Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и перспективы разработки мощных угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса 9
1.1. Особенности горно-геологических условий разработки угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса 9
1.2. Шахтный фонд Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса 33
1.3. Направления совершенствования технологических схем на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса 37
Выводы по главе 44
2. Исследование влияния горнотехнических и геологических факторов на частоту возникновения эндогенных пожаров 46
2.1. Динамика частоты эндогенных пожаров на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса 46
2.2. Зависимость частоты возникновения эндогенных пожаров от горно-геологических условий залегания пластов 50
2.3. Зависимость частоты возникновения эндогенных пожаров от горнотехнических факторов 57
Выводы по главе 78
3. Исследование напряженно-деформированного состояния межэтажных целиков и массива вмещающих пород 80
3.1. Методика проведения исследований 80
3.2. Горно-геомеханическая модель исследуемых частей горного массива 84
3.3. Результаты исследований влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние межэтажного целика и вмещающих пород 87
Выводы по главе 101
Технологические схемы, рекомендуемые при отработке склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов угля 103
1. Требования к технологическим схемам отработки пластов угля, склонных к самовозгоранию 103
2. Рекомендуемые технологические схемы отработки склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов 106
3. Определение рациональных параметров рекомендуемых технологических схем 119
4. Технико-экономическая оценка рекомендуемых технологических схем отработки склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов 141 Выводы по главе 146
Заключение 148
Список использованной литературы 150
- Шахтный фонд Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса
- Направления совершенствования технологических схем на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса
- Зависимость частоты возникновения эндогенных пожаров от горно-геологических условий залегания пластов
- Горно-геомеханическая модель исследуемых частей горного массива
Введение к работе
Актуальность работы. Практический опыт подземной разработки угольных месторождений свидетельствует о том, что к числу факторов, оказывающих существенное влияние на экономические показатели шахт и безопасность труда горнорабочих, относится склонность угля к самовозгоранию. Решение задачи предотвращения подземных пожаров, возникающих по данной причине, наиболее актуально для шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, отрабатывающих склонные к самовозгоранию мощные крутые пласты угля, балансовые запасы в которых составляют около 60 % общих запасов. Доля затрат, связанных с предотвращением и ликвидацией пожаров, достигает 40 % себестоимости угля. Эндогенные пожары приводят к потерям подготовленных запасов полезного ископаемого, величины которых достигают 200 тыс. тонн на 1 пожар. Нереализованная прибыль от потерь подготовленных запасов составляет десятки миллионов рублей.
В ряде случаев пожары являются причиной полной остановки подземных горных работ. Необходимо отметить, что даже после полной изоляции очага пожара с использованием известных способов практически всегда сохраняется опасность для труда горнорабочих при отработке рядом расположенных выемочных участков.
За 60 - летний период эксплуатации шахт Прокопьевско-Киселевского
района Кузбасса поиску способов предотвращения эндогенных пожаров и
совершенствованию технологических схем, посвящено большое число научных
работ, среди которых необходимо отметить работы, выполненные в
ЦНИЭИуголь, ИГДим.А.А. Скочинского, КузНИУИ, ВНИМИ,
ВНИИгидроуголь, СПГГИ (ТУ) и др.
Вместе с тем, как показывает практический опыт, частота возникновения эндогенных пожаров продолжает оставаться достаточно высокой и достигает на ряде шахт четырех пожаров на 1 млн. тонн добычи. В соответствии с гипотезой, принятой при выполнении данной работы, причиной этого в большинстве
5 случаев является несоответствие применяемых технологических схем горногеологическим и горнотехническим условиям отработки пластов.
Цель работы. Создание технологических схем, позволяющих снизить эксплуатационные потери угля и повысить безопасность горных работ при отработке мощных крутых угольных пластов в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.
Идея работы. Отработку мощных крутых пластов угля, склонных к самовозгоранию, необходимо производить с возведением между этажами породных полос из негорючих материалов с параметрами, исключающими перепуск очагов пожара из выработанного пространства в зоны ведения горных работ и опасные утечки воздуха из выработок отрабатываемого этажа в выработанное пространство.
Основные задачи исследований:
Анализ особенностей горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.
Исследование влияния горнотехнических и геологических факторов на частоту возникновения эндогенных пожаров на шахтах Кузнецкого бассейна.
Исследование влияния горнотехнических и геологических факторов на напряженно-деформированное состояние межэтажных целиков и массива вмещающих пород.
Разработка экономически целесообразных ресурсосберегающих технологических схем выемки мощных крутых пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.
Разработка эффективных и технологичных способов возведения межэтажных породных полос.
Методы исследований. Для решения поставленных задач был использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по
проблеме отработки склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов угля с использованием различных технологических схем и технологий добычи; шахтные исследования процессов деформирования и разрушения краевых частей угольных целиков; аналитические исследования с использованием методов механики сплошной среды; экспертную оценку основных выводов и рекомендаций с привлечением инженерно-технического персонала ООО «УК «Прокопьевскуголь». Научная новизна: установлены качественные и количественные зависимости степени влияния основных факторов, определяющих частоту возникновения эндогенных пожаров при использовании прогрессивных технологий выемки мощных крутых пластов, от глубины ведения горных работ. Основные защищаемые положения:
При отработке склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов угля увеличение глубины ведения горных работ приводит к изменению роли факторов, оказывающих влияние на частоту возникновения эндогенных пожаров: на малых глубинах основными причинами эндогенных пожаров являются разрушенный уголь в выработанном пространстве и труднорегулируемые утечки воздуха между зонами ведения очистных работ и поверхностью; на глубинах, превышающих некоторое предельное значение, зависящее от горно-геологических условий залегания пласта, основной причиной эндогенных пожаров является перепуск химически активного разогретого угля из выработанного пространства в зоны ведения горных работ.
Эффективность выемки склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов угля повышается при возведении между этажами и выемочными участками полос из негорючих материалов с параметрами, при которых исключается перепуск химически активного разогретого угля из выработанного пространства в зоны ведения горных работ, а так же опасные утечки воздуха из выработок отрабатываемого этажа в выработанное пространство.
7 3. Минимальные издержки производства и минимальная частота
возникновения эндогенных пожаров при системах разработки с разделением
этажей на подэтажи обеспечиваются комбинированным порядком отработки
подэтажей, в соответствии с которым первым в этаже отрабатывают нижний
подэтаж с полной закладкой выработанного пространства негорючим
материалом, а отработку остальных подэтажей ведут последовательно в
нисходящем порядке.
Практическая значимость работы:
обоснована неперспективность использования в современных рыночных
условиях на угольных шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса
технологических схем отработки мощных крутых пластов,
предусматривающих оставление межэтажных и межблоковых целиков.
разработаны экономически эффективные ресурсосберегающие технологические схемы выемки склонных к самовозгоранию мощных крутых пластов угля, включающие оставление между этажами полос из негорючих материалов, периодически перепускаемых в выработанные пространства отрабатываемых подэтажей.
предложены рациональные схемы возведения межэтажных породных полос при отработке этажей в нисходящем порядке.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций. Достоверность защищаемых положений и основных выводов обеспечивается соответствием прогнозируемых качественных и количественных характеристик исследуемых процессов результатам, полученным при проведении шахтных наблюдений; использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении шахтных исследований; качественным соответствием основных выводов и разработанных рекомендаций исследованиям других авторов.
8 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались: на ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГИ
(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2002 г.,
2003 г., 2004 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы
освоения полезных ископаемых» (Санкт-Петербург, 2005 г.); «Молодежных
научно-практических конференциях, проводимых в рамках Уральской
горнопромышленной декады» (Екатеринбург, 2004 г., 2005 г.); научных
семинарах кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых»,
СПГГИ (ТУ).
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные и аналитические исследования, выполнена интерпретация полученных результатов, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 157 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 источников, включает 64 рисунка и 9 таблиц.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных, техническим работникам ООО «УК «Прокопьевскуголь» за помощь в сборе исходной информации и проведении шахтных исследований, сотрудникам кафедры РМПИ за полезные замечания и помощь при выполнении работы
9 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ
МОЩНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТАХ
ПРОКОПЬЕВСКО-КИСЕЛЕВСКОГО РАЙОНА КУЗБАССА
Шахтный фонд Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса
Шахты Прокопьевско-Киселевского района занимают лидирующие позиции по добыче угля высокоценных коксующихся марок в Кузбассе и имеют 735 млн. тонн запасов угля, включая 330 млн. тонн запасов высококлассного коксующегося угля (рис. 1.5).
По прогнозным оценкам добыча с данного месторождения может быть доведена до 20-30 млн.т в год, причем около половины добытого полезного ископаемого может быть представлено высоко ценными марками коксующегося угля, при условии открытия новых шахт, применением высоко производительных технологий добычи. Прокопьевско-Киселевского месторождения. шахт в период с 1993 по 1999 годы, и уменьшением их количества в конечном итоге на 1/3, наблюдается незначительное уменьшение интенсивности эксплуатации месторождения. Так как закрытые шахты отличались большой глубиной ведения горных работ, сложными горно-геологическими условиями залегания пластов, высокой аварийностью и только отрицательно влияли на общие технико-экономические показатели.
Из-за разнообразия горно-геологических условий на Прокопьевско-Киселевском месторождении и склонности к самовозгоранию большинства пластов применялось более 10 систем разработки и их вариантов, основными из которых являются (рис. 1.9): длинные столбы по простиранию, щитовая, комбинированная с гибким перекрытием, подэтажная гидроотбойка, подэтажные штреки, системы с закладкой выработанного пространства и другие .
В настоящее время произошел отказ от многих из применяемых ранее технологий и перевод шахт на более прогрессивные технологические схемы. Как видно из диаграммы рис. 1.10, в настоящее время основное количество полезного ископаемого добывается с использованием систем разработки: «Щиты с обрушением» и «Подэтажные штреки с гидроотбойкой», причем в последние годы наблюдается повышение доли добычи с применением системы разработки с подэтажной гидроотбойкой (45 %) и уменьшение доли щитовой системы разработки (18%) по сравнению с началом периода, когда добыча составляла (14 %) и (38 %) соответственно. Система разработки с подэтажной гидроотбойкой применяется на пластах любой мощности и углом падения более 35. Причиной увеличения доли добычи с использованием данной технологии, является: возможность легко адаптировать технологию к изменчивости горно-геологических условий. Так же повысить производительность труда горнорабочих в 1,5-2 раза и снизить себестоимость добываемого угля не менее чем на 25%, и, кроме того, повысить безопасность труда за счет дистанционного управления процессом выемки - сравнительно с традиционно применяемой буровзрывной выемкой. Эксплуатационные потери угля при данной технологии добычи до 40 %. Разработки подэтажными штреками с обрушением применяется на пластах мощности от 3,5 до 10 метров и углами падения более 40 . Высота подэтажа принимается 40 метров, расстояние между подэтажными штреками 6-8 метров. Длина блока выбирается в зависимости от склонности пласта к самовозгоранию и изменяется в пределах от 100 до 150 метров. Эксплуатационные потери достигают 50 % (рис. 4.26).
Щиты с обрушением применяются на пластах мощностью до 15 м и углом падения не менее 55. Однако, с переходом горных работ на более глубокие горизонты, эффективность применения щитовой системы разработки значительно снижается. Причиной является высокая аварийность горных работ вследствие повышения горного давления, сложность управления процессом посадки (опускания) щита и ухудшения перепуска обрушенных пород. Эксплуатационные потери до 30 % (рис. 4.25).
Комбинированная с гидромонитором и гибким перекрытием применяется на пластах любой мощности и углом падения более 35. Бывает с гибким перекрытием в одной и двух плоскостях. Потери с гибким перекрытием в одной плоскости достигают 25 %, в двух плоскостях - до 20 %.
Сложные горно-геологические условия предопределяют высокие потери полезного ископаемого не зависимо от применяемой системы разработки, только применение систем разработки с закладкой выработанного пространства характеризуется низкими потерями полезного ископаемого. При отработке пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения потери полезного ископаемого составляют, как правило, более 50 % балансовых запасов. Из всех потерь угля более 75 % приходится на эксплуатационные, причем при применении отдельных вариантов систем разработки, эксплуатационные потери могут достигать 40 % и более. При эксплуатации шахт и проектировании отработки новых выемочных полей в сложных условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения постоянно происходит и совершенствование существующих систем разработки и применение новых средств механизации.
Однако данные усовершенствования и нововведения часто бывают эффективными только в узком диапазоне горно-геологических условий и не решают проблемы отработки, склонных к самовозгоранию угольны пластов. Так как применяемые технологические схемы, в своем большинстве, не обеспечивают удовлетворительных технологических показателей, это подтверждается тем фактом, что ни одна из шахт не достигла в данных условиях своей проектной производственной мощности, а технико-экономические показатели работы предприятий ведущих разработку Прокопьевско-Киселевского месторождения значительно ниже таковых при отработке других месторождений Кузбасса.
Направления совершенствования технологических схем на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса
Как видно из данных представленных на диаграмме (рис 1.10) и в таблице 1.8. в последнее время наметился перевод шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения на гидравлическую систему добычи и ее доля постоянно растет.
Основными причинами снижения добычи, ухудшения технико-экономических показателей шахт и невысокой конкурентоспособности товарной продукции с применением традиционных технологий «сухих» и перевода шахт на гидравлическую технологию являются: - сложные горно-геологические условия и их дальнейшее ухудшение с ростом глубины разработки (пожароопасность, внезапные выбросы угля и газа, горные удары и т. д.); - отсутствие эффективной технологии выемки мощных крутопадающих пластов с обычной традиционной «сухой» технологией.
В тоже время работающие в АО УК «Прокопьевскуголь» шахты с гидравлической технологией добычи угля - «Тырганская» и «Красногорская» имеют показатели, стабильно превышающие показатели работы шахт с обычной технологией по производительности труда - в 1,98 раза, по себестоимости добычи - в 1,46 раза. Таким образом, основным перспективным направлением развития технологических схем отработки пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения является расширение области применения гидравлического способа добычи.
1. В результате выполненных исследований установлено, что, несмотря на большое число научных работ посвященных рассматриваемой проблеме, самовозгорание угля и связанные с ним эндогенные пожары являются одной из основных причин снижения безопасности горных работ, увеличения эксплуатационных потерь угля и снижения экономических показателей шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, отрабатывающих мощные пласты угля.
2. Проблема обеспечения пожаробезопасной отработки шахтных полей является особенно актуальной для шахт Прокопьевско-Киселевского района, так как 55 % подготовленных и отрабатываемых полей шахт отнесены к весьма склонным к самовозгоранию, 15 % к склонным к самовозгорания и только 30 % не склонны к самовозгоранию.
3. Повышенная пожароопасность отработки Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения связана: с высокой углеплотностыо месторождения около 12 % угля в породах; со сближенностью пластов и, как следствие этого, их многократной подработкой и надработкой; с особенностями сдвижения, обрушения и перепуска пород, а именно: при отработке каждого последующего этажа, вплоть до глубины 150 м, происходит активация перепуска раннее обрушенных пород и сдвижение в висячем боку, в результате которого, до указанной глубины ведения горных работ, сохраняется, как правило, аэродинамическая связь с поверхностью.
4. Применение систем разработки с полным обрушением кровли, связано с большими потерями полезного ископаемого, возможностью перепуска пожаров из вышерасположенных этажей в отрабатываемые при подработке участков с химически активным углем, находящемся в стадии самонагревания.
5. Существующий опыт гидравлической отработки мощных крутых пластов свидетельствует, что широкое использование данной технологии, позволяет получить показатели, стабильно превышающие показатели работы шахт с обычной технологией по производительности труда - в 1,98 раза, по себестоимости добычи - в 1,46 раза. Таким образом, перевод всех шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения на гидравлическую технологию добычи угля позволит повысить конкурентоспособность добываемого угля, повысить безопасность ведения горных работ и снизить пожароопасность
Зависимость частоты возникновения эндогенных пожаров от горно-геологических условий залегания пластов
Анализ имеющихся данных о зарегистрированных эндогенных пожарах в период 1955 по 2003 годы позволил провести дифференциацию эндогенных пожаров по пластам и выявить пласты, отработка которых сопряжена с высокой опасностью возникновения эндогенных пожаров. Это пласты: Мощный, Горелый, IV Внутренний, Безымянный, Двойной и III Внутренний. Наибольшее число случаев самовозгорания угля зарегистрировано при отработке пластов: Мощный (до 45 %), Горелый (до 25 %) , IV Внутренний (до 25%), на долю которых приходится более 50 % всех запасов месторождения (рис. 2.5). Таким образом, возникает необходимость выявления факторов влияющих на пожароопасность данных пластов, и их исключение, если это возможно с целью снижения количества пожаров и повышения экономически эффективности и безопасности разработки Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.
Проведенный анализ литературы по теме исследований и фактических случаев самовозгорания позволил выделить основные горно-геологические факторы, определяющие возможность самовозгорания угля. Мощность пласта.
При исследовании влияния данного фактора на вероятность возникновения эндогенных пожаров использовались работы [12, 38, 62, 68, 90] и шахтные данные о зарегистрированных эндогенных пожарах на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса. При обработке данных о возникающих эндогенных пожарах за последние 50 лет, наиболее характерными являются данные, полученные в период с 1967 по 1981 годы, так как в данный период происходит увеличение добычи, разрабатываются пласты различной мощности с применением различных систем разработки. Кроме этого следует отметить благоприятные политические и экономические условия для развития угольной промышленности в целом. Как следует из диаграммы (рис 2.6) при прочих равных условиях количество эндогенных пожаров возрастает с увеличением мощности пласта. Так в период времени с 1967 по 1971 годы число пожаров на пластах мощностью от одного до трех метров в несколько раз меньше, чем на пластах мощностью от трех до десяти метров и на порядок меньше, чем на пластах мощностью более десяти метров. Аналогичная тенденция наблюдается и в последующие рассматриваемые периоды. Данный факт, может быть объяснен тем, что с увеличением мощности пласта возрастают эксплуатационные потери полезного ископаемого в выработанном пространстве (при отработке пластов мощностью 3-7 м коэффициент извлечения составляет 0,75-0,8; мощностью 7-15 м - 0,6-0,75), уменьшается скорость подвигания очистных забоев, усложняется управление процессами разрушения угля и перепуска обрушенных пород.
С увеличением мощности пласта растут потери угля в целиках. Как видно из диаграммы (рис. 2.8) эти потери в межэтажных целиках шириной 5, 10, 20 м при различной мощности пластов достигают 60 тысяч тонн подготовленных запасов с одного блока длинной 150 м. При этом необходимо отметить, что межэтажные целики оставляемые в настоящее время разрушаются под действием горного давления и представляют собой после разрушения потенциальный источник пожароопасности.
Угол падения пласта. Как уже отмечалось выше, пласты Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса залегают большими свитами с углом падения от 35 до 90 градусов. Крутое и крутонаклонное залегание пластов угля приводит к возрастанию вероятности возникновения эндогенного пожара, так как при увеличении угла падения происходит активизация процессов перепуска разрушенного угля и обрушенных пород с выше лежащих (отработанных) этажей в отрабатываемые. Так же необходимо отметить, что при крутом падении пластов увеличивается вероятность утечек воздуха в выработанное пространство вышележащих этажей за счет сложности изоляции выработанного пространства этих этажей. Таким образом, возникает опасность активизации старых пожаров, возникновения новых и их перепуск (перемещение) в отрабатываемые этажи.
Необходимо отметить, что крутонаклонное и крутое залегание приводит к увеличению шага обрушения основной кровли и, как следствие, созданию благоприятных условий для свободного перемещения пород в выработанном пространстве, происходит активация перепуска раннее обрушенных пород и сдвижение в висячем боку, в результате которого, сохраняется, как правило, аэродинамическая связь с поверхностью .
Изменения пролета при первом обрушении кровли в зависимости от угла падения [4] Увеличение угла падения от 35 до 90 градусов приводит к уменьшению потерь неотбитого угля в пределах заходки так, как в зависимости от мощности и угла падения пласта изменяются геометрическая форма заходки, а, следовательно, объем и положение целиков неотбитого угля.
Наличие пластов спутников увеличивает вероятность возникновения эндогенных пожаров, так как при ведении горных работ происходит подработка или надработка пластов спутников, что приводит к нарушению их сплошности газо-проводящими трещинами, соответственно угольный массив пластов спутников вступает в контакт с кислородом воздуха и при «благоприятных» условиях может произойти самовозгорание. Склонность угля к самовозгоранию.
Сильная тектоническая нарушенность пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса увеличивает опасность самовозгорания, так как создает трудности при выемке угля, увеличивает аварийность горных работ, приводит к увеличению эксплуатационных потерь угля и потерь угля в целиках у геологических нарушений. Кроме того, тектонические нарушения характеризуются высокой проницаемостью пород, что создает дополнительные условия для движения воздуха.
Вмещающие угольные пласты породы Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса сложены в основном устойчивыми и средней устойчивости песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Устойчивость боковых пород приводит к тому, что боковые породы вслед за выемкой пласта сразу не обрушаются и пустоты выработанного пространства заполняются не обрушенными боковыми породами, а рыхлыми отложениями. Породы висячего бока периодически сползают большими массами, взаимодействуя с сыпучими породами. Их сдвижение происходит после выемки пласта на большой площади. Все это приводит к произвольному перепуску сыпучих пород с этажа на этаж, при этом вместе с сыпучими породами возможны перепуски ранее возникших очагов пожаров. Так же необходимо отметить, что сдвижение боковых пород большими блоками, приводит к возникновению каналов для движения воздуха в выработанном пространстве и его доступа к окисляющемуся материалу или очагу пожара.
Горно-геомеханическая модель исследуемых частей горного массива
Анализ механических свойств и структурных особенностей горного массива [2] показал необходимость рассмотрения геомеханической задачи для однородной сплошной среды, условия, на границе выделенной области которой, заданы отвечающими таковым в окрестности рассматриваемого массива.
Выполненные исследования позволили разработать горно-геомеханическую модель, адекватно отражающую свойства изучаемого массива горных пород Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.
Поскольку выработанное пространство (и наличие в нем обрушенных пород) может оказать существенное влияние на напряженно-деформированное состояние горного массива [1, 2, 83], то необходимо выявить степень влияния данного фактора в рамках поставленной задачи по определению устойчивой ширины межэтажных целиков.
Граничные условия и геометрические параметры исследуемых объектов отражены в горно-геомеханической модели и расчетных схемах. В качестве граничных условий, приняты условия, отвечающие максимальному уровню гравитационных нагрузок на глубинах отработки 200-700 м.
С целью изучения влияния различных горнотехнических и горногеологических факторов на предельные значений ширины межэтажных целиков для разработанных горно-геомеханических моделей, расчетных схем и их вариантов были рассчитаны, с использованием метода конечных элементов, все компоненты тензора напряжений ау, деформаций єу и вектора перемещений St. Для проведения необходимого теоретического обобщения была проведена компьютерная обработка числовых полей пакетами программ и получена графическая интерпретация всех параметров (фрагменты результатов исследований приведены на рис. 3.3-3.12).
В качестве примера, иллюстрирующего характер полученных при расчетах результатов, на рис. 3.3 и 3.11, приведены поля напряжений в межэтажном целике и вмещающих породах для горно-геологических условий пласта "Двойной", при этом ширина межэтажного целика составляла 7 м, мощность пласта 7 м, угол падения пласта - 60.
Как следует из данного рисунка, уже после отработки одного подэтажа, в нижней части межэтажного целика ABCD (рис. 3.3, б) образуется зона растягивающих напряжений стх, величина которых превышает предел прочности угля на растяжение. Указанная зона смещена к висячему боку пласта и имеет размеры: в горизонтальном направлении - 0,75 мощности пласта, в вертикальном направлении - 0,4 ширины межэтажного целика.
Условие не разрушения целиков наглядно отражено на рис.3.8. Как видно из рис.3.8, при ширине целика более предельной в нем четко прослеживаются зоны предельных касательных деформаций. При этом, зона предельных деформаций, образующаяся в нижней части целика характеризуется переходом угля в запредельное состояние, что приводит к его обрушению под действием собственного веса и образованию свода равновесия. Зона, образующаяся в верхней части целика, также связана с разрушением (переходом в запредельное состояние) угля, однако, при отсутствии возможности перемещения под действием собственного веса и наличии устойчивого ядра в целике, в указанной зоне уголь лишь значительно снижает свои прочностные характеристики, при незначительном перемещении ("отжиме") в сторону выработанного пространства. На рис. 3.7. приведена горнотехническая ситуация, соответствующая разрушению межэтажного целика при его ширине менее предельной. Как видно из рисунка в этом случае зоны предельного состояния накладываются и охватывают весь целик.
Необходимо отметить, что наличие обрушенных пород в выработанном пространстве ранее отработанного этажа выше межэтажного целика приводит к снижению нагрузки в верхней части целика, и как следствие к повышению его устойчивости. Как видно из рис. 3.5 зоны предельных напряжений в краевых частях значительно отличаются по размеру - зона в верхней части в 2 раза меньше чем в нижней, что связано с «отпором», создаваемым обрушенными породами в выработанном пространстве отработанного этажа.
Выполненные аналитические исследования показали, что наиболее существенное влияние на напряженно-деформированное состояние межэтажного целика оказывают: - глубина горных работ; - угол падения пласта; - величина отношения мощности пласта к ширине межэтажного целика (коэффициент формы целика); - размеры выработанного пространства отрабатываемого этажа по падению. Глубина горных работ является основным фактором, определяющим устойчивость межэтажных целиков. С увеличением глубины горных работ возрастает уровень гравитационной нагрузки, величина которой на глубинах более 300 м в большинстве случаев превышает прочностные характеристики угля.
Угол падения пласта. Размеры и конфигурация зон предельного состояния (предельных напряжений и деформации) в краевых частях межэтажных целиков в значительной степени зависят от угла залегания пластов. Так, при залегании пластов, близком к вертикальному (80-90) в нижней и верхней краевых частях межэтажных целиков возникаю зоны предельного состояния (рис. 3.8). При этом в нижней части целика уголь, находящийся в запредельном состоянии, под действием собственного веса обрушается. С уменьшением углов залегания пластов также имеют место зоны предельного состояния в краевых частях межэтажных целиков, однако в нижней части целика указанная зона значительно увеличивается (вследствие возрастания вертикальной составляющей нагрузок) и смещается в сторону висячего бока.
Размеры выработанного пространства отрабатываемого этажа по падению. В результате исследований установлено, что устойчивая ширина целика в значительной степени определяется размерами выработанного пространства отрабатываемого подэтажа. Так, на глубинах 250-300 м, при отработке первого и второго подэтажей (размеры выработанного пространства по падению составляют 10-30 м) может быть обеспечена изоляция отрабатываемого этажа при ширине целика равной 1,5-2 мощностям отрабатываемого пласта. Однако, по мере развития горных работ и соответствующем ему росте коэффициента концентрации напряжений, целики указанной ширины уже не обеспечивают своих изоляционных функций.
