Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ производственного опыта и результатов на учно-исследовательских работ по повышению устой чивости горных выработок 11
1.1 Анализ производственного опыта повышения устойчивости массива горных пород в окрестности горных выработок 12
1.2 Анализ способов и средств физико-химического упрочнения массива горных пород 19
1.3 Анализ результатов научных исследований по созданию новых способов и средств повышения устойчивости горных выработок с использованием технологий упрочнения горных пород 27
1.3.1 Анализ методик оценки напряженно- деформированного состояния в естественных и упрочненных породных массивах в окрестности горных выработок 28
1.3.2 Анализ методик количественного прогнозирования параметров опасных зон в окрестности подземных горных выработок 31
1.4 Обоснование актуальности разработки методики количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочне ния пород в окрестности выработок угольных шахт 32
2 Адаптация алгоритма и программного обеспечения метода конечных элементов для расчета напряжений и деформаций в естественных и упрочненных породах в окрестности горных выработок 34
2.1 Выбор алгоритма и программного обеспечения метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности горных выработок 34
2.2 Адаптация алгоритма и программного обеспечения метода конеч ных элементов к модели углепородного массива в окрестности горных выработок 36
2.3 Оценка адекватности расчетных параметров напряженно-деформированного состояния фактическим 43
2.4 Методика количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт 53
3 Количественное прогнозирование параметров опасных зон в окрестности незакрепленных подзем ных горных выработок 71
3.1 Программа исследования закономерностей распределения опасных зон в окрестности незакрепленных горных выработок 71
3.2 Исследование влияния горно-геологических факторов на параметры опасных зон в окрестности подземных горных выработок 75
3.2.1 Исследование влияния горно-геологических факторов на па раметры опасных зон в окрестности незакрепленных под готовительных горных выработок при варьировании только одного из факторов 75
3.2.2 Исследование комплексного влияния горно-геологических факторов на параметры опасных зон в окрестности незакрепленных подготовительных горных выработок 87
3.2.3 Исследование влияния горно-геологических факторов на параметры опасных зон в окрестности очистных горных выработок 89
3.3 Исследование влияния горнотехнических факторов на параметры опасных зон в окрестности подземных горных выработок 97
3.3.1 Исследование влияния горнотехнических факторов на пара метры опасных зон в окрестности незакрепленных подгото вительных горных выработок при варьировании только од ного из факторов 96
3.4 Исследование комплексного влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на параметры опасных зон в окрестности горных выработок 103
4 Исследование влияния упрочнения пород на напряженно-деформированное состояние углепородного массива 111
4.1 Лабораторные исследования влияния упрочнения угля на его прочность при растяжении 111
4.2 Влияние упрочненных в опасных зонах нагнетанием химических составов пород кровли на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземных горных выработок 114
4.3 Влияние упрочненных (в опасных зонах) анкерованием пород кровли на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземных горных выработок 119
4.4 Реализация методики количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт 123
4.4.1 Выбор параметров упрочнения угля и пород выемочного участка 34-1 ЗАО «Шахта «Казанковская» 123
4.4.2 Выбор параметров упрочнения угля и пород выемочного участка 29-19 филиала «Шахта «Есаульская» 127
4.4.3 Выбор параметров упрочнения угля и пород выемочного участка 69-3 ОАО «Шахта «Новокузнецкая» (в н.в. ликвидирована) 129
4.4.4 Выбор параметров упрочнения угля и пород выемочного участка 30-42 ОАО «Шахта «Большевик» 130
4.4.5 Выбор параметров упрочнения угля и пород выемочного участка 813 ОАО «Шахта «Инская» 132
4.5 Инструкция пользователю пакета компьютерных программ количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт 134
Заключение 142
- Анализ способов и средств физико-химического упрочнения массива горных пород
- Адаптация алгоритма и программного обеспечения метода конеч ных элементов к модели углепородного массива в окрестности горных выработок
- Исследование влияния горно-геологических факторов на параметры опасных зон в окрестности подземных горных выработок
- Влияние упрочненных в опасных зонах нагнетанием химических составов пород кровли на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземных горных выработок
Введение к работе
Актуальность работы. При строительстве и эксплуатации шахт одной из актуальных задач является обеспечение устойчивости выработок с поддержанием их в безремонтном состоянии в течение всего периода эксплуатации. При увеличении нагрузок на очистные забои возрастает интенсивность проявлений геомеханических процессов в виде отжима угля, образования вывалов угля и пород, конвергенции пород кровли и почвы очистных и подготовительных выработок. Эти явления, обычно, происходят в опасных зонах: геологических нарушениях и повышенного горного давления, на сопряжениях выработок, в монтажных и демонтажных камерах. В период 2000-2003 гг на шахтах Кузбасса 15,6 % случаев травмирования произошло при обрушении пород кровли и боков выработки. Одним из перспективных способов предотвращения аварийных ситуаций, связанных с этими явлениями, является упрочнение массива горных пород из очистных и подготовительных выработок.
Существующие методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) в основном разработаны для определения параметров опасных зон в благоприятных горно-геологических условиях в естественных не упрочненных породах. Эти методики расчета параметров НДС углепородного массива в опасных зонах не обеспечивают надежность прогноза параметров крепи горных выработок. Не изучено в достаточной мере влияние упрочненных пород в опасных зонах на характер распределения НДС.
Таким образом, актуальной является задача разработки методики количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт для геомеханического обеспечения устойчивости углепородного массива в окрестности подземных горных выработок при интенсивной разработке угольных месторождений.
Работа выполнена в рамках: - Федеральной целевой программы «Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона Алтае-Саянской складчатой области под
влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии». Государственный контракт № Э0123, № ГР 01200302559;
- Государственного контракта № 3 8-6, заказ-наряд № 12 - «Разработка теории разрушения анизотропных горных пород в условиях объемного напряженного состояния при комплексном воздействии на горный массив механических ин-денторов и гидравлических струй», № ГР 01200117892.
Целью работы является разработка методики количественного прогнозирования параметров опасных зон для направленного упрочнения и обеспечения устойчивости горных пород в окрестности подземных горных выработок.
Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей техногенной дезинтеграции горных пород и формировании опасных зон для направленного упрочнения пород в окрестности подземных горных выработок и обеспечения их устойчивости в сложных горно-геологических условиях.
Задачи исследований:
адаптировать алгоритм и программное обеспечение метода конечных элементов для расчета напряжений и деформаций в естественных и упрочняемых углепородных массивах;
разработать методику количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт;
установить закономерности формирования опасных зон в окрестности очистных и подготовительных горных выработок в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических условий;
установить зависимости параметров опасных зон от основных горногеологических и горнотехнических факторов;
разработать и реализовать рекомендации для практического использования методики количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт.
Методы исследований: конечных элементов для расчета параметров напряженно-деформированного состояния и опасных зон упрочняемого массива горных пород в окрестности горных выработок; лабораторных испытаний с исследованием образцов угля и пород на одноосное растяжение; наименьших квадратов для обработки полученных экспериментально результатов исследования геомеханических процессов и установления закономерностей комплексного влияния горно-геологических и горнотехнических факторов; визуализации и экспертной оценки с использованием пакетов компьютерных программ SURFER и EXCEL и разработанных на языке FORTRAN.
Научные положения, выносимые на защиту:
адекватность математической модели и реальной горнотехнической ситуации обеспечивается адаптацией формы и размеров конечных элементов, вершины которых располагаются на контактах породных слоев углепородного массива и контура выработок и элементов крепи, а свойства материалов в каждом элементе соответствуют оконтуренным конечными элементами породным слоям и материалам крепи;
соответствие рассчитанных и фактических смещений пород в окрестности выработок достигается вводом в виде граничных условий для вершин конечных элементов смещений, измеренных в шахтных условиях или вычисленных по установленным корреляционным зависимостям;
границы опасных зон в окрестности выработки устанавливаются по предельному коэффициенту техногенного структурного ослабления кст=0,78, равному отношению рассчитанной по тензору деформаций энергии формоизменения и предельной энергии разрушения пород в каждом конечном элементе;
варьируемые в выемочном столбе в пределах 20% горно-геологические и горнотехнические параметры ранжируется следующим вкладом в изменение площади опасных зон в окрестности подготовительных выработок: глубина ведения горных работ - 33%, ширина выработки — 29%, предел прочности непосредственной кровли на сжатие - 12%, предел прочности угля на сжатие -
7%, расстояние от оси выработки до сместителя геологического нарушения -5%, угол падения сместителя геологического нарушения - 5%, высота выработки - 3%, ширина целика 2%, прочие - 4%;
- при упрочнении пород в опасных зонах анкерами в пределах их длины ме
жду точками закрепления и под шайбой в кровле формируется зона перехода,
растягивающих напряжений в сжимающие, а выше анкеров возникает новая
зона растягивающих напряжений, то есть упрочненные анкерами породы, яв
ляются перекрытием выработки, в виде предварительно напряженной плиты,
а выше этой плиты создается зона разгрузки.
Научная новизна работы заключается в:
оригинальности методики настройки входных параметров модели количественного прогнозирования параметров напряженно-деформированного состояния и опасных зон, посредством ввода в модель в виде граничных измеренных в шахтных условиях или вычисленных по корреляционным зависимостям смещений вершин конечных элементов;
ранжировании горно-геологических и горнотехнических факторов по степени влияния на площади опасных зон в окрестности выработки с учетом формирования зон в кровле, почве, лежачем или висячем боках выработок;
выявлении неоднородности поля механических напряжений в породах кровли выработки, при установлении в них анкеров формируются: зона сжатия в пределах длины анкера, расслоения пород на контакте выше зоны закрепления анкера, зона растягивающих напряжений выше анкера.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
соответствием формы и размеров конечных элементов крепи, свойствам пород, геометрии, структуре слоев реального углепородного массива;
совпадением формы и размеров опасных зон, вычисленных по разработанной методике, с наблюдаемыми в шахте вывалами пород кровли и отжимом с боков выработки;
удовлетворительной сходимостью вычисленных по методике и измеренных
по глубинным реперам смещений пород кровли, погрешность в среднем не превышает 11%;
достаточным объемом экспериментальных исследований, проведено 860 численных экспериментов и использованием в работе 130 измерений смещений глубинных реперов;
положительными результатами опытного внедрения разработанных по методике рекомендаций на шахтах: «Казанковская», «Есаульская», «Большевик», «Инская» (в н.в. Листвяжная) в Кузбассе.
Личный вклад автора заключается в:
разработке оригинальной методики настройки входных параметров модели количественного прогнозирования параметров напряженно-деформированного состояния и опасных зон, посредством ввода в модель в виде граничных измеренных в шахтных условиях или вычисленных по корреляционным зависимостям смещений вершин конечных элементов;
ранжировании горно-геологических и горнотехнических факторов по степени влияния на площади опасных зон в кровле, почве, лежачем или висячем боках выработки;
выявлении неоднородности поля механических напряжений в породах кровли выработки при установке в них анкеров, где формируются: зона сжатия в пределах длины анкера, расслоения пород на контакте выше зоны закрепления анкера и зоны растягивающих напряжений выше анкера.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей формирования знакопеременных напряжений в породах кровли при установке анкеров.
Практическая значимость работы состоит в: возможности применения разработанной методики количественного прогнозирования параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности выработок угольных шахт, для количественного прогнозирования параметров опасных зон и паспортов крепления пород в окрестности подземных горных выработок.
Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были использованы при количественном прогнозировании параметров упрочнения угля и пород для следующих угольных шахт Кузбасса: «Казанковская», «Есаульская», «Большевик», «Инская» (в н.в. Листвяжная). Данная работа рекомендована для специалистов шахт при разработке проектной документации и для использования студентами вузов горного направления.
Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых СибГИУ: «Наука и молодежь: проблемы поиски решения. Труды региональной научной конференции» (г.Новокузнецк, 2000-2004 гг); VI, VII, VIII конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк, 2001-2003гг); Международной научно - практической конференции «Перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г.Новокузнецк, 2001г); «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г.Новокузнецк, 2002,2004гг);
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 12 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 176 страницах машинописного текста, содержит список литературы из 244 наименований, 9 таблиц, 53 рисунка и приложения.
Анализ способов и средств физико-химического упрочнения массива горных пород
При отработке нарушенных участков для повышения устойчивости массива горных пород возможно применение следующих технологий упрочнения и гидроизоляции выработок: цементация, глинизация, силикатизация, битумизация, электрохимическое закрепление, физико-химическое упрочнение/11,12,27,28,53,75,86,88,89,91,120,167,188,193,220,223/.
Цементация - создание вокруг выработки прочной цементной оболочки, в результате нагнетания в массив по скважинам цементного (цементно-песчаного, цементно-глинистого и других) раствора. Для придания различных свойств цементному раствору в него могут вводиться добавки (пластификатеры, вещества замедляющие, ускоряющие твердение состава и другие). Инъек-тирование может осуществляться через пакетирующие устройства: тампоны, манжетную колонну, буровой став. При инъектировании через тампоны - массив горных пород укрепляют, перемещая тампон по скважине по мере выполнения работ в заходке. При инъектировании через манжетную колонну в скважину вводят трубу, перфорированную отверстиями, закрытыми резиновыми манжетами и затем по ней в скважину подают цементный раствор. При инъектировании через буровой став, в случае, когда стенки скважин неустойчивы и не позволяют установить нагнетательную аппаратуру, то и бурение, и нагнетание ведется, через буровой став, представленный полой буровой штангой. Схемы осуществления цементации: циркуляционная, полуциркуляционная, зажимная, с поверхности, из забоя ствола и другие. Может применяться в скальных трещиноватых, обводненных породах, с раскрытием трещин более 0,2 мм и скоростью движения подземных вод менее 600 м/сут, в гравелистых породах с размером зерен до 2 мм, в песчаных - до 0,8 мм /5,27, 53,55,134,147,150,156,193,203,205,220,223,226/.
Глинизация - способ повышения устойчивости в карстовых породах осуществляется нагнетанием в пустоты, по скважинам, глинистых растворов. Однако, это возможно только в сухих породах, способных впитывать воду из раствора, после его нагнетания. Также может использоваться как способ тампонажа в водонасыщенных горных породах, для трещин, при наличии агрессивных по отношению к цементу подземных вод. В процессе нагнетания глинистый раствор распространяется по трещинам, заполняя их, а вода отфильтровывается. Условия применения те же что и при цементации, при использовании тонкодисперсных глин /27,193,220,223/. Силикатизация - применяется для повышения устойчивости при наличии значительной фильтрации воды и газа в выработки, производится закачка в массив по скважинам силикатных растворов. Нагнетание в массив возможно с применением однокомпонентний и двухкомпонентной схем. Однокомпонентная схема используется для скрепления тонкозернистых пород, при этом, к примеру, может применяться смесь раствора силиката натрия с кремнефто-ристой или серной кислотой, углекислым аммонием. При двухкомпонентнои схеме производится нагнетание в массив силикатов натрия и хлористого кальция с образованием геля кремниевой кислоты. Этот гель способен обеспечить водонепроницаемость и газонепроницаемость пород, тем самым, повышая устойчивость массива, эта схема предпочтительнее однорастворной. Для повышении устойчивости обводненных пород может использоваться газовая силикатизация, заключающаяся в последовательном инъектировании в массив, силиката натрия и углекислого газа как отвердителя. В этом случае объем заполнения трещин возрастает на 25 - 75 %. Однорастворная схема применяется в трещиноватых горных породах с коэффициентом фильтрации от 0,5 - 50 м/сут, со скоростью движения подземных вод 5 м/сут. Двухрастворная в трещиноватых породах с коэффициентом фильтрации от 2 - 80 м/сут, и скоростью 5-8 м/сут /27,53,55,193,220,223/.
Битумизация (холодная или горячая), - может быть применена при проходке вертикальных стволов в трещиноватых горных породах, с размером трещин более 0,2 мм и умеренной обводненностью, для повышения устойчивости массива горных пород вокруг них /193,220,223/. Электрохимическое закрепление - его применение возможно при проходке различных выработок в суглинистых, илистых и супесчаных грунтах ведущих себя как типичные плывуны в наземном и подземном шахтном строительстве, для повышения их устойчивости. К электрохимическому закреплению относят проводимые одновременно с проходкой три процесса: электроосмос (обезвоживание и уплотнение грунтов), реакция обмена (натрий и кальций заменяются водородом и алюминием), структурообразование (образование алюмогеля). Плывуны обезвоживаются, уплотняются, и не допускается их сползание в выработки /54,193,220,223/. Физико-химическое упрочнение - это современный способ повышения устойчивости горных пород в окрестности выработки, осуществляемый при проходке. При этом производятся мероприятия по созданию грузоне сущей оболочки, способной предохранить выработку от разрушения, по всему контуру выработки или частично, в кровле и боках. Эта оболочка будет служить дополнительной крепью данной выработки. Для создания грузонесущей оболочки можно применять следующие способы физико-химического упрочнения неустойчивых, трещиноватых горных пород: - упрочнение нагнетанием скрепляющих составов в массив горных пород в окрестности горных выработок; - упрочнение и предотвращение отжима угля на поверхности забоя и в боках подготовительных выработок, сопряжений очистного забоя со штреками; - упрочнение полимер - набрызгом; - анкерование или армирование массива; - упрочнение через манжетные колонны; - комбинированные способы упрочнения. При этом применяются следующие скрепляющие составы: карбамидные, фенол оформальдегидные, пенополиуретановые, магнезиальные вяжущие, полиэфирные, минерально-органические, эпоксидные и другие.
Проведение работ по упрочнению необходимо, так как выявлено, что существует несоответствие между прочностью массива горных пород и прочностью пород слагающих массив. Разрушение происходит на контуре выработок, когда в краевых частях происходит повышение сжимающих напряжений в радиусе от 1 до 1,25 м, стабилизирующееся к 1,5 м /32/, Из чего можно заключить, что именно с таким радиусом и следует производить упрочнение пород. Что позволит повлиять на свойства массива (прочность, модуль упругости, модуль сдвига, коэффициента поперечных деформаций и др.) и повысить устойчивость. Однако на практике ширина этой зоны изменяется в пределах от (0,1-1,5)т, где т - высота выработки. Методика расчета ширины этой зоны с учетом горно-геологических и горнотехнических параметров с точностью необходимой для практики не разработано. В этой связи необходимо разработать методику определения формы и размеров зон разрушения для последующего упрочнения пород в этой зоне /27,28,39,51,53,54/. Упрочнение нагнетанием скрепляющих составов в массив горных пород в окрестности горных выработок заключается в создании двухкомпо-нентных растворов, соединение и перемешивание которых приводит к формированию отвержденного вещества с высокой прочностью, упругостью и другими физико-химическими и механическими свойствами (рисунок 1.5).
Образование отвержденного вещества, является результатом реакций полимеризации и поликонденсации, идущих в результате введения отвердителя, воды, других специальных растворов. Для упрочнения в массиве бурят шпуры или скважины и через них скрепляющие составы подаются в массив горных пород в окрестности горных выработок, специальными насосными установками пневматического, гидравлического типа. Их смешивание может осуществляться двумя способами: - перемешивание компонентов происходит до начала их нагнетания в шпур; - каждый состав подается в шпур отдельно, и перемешиваются уже в шпуре.
Адаптация алгоритма и программного обеспечения метода конеч ных элементов к модели углепородного массива в окрестности горных выработок
Для адаптации алгоритма и программного обеспечения метода конечных элементов к модели углепородного массива для расчета параметров напряженно - деформированного состояния в опасных зонах в естественных и упрочненных массивах была использована двумерная геометрическая модель размером по горизонтальной оси ОХ - 600м, а по вертикальной оси ОУ - 100-1000м (рисунок 2.1). Модель включает угольные и породные слои различной мощности. В зависимости от требуемой точности результатов, количество слоев может быть от 2 до 100, а их мощность от 0,05 до 100м. Количество вертикальных линий на геометрической модели принимается 10-100 с расстоянием между ними от 0,01 до 100м. При наличии слоев значительной мощности их можно делить на подслои для повышения точности расчета параметров НДС. Началом координат может быть любая точка. В настоящей работе за начало координат принята точка пересечения вертикальной оси выработки с кровлей отрабатываемого пласта (рисунок 2.1). Геометрическая модель разделяется на множество конечных элементов, глобальная нумерация треугольников последовательная от низа модели вправо- вверх. Глобальная нумерация узловых точек треугольника осуществляется против часовой стрелки. Вес пород в пределах каждого треугольника распределяется поровну на три вершины.
Глобальная матрица жесткости формируется по треугольным симплекс-элементам. В этом случае для каждого элемента составляется локальная матрица жесткости и включается в глобальную. В процессе формирования глобальной матрицы жесткости определяются ее размеры и количество уравнений и ширина полосы ленточной матрицы. Одновременно осуществляется ввод граничных условий. Так как задача решается в перемещениях, то на границах задаются их значения, то есть минимизируется потенциальная энергия системы треугольных элементов при заданных граничных условиях. На границах модели заданы следующие граничные условия (рисунок 2.1): — на боковых границах - вертикальные смещения V переменные, то есть W0 и горизонтальные смещения U=0; — на нижней границе - вертикальные смещения V=0 и горизонтальные смещения U=0; — толщина модели принята равной 1м. Базовый алгоритм расчета с помощью МКЭ адаптирован к условиям геометрической модели (рисунок 2.1) и реализован в виде компьютерного пакета программ. Программы применяются для решения двумерных задач и определения параметров НДС углепородного массива, как для ненарушенного массива, так и для участков массивов, находящихся в опасных зонах вблизи геологических нарушений и зон повышенной трещиноватости природного и техногенного характера, в зонах повышенного горного давления в окрестности сопряжений и пересечений выработок. В результате решения системы 20400 алгебраических уравнений вычисляются горизонтальные и вертикальные смещения для каждой вершины конечного элемента. По формулам линейной механики сплошных сред проводится расчет вертикальных и горизонтальных смещений; вертикальных, горизонтальных, касательных напряжений и вертикальных, горизонтальных, сдвиговых деформаций, параметра Надай-Лоде, энергии формоизменения, коэффициента техногенного структурного ослабления (отношение остаточной прочности к исходной). Полученные результаты записываются в виде файлов на жесткий диск ПК /90/. Для визуализации и обобщения результатов расчетов программно осуществляется ввод из файлов координат точек и расчетных значений параметров, затем производится их обработка с построением трехмерных карт в виде изолиний с помощью пакета программ SURFER или двумерных графиков с помощью EXCEL.
Пакет программ FRGIGZLT состоит из пяти программ и шести файлов исходных данных. Для каждого породного слоя или пласта ввод исходных данных по геологической скважине осуществляется из файла Mkeckw.dat с преобразованием в машинный вид файл MkelO0.dat с помощью программы Mke2dl01.for. Исходными данными для моделирования НДС углепородного массива являются: количество, угол наклона, мощность слоев и прослойков; модуль упругости и коэффициент Пуассона, предел прочности пород на одноосное сжатие, растяжение, сдвиг, коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову; размеры геометрической модели (рисунок 2.1), мощность и угол падения угольных пластов; форма и размеры выработок; геометрические параметры крепи подготовительных и очистных выработок: сопротивление крепи, шаг и плотность установки, длина анкерных штанг, форма и размеры зон упрочнения вблизи опасных зон, геологические нарушения. Поэтому для повышения адекватности расчетной модели реальному объекту (углепородный массив, включающий горную выработку и горную крепь) возникает необходимость настройки входных параметров модели. Для реализации этого варианта в качестве исходных данных дополнительно вводятся смещения в окрестности горной выработки, измеренные в шахтных условиях в выработках-аналогах. Автоматическая дискретизация массива производится в несколько этапов с выделением вначале четырехугольных зон по напластованиям или по поверхностям ослабления с последующим делением на треугольники с помощью программы Mke2dl03.for. В зависимости от поставленной задачи вводятся искусственные поверхности ослабления в массиве горных пород, что позволяет учесть естественную слоистость массивов пород. На первом этапе проводится вычисление (рисунок 2.3 — 1 этап) по следующим циклам: - цикл 1: формируется глобальная матрица жесткости с определением ее размеров и количества уравнений. Затем производится решение систем линейных уравнений с вычислением упругих смещений, напряжений и деформаций в нетронутом массиве горных пород при признаке цикла jjjj=0; - цикл 2: формируется глобальная матрица жесткости с определением ее размеров и количества уравнений. Затем производится решение систем линейных уравнений с вычислением упругих смещений, напряжений и деформаций в массиве горных пород с учетом формы, размеров, пространственного положения, крепи выработок и упрочнения горных пород, упругих деформационных свойств: модуля упругости и коэффициента Пуассона. По алгоритму энергетической теории прочности (см. п. 2.4 настоящей работы) проводится корректировка модуля деформации; - циклы 3,4: вначале формируется глобальная матрица жесткости с определением ее размеров и количества уравнений. При этом смещения, напряжения и деформации вычисляются с учетом скорректированного модуля деформации в подпрограмме ENERGRaz и времени эксплуатации выработки. Определяется остаточная прочность по энергетической теории прочности. В качестве исходных данных приняты: напряжения, деформации, коэффициент крепости, модуль упругости, коэффициент Пуассона. Затем производится нелинейное решение системы дифференциальных уравнений с вычислением нелинейных смещений и напряжений в массиве горных пород с учетом формы, размеров, крепления, ослабления или упрочнения горных пород.
Отличие процесса вычисления на втором этапе от первого (рисунок 2.3) состоит в включении в пакет программ процедуры настройки (корректировки) входных параметров модели по измеренным смещениям пород в зоне влияния выработки, то есть дополнительно вводится цикл 2 - второго этапа, исходные данные для настройки формируются в файлеgrcmes.dat На основе полученных при счете программы Mke2dll 7.for напряжений и смещений проводится расчет смещений и напряжений в программе Mke2dll5.for с учетом влияния упрочнения пород анкерами, ввод исходных данных (сопротивление крепи, шаг и плотность установки, геометрические размеры) из файла nagruzka,dat. В файл mke6t.dat вводятся границы исследуемой области по осям ОХ. OY для последующей интерполяции и визуализиции результатов. Программа Mke2dsur.for содержит комплекс подпрограмм для расчета линейных и нелинейных: полных и дополнительных вертикальных, горизонтальных касательных напряжений; вертикальных и горизонтальных смещений; вертикальных, горизонтальных и сдвиговых деформаций; главных максимальных и минимальных напряжений; модуля упругости, параметра Надай-Л о де; отношения остаточной прочности пород к исходной и других с формированием файла исходных данных m6.dat для пакета программ SURFER (рисунок 2.2). В SURFER осуществляется обработка и визуализация результатов расчетов и при необходимости производится корректировка плотности сетки дискретизации, изменение шага интерполяции, количества линий сетки и расстояния /90/. Расчеты производились на ЭВМ, компьютер AuthenticAMD с процессором AMD Duron(tm) - емкость жесткого диска 18,6 ГБ, объем оперативной памяти 320,0 МБ при этом время счета одного варианта по полному пакету программ составило 4 минуты.
Исследование влияния горно-геологических факторов на параметры опасных зон в окрестности подземных горных выработок
Глубина разработки. По результатам моделирования изменения параметров опасных зон при разной глубине разработки установлено, что при увеличении глубины ведения горных работ в два раза на интервале 300-600м площадь опасных зон увеличивается в кровле выработки в 2,1 раза, в почве в 3 раза, в боках - 1,8 раза (рисунок 3.1,а,б). Это свидетельствует о том, что, прежде всего, при увеличении глубины разработки следует ожидать интенсификацию процессов разрушения в кровле и почве выработок /94/. При увеличении глубины разработки вблизи выработки возрастают вертикальные и горизонтальные напряжения, величины которых сопоставимы с пределом прочности пород, это приводит к тому, что породы, считавшиеся устойчивыми на небольших глубинах, становятся неустойчивыми. Разрушение пород кровли и почвы происходит в следствии прогиба пород (пучения) и образования зон растягивающих вертикальных и горизонтальных напряжений. При этом происходит интенсификация процессов обрушения пород, так как предел прочности пород на растяжение в 10-20 раз ниже предела прочности на сжатие. Следует отметить, что с увеличением глубины разработки интенсивность изменения площади опасных зон снижается (рисунок 3.2,а). В интервале глубин разработки 100-600м на каждые 100м изменения глубины площадь опасной зоны увеличивается на 3,5 - 4,0 м2, при глубине более 600м прирост площади составит в среднем 1,5 — 2,0 м на каждые 100м глубины. Зона разрушения пород в почве пласта возрастает почти линейно с увеличением глубины разработки. Снижение градиента прироста площади опасной зоны в боках выработки с увеличением глубины можно объяснить явлением зажима угля в боках выработки при конвергенции кровли и почвы. Интенсивность изменения площади опасных зон в кровле пласта в 1,3 раза выше по сравнению графиками в почве и боках выработки. Одним из факторов, влияющих на площадь опасной зоны является изменение коэффициента техногенного структурного ослабления, величина которого в окрестности выработок с увеличением глубины разработки в пределах от 100-1000м уменьшается на 25-40% (рисунок 3.2,6). Анализ графиков рисунка 3.2,а показал, что положение расчетных точек на графике удовлетворительно описывается логарифмической зависимостью, что в среднем соответствует результатам исследований /199/, систематизированных в формулах 2.3 и 2.4. Однако приведенный в работе /199/ алгоритм позволяет определять только высоту области активных смещений пород кровли.
Как следует из графика рисунка 3.2,а площадь опасной зоны вычисленная по методике /199/, при изменении глубины в 10 раз (100-1000м) меняется лишь в 1,5 раза, из опыта отработки угольных пластов Кузбасса на малых глубинах (до 250м) установлено /130,237,238/, что на этих глубинах при пределе прочности пород на сжатие более ЗОМПа вывалы пород кровли незакрепленных выработок происходят весьма редко. Кривая /199/ получена по результатам исследования в Донбассе, где породы кровли существенно отличаются от Кузбасса, а на глубинах отработки пластов на шахтах Кузбасса (400-70 0м) вычисленные по методике ШАХТНИУИ площади опасных зон и предлагаемой методике соответствуют расчетным по другим методикам. Однако преимуществом предложенной во втором разделе настоящей работы методики, является возможность прогнозировать не только высоту опасной зоны, но и формы и размеры этих зон, а также средневзвешенный коэффициент техногенного структурного ослабления в кровле, почве и боках выработки. Следовательно, количество параметров, вычисленных по предложенной методике, существенно больше по сравнению известными методиками, соответственно и область применения методики расширяется, так как она позволяет учитывать неоднородность пласта и боковых пород.
Наиболее неблагоприятная ситуация складывается при проведении выработки на мощном пласте, в этом случае в породах почвы происходит увеличение зоны разрушения почти прямопропорционально мощности угольной пачки в почве выработки. Одновременно площади опасных зон в боках выработки стабилизируются, что можно объяснить частичной разгрузкой боков выработки за счет создания в почве зоны разрушенного угля. Как известно, для снижения пучения пород почвы в технической литературе предлагается проводить щелевую разгрузку пород почвы. По полученным в настоящей работе результатам при наличии в почве выработки слабых пород (угля) создается естественная разгрузка и необходимость проведения щелей отпадает. Породный прослоек в угольном пласте. В процессе моделирования изучалось влияние предела прочности пород на сжатие породного прослойка его мощности и положения относительно кровли пласта. По результатам влияния мощности прослойка с пределом прочности пород 50МПа и расположенном на расстоянии 1,2м от кровли пласта (мощностью Зм), установлено, что с изменением мощности прослойка от 0,10 до 0,60м площади опасных зон в боках выработки уменьшаются в 2,0-2,1 раза (рисунок 3.5,а). При изменении предела прочности прослойка на сжатие в 3 раза площади опасных зон в боках выработки уменьшаются в 1,4 раза (рисунок 3.5,6). При расположении прослойка в середине пласта по сравнению с его расположением в верхней лачке происходит уменьшение опасных зон в боках выработки в 1,4 раза (рисунок 3.5,в). Таким образом, породный прослоек в угольном пласте армирует его, подобно тому, как работают анкера, установленные в бока выработки. Влияния параметров прослойка на кровлю и почву выработок не выявлено. Установлен эффект выдавливания слабого (глинистого влажного) прослойка. При выдавливании такого прослойка с боков выработки происходит частичная разгрузка угля в боках выработки и выдавливание за счет трения по контактам и гравитационных сил части угольного пласта, расположенного выше прослойка.
Предел прочности на сжатие пород кровли, почвы, боков. При исследовании влияния предела прочности основной кровли на параметры опасных зон выявлено, что ее мощность и предел прочности пород на сжатие не оказывают существенного влияния на характер распределения и размеры опасных зон в окрестности горных выработок. Предел прочности пород непосредственной кровли существенно влияет на площадь опасной зоны только в кровле выработки. При уменьшении предела прочности происходит интенсивное увеличение площади опасных зон в кровле выработки по гиперболическому закону (рисунок 3.6,а). Максимальный градиент снижения площади опасных зон с увеличением предела прочности пород непосредственной кровли на сжатие до 50МПа составляет 0,4м /МПа. При прочности более 50МПа происходит резкое снижение площади опасной зоны. Такая закономерность установлена в реальных условиях.
Влияние упрочненных в опасных зонах нагнетанием химических составов пород кровли на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземных горных выработок
В качестве исходных данных были взяты условия ОАО «Шахта «Большевик», пласт 30, в Кузбассе, где ранее проводились работы по упрочнению. Мощность пласта 3,55 м, угол падения пласта 10, предел прочности угля на сжатие - ЮМПа; непосредственная кровля неустойчива, сложена аргиллитом мощностью 11 м с пределом прочности на сжатие - 35МПа /93,96,99/. При ведении горных работ в подобных условиях происходили: отжим угля, вывалы пород непосредственной кровли с образованием куполов. В качестве способа предотвращения этих явлений была выбрана технология упрочнения нагнетанием скрепляющих составов в породы непосредственной кровли на высоту до двух метров над выработкой в зоне ABC (рисунок 4.2). Моделировались геомеханические процессы в окрестности подготовительной выработки шириной 4 м, пройденной на полную мощность пласта, форма выработки полигональная с наклонной кровлей, параллельной кровле пласта.
Имитация упрочнения в зоне ABC искусственно проводилась посредством изменения предела прочности на сжатие пород кровли 35 акр 140 МПа. В процессе исследования для установления зависимостей вертикальных смещений пород кровли от предела прочности пород кровли на одноосное сжатие производилось варьирование в пределах 5 ткр 140 МПа. Для каждого варианта были определены: вертикальные и горизонтальные смещения; вертикальные и горизонтальные напряжения; вертикальные, горизонтальные и сдвиговые деформации; вертикальные, горизонтальные и касательные напряжения; главные максимальное и минимальное напряжения; модуль упругости; отношение остаточной прочности пород к исходной. Для каждого из перечисленных параметров были построены изолинии распределения. В качестве примера на (рисунке 4.3) приведены изолинии вертикальных смещений не упрочненных и упрочненных в 4 раза пород кровли. При этом вертикальные смещения фиксировались в трех точках на оси Y (X = 0) на расстоянии от кровли выработки: 1- 0,0 м, 2 - 1,0 м, 3 - 2,0 м на (рисунок 4.2). При изучении влияния зависимости величин вертикальных смещений кровли в своде выработки от степени упрочнения, было проведено их сравнение при базовых условиях и с учетом упрочнения в 4 раза (таблица 4.2). В результате сравнения вертикальных смещений в упрочненных и не упрочненных породах (таблица 4.2) следует, что при увеличении предела прочности на сжатие в 4 раза с 35 до 140 МПа происходит уменьшение вертикальных смещений кровли V на 12 -18 % . На основе исследований установлено, что относительные вертикальные смещения уменьшаются по гиперболическому закону при увеличении отношения пределов прочности на сжатие пород кровли а;/Об.
Аналогичные графики были получены и для других параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива: полные и дополнительные вертикальные и горизонтальные смещения и напряжения; вертикальные, горизонтальные и сдвиговые деформации; главные максимальное и минимальное напряжения; модуль упругости; отношение остаточной прочности пород к исходной и другие. Таким образом, установлена закономерность влияния упрочнения на величины вертикальных смещений пород кровли. Уменьшение предела прочности на сжатие пород кровли акр относительно базового на 50 % приводило к росту смещений на 6 — 8 %, а при увеличении предела прочности на сжатие пород кровли относительно базового на каждые 50 % смещения уменьшались на 5 - 18 %. То есть при увеличении коэффициента крепости в 3 раза смещения уменьшались в среднем только на 10 %.
Полученные на рисунках 4.4,4.5 графики были использованы для выбора схемы расположения, плотности и глубины шпуров для нагнетания скрепляющих составов. В результате упрочнения пород непосредственной кровли и угольного пласта на ОАО «Шахта «Большевик» произошло: повышение устойчивости углепородного массива в окрестности очистных забоев и сопряжений лав с подготовительными выработками; уменьшение количества случаев обрушений пород кровли и образования «куполов», а вследствие этого снизились трудозатраты на разборку обрушенных пород и травматизм работающих. В итоге состояние выработок улучшилось и они эксплуатировались без ремонта. Таким образом, упрочнение повышает устойчивость углепородного массива за счет снижения смещений вокруг выработки. Это позволяет снизить нагрузки на крепь и ее деформации, вероятность вывалов пород, исключить связанные с ними аварийные ситуации и повысить эффективность ведения горных работ 4.3 Влияние упрочненных (в опасных зонах) анкерованием пород кровли на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземных горных выработок Для повышения устойчивости вмещающих выработку пород используются различные способы упрочнения, среди которых одним из основных является анкерование горных пород в окрестности горных выработок с применением полимерного закрепления. Однако теоретически влияние анкеров на углепо-родный массив не изучено. В этой связи сложно установить роль анкеров в обеспечении устойчивости выработок. Согласно исследованиям упрочнения пород анкерованием в услових шахты Бутовская Кемеровского угленосного района /130/, опубликованным в статье /92/, сделаны следующие выводы: - установка анкеров позволяет снизить смещения кровли горной выработки по сравнению со смещениями в незакрепленной горной выработки; - образование зон сжимающих напряжений между точками закрепления анкеров и под шайбой; - перенос зоны растягивающих напряжений вглубь массива (в сторону кровли выработки) на длину анкера; - уменьшение растягивающих напряжений в боках выработки; - при установке анкеров наибольшие сжимающие напряжения действуют в местах их закрепления под шайбой на контуре выработки; - установка анкеров в кровлю выработки не влияет на вертикальные смещения пород в почве выработки; - при установке анкеров наибольшая вероятность разрушения пород возникает в местах закрепления анкеров химическими составами и под шайбой на контуре горной выработки. Учитывая эффективность методики для прогнозирования параметров анкерного упрочнения пород проведено исследование работы анкеров по различным схемам: «сшивки»; «подшивки»; предотвращения вывалов в монолитных породах кровли выработки (рисунки 4.6-4.7).Моделировались условия шахты «Полосухинская» пласт 29а, Кузбасс, где были ранее проведены шахтные исследования (таблица 2.1). Оценена адекватность модели реальным условиям (рисунки 2.5-2.7). Для этих услолвий на которых представлены вертикальные смещения и напряжения в кровле выработки при установке трех анкеров длиной 2,2м (рисунок 4.6), а также при установке трех анкеров длиной 2,2м и двух анкеров длиной 4,5м, то есть при комплексном влиянии анкеров первого уровня и анкеров глубокого заложения (рисунок 4.7).
