Содержание к диссертации
Введение
1. Специфика горно-геологических и горнотехнических условий слоевой отработки мощных пологих пластов в Кузнецком угольном бассейне 9
1.1. Специфика горно-геологических условий Кузбасса 9
1.2. Перспективы развития слоевой отработки мощных пологих пластов 19
1.3. Анализ технико-экономических показателей отработки слоев 28
Выводы по главе 1 37
2. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на состояние участковых подготовительных -выработок надрабатываемых слоев 39
2.1. Оценка влияния горно-геологических факторов на состояние участковых подготовительных выработок 39
2.2. Оценка влияния горнотехнических факторов на состояние участковых подготовительных выработок 42
2.3 Анализ влияния расположения слоевых участковых выработок 2-го слоя относительно краевых частей массива (целиков) по 1-му слою 47
2.4 Оценка ожидаемых смещений пород на контуре сечения участковых подготовительных выработок при различных сочетаниях геологических и технических факторов 60
2.5 Исследование способов повышения устойчивости слоевых участковых подготовительных выработок на моделях из эквивалентных материалов 67
Выводы по главе 2 77
3. Аналитические исследования влияния горнотехнических и горно геологических факторов на напряженно-деформированное состояние краевых частей угольного массива 79
3.1. Постановка задач и выбор метода проведения исследований 79
2. Обоснование геомеханической модели и расчетных схем 81
3. Анализ результатов исследований 85 Выводы по главе 3 108
Рекомендуемые технологические схемы слоевой отработки и способы обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок 110
1. Оценка эффективности разработанных рекомендаций
2. Методика определения рационального места расположения выработок с учетом потерь полезного ископаемого 114
3. Способы ( обеспечения эксплуатационного состояния выработок 2-го слоя, расположенных в надработанном массиве 118
Выводы по главе 4 130
Заключение 133
Список использованной литературы 136
- Перспективы развития слоевой отработки мощных пологих пластов
- Анализ технико-экономических показателей отработки слоев
- Оценка влияния горнотехнических факторов на состояние участковых подготовительных выработок
- Обоснование геомеханической модели и расчетных схем
Введение к работе
Актуальность работы. Перспективы развития подземного способа разработки в Кузбассе в значительной степени зависят от эффективности отработки пологих угольных пластов мощностью 7-Ю м. Балансовые запасы угля ценных марок (Ж, ГЖ, К) в таких пластах превышают 12,6 млрд.т.
К числу актуальных практических вопросов, возникающих при слоевых системах разработки мощных пластов, относятся вопросы, связанные с обеспечением эффективной и безопасной отработки надработанных слоев, а именно повышением устойчивости слоевых участковых выработок.
Решению задачи обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок посвящены работы К.А. Ардашева, А.А. Борисова, Н.К. Гринько, Ю.В. Громова, В.Е. Зайденварга, В.П. Зубова, О.В. Ковалева, Ю.Н. Кузнецова, А.С. Малкина, А.Д. Рубана, М.И. Устинова, В.Н. Фрянова, В.М. Шика и др.
Вместе с тем, в настоящее время при переходе горных работ в надработанный слой технико-экономические показатели, как правило, существенно ухудшаются: в 1,5-2 раза возрастают затраты на проведение выработок, многократно увеличиваются расходы на обеспечение эксплуатационного состояния выработок 2-го и последующих слоев, на 10-15% растут потери подготовленных запасов. Это связано, в частности, с увеличением глубины ведения горных работ, неучетом при выборе крепи выработок надрабатываемого слоя характера деформирования пород на контуре сечения выработок. Актуальность вопросов обеспечения устойчивости выработок в современных условиях возрастает в связи с существенным увеличением нагрузок на очистные забои и ростом в связи с этим ущерба от простоев лав.
Цель работы. Разработка способов повышения устойчивости участковых подготовительных выработок надрабатьшаемых слоев с одновременным снижением потерь подготовленных запасов при выемке мощных пологих угольных пластов.
Идея работы. Параметры слоевой системы разработки и способов охраны участковых подготовительных выработок
надрабатываемого слоя необходимо определять с учетом напряженно-деформированного состояния горных пород, формирующегося под краевыми частями угольного массива, и потерь полезного ископаемого в целиках, оставляемых между выемочными столбами.
Основные задачи исследований:
Определение рациональных параметров слоевых систем разработки пологих мощных угольных пластов Кузбасса.
Разработка горно-геомеханических моделей и расчетных схем для исследования состояния массива под краевыми частями угольного массива и влияния надработки на устойчивость участковых подготовительных выработок надрабатываемых слоев.
Разработка методики расчета рационального расстояния между краевой частью угольного массива по верхнему слою и подготовительной выработкой надрабатываемого слоя.
Разработка способов повышения устойчивости выработок надрабатываемого слоя и снижения потерь в целиках, оставляемых между столбами.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблеме поддержания слоевых участковых подготовительных выработок; шахтные исследования процессов деформирования слоевых участковых подготовительных выработок; физическое моделирование на базе эквивалентных материалов; аналитические исследования напряженно-деформированного состояния надрабатываемого массива с использованием метода конечных элементов.
Научная новизна:
Установлена зависимость интенсивности и характера проявлений горного давления на контуре подготовительных выработок надработанного слоя от расстояния до краевой части массива (или целика) по вышерасположенному слою для горногеологических условияй Кузнецкого угольного бассейна.
Установлена зависимость рационального расстояния между подготовительными выработками надрабатываемого слоя и
краевыми частями угольного массива (целиков) от последовательности отработки выемочных участков: минимальные потери при обеспечении устойчивости выработки достигаются последовательным порядком отработки ярусов в панели.
Основные защищаемые положения:
1. При слоевых системах разработки длинными столбами
устойчивость участковых подготовительных выработок
надрабатываемых слоев определяется, в основном, напряженно-
деформированным состоянием надрабатываемого слоя в областях,
расположенных под краевыми частями угольного массива по
верхнему слою и целиками, оставленными между столбами верхнего
слоя.
2. Отрицательное влияние краевых частей угольного массива
и целиков угля, оставляемых между выемочными столбами первого
слоя, на подготовительные выработки надрабатываемого слоя
практически полностью исключается при создании в период
отработки первого слоя между подготовительными выработками и
краевыми частями целиков полостей глубиной, превышающей 2/3
вынимаемой мощности нижнего слоя.
3. При слоевых системах разработки пологих угольных
пластов расстояние от участковой подготовительной выработки
надрабатываемого слоя до краевой части межъярусного целика по
вышерасположенному слою необходимо определять с учетом затрат
на поддержание данной выработки и потерь угля в целике.
Практическая значимость работы:
Разработана методика определения рационального места расположения участковых подготовительных выработок надрабатываемых слоев при слоевых системах разработки мощных пологих угольных пластов.
Разработаны способы обеспечения эксплуатационного состояния участковых подготовительных выработок надработанных слоев.
Установлено, что к числу факторов, оказывающих существенное влияние на месторасположение выработок надрабатываемых слоев, относятся параметры зон предельного
состояния массива, формирующихся под целиками и краевыми частями угольного массива.
Разработаны рекомендации по определению рационального месторасположения подготовительных выработок надработанного слоя для типовых условий отработки пластов в Томь-Усинском районе Кузбасса.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается их соответствием результатам, полученным при проведении шахтных и лабораторных исследований, а также при экспертной оценке специалистами ОАО «Шахта им. В.И. Ленина», ЗАО «Распадская угольная компания» и других организаций; использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении шахтных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на LVII Международном форуме горняков и металлургов (Фрайберг, Германия, 2007 г.), ежегодных научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского горного института «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы освоения полезных ископаемых» (Санкт-Петербург, 2005 г., 2006 г., 2007 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного института.
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные, лабораторные и аналитические исследования, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 4 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 141 страница состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка литературы из 60 источников, включает 71 рисунок и 12 таблиц.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных, д.т.н. Г.И. Козовому и другим работникам ОАО «Распадская» и ЗАО «Распадская-Коксовая» за помощь в сборе исходной информации и проведении шахтных исследований, сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых за полезные замечания и техническую помощь при выполнении работы.
Перспективы развития слоевой отработки мощных пологих пластов
Настоящий уровень развития техники и технологии подземной угледобычи позволяет эффективно отрабатывать запасы угля, залегающие в благоприятных горно-геологических условиях, с использованием современных высокопроизводительных комплексов. При этом максимальная вынимаемая в лаве очистным комбайном мощность пласта, как правило, не превышает 5,5 м. Увеличении мощности пластов свыше 5,5 м требует применения технологических схем, исключающих потери не вынимаемого комбайном угля.
К числу перспективных схем отработки пластов повышенной мощности относятся:
- Система разработки с выпуском подкровельной толщи. Эффективность технологии выемки угля в нижнем слое комплексно-механизированным забоем с выпуском разрыхленного угля из подкровельной пачки на завальный конвейер подтверждается опытом работы шахт КНР. Указанная система разработки не получила широкого распространения на шахтах России в связи с отсутствием средств и способов качественного предварительного разрыхления подкровельной толщи при сохранении устойчивости пород кровли. - Система разработки наклонными слоями. В настоящее время накоплен значительный опыт применения данной системы разработки (рис. 1.10), однако достигнутые показатели в своем большинстве существенно отстают от показателей отработки мощных пластов до 5 м без разделения на слои.
Целесообразность совершенствования слоевой системы разработки обусловлена значительными запасами угля в пластах повышенной мощности (рис. 1.9), наличием нескольких крупных шахт (в том числе строящихся) (рис. 1.11 и рис. 1.12), конкурентоспособность продукции которых существенно ниже уровня продукции шахт отрабатывающих мощные пласты (до 5 м) в аналогичных условиях. Связано это с тем, что отработка пластов повышенной мощности характеризуется низкими нагрузками на очистные забои, повышенной себестоимостью добычи, высокими потерями угля в недрах.
Шахта «им. В.ИЛенина» расположена на Ольжерасском месторождении в Томь-Усинском геолого-экономическом районе и отрабатывает мощные пласты с пологим (10-15) залеганием. Уголь марки К и КО. Запасы угля шахты сосредоточены в трех мощных пластах: III - мощностью 9,6 м, IV-V - мощностью 10,0 м и VI - мощностью 4,9 м.
Пласты III и IV-V отрабатываются слоевой системой разработки, а пласт VI на полную мощность. Вскрытие шахтного поля на горизонте 0 м принято по уклонной схеме и осуществлено вертикальным клетьевым стволом и тремя групповыми наклонными стволами, пройденными по пласту VI. Уклонные поля по простиранию имеют размеры 300-1200 м. Схема подготовки шахтного поля -панельная, порядок отработки панелей - прямой, а бремсберговых и уклонных полей - обратный. Основная система разработки - длинные столбы по простиранию.
Оборудование очистных забоев - механизированных крепей УКП-5, комбайнами КШЭ или мехкрепью КМ-142, комбайном польского производства КГС-445. Проведение горных выработок по углю на шахте осуществляется проходческими комбайнами ГПКС, П-110, СМ-130К (изготовленный ассоциацией «Кузбассуглемаш» и Yorholt & Hermeler ФРГ), по породе -буровзрывным способом с применением породопогрузочных машин ПНБ.
Годовая добыча шахты 1,6 млн.т в год. Промышленные запасы шахтного поля более 35 млн.т. Шахта «Аларда» находится на юге Кузбасса и разрабатывает угольные пласты Алардинского месторождения, расположенного в Кондомском геолого-экономическом районе Кузбасса.
Максимальная глубина ведения горных работ 450 м. Все угольные пласты опасные по пыли, склонные к самовозгоранию. С глубины 150 м пласты отнесены к угрожаемым по горным ударам. По газу шахта относится к сверхкатегорной. Гидрогеологические условия шахтного поля сложные, связанные с сильнопересеченным рельефом местности, аккумулирующим весенние притоки воды, а также близостью реки Кондома в западной части шахтного поля.
Отработка угольных пластов производится в нисходящем порядке, способ подготовки - панельный двусторонними и односторонними выемочными полями. Система разработки - длинными столбами по простиранию с полным обрушением кровли и наклонными слоями с выемкой их по схеме «слой - пласт» с полным обрушением кровли. Схема подготовки и отработки выемочных участков -бесцеликовая с проведением выработок вприсечку к выработанному пространству.
На шахте в разные периоды применялись механизированные комплексы 1КМТ, КМ-130, 4КМ-130, КМ-145, а для проведения горных выработок по углю - проходческие комбайны 11 ІКС, 4ПП-2М. Проведение выработок по породам осуществляется буровзрывным способом с погрузкой горной массы машинами 2ПНБ-2Б и ППН-5.
Анализ технико-экономических показателей отработки слоев
Необходимо отметить, что условия проведения и поддержания выработок по 1-му слою, как правило, не отличаются от условий отработки пластов на полную мощность. Особенностью горнотехнических условий поддержания слоевых выработок 1-го слоя является лишь то, что в качестве почвы выработки (слоя) выступает породная межслоевая прослойка или угольная пачка нижезалегающих слоев, имеющая, как правило, более низкие прочностные характеристики, чем почва пласта отрабатываемого на полную мощность. Наличие угля в почве выработки приводит к её значительному пучению в зоне влияния очистных работ. Так, например, на шахте «Аларда» вне зоны опорного давления смещения кровли выработки составляли 10 мм, а почвы 60 мм; а в зоне влияния опорного давления впереди очистного забоя 6-1-9 смещения кровли, по данным замеров, возрастали до 30-50 мм, смещения почвы составили 250-300 мм [56]. При этом уменьшение высоты выработки в зоне влияния опорного давления приводило к трудностям ведения работ на нижнем сопряжении лавы при передвижке скребкового перегружателя.
Участковые слоевые выработки 2-го слоя располагаются в? угольном массиве, испытывающем» влияние надработкщ выражающемся-какправило, в ухудшении деформационно-прочностных- характеристик угля и повышенном горном давлении; В кровле таких; выработок залегает межслоевая угольная пачка (также испытавшая воздействие надработки) мощностью от 0;5 до 2,5 м.
. В данных условия; применение; анкерного крепления - одного из; прогрессивных направлений; снижения затрат на-проведение и повышение устойчивости горных выработок - невозможно.
Использование металлических:рам в качестве основной;крепи приводит, к резкому увеличению затрат и: снижению скорости проведения участковых подготовительных выработок. Так, стоимость .проведения участковых штреков 2-го слоя, закрепленных арочной трехзвенной крепью.; составляет 41 000 руб на 1п.м: (шахта «им. В:И.Ленина», 2007 год).
Необходимо1 отметить, что попытки снизить, стоимость, проведения выработок .по" 2-му слою предпринимались.. Так, например, на шахте;. «им; В.И.Ленина» использовали комбинированную крепь: рамную трехзвенную. крепь устанавливали с шагом 0,8 м, а в промежутках между рамами устанавливали анкерную крепь, снижая., таким образом, плотность установки рамной крепи. Указанные попытки успеха не имели. Анализ горно-технической литературы и опыта слоевой отработки мощных пластов показал, что, несмотря на распространение в настоящее время схем отработки без повторного использования участковых подготовительных выработок, проведение выработок 2-го слоя с отставанием во времени от очистных работ по 1-му слою и наличие непрорезаемых противопожарных межлавных целиков шириной 30 м и более, имеются существенные проблемы с поддержанием выработок 2-го слоя в зонах влияния опорного давления лав 2-го слоя.
Так, например, на шахте «им. В.И.Ленина» при отработке 2-го слоя на участке 0-11-2 уже в начале ведения очистных работ (лава отошла от монтажной камеры на несколько десятков метров) произошло резкое увеличение скорости конвергенции пород в штреке на участке перед лавой, протяженностью 40 м, в результате чего сечение штрека в свету уменьшилось с 10,2 м до 4 м . Крепь усиления была разрушена. В результате, для обеспечения эксплуатационного состояния штрека было проведено его полное перекрепление. В качестве характерного примера рассмотрим крепление вентиляционного штрека 2-го слоя (рис. 1.21) на шахте «им. В.И.Ленина» — вент, штрек 0-5-2-9 (В).
Вентиляционный штрек 0-5-2-9(В) в интервале 0-40 м АнкернаякрепьА-20В А-20В L=2,0 м металл шт. 4,2 - - A-20B,L=1,8M металл шт. 2 - - ампула АПМ-470 клей шт. 5,8 - - шайба 300X300 металл шт. 5,8 - - ЭР-2,0 метал, решетка шт. 5 - - 6
Сопряжение вентиляционного штрека 0-5-2-9 (В) с ВПУ пласта IV-V АнкернаякрепьА-20В А-20в L=2,4 м металл шт. 10 - 5 ампула АПМ-470 клей шт. 10 - 5 шайба 300x300 металл шт. 10 - 5 ЭР-2,0 метал, решетка шт. 5 - 2,5 34
Анализ технико-экономических показателей шахт («им. В.И.Ленина», «Алардинская»), ведущих отработку мощных пологих пластов с использованием слоевых систем разработки позволил установить структуру участковых затрат и доли различных затрат по категориям при отработке 1 -го и 2-го слоев (рис. 1.22 и рис. 1.23).
Установлено, что участковые затраты при отработке 2-го слоя увеличиваются в 1,2-2,5 раза и более. Указанное увеличение связано со снижением нагрузки на очистные забои 2-го слоя, обусловленным повышенной аварийностью работ под межслоевой пачкой, увеличением затрат на проведение участковых выработок, значительными затратами на поддержание эксплуатационного состояния участковых выработок, а в отдельных случаях необходимостью их полного перекрепления.
1. Рост технико-экономических показателей слоевой отработки мощных пологих пластов и как следствие вовлечение таких пластов в разработку сдерживаются низкой эффективностью отработки надработанных слоев. Отработка таких слоев характеризуется низкими нагрузками на очистные забои, их повышенной аварийностью, повышенной трудоемкостью обеспечения эксплуатационного состояния участковых выработок.
2. Одной из основных причин повышенных издержек на проведение выработок 2-го слоя является невозможность применения для их крепления арочной крепи. Что обусловлено снижением деформационно-прочностых характеристик «кровли» второго слоя (в качестве которой выступает межслоевая пачка) в результате надработки, а так же воздействием опорного давления со стороны краевых частей массива (целиков) по 1-му слою. Величина затрат на проведение выработок надработанных слоев, как правило, в 1,5-2 раза превышает эту величину для слоев вышерасположенных, так как одним из основных способов обеспечения эксплуатационного состояния выработок надработанных слоев является использование рамной крепи со стойками усиления, характеризующейся большой стоимостью и низкой скоростью проходки выработок.
3. Слоевая отработка мощных пологих пластов Томь-Усинского месторождения Кузбасса характеризуется значительными потерями угля, оставляемыми между столбами. Так по первому слою потери составляют 10%, по второму 18%. Необходимость оставления межстолбовых целиков обусловлена высокой пожароопасностью отработки пластов склонных к самовозгоранию. Размеры целиков на действующих шахтах определяются по условию их неразрушения и составляют:
Оценка влияния горнотехнических факторов на состояние участковых подготовительных выработок
Анализ литературных источников [2, 20, 56, 58] и опыта слоевой отработки мощных пологих пластов позволил выделить из всего многообразия вариантов отработки участков в пределах одного пласта несколько приоритетных, применение которых является наиболее целесообразным по критерию обеспечение эффективности отработки запасов. Под эффективностью в данном случае понимается минимум затрат на подготовительные и очистные работы с учетом пожароопасности пластов. Необходимость учета пожароопасности предопределена склонностью углей практически всех рассматриваемых пластов к самовозгоранию и тяжелыми последствиями такого явления для шахт.
Последовательный нисходящий порядок отработки участков при одновременной разработке слоев Указанный порядок отработки (рис. 2.2, а) реализуется следующим образом. Пласт отрабатывается от кровли к почве в пределах одного участка, вначале 1-слой, затем 2-ой слой. После чего очистные работы переходят на смежный участок и т.д. Достоинство: - высокая концентрация горных работ; Недостатки: незначительное отставание очистных работ по 2-му слою, недостаточное для угасания сдвижений в массиве; - существенное влияние выработанных пространств ранее отработанных смежных участков. Рекомендуемая область применения: отработка пластов с кровлями не склонными к слеживанию. Отработка участков через столб при одновременной разработке слоев.
Данный вариант (рис. 2.2, б) отработки реализуется путем отработки участков через столб. При этом первыми отрабатываются два участка 1-го слоя, расположенные через столб. Затем монтируется лава в надработанном массиве. Достоинства: - благоприятные условия отработки лав №2 и №4 (отсутствует влияние выработанных пространств смежных слоев); - благоприятные условия отработки лав 2-го слоя в условиях пород, склонных к слеживанию, благодаря существенному отставанию их во времени от работ по 1-му слою; Недостаток: - существенное ухудшение условий отработки лав №5, №7 и №7, №8 (граничащих с уже отработанными на полную мощность участками) по факторам: горное давление, пожароопасность. Рекомендуемая область применения: отработка пластов с кровлями, склонными к слеживанию. Последовательная нисходящая отработка участков с отставанием по нижнему слою (на участок и более). Сущность варианта заключается в последовательной отработке участков 1-го слоя и отставании работ по 2-му слою (рис. 2.2, в). Достоинство: благоприятные условия отработки лав нижнего слоя под слеживающимися породами; Недостаток: - снижение концентрации работ. Рекомендуемая область применения: отработка пластов с кровлями, склонными к слеживанию. Последовательная отработки слоев пласта. Достоинства: благоприятные условия отработки лав нижнего слоя под слеживающимися породами; Недостатки: - низкая концентрации работ; - повышенная пожароопасность отработки пластов, склонных к самовозгоранию. Рекомендуемая область применения: отработка пластов с кровлями, склонными к слеживанию. Необходимо отметить, что при прочих равных условиях значительное влияние на устойчивость участковых подготовительных выработок оказывает порядок проведения участковых подготовительных выработок относительно очистных работ в надрабатывающем участке. То есть наличие или отсутствие влияния зоны опорного давления, формирующегося впереди лавы надрабатывающего слоя.
Кроме того, значительный опыт и знания накоплены в области обеспечения эксплуатационного состояния надработанных выработок при отработке весьма сближенных пластов. Использование указанных знаний для решения поставленных в диссертации задач, по нашему мнению, правомерно, поскольку при слоевой отработке пластов межслоевая толща может рассматриваться как междупластье малой мощности при отработке сближенных пластов. Тогда для слоевых выработок будут справедливы все зависимости, установленные для надрабатываемых выработок весьма сближенных пластов с тем лишь замечанием, что межслоевая толща, как правило, обладает существенно более низкими прочностными характеристиками, чем породы междупластья, даже в случае залегания в ней слабых пород, склонных к пучению. С другой стороны, сложное строение пластов с наличием прослойков породы мощностью до нескольких десятков сантиметров свидетельствует лишь в пользу правильности такого приближения.
По имеющимся данным [4, 5, 7, 9, 10, 57, 20], существенное влияние на устойчивость надрабатываемых выработок оказывает глубина ведения горных работ. Так специальными обследованиями шахт бассейна выявлено, что на глубинах до 300 м опасно деформируются и требуют перекрепления около 3 % всех надрабатываемых выработок, а на глубинах 300-700 м - уже 10 % всех выработок.
Обоснование геомеханической модели и расчетных схем
Анализ исходной горно-геологической информации, определяющей пространственное положение пластов и вмещающих пород, их деформационными и прочностными характеристиками позволил разработать горно-геомеханические модели.
Самый верхний рабочий пласт. Содержит 4-5породных прослойка, представленныхуглистым аргиллитом, реже алевролитоммощностью 0,01-0,8 м. Строениеневыдержанное, в пласте четкопрослеживается три петрографические пачки:верхняя - m = 1,8-2,4 м, состоящая изполублестящих полуматовхы разновидностей;средняя - наиболее мощная и прочно сложенаполуматовым и матовым углем; нижняя m= 0,7-2 м, представлена блестящим иполублестящим матовым углем, весьма слабая. Темно-серыйтрещиноватыйалевролитмощностью1,5-6 м.Местамиимеетсяложнаякровля —углистыйаргиллитмощностью до0,8 м. Песчаник с прослойками конгломератов и алевролитов, труднообруша емая. Толщина отдельныхслоевпревышает 3м. Местами ложная почва, представленнаяуглистымаргиллитом m =0,4-0,6 м, а ниже- крепкийалевроилт,переходящий вглинистыйпесчаник иконгломерат.
Граничные условия и геометрические параметры исследуемой области задавались в соответствии с методическими основами расчета параметров механических процессов в системе угле-породный массив - очистная выработка [5].
Для решения задачи по определению влияния различных факторов на состояние участковых подготовительных выработок были разработаны следующие расчетные схемы.
Расчетная схема №1. Представленная расчетная схема (рис.3.2, а) позволяет оценить влияние надработки на НДС надрабатываемого слоя в различных горнотехнических ситуациях. При этом оценивается влияние надработки как в областях воздействия опорного давления со стороны ранее отработанных на полную мощность участков, так и в областях граничащих с массивом не нарушенным горными работами.
Основными параметрами данной схемы являются: - глубина ведения работ Н, м; - ширина межлавного целика Ь, м; - длина лавы /, м; - деформационно-прочностные свойства пласта.
Расчетная схема №2. Представленная расчетная схема (рис. 3.2, б) позволяет оценить влияние надработки на состояние участковых выработок надрабатываемого слоя в различных горнотехнических ситуациях. При этом, так же оценивается влияние надработки, как в областях воздействия опорного давления со стороны ранее отработанных на полную мощность участков, так и в областях, граничащих с массивом ненарушенным горными работами.
Первый этап исследований. В соответствии с расчетной схемой №1 (рис. 3.2, а) были выполнены исследования НДС горного массива. На рис. 3.3 приведено распределение напряжений в окрестности очистных выработок двух смежных участков.
При этом выработанные пространства участков моделировались в виде среды, имеющей характеристики, близкие к характеристикам обрушенных пород, а именно снижен модуль деформации Ед в 100 раз по сравнению с массивом и коэффициент Пуассона принят равным 0,4.
Как видно из рис. 3.3 в краевых частях массива и целиках между лавами сформировались зоны опорного давления. Под выработанными пространствами образовались зоны разгрузки, характеризуемые наличием растягивающих напряжений. Для более подробного рассмотрения указанных зон приведены рис. 3.4 ирис. 3.5.
Распределение напряжений в краевых частях массива и межлавного целика представленное на рис. 3.4 качественно соответствует общепринятым представлениям о характере распределения напряжений в краевых частях массива и целиков. Так, на рис. 3.4 видно, что после отработки смежных участков, один из которых отработан на полную мощность, сформировалась зона опорного давления со следующими параметрами:
Значительный интерес в аспекте влияния надработки представляет распределение горизонтальных напряжений, представленное на рис. 3.5. Как видно из рис. 3.5, а, под выработанным пространством в окрестностях краевой части массива по 1-му слою прослеживается зона повышенных горизонтальных напряжений, по величине, сопоставимыми с напряжениями в ненарушенном массива (5 МПа). Данная зона простирается под выработанное пространство на ширину около 10 м и охватывает весь надрабатываемый слой. При этом четко видно, что подобная зона формируется и в почве пласта, однако, имеет другую пространственную конфигурацию и параметры. Указанное различие зон в надработанном слое и почве пласта связаны с существенным различием физико-механических свойств угольного пласта и вмещающих пород.
Как видно из рис.3.6 коэффициент концентрации напряжений в зонах опорного давления составил: в краевой части массива по 1-му слою - 2,2 , а в целике - 3. На рис. 3.6 зона повышенных горизонтальных напряжений простирается под выработанное пространство надрабатывающего слоя на ширину: 3 м (кривая 2) в окрестностях краевой части массива по 1-му слою и 5 м (кривая 2 ) у межлавного целика шириной 40 м. В указанной зоне горизонтальные напряжения превышают 5 МПа, т.е. соответствуют величине предельных напряжений, приводящих к разрушению угля, при одноосном сжатии.
Таким образом, в данном случае можно сделать вывод о целесообразности расположения выработок на рассматриваемой глубине (600 м) за пределами зон повышенного давления, а именно расположения выработки, граничащей с массивом по 1-му слою, со смещением под выработанное пространство на величину не менее 7 м, а выработки у межлавного целика на величину не менее 10 м.
На рис. 3.7 для удобства сопоставления приведены: а - изолинии горизонтальных напряжений в окрестности краевых частей массива по 1-му слою; б - соответствующие им эпюры горизонтальных напряжений в надработанном слое. Для оценки влияния надработки и параметров зон повышенных напряжений в надрабатываемом слое в окрестности межлавных целиков при различных прочностных характеристиках слоя, приведен рис. 3.8. Из рисунка следует, что с уменьшением прочности слоя с f = 1 до f = 0,7 (по М.М. Протодьяконову) увеличиваются размеры зон предельного состояния и уровень напряжений, как в подрабатываемом слое, так и в целике. При этом максимум опорного давления в целике смещается к его центральной части. В подработанном слое размер зоны предельного состояния увеличивается с 5 до 7,5 м.
Полученные результаты позволяют оценивать влияние надработки и определять зоны повышенного давления в пределах надрабатываемых слоев в заданных горно-геологических условиях.
