Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и перспективы развития технологии подземной разработки угольных пластов 13
1.1. Состояние и перспективы развития технологии подземной добычи угля в ведущих угледобывающих странах 13
1.2. Состояние и перспективы развития подземной угледобычи в России 20
1.3. Состояние безопасности горных работ на угольных шахтах 26
1.4. Особенности технологии разработки высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах 30
1.5. Обзор опыта отработки высокогазоносных, опасных по динамическим явлениям пластов Воркутского месторождения 38
1.6. Выводы по главе 53
Глава 2. Натурные исследования геомеханических процессов на выемочных участках угольных пластов воркутского месторождения 56
2.1. Общие положения 56
2.2. Исследование эффективности способов прогноза и предотвращения динамических явлений в очистных забоях и прилегающих выработках 57
2.3. Исследование возможности возникновения динамических разломов почвы выработок при ведении горных работ по пласту «Мощный» 66
2.4. Исследования НДС массива вокруг подготовительных выработок, сохраняемых для повторного использования 78
2.5. Исследование НДС массива вокруг спаренных выработок на выемочных участках пласта «Четвертый» 89
2.6. Анализ результатов натурных исследований 103
2.7. Выводы по главе 105
Глава 3. Экспериментально-аналитические исследования ндс массива при многоштрековой подготовке выемочных участков 108
3.1. Общие положения 108
3.2. Выбор методики проведения аналитических исследований 109
3.3. Напряженно-деформированное состояние массива вмещающих пород вокруг спаренных выработок различной геометрии 110
3.4. Геомеханические процессы, протекающие в массиве, при подготовке выемочных участков спаренными выработками 121
3.5. Обоснование рациональной ширины целика между спаренными выработками 128
3.6. Исследование влияния анкерования пород кровли выработок на напряженно-деформированное состояние массива 138
3.7. Оценка конвергенции пород в спаренных выработках за весь срок их службы 145
3.8. Исследование напряженно-деформированного состояния массива при многоштрековой подготовке выемочных участков пласта «Четвертый» 147
3.8.1. Разработка горно-геомеханических моделей и расчетных схем (ГГМиРС) 153
3.8.2. Обобщение результатов исследований НДС массива вокруг выемочных штреков 157
3.9. Выводы по главе 161
Глава 4. Особенности управления газовыделением на выемочных участках шахт оао «воркутауголь» 164
4.1. Анализ способов управления газовыделением на выемочных участках шахт ОАО «Воркутауголь» 164
4.2. Исследование газового режима выемочного участка, подготовленного спаренными выработками 179
4.3. Выводы по главе 191
Глава 5. Сопоставительная оценка безопасности схем подготовки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах 193
5.1. Общие положения 193
5.2. Оценка технологических схем подготовки и отработки выемочных участков с точки зрения опасности динамических явлений 195
5.3. Оценка технологических схем подготовки и отработки выемочных
участков с точки зрения надежности управления газовыделением 201
5.4. Оценка уровня противопожарной безопасности технологических схем подготовки и отработки выемочных участков 206
5.5. Сопоставительная оценка технологий и отработки выемочных участков с точки зрения воздействия на окружающую среду 210
5.6. Выводы по главе 213
Глава 6. Методологические принципы выбора параметров технологии отработки высокогазоносных пластов на больших глубинах 215
6.1. Общие положения 215
6.2. Рациональные технологические схемы проведения и крепления выработок при многоштрековой подготовке 216
6.3. Обоснование параметров технологических схем очистных работ 223
6.4. Обоснование выбора рациональных технологических схем подготовки и отработки выемочных участков 225
6.5. Определение рациональной области применения различных схем подготовки выемочных участков 230
6.6. Стоимостная оценка многоштрековых схем подготовки выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь» 234
6.7. Выводы по главе 240
Заключение 242
Список литературы
- Состояние и перспективы развития подземной угледобычи в России
- Исследование эффективности способов прогноза и предотвращения динамических явлений в очистных забоях и прилегающих выработках
- Напряженно-деформированное состояние массива вмещающих пород вокруг спаренных выработок различной геометрии
- Исследование газового режима выемочного участка, подготовленного спаренными выработками
Введение к работе
Актуальность проблемы. Угольная промышленность России пройдя сложный период реструктуризации 1994-2007 гг. в настоящее время характеризуется устойчивым ростом объемов производства как на шахтах, так и на разрезах. По сравнению с 2000 г. прирост добычи в 2007 г. составил более 55 млн. тонн, в том числе подземной угледобычи — более 18 млн. тонн. Рост добычи на шахтах обеспечен введением новых производственных мощностей, а также ростом нагрузок на очистные забои. Очистные забои действующих шахт оснащаются современными надежными высокопроизводительными комплексами, способными обеспечивать суточные нагрузки 10000 и более тонн.
Вместе с тем, высокая концентрация горных работ, рост производительности очистных забоев сопровождаются недопустимо высоким уровнем аварийности и травматизма, более чем на порядок превышающим соответствующие показатели шахт мирового и европейского уровня. За период с 2000 по 2006 годы в целом на шахтах России произошло 199 аварий, в том числе 52 взрыва метана, в которых пострадали 380 человек, в том числе 163 со смертельным исходом. В 2007 году на шахтах смертельно травмировано 242 человека, в том числе 160 человек — в результате взрывов метана. Аварийности способствуют как более сложные горно-геологические условия российских шахт, так и несоответствие применяемых способов управления газовыделением и управления- состоянием массива тому уровню нагрузок на забои, который обеспечивают современные механизированные комплексы. Более половины- от общего объема подземной угледобычи поступает из шахт III категории и сверхкатегорных и, как показывает анализ сырьевой базы действующих шахт, подобная ситуация сохранится в течение ближайших десятилетий. На шахтах России отрабатываются, более 70 пластов, отнесенных к опасным или1 угрожаемым по газодинамическим явлениям. Глубина ведения горных работ увеличивается в среднем на 15-20 метров-в год, что способствует обострению вопросов, связанных с управлением газовыделением и горным
7 давлением в шахтах, на которых уже сейчас в большинстве случаев горногеологические условия характеризуются как сложные.
Эффективность и безопасность горных работ, а также конкурентоспособность добываемого в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях угля могут быть обеспечены за счет использования новых технических и технологических решений по выемке угля. Определяющим в этом отношении является выбор рациональных способов подготовки выемочных столбов, управления состоянием массива и управления газовыделением на выемочных участках, позволяющим полностью использовать технические возможности современной выемочной техники. Интенсификация очистной выемки также предъявляет особые требования к скорости проходки и качеству проводимых для воспроизводства фронта очистных работ подготовительных выработок.
Решению проблем эффективности, технологической и экологической
безопасности подземной угледобычи посвящены работы А.Т. Айруни,
Я.А. Бича, А.А. Борисова, А.С. Бурчакова, В.Н. Вылегжанина, И.Е. Долгого,
B.C. Забурдяева, В.Е. Зайденварга, В.П. Зубова, В.Н. Каретникова,
О.В. Ковалева, Г.И. Коршунова, B.C. Литвиненко, А.С. Малкина,
Ю.Н. Малышева, В.И. Мурашева, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, Н.М. Проскурякова, Л.А. Пучкова, И.В. Сергеева, СВ. Сластунова, В.Н. Фрянова, А.Н. Шабарова, В.М. Шика, М.И. Устинова, Ю.В. Шувалова, С.А. Ярунина и многих других ученых.
Вместе с тем, имеющиеся на сегодняшний день результаты исследований, отраслевые нормативные документы, регламентирующие решение вопросов управления- газовыделением и управления состоянием массива, а также проектирования технологических схем интенсивной отработки выемочных участков в сложных по газовому и геодинамическому факторам горногеологических условиях, морально устарели и нуждаются в серьезной доработке и корректировке.
Цель работы. Повышение экономической эффективности, технологической и экологической безопасности разработки угольных пластов в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях на основе комплекса инновационных решений по подготовке выемочных участков, управлению состоянием массива и газовыделением, обеспечивающих конкурентоспособность подземной угледобычи.
Основная идея работы. В условиях высокой газоносности и больших глубин залегания угольных пластов для обеспечения эффективности и безопасности очистных работ при высоких нагрузках на забои следует переходить от бесцеликовой к многоштрековой целиковой подготовке выемочных участков с учетом газо- и геодинамических процессов в массиве и в выработанном пространстве.
Задачи исследований:
обобщить и проанализировать опыт отработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях и обосновать перспективные направления развития технологии подготовки и отработки выемочных участков;
исследовать особенности управления геомеханическими и газодинамическими процессами в массиве при различных схемах подготовки выемочных участков;
исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) межштрековых ленточных целиков и его динамику в зависимости от пространственно-временных факторов при различных схемах подготовки выемочных участков;
оценить уровень безопасности ведения горных работ применительно к различным вариантам технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горно-геологических условиях;
разработать методологию и методику выбора рациональных параметров технологии эффективной и безопасной подготовки и отработки выемочньж участков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах;
произвести стоимостную оценку многоштрековых схем подготовки
выемочных участков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах.
Научная новизна работы:
разработаны горно-геомеханические модели, учитывающие пространственно-временную изменчивость НДС массива. вокруг оконтуривающих выемочный участок выработок по мере развития выработанного пространства;
установлены закономерности формирования удароопасности ленточных целиков относительно движущегося очистного забоя при переходе от двух- к трех- или четырехштрековымг схемам подготовки; выемочных участков;
разработана методика критериальной:; оценки целесообразности и эффективности перехода от бесцеликовых к многоштрековым схемам подготовки; выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах.
Положения, выносимые на защиту:
эффективное управление газогеодинамическими: процессами на выемочных участках высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах обеспечивается > при выборе рациональных схем подготовки выемочных участков с учетом пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств;
комплексным критерием оценки эффективности технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горногеологических условиях следует считать разность между стоимостью запасов угля в выемочном столбе и затратами на его подготовку и интенсивную отработку с максимальным использованием; технических; возможностей оборудования при снятых ограничениях нагрузки на очистные забош по газовому фактору и обеспечении устойчивости целикови выработок;
наиболее предпочтительной на больших глубинах разработки с точки зрения; обеспечения безопасности работ в сложных по газовому и
геодинамическому факторам условиях следует считать подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов исследований, представительным объемом экспериментальных данных (наблюдения более чем на 30 выемочных участках), удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов автора и других исследователей, положительным опытом использования предлагаемых разработок на шахтах Печорского бассейна.
Практическая ценность работы
Обоснованы области применения различных схем подготовки выемочных участков в зависимости от глубины ведения горных работ и абсолютной метанообильности выемочных участков;
Разработан алгоритм выбора рациональных технологий подготовки выемочных участков газоносных пластов на больших глубинах, учитывающий горно-геологические условия, технические возможности применяемого оборудования, возможности управления состоянием массива и газовыделением, а также экономическую целесообразность отработки выемочного участка;
Получены зависимости для оценки затрат на подготовку и отработку выемочных участков при различных значениях их длины, способов подготовки, применяемых средств механизации очистных работ и нагрузок на очистные забои;
Определены требования к параметрам крепления и поддержания выработок, оконтуривающих выемочные участки высокогазоносных пластов на больших глубинах при многоштрековой подготовке, разработаны технологические схемы их проведения и крепления.
Реализация работы в промышленности
Схемы подготовки выемочных участков с применением спаренных выработок с податливым целиком между ними-в настоящее время внедрены на всех шахтах ОАО «Воркутауголь» по всем'рабочим пластам (9 из 13 выемочных
участков в 2007 году). Рекомендации по составлению паспортов выемочных участков переданы в ОАО «Воркутауголь» и институт Печорниипроект для использования на шахтах бассейна. Внедрены на шахтах ОАО «Воркутауголь» рекомендации по управлению газовым режимом выемочных участков пласта «Четвертый» при их подготовке спаренными выработками. В 2007 году завершены разработка, экспертиза промышленной безопасности и согласование в органах Ростехнадзора руководства по управлению газовыделением на шахтах ОАО «Воркутауголь» и альбома технологических схем проведения подготовительных выработок при многоштрековой подготовке выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь». Разработанные документы переданы для использования на шахтах.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации горных инженеров1 в филиале Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) в городе Воркуте.
Личный вклад автора диссертационной работы:
Постановка цели и задач, обоснование и выбор методики исследований, организация и руководство исследованиями; участие в проведении и обобщение результатов аналитических и натурных исследований НДС массива при различных вариантах подготовки выемочных участков, разработка на основе результатов исследований алгоритма выбора параметров технологии эффективной и безопасной разработки пластов в сложных горно-геологических условиях, стоимостная оценка эффективности предлагаемых прикладных решений.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и получили положительную-оценку на международном- симпозиуме' по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), третьем международном симпозиуме «Горное дело в* Арктике» (г. Санкт-Петербург, 1994 г.), международном симпозиуме «Топливно-энергетические ресурсы.
12 России и других стран СНГ» (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), международных научно-практических конференциях «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1996, 1997 и 1999 гг.), одиннадцатой и тринадцатой Коми Республиканских молодежных научных конференциях (г. Сыктывкар, 1991 и 1997 г.), международном симпозиуме по развитию регионов с холодным климатом ISCORT/97 (г. Анкоридж, Аляска, США), научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера. Проблемы и решения», «Человек на Севере в XXI веке. Горное дело, ТЭК, экология, народонаселение» (г. Воркута, 1998, 2001, 2003, 2005-2008 гг.), «Неделя горняка» (г. Москва 2001 и 2002 гг.), а также на технических совещаниях ОАО «Воркутауголь» (1994-2007 гг.).
Публикации
Результаты исследований и основные положения диссертации опубликованы в 47 печатных работах, в числе которых 1 монография, 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 3 публикации в зарубежных изданиях, 6 патентов, 25 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научных симпозиумов и конференций.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность ректору СПГГИ (ТУ), профессору B.C. Литвиненко, профессорам Ю.В. Шувалову, О.В. Ковалеву, Г.И. Коршунову, В.П. Зубову, доктору технических наук В.Н. Бобровникову, ведущему научному сотруднику Л.М: Гусельникову за научные консультации, а также руководству и работникам шахт ОАО «Воркутауголь», института Печорниипроект, филиала СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт» за помощь в организации и проведении исследований, ценные советы и рекомендации.
Состояние и перспективы развития подземной угледобычи в России
Сырьевая база угольной отрасли России является одной из крупнейших в мире. Согласно государственной статистической отчетности о разведанных запасах угля на 01.01.98 г. {рис. 1.2 и 7.3), обеспеченность России углем на длительную перспективу измеряется сотнями лет. При этом разведанный потенциал допускает многократное повышение уровня угледобычи, как для энергетического, так и для коксохимического использования [14].
Характерной особенностью угольной сырьевой базы России является неравномерность распределения разведанных запасов по территории страны: лишь 10 % их находится в европейской ее части, 90 % - за Уралом. Крупные разведанные месторождения находятся от железных дорог за сотни километров, в связи с чем их промышленное освоение пока невозможно: Кангаласское (800 км) и Эльгинское (360 км) в Якутии, резервные шахтные поля в Улухемском бассейне (500 км). Запасы коксующихся углей составляют 20,6 % от общего объема разведанных балансовых запасов (рис. 7.3). Достаточно велика среди разведанных запасов доля нетехнологичных по условию их извлечения из недр, так как затраты в этом случае превышают ценность добытого товарного угля.
Как видно из рис. 1.2-1.3, при существующем уровне потребления угля, запасов угля в России достаточно на ближайшие 600-1000 лет. По сравнению с другими отраслями ТЭК угольная отрасль имеет наиболее обеспеченную сырьевую базу. В недрах России сосредоточено почти 4,5 трлн. т прогнозных ресурсов (33 % мировых) - больше, чем в любой другой стране. Разведанные по категориям А + В + С1 запасы угля составляют около 200 млрд. т (11,6% от мировых), а предварительно оцененные по категории С2 - 79,0 млрд.т.
Разведанные и предварительно оцененные запасы угля сосредоточены в 22 угольных бассейнах и в 118 отдельных месторождениях. По разведанным запасам наша страна занимает 3-е место в мире после США и Китая. Сегодня Россия является крупнейшей угольной державой и одним из мировых лидеров по производству угля. Больше чем в России добывается угля только в Китае, США, Индии и Австралии [15].
После почти двукратного сокращения добычи в период 1988-1998 годы, начиная с 1999 года, объемы добычи угля в стране постоянно растут, причем как для коксования, так и для нужд электроэнергетики и открытым и подземным способами (рис. 1.4.). В 2006 году добыча угля достигла 309 млн. тонн, в том числе 109 млн. т- подземным способом [16].
Добыча угля в 2006 году была обеспечена работой 97 шахт (109 млн. т) и 139 разрезов (200 млн. т). Удельный вес добычи из комплексно-механизированных забоев в общей подземной добыче составил 78,9 %, в том числе в Печорском бассейне - 91,9 %; в Кузбассе — 74,2 %.
За период 2000-2006 гг. среднесуточная нагрузка на комплексно-механизированный забой (КМЗ) увеличилась почти двукратно при более чем двукратном сокращении количества действующих очистных забоев (рис. 1.5). Ежегодно порядка 35 добычных бригад и участков работают в режиме 1,0 млн. т в год и более. В 2006 году девять бригад выдали на-гора по 1,5 млн. т и более; четыре бригады - по 2,0 млн. т и более. Бригада В. Мельника с шахты «Котинская» установила всероссийский рекорд добычи из одного очистного забоя - 4 млн. 98 тыс. тонн в год. В Печорском бассейне достигнут рубеж годовой добычи из КМЗ в 2,0 млн. тонн (участок № 7 шахты «Воргашорская»).
На шахтах применяются как бесцеликовые, так и многоштрековые схемы подготовки выемочных участков в варианте спаренными выработками. Используется рамное, а также анкерное крепление проводимых выемочных выработок. Причем, наилучшие результаты достигнуты при подготовке выемочных участков спаренными выработками с широкими целиками между ними и анкерным креплением оконтуривающих выемочный столб выработок. По данным Ю.Л. Худина и др. [17], в Кузбассе в 2003 году наивысшие показатели были достигнуты при отработке средней мощности и мощных пластов, подготовленных спаренными выработками с широкими целиками между ними, которые впоследствии вынимались при проезде лавы (рис. 1.6). По такой схеме работали 12 участков, включая 4 самые высокопроизводительные в России, в том числе - 5а-6-16 на шахте «Распадская», где с помощью комплекса оборудования фирмы «Джой» достигнут объем добычи 2378,3 тыс. т/год.
Исследование эффективности способов прогноза и предотвращения динамических явлений в очистных забоях и прилегающих выработках
При отработке месторождений, характеризующихся значительной глубиной ведения горных работ и склонностью к динамическим проявлениям как полезного ископаемого, так и вмещающих пород, эффективность применения профилактических мероприятий по созданию безопасных условий зависит от качества прогнозной оценки- напряженно-деформированного состояния массива и от соответствия мероприятий горно-геологическим и техногенным факторам.
Для совершенствования технологии ведения горных работ и способов прогноза проявлений напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива проведены исследования эффективности управления влиянием техногенных факторов на создание безопасных условий в очистных забоях и выработках на шахтах ОАО «Воркутауголь», отрабатывающих Воркутское месторождение [53].
В процессе исследования была выполнена оценка эффективности применяемых мероприятий по предотвращению газодинамических явлений, обрушений пород и рассмотрен механизм перераспределения напряжений вследствие воздействия техногенных факторов.
Разрушения горного массива силами горного и газового давления в динамической форме, массовые обрушения труднообрушаемой кровли при сложной системе горных выработок нередко принимают катастрофический характер. Поэтому на шахтах г.Воркуты постоянно ведутся работы по совершенствованию способов прогноза и предотвращению динамических проявлений горного давления, что подтверждается данными по снижению частости их проявления.
Так за период 1950-1993 годы произошло на месторождении 267 внезапных выбросов, в том числе 117 внезапных и 150 спровоцированных ведением взрывных работ. Основное число выбросов около 86% произошло при проведении подготовительных выработок, остальные в очистных забоях. С 1950 по 1967 год произошло 88 % от всего количества внезапных выбросов; за период 1968-1984 гг.- 11,6 % ,с 1984 по 1991 год произошел 1 выброс.
Проявление горных ударов на месторождении отмечается с 1966 года. Всего произошел 51 горный удар (на 1.01.1996 г.). Горные удары в основном происходили в целиках, прилегающих к горным выработкам. G углублением горных работ проявление горных ударов отмечается в очистных забоях о труднообрушаемыми кровлями. С глубины 906-1022 м возникают горные удары в виде внезапных поднятий и разрушений почвы при проведении горных выработок и в выработках, прилегающих к очистным забоям. За период 1966-1974 годы произошло 38 горных ударов или 75 % от их общего количества, за период 1975-1996 годы - 25 %.
Резкому снижению происходящих динамических явлений на шахтах Воркутского месторождения способствовало внедрение региональных и локальных мероприятий по предотвращению газодинамических явлений, разработанных ВостНИИ, ВНИМИ, Печорниипроектом, техническими работниками шахт и управления. В качестве региональных мероприятий по предотвращению газодинамических явлений на воркутинских шахтах применяются первоочередная отработка защитных пластов в восходящем порядке, бесцеликовая выемка. Локальные мероприятия включают гидровымыв, гидроотжим, гидрорыхление угольного массива, бурение разгрузочных скважин большого диаметра. При воздействии на вмещающие породы используется увлажнение, гидроразрыв и гидромикроторпедирование.
Несмотря на определенную эффективность некоторые локальные, и, особенно, региональные мероприятия по предотвращению газодинамических явлений (ГДЯ) характеризуются значительной трудоемкостью, недостаточной технологической безопасностью и сравнительно низким коэффициентом надежности. Наиболее эффективным из локальных является комплексный способ предотвращения горных ударов в очистных забоях и прилегающих выработках путем гидромикроторпедирования кровли и гидрорыхления очистного забоя, а из региональных - способ, основанный на первоочередной отработке защитных пластов. Эти способы при правильно выбранных параметрах обеспечивают надежность предотвращения ГДЯ в 95-100% случаев. Кроме того, при использовании их отмечается снижение травматизма от обрушения кровли и угля в 1,3-1,5 раза.
Напряженно-деформированное состояние массива вмещающих пород вокруг спаренных выработок различной геометрии
Ниже изложены принципиальные подходы к выбору различных соотношений поперечных сечений и форм спаренных выработок, а также дана оценка указанных соотношений применительно к горно-геологическим условиям пласта «Четвертый».
В теоретической постановке задачи по определению напряженно-деформированного состояния массива, вмещающего выработки (в том числе и спаренные), решались многими исследователями [80, 81, 82, 83]. Применительно к настоящим исследованиям интерес представляют результаты Д.И. Шермана [80], полученные применительно к весомой полуплоскости, «ослабленной» двумя или тремя отверстиями (например, штреками) различной формы: круговой, эллиптической, прямоугольной.
Примеры теоретического распределения нормальных напряжений в упругом массиве (по Д.И. Шерману) в окрестности спаренных выработок равных и различных поперечных сечений приведены нарис. 3.1 и 3.2.
Как следует из приведённых данных, для спаренных выработок одной и той же формы и площадей сечений наибольшие концентрации напряжений характерны для целиков, причём указанный уровень их напряжений (к= 1,738) ау одинаков для обеих выработок {рис. 3.1).
Приведенные выше результаты исследований НДС [80] показали возможность оценки нагрузок на межштрековые целики, которые определяют в значительной мере состояние самих штреков. Очевидно, что результаты натурных наблюдений позволят уточнить величины приведенных выше напряжений, действующих в каждой точке вмещающего массива, однако суммарное усилие в рассматриваемом элементе массива практически останется неизменным.
Отметим два обстоятельства на основе полученных результатов натурных и теоретических исследований, выполненных в условиях шахт Кузбасса, Донбасса и др. бассейнов (И.И. Кацауров, Г.Г. Штумпф, П.В. Егоров и др.).
Во-первых, с целью исключения взаимовлияния параллельно проводимых (спаренных) выработок обычно обеспечивается ширина целика между ними, равная не менее: где Ьц - ширина целика, м; Db D2 - зона влияния, соответственно, первой и второй выработки на окружающий массив (например, по параметрам эпюр вертикальных компонент тензора напряжений).
Однако такой подход целесообразен, как очевидно, для подготовительных панельных выработок, выработок главных направлений, магистральных и т.п.
И, во-вторых, на состояние спаренных выработок (в том числе и выемочных) существенное влияние оказывает очередность их проведения относительно друг друга. Так, вторичные смещения, согласно натурным наблюдениям (И.Н. Кацауров и др.) более интенсивны, чем первичные, проявляясь в ранее пройденной выработке со стороны вновь (с отставанием от первой) проводимой выработки. Наиболее целесообразно спаренные выработки проводить одновременно.
Однако изложенное не учитывает влияния выработанного пространства на состояние спаренных выработок и вмещающего массива. Поэтому по условию полноты оценки НДС массива в рамках обозначенных задач потребовалось проведение специальных исследований.
Рассматривались различные варианты компонент тензоров напряжений и деформаций (при ширине так называемого податливого целика 2 м) для спаренных подготовительных выработок (штреков) арочной и прямоугольной формы при их ширине 5 м, 4 м.
Все возмущения полей нормальных напряжений сту и относительных деформаций єу оценивались относительно "естественного" поля, сформированного с учётом действующих глубин разработки ( 1000 м) и средневзвешенных механических характеристик вмещающих пород и пласта «Четвертый» ( 40000 МПа; 1500 МПа), отражённых в горно-геомеханической модели исследуемого объекта (рис. 3.3).
Исследование газового режима выемочного участка, подготовленного спаренными выработками
Вместе с тем необходимо отметить, что хотя в соответствии с требованиями нормативных документов [117] неудароопасное состояние целиков и обусловлено выполнением любого из рассматриваемых неравенств, целесообразно однако рассматривать их состояние с учетом оценки обоих факторов: и по «нагрузкам» и по «жесткости». При выполнении первого условия проявляется более высокая надежность оценок степени удароопасности целиков. По второму условию, необходима оценка изменяемости физико-механических свойств массива в достаточно больших объемах. Такая оценка может быть выполнена с использованием эргодических представлений о состоянии массива. Обобщая некоторые результаты исследований, отметим следующее.
При «нагружении» межштрековых целиков пласта «Четвертый», с учетом перемещающейся впереди забоя в процессе его подвигания «волны» опорного давления, следует ожидать перехода целиков в «предельное состояние». В этом случае, практически для всего исследуемого диапазонов ширины целиков (-1,4 Ьц 6,6 м), они находятся в неопасном по горным ударам состоянии (НГУ). Априорно возможное отсутствие указанного перехода сразу же предопределит состояние «ОГУ». Очевидно, что для принятых в проекте размеров целиков, в указанном диапазоне, необходим локальный прогноз удароопасности, так как свойства угля и пород пространственно-изменчивы. Следует также обратить внимание на то обстоятельство, что в данной зоне целик при: Ьц=2м по фактору «нагружения» (при сформированной «предельной зоне») находится в условии Pn и Pm/kp (при «жёстких» требованиях к НГУ, то есть при кр = 1,9). По видимому целесообразно осуществить в этом случае его предварительную профилактическую обработку.
Как было выше отмечено, при сформированных «впереди» лавы в целиках зон «предельного состояния», они практически не опасны по горным ударам. Однако это условие (НГУ) принципиально меняется при «переходе» рассматриваемых сечений целиков в зону «за лавой» (зона ИЛ). Здесь состояние рассматриваемых целиков может быть классифицировано как «ОГУ», исключая таковые при Ьц = 6 м. В то же время при «переходе» целиков (рассматриваемых сечений) в зоны II.2 и И.З их удароопасность снижается: II.2 - начиная с Ьд = 4 м, а в зоне И.З - при Ьц = 3 м.
В связи с тем, что второе условие (N Nn/kn) применимо для межштрековых целиков рассматриваемого диапазона, то их проектирование возможно с учетом технико-экономических требований, однако при соблюдении необходимого в таких случаях локального прогноза степени удароопасности с помощью прогнозных скважин.
Условия состояния целиков на расстояниях более 750 м от лавы будут, в основном, аналогичны таковым в зоне И.З (при сохранении свойств массива). Ниже представлены результаты влияния анкерования пород непосредственной кровли (НК), как двухслойной структуры.
Для анализа приняты наиболее неблагоприятные характеристики кровли. В частности контактные условия в двухслойной непосредственной кровле определялись соотношением: т = 0. Исследовалось НДС в кровле спаренных выработок прямоугольного сечения (в зоне I). Наиболее представительную информацию, характеризующую состояние кровли, содержат поля относительных деформаций Єу, в частности, поля єу, которые указывают на возможность расслоения кровли спаренных выработок, а также поля Єх, дополнительно определяющих устойчивость кровли. Расчётные схемы для указанных случаев приведены на рис. 3.24, а полученные в процессе экспериментально-аналитического расчета области массива поля Єу (в частности єу и єх) представлены нарис. 3.25 и 3.26 (для двухслойной НК; схема «а», рис. 3.24), а также на рис. 3.27 и 3.28 (для квазисплошного «слоя» НК, «стянутого» штанговой крепью).
