Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи со значительным углублением гор-ых работ на шахтах Юго-Восточного Донбасса обострился вопрос безо-асной отработки удароопасных антрацитовых пластов. В этом районе нтрациты составляют 70 % всех запасов угля.
До настоящего времени горные удары при разработке антрацитовых ластов наблюдались на шахтах "Южная", "Майская", "Западная-Капи-альная", "Аютинская" (ПО "Ростовуголь"), "Дружба", им.Чапаева и Яновская" (ПО "Донбассантрацит").
Условия возникновения горных ударов на антрацитовых пластах свя-аны в первую очередь с особенностями механических свойств антрацита наличием в толще пород мощных прочных песчаников, склонных к зави-анию. Характерной особенностью антрацитовых пластов в рассматривае-ом районе является то, что в большинстве случаев они имеют сложное троение. Как правило, антрацитовые пласты в средней части замещают-я прочным породным прослоем глинистого сланца. Наблюдается изменчи-ость строения пласта. Соотношение прочностных характеристик антрактовых и породных проплаотков, составляющих пласт, могут изменяться а отдельных участках в пределах шахтного поля в десятки раз. В свя-и с этим потребовалось проведение специалі -ых исследований с целью азработки комплекса мероприятий по прогнозу и повышению эффектив-ости локальных мер предотвращения горных ударов применительно к ан-рацитовым пластам сложного строения с прочными породными прослойка-и.
Исследованиями ВНИМИ по прогнозу пластов, склонных к горным уда-ам на шахтах Юго-Восточного Донбасса показали, что данная проблема оснется в той или иной степени порядка 45 шахтопластов, что и пред-пределяет актуальность темы диссертации.
Автор диссертации участвовал в период с 1985 по 1991 гг. в качес-ве ответственного исполнителя в исследованиях ВНИМИ по темам '293132600 и 0295015000 (№* г.р. 01860076839, 01.9.00005094) "Прове-,ение исследований по усовершенствованию существующих и разработке говых методов и средств оценки напряженно-деформированного и газоди-амического состояния массива горных.пород в условиях больших глубин Разработка методики оценки удароопасности антрацитовых пластов ложного строения".
Цель работы. Разработка научно-обоснованного комплекса мероприя-'ий по прогнозу и предотвращению горных ударов при разработке антрактовых пластов сложного строения с прочными породными прослойками.
- I -
Идея работы заключается в том, что для повышения надежности прогноза и эффективности способов предотвращения горных ударов на антрацитовых пластах сложного строения необходимо учитывать физико-механические свойства и мощность породного прослойка.
Задачи исследований:
-
Изучение особенностей структуры, прочности и мощности антрацитовых пачек и породных прослойков удароопасного пласта і" в Шах-тинском и Новошахтинском районах Юго-Восточного Донбасса.
-
Разработка методики и аппаратуры для определения механически? характеристик угольного массива, включая и запредельную область деформирования, а также оценки напряженно-деформированного состояния краевой части пласта сложного строения.
-
Экспериментальное определение механических свойств краевой части антрацитового массива с породными прослойками при ее нагруже-нии с помощью давильной установки, позволяющей получать запредельные характеристики деформирования.
-
Установление в лабораторных условиях закономерностей изменения прочности, характера деформирования и разрушения образцов сложного строения в зависимости от прочности, деформационных свойств и мощности породного прослойка.
-
Определение характера деформирования и изменения степени уда-роопасности целиков и краевой части участков пласта і" сложного строения в зонах опорного давления путем долговременных инструментальных наблюдений.
-
Разработка способов повышения эффективности локальных и региональных мер по прогнозу и предотвращению горных ударов при выемке антрацитовых пластов сложного строения.
Методы исследований. Поставленные задачи'решались комплексным методом, включающим в себя анализ горно-геологических и горнотехнических условий разработки антрацитовых пластов сложного строения, шахтные наблюдения за конвергенцией пород "кровля-почва", оценку напряженно-деформированного состояния краевой части пласта методом динамического внедрения бойка и по выходу штыба при бурении прогнозных шпуров, определение деформационно-прочностных характеристик краевой части массива сложного строения при помощи давильной установки, определение прочности антрацитовых пачек, породных прослойков экспресс-методом, а также лабораторные эксперименты по установлению закономерностей деформирования образцов, составленных из различных слоев пород.
Научные положения, выносимые на защиту:
степень удароопасности участков антрацитового пласта сложного троения зависит от механических свойств и мощности породного про-лоя, расположенного в пласте;
антрацитовый пласт сложного строения неудароопасен, если проч-ость породного прослоя в четыре и более раза выше прочности уголь-ых пачек, а мощность прослоя составляет 45 % и более от вынимаемой ощности пласта;
вид напряженного состояния угольных пачек зависит от соотноше-ия мощностей пропластков породы и антрацитовых пачек и определяет арактер деформирования, разрушения и степень удароопасности крае-ой части пласта.
Научная новизна работы:
установлены критерии по факторам прочности и мощности породно-о прослоя, при которых происходит его активное влияние на напря-енно-деформированно* состояние и степень удароопасности участков ласта;
установлен механизм взаимодействия прочного прослойка с антра-итовыми пачками на пластах сложного строения и показано, что при величении мощности породного прослоя одновременно уменьшается мощ-ость антрацитовых пачек, что ведет к изменению вида напряженного остояния этих пачек и, как следствие, снижению степени удароопас-ости разрабатываемого пласта;
предложен поправочный коэффициент для определения по действую-ей "Инструкции..." категории удароопасности участков пласта с уче-ом его структуры.
Личный вклад автора в проведение исследований.
Автором разработаны методика и оборудование для проведения шахт-ых экспериментов, выполнены лабораторные и шахтные исследования, роведена статистическая обработка и обобщение экспериментальных анных, выполнен анализ результатов длительных шахтных инструмен-альных наблюдений за проявлениями горного давления, разработана етодика прогнозирования удароопасности антрацитовых пластов слож-ого строения с прочными породными прослойками; установлены крите-ии по факторам прочности и мощности породного прослойка, при кото-ых происходит существенное изменение степени удароопасности пласта; редложен коэффициент, при помощи которого определяется категория дароопасности угольных пластов сложного строения с прочными пород-ыми прослойками; даны практические предложения по повышению безо-
пасности при планировании и ведении горных работ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспе чивается комплексной методикой исследований, большим объемом шахтных и лабораторных экспериментов; экспресс-методом (пробником БУ-3 изучены прочность антрацитовых пачек и породных пропластков на четырех шахтопластах, проведено 60 натурных испытаний механических свойств краевой части пласта с помощью давильной установки, прозой даровано с помощью динамического пробника напряженно-деформированн состояние антрацитового массива по более чем 250 прогнозным шпурам глубиной до 5 м, испытано около 350 составных образцов пород в лабораторных условиях, изучены экспериментальные данные по реперным станциям в шахтах, проведенные в течение двух лет.
Практическое значение работы заключается в том, что предложены] мероприятия по прогнозу и профилактике горных ударов включались в спецпроекты отработки пластов в особосложных условиях на шахтах "Майская", "Южная", "Аютинская", "Западная-Капитальная'.' Рекомендации автора способствовали своевременному принятию мер по предотвра-щению горных ударов на шахтах ПО "Ростовуголь" и "Гуковуголь", разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам.
Реализация работы. Рекомендации автора внесены в "Каталог пластов угля, угрожаемых по горным ударам на месторождениях СССР"; пол; ченные результаты исследований позволили скорректировать номограмм; для определения категории удароопасности участков пласта, утверждеї ной комиссией по горным ударам ПО "Ростовуголь" для применения на шахтах "Южная", "Майская", "Аютинская", "Западная-Капитальная" ПО "Ростовуголь".
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались на НІС по горным ударам и вне-запным выбросам угля, породы и газа, секции горного давления и горных ударов Ученого Совета ВНИМИ, на Ученом Совете ВНИМИ в 1985-1992 гг., а также на шахтах ПО "Ростовуголь".
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатньг работ, из них 3 изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глаї заключения, списка литературы из 78 наименований, 68 рисунков, 4 таблиц. Общий объем работы 166 страниц машинописного текста.
Автор выражает благодарность коллективу лаборатории прогнозиров; ния удароопасности пластов ВНИМИ и ее руководителю профессору Бичу Я.А., а также гл.горняку ПО "Ростовуголь" Дьяконову Ю.Я. и ру-
оводителям групп прогноза на шахтах "Майская", "Клкная" Губину-И.И. Жигунову Г.Э. за помощь и содействие в проведении эксперименталь-ых работ, советы и консультации по теме диссертации.