло занимать данной технологии ведущее место в угольной промышленности. При переходе на большую глубину разработки начало проявляться повышенное горное давление в динамической форме. Это привело к нарушению условий безопасного ведения очистных и подготовительных работ, ухудшению их технико-экономических показателей и, как следствие, к сокращению объемов гидродобычи угля.
Диссертационная работа посвящена обоснованию и разработке безопасного и эффективного способа ведения горных работ при гидравлической выемке угля короткими очистными забоями на пологих пластах, склонных к горным ударам . Сущность системы разработки при гидравлической выемке угля короткими очистными забоями заключается в следующем. При отработке пологих пластов принята единая схема проведения горных выработок, расположение которых показано на рис. 1.1. После вскрытия пласта осуществляют проходку выработок 1-4, оконтуривающих выемочный участок. Эти выработки необходимы для проветривания и проведения параллельных друг-другу выемочных выработок -5 из которых в дальнейшем ) Угрожаемые и опасные по горным ударам пласты угля объединяются общим термином -склонные к горным ударам. производятся очистные работы. Расположение выработок относительно простирания (падения) пласта, расстояние между выработками зависит от ряда геологических и горнотехнических факторов, среди которых: геологическое строение месторождения; мощность пласта; угол его падения; строение, крепость и трещиноватость угольного массива; свойства боковых пород; средства выемки угля и проходки пластовых выработок. Очистные работы заключаются в последовательной отработке заходок-Л, имеющих объемную прямоугольную форму. Сторонами которой являются мощность угольного пласта - т, расстояние между выемочными выработками -b и циклами подвигания очистного забоя - язах. Гидравлическая выемка угля в заходке подразделяется на два этапа: гидроотбойку угля (отделение его от массива) и его размыв (разрушение на мелкие фракции и смыв из очистного забоя в вырыботку для дальнейшей его транспортировки). Транспортирование пульпы (угольно-водяной массы) по выработкам происходит самотеком за счет угла их наклона. На рис.1.2.а-в показаны схемы систем разработок, получившие наибольшее применение на гидрошахтах Кузбасса. Применение конкретной системы разработки зависит от многих факторов. Например, мощность пласта и угол его падения влияют на выбор технологической схемы подземной гидродобычи по условиям безнапорного гидротранспорта пульпы под воздействием кинетической энергии отраженного потока воды. При определении геометризации системы разработки учитывают крепость и трещиноватость угольного массива. Устойчивость пород кровли к обрушению и способ выемки угля влияют на выбор параметров технологической схемы ведения очистных работ и ее эффективность. Системы разработки характеризуются проведением большого объема подготовительных выработок (выемочных печей/штреков) впереди фронта очистных работ и имеют много общего: 1) очистные работы, т.е. отработка заходок, как правило, ведется без крепления забоев, 2) ширина выемочного столба не превышает эффективной длины струи гидромонитора, 3) транспортирование угля в пределах участка осуществляется по почве выработок или по металлическим желобам.
Параметры системы разработки определяются в соответствии с нормативным документом [64]. При расчете ширины выемочного столба исходят из условий обеспечения защиты передовой выработки от проявлений повышенного горного давления со стороны выработанного пространства, т.е. напряжения в нем не должны превосходить предела упругости, за исключением некоторого участка вблизи выработанного пространства. Ширину выемочной заходки определяют из условий эффективной длины струи монитора - с, длины заходки (ширины выемочного столба) -Ь и одного из размеров сечения подзавального целика угля - d, необходимого для поддержания пород кровли и предотвращения их преждевременного обрушения в процессе отбойки угля (см. рис. 1.1). Определение параметров систем разработок с гидравлической выемкой угля короткими забоями представляет особо сложную задачу, решение которой отражено в результатах исследований ВНИМИ, ВНИИгидроуголь, ДонУГИ, ИГД им. А.А. Скочинского [11, 15, 16, 53, 78, 79, 81, 84, 95, 96, 101, 108, 116, 120, 128]. Основные размеры применяемых систем разработок представлены в табл. 1.1. Эффективность выемки угля и безопасное ведение горных работ зависит от правильно выбранных параметров системы разраработки. Большой вклад в решение данных вопросов принадлежит институту ВНИИГидроуголь. Этому посвящены исследования напряженного состояния массива горных пород в различных геологических и горнотехнических условиях, его деформационных и прочностных свойств в шахтных условиях и с помощью моделирования [17, 26, 29, 30, 36]. Полученные результаты позволили установить некоторые закономерности деформирования горных пород, особенности проявления горного давления, взаимосвязь процессов выемки угля и управления горным давлением [18, 31, 99, 107, 117]. В ходе промышленного освоения гидродобычи в Кузбассе институтом ВНИМИ за период 1959 - 66 гг. под руководством Ф.П. Бублика проведены научно - исследовательские работы применительно к горногеологическим условиям разработки пологих пластов [116]. Анализ известных подходов в решении вопросов, связанных с размерами целиков угля [108, 121, 125], результаты экспериментальных и лабораторных исследований [10, 56, 57] позволили разработать авторам методику определения конструктивных элементов системы разработки с короткими очистными забоями [68].
Решение вопросов безопасной и эффективной выемки угля короткими очистными забоями
Проявление повышенного горного давления, как неизбежный фактор при любом способе подземной разработке полезных ископаемых, оказывает существенное влияние на безопасные условия ведения горных работ. Большая заслуга в проведении научно-исследовательских работ и решении вопросов безопасности и эффективности гидродобычи на шахтах Кузбасса принадлежит институту ВНИИгидроуголь. Существенный вклад в успешное развитие и эффективное применение гидравлической выемки угля внесли B.C. Мучник, Л.И. Ворожищев, А.Е. Гонгов, М.Ш. Гарипов, В.В. Губин, Г.И. Жабин, А.Н. Златицкий, В.Г. Иванушкин, А.П. Колесников, B.C. Крылов, В.И. Любогощев, Б.П. Одиноков, А.В. Солдатенко, Б.А. Теодорович, В.Н. Фрянов и др. На этапе промышленного освоения и внедрения технологии гидравлической выемки угля короткими очистными забоями особое внимание уделялось управлению кровлей. На основании проведенных исследований [17, 36, 96] авторы пришли к выводу, что поведение пород кровли при их обнажении на границе с очистным забоем имеет большое значение. Устойчивость к обрушению вышележащих пород зависит от размера опорных целиков, периодически оставляемых в заходках, формы и соотношения размеров обнаженной площади.
Одним из вариантов снижения степени проявлияния опорного давления является уменьшение консоли пород основной кровли в выработанном пространстве. В результате проведенных исследований установлено, что ширина столба - b должна в 1.5 раза превышать величину предельного пролета консоли - /ь т.е. b = 1.5.1],м, При этом опорное давление будет восприниматься массивом следующего столба и происходить небольшое обнажение консоли вышележащих пород. При этом породы основной кровли, опирающиеся на две смежные стороны выемочных столбов, должны обрушаться систематически через каждые /2 отработки выемочного столба [17] (рис. 1.5). Допустимо устойчивые площади обнажения кровли позволят определить параметры очистной выемки угля - ширину и длину заходки.
Задача управления горным давлением в условиях гидродобычи путем обрушения кровли должна сводится к определению устойчивости обнажений пород кровли, размерах площадей с одной стороны, и к определению несущей способности временных целиков, поддерживающих кровлю во время выемки угля, - с другой. Результаты лабораторных исследований позволили установить зависимость параметров системы разработки от обрушения пород кровли [17, 117]. Авторы утверждают, что с точки зрения управления горным давлением оптимальная ширина отрабатываемого столба должна быть больше шага посадки основной кровли на 10 - 20 %. Это необходимо для того чтобы происходило обрушение пород основной кровли после отработки каждого выемочного столба. Площадь обнажения непосредственной кровли, т.е. площадь отрабатываемой заходки или же ее ширину следует определять экспериментально из условий обрушения консоли ее нижнего слоя с учетом фактора времени в конкретных условиях [117]. Кроме решения вопроса управления кровлей необходимо было рассматривать пути увеличения производительности гидроотбойки угля. Существующие технические возможности гидромонитора были недостаточны для отработки более крепких пластов угля. Кроме увеличения рабочего давления струи на выходе из гидромонитора предлагалось предварительное ослабление угольного массива нагнетанием воды в скважины под высоким давлением [81].
При нагнетании воды в пласт в массиве угля образуются трещины, которые нарушают связь между его отдельностями и способствуют облегчению гидроотбойки. Улучшение технике - экономических показателей гидродобычи может быть достигнуто за счет предварительного ослабления массива угля путем взрывания заряда ВВ в скважинах [60]. При разработке одного из вариантов гидродобычи был использован практический опыт применения канатных пил в качестве средства выемки угля. Комбинированный способ выемки включал подрубку пласта канатной пилой и гидросмыв угля из заходки [23]. Предварительная подрубка, в данном случае, обеспечивает ослабление массива угля под действием сил горного давления и снижение энергозатрат на гидроотбойку. Интенсификация ведения горных работ неизбежно связана с нарушением условий безопасного ведения очистных и подготовительных работ. Поэтому исследования были направлены на определение основных параметров системы разработки с учетом изменения напряженно-деформированного состояния массива угля. С увеличением глубины разработки динамическое проявление горного давления сопровождается нарушением выемочных столбов. Поэтому необходимо было решать вопрос сохранения и поддержания горных выработок, расположенных впереди фронта очистных работ, из которых осуществляется выемка угля заходками. Расчетная схема определения параметров при камерно-столбовой системе разработки с обрушением кровли, согласно [116], должна учитывать переход горных пород через все стадии объемного напряженно-деформированного состояния - упругости, предельного равновесия и разрушения. Например, при расчете ширины целика (выемочного столба) исходят из того, что необходимо обеспечить защиту камеры от воздействия выработанного пространства, а в заходках необходимую временную устойчивость пород кровли к обрушению. Выполнение этих двух условий возможно лишь в том случае, когда массив угля в столбе будет воспринимать нагрузки в пределах упругого деформирования. Исключением может быть участок целика со стороны выработанного пространства- Ь2. Целик угля при этом испытывает нагрузку от веса пород над ним и примыкающих к нему толщи пород над выработанным пространством на пролете-/] (см.рис.1.5.). Для учета неравномерности нагружения выемочного столба по поперечному сечению предлагалось ввести в формулу коэффициент концентрации напряжений-кь полученный экспериментальным путем [57,58], значения которого могут быть приняты в диапазоне 2.0 - 2.5. Формула для определения ширины выемочного столба без учета пригрузки от веса пород над выемочной выработкой (камерой) имеет следующий вид: (/i+b) xyxHxk bxR.x (b/h)x/n (1.1) где : (b/h) - коэффициент, отражающий зависимость несущей способности от соотношения между высотой - h и шириной целика - b, х - показатель степени, равный 0.5 - 1, Н - глубина горных работ, у - обьемный вес угля, Rj - временное сопротивление угля при одноосном сжатии, определяемое в лабораторных условиях, п - коэффициент запаса прочности. На основании проведенного анализа [18] авторы утверждают, что в большинстве случаев ширину выемочного столба определяют в зависимости от дальности дистанционного действия гидромонитора. Результаты аналитических решений позволили вьывить закономерность определения параметров выемочной заходки на основании соотношения ее длины - b и ширины - а1ах, которое должно быть более 3.5 , т.е. b / азах 3.5. Проведение шахтных экспериментов по изучению напряженного состояния выемочных столбов с различной шириной [32, 33] позволило получить эпюры распределения напряжений по ширине выемочного столба в зоне опорного давления. Авторы считают что, оптимальная ширина выемочного столба должна выбираться с таким расчетом, чтобы напряжения в зоне отработки заходки составляли 50 - 70 % от несущей способности выемочных столбов. Было также отмечено, что при переходе выемочного столба в предельно-напряженное состояние повышается эффективность очистных работ, т.е. уменьшаются энергозатраты гидроотбойки, увеличивается процент извлечения угля, обеспечивается устойчивое состояние пород кровли в заходке при отбойке угля.
Результаты аналитических исследований
Для выполнения аналитических расчетов по определению параметров, характеризующих опорное давление по ширине выеммочного столба, расположенного на границе с выработанным пространством были приняты следующие горнотехнические условия: - мощность пласта (т,м) 2.5; - глубина залегания пласта (Н,м) 200 4- 500; - ширина выемочного столба (Ь,м) 8, 10; - прочность угля на одноосное сжатие ( 7сж,МПа) 9; - ширина выработанного пространства (а,м) 20 -f 100; - ширина передовой выработки (а0,м) 2 - размер исследуемого участка (/0,м) Х] - Зхі С их помощью осуществлялось математическое моделирование различных вариантов ведения горных работ. Аналитические расчеты производились согласно формулам, представленным в п.2.2 и схемы, показанной на рис.3.10. Результаты расчетов представлены в табличной форме и в виде графиков. Расчетная схема представляет собой угольный пласт, залегающий на глубине - Н, м. В сечении, перпендикулярном плоскости пласта, образовано выработанное пространство шириной - а. С учетом изменения глубины залегания угольного пласта и ширины выработанного пространства производились инженерно-аналитические расчеты по определению : расстояния до точки максимума зоны опорного давления-. ! в краевой части пласта, соответствующее ей напряжение - СТмакс и последующие за ней их значения - (7; (см. рис.3.10 -1).
Далее предполагалось расположение выработки в краевой части пласта на заданном расстоянии - Ь,м, проведение аналогичных расчетов по определению напряжений, отражающих формирование опорного давления по ширине образовавшегося выемочного столба (см. рис.3.10 -2), и осуществление оценки его напряженного состояния. Оценка напряженного состояния осуществлялась на основании экспериментально установленной зависимости уровня напряженности от избыточного выхода штыба - Уф / VH0M = f (ор / 7„) [35]. Согласно «Методическим указаниям...» [71] за величину напряжения - (Т начиная с которого дальнейший его рост сопровождается увеличением выхода штыба (VHOM 2 кг/м), принято значение 1.6 и еж, соответствующее 4.4 МПа. Удароопасной величиной уровня напряженности (Оцру /сгсж ) для условий гидродобычи было принято значение 3. Согласно которому и принятом значении для выполнения инженерно-аналитических расчетов сгсж величина действующего напряжения равна 27 МПа, а величина предполагаемого выхода штыба - 4 кг/м. В таблице 3.3. показаны результаты аналитических расчетов величин напряжений ( 7j) в краевой части пласта на различном удалении от нее (1о=Х\ ч- 3JCI) вглубь массива угля. В качестве наглядного примера на рис.3.11 представлены эпюры опорного давления» отражающие изменение напряженного состояния краевой части пласта в зависимости от изменения ширины выработанного пространства (а) на глубине ведения горных работ 200 м и 500 м соответственно. Как было сказано выше, отличительной особенностью гидродобычи угля является наличие выработок впереди фронта очистных работ.
Проведение выработок приводит к образованию выемочных столбов. Безопасное ведение горных работ в передовых выработках должно обеспечиваться установлением оптимальных размеров ширины выемочных столбов. Проведение передовых выработок может осуществляться как вне зоны наибольшего проявления повышенного горного давления, так и в непосредственной близости от нее. Поэтому оптимальное расположение ближайшей выработки или возможное ее проведение относительно краевой части пласта является важным вопросом безопасности. Из представленных ниже рис.3.11. и табл.3.3. следует, что для всех расчетных вариантов минимально допустимое расстояние - /0 относительно краевой части пласта, на котором действующее напряжение соответствует безопасной (неудароопасной) величине, равно 2JCI. г Для сравнения в табл.3.4. представлены результаты прогнозной оценки уровня напряженности угля (aj /( тсж) в максимуме опорного давления (/0 = х{) и на расстоянии /0 = 2 1 ОТ краевой части пласта и соответствующий им выход буровой мелочи. Максимальная величина выхода буровой мелочи в количестве 2.7 кг/м может быть только при а = 100 м. Следующим этапом аналитических вычислений явилось определение эпюры распределения напряжений по ширине выемочного столба, прилегающего к выработанному пространству. При выполнении расчетов на заданной глубине залегания пласта переменной величиной была только ширина выработанного пространства. На рис.3.13 - 3.14 представлены результаты аналитических расчетов по определению характнра изменения опорного давления по ширине выемочного столба, расположенного на границе с выработанным пространством, на глубине 200 м и 500 м в соответствии с принятыми горнотехническими условиями. Каждый график, как показано на рис 3.12, содержит эпюру первоначального распределения напряжений в краевой части пласта - 1 и по ширине выемочного столба - 2, где : аІЬ аі2 _ напряжения эпюры опорного давления в краевой части пласта, а аі3, сті4 - напряжения в этих же точках после проведения передовой выработки.
При расчете напряжений по ширине выемочного столба учитывалось влияние передовой выработки на изменение первоначального напряженного состояния краевой части пласта. Результаты аналитических исследований по определению максимумов опорного давления в краевой части пласта и выработки с учетом изменения ширины выработанного пространства и глубины ведения горных работ показали, что происходит уменьшение области упругого деформирования по ширине выемочного столба. На глубине 200 м и её размер по отношению к 8 м ширине выемочного столба изменяется с 65 % до 42 %. При Н = 300 м и аналогичной ширине выемочного столба диапазон изменения зоны упругого деформирования составит 54 — 23 %. При Н = 400 м и b = 10 м доля упругого деформирования по ширине выемочного столба составит 56 -17%. При Н = 500 м глубине залегания угольного пласта и аналогичной ширине выемочного столба она будет изменяться от 49 до 14%. На графиках также наглядно видно изменение напряженного состояния в краевой части пласта, вызванное проведением передовой выработки. Прогнозная оценка аналитических расчетов напряженного состояния выемочного столба, расположенного на границе с выработанным простраством, по предполагаемому выходу буровой мелочи представлена в таблице 3.8, из которой следует: 1. Отсутствие удароопасности как в краевой части пласта, так и в выемочном столбе угля шириной 8 м на глубине 200 м. 2. Прогнозная оценка напряженного состояния в максимуме опорного давления краевой части пласта по выходу буровой мелочи на глубине Н = 300 м указывает на его величину, близкую к «нижней границе» удароопасности только при а = 100 м, т.е. Уф = 3.8 кг/м. В выемочном столбе, прилегающем к выработанному пространству, наблюдается увеличение выхода буровой мелочи.
При а = 80 м выход штыба указывает на склонность к хрупкому разрушению угля в краевой части выемочного столба со стороны выработанного пространства. При ширине выработанного пространства 100 м удароопасное состояние прослеживается практически по всей ширине выемочного столба. З.На глубине 400 м выход буровой мелочи в максимуме опорного давления со стороны выработанного простраства указывает на удароопасное состояние выемочного столба при ширине выработанного пространства а = 60 м. При проведении выработки возможно увеличение штыба. Наибольшее значение его составит 3 кг только при а = 100 м. Выемочный столб становится удароопасным при а 40м. 4. На глубине 500 м повышенный выход буровой мелочи в максимуме опорного давления со стороны выработанного простраства указывает на удароопасное состояние выемочного столба при ширине выработанного пространства 40 и более метров. При проведении выработки удароопасное состояние отмечается при а = 80 м. На данной глубине безопасные условия напряженного состояния целика угля шириной 10 м соответствуют только при ширине выработанного пространства до 20 м. Результаты первоначальных аналитических исследований позволяляют предположить, что: 1. Результаты аналитических расчетов напряженного состояния подтверждают удароопасное состояние выемочного столба, прилегающего к выработанному пространству. Вероятность проявления горного давления в опасной форме при ведении очистных работ возрастает с увеличением глубины разработки.
Разработка параметров технологического способа предотвращения динамических явлений
Результаты исследований, проведенных автором [37 - 40, 42, 46], позволяют сделать вывод о том, что в сложившихся геологических и горнотехнических условиях гиравлической выемки угля короткими очистными забоями возможны технологические решения, способные предотвратить опасные проявления горного давления пластах, склонных к горным ударам. Исключение условий действия нагрузок на выемочные столбы, близких к предельно-допустимым значениям, и условий возникновения внезапного высвобождения сил горного давления, позволит обеспечить безопасность и эффективность ведения горных работ [42, 44, 45]. Уменьшение величины действующей нагрузки может быть достигнуто планомерным обрушенйм пород основной кровли с меньшим шагом посадки. Для этого необходимо оставлять целики таких размеров, чтобы они обеспечивали поддержание пород непосредственной кровли на период выемки угля в заходке и саморазрушались на последней стадии ее отработки. Устойчивое состояние пород кровли может быть достигнуто увеличением скорости отработки заходки. При резко-переменном режиме ведения очистных работ процесс перераспределения напряжений в массиве горных пород носит скачкообразный характер. Близкое расположение максимума эпюры распределения напряжений в массиве угля к краевой части пласта способствует активизации процесса сдвижения вышележащих пород. В результате расслоения, появления разрывов и трещин в породах кровли происходит не только сокращение линейного размера их опоры на массив угля, но изменение степени влияния опорного давления на краевую часть пласта.
Увеличение скорости ведения очистных работ может быть достигнуто в результате повышения производительности гидромонитора путем увеличения его энергоемкости или же снижения энергозатрат на отбойку угля. В первом случае необходимо увеличивать давление струи воды на выходе из гидромонитора, в т.ч. с использованием энергии тонких струй (А.А. Атрушкевич). Во втором - для гидроотбойки угля использовать горное давление. Перспективным является второй вариант, при котором размер ширины выемочной заходки необходимо устанавливать в зависимости от изменения напряженного состояния угля в очистном забое [41, 44]. Это подтверждается практикой ведения горных работ, когда отмечалось положительное влияние увеличения горного давления на отбойку угля в заходке при неизменной ее ширине [47]. Известно, что ведение горных работ связано с изменением напряжено-деформированного состояния массива горных пород. Областью проявления повышенного горного давления является краевая часть. Результаты аналитических и экспериментальных исследований позволяют говорить о зоне опорного давления как о функции, зависящей от многих факторов. В краевой части пласта с некоторой глубины устанавливается предельно-напряженное состояние с упруго-пластическим деформированием угля. Эпюра опорного давления разделена на зоны. Одной из них является зона повышенных напряжений, в которой выделяется зона наибольшего влияния опорного давления - П; (см.рис.4.2). Эта зона характеризуется предельной скоростью пластического деформирования угольного пласта и близко симметричными отрезками эпюры распределения напряжений относительно максимума опорного давления.
При гидравлической выемке угля линия фронта очистных работ имеет различную форму. Перед началом отработки выемочного столба линия фронта очистных работ прямолинейная. В его краевой части со стороны выработанного пространства, формируется опорное давление. По мере отработки выемочного столба заходками линия фронта ведения очистных работ принимает криволинейную форму в виде уступа, размер которого равен его ширине. В районе ведения очистных работ выемочный столб воспринимает нагрузки опорного давления с двух сторон - по длине и его ширине. В результате их взаимного влияния которых в выступающей части выемочного столба, каждый раз перед отработкой заходки, происходит формирование опорного давления с участками различной степени напряженности (см. рис.4.3). Размеры и расположение границ этих зон являются переменными величинами и зависят от многих факторов, среди которых прочность пород и угля, способ управления кровлей, скорость подвигания очистного забоя, мощность пласта, глубина разработки [1,2]. Изменение положения границ участков с различным напряженным состоянием подтверждают результаты экспериментальной оценки проявления опорного давления в отрабатываемом выемочном столбе в районе ведения очистных работ. Для этого применялся нормативный способ оценки по изменению выхода буровой мелочи при бурении скважин 0 43 мм. Критерием оценки напряженного состояния массива угля является увеличение номинального выхода буровой мелочи - (VH0M) [48]. Известно, что напряженно-деформированное состояние зоны - П/ (см. рис.4.2) характеризуется повышенным выходом буровой мелочи при бурении скважин, т.е. V 2 кг/м. Изменение выхода штыба в диапазоне: 2 V 4 кг/м соответствует деформированию угля в пределах упругости. Показателем перехода от упругого к предельно-напряженному состоянию угля является величина буровой мелочи в количестве 4 кг с одного метра. Данное значение принято на основании многочисленных результатов исследований, которые позволили установить количественную зависимость между выходом буровой мелочи и напряженным состоянием массива угля [35, 71]. Ширина выемочной заходки в шахтных условиях должна производиться в соответствии с разработанным автором способом ее определения [82].
Перед выемкой уґля в заходке от границы очистного забоя с выработанным пространством по направлению отработки выемочного столба осуществляют бурение не менее трех скважин (рис.4.4.). Расстояние между скважинами - х составляет 2.5 - 5.0 м. Глубина бурения скважин - /скв, м зависит от количественных показателей V. При V 4 кг/м она должна быть не менее половины ширины выемочного столба - Ь,м (см. рис.4.4). Бурение прекращается после получения VMaKC и последующем его уменьшении на двух метрах. В случае V 4 кг/м на двух последовательных метрах скважины -бурение прекращается независимо от глубины пробуренной скважины. В процессе бурения по каждой скважине замеряют вес буровой мелочи с каждого метра, определяют расстояние по ее длине до места наибольшего выхода штыба или в количестве V 4 кг/м. По значениям V из каждой скважины выявляют зоны с различной степнью проявления опорного давления в очистном забое отрабатываемого выемочного столба.
