Введение к работе
Актуальность проблемы. Подготовительные выработки представляют собой важное звено в технологической схеме угольной шахты. Вопросы, связанные с их поддержанием и проведением, в большей мере снижают эффективность разработки угольных пластов, резко повышают стоимость добываемого угля, уменьшают степень безопасности работ.
Особую актуальность данные вопросы' приобретают при разработке глубоких выбросоопасных пластов Донбасса и других угольных месторождений. В частности, в производственном объединении «Донецкуголь» около 30% шахт производят горные работы на глубине более 1000 м, а в дальнейшем их число будет неуклонно расти. Особенно остро задачи, связанные с проведением и поддержанием подготовительных выработок, стоят перед шахтами им. А. Ф. Засядько, им. Калинина, им. А. А. Скочннского, им. газеты «Донбасс». Подготовительные выработки на них в течение срока службы подвергаются 5—6-кратному ремонту, для чего задалжнвается около 10% подземной группы рабочих. Перекрепление выработки, подрывка почвы приводят к значительным дополнительным затратам, вносят большие сложности в технологию работы добычного участка, крыла, панели шахты.
Второй одновременно существующей проблемой для подготовительных выработок глубоких шахт являются различного рода газодинамические явления, происходящие при их проведении: внезапные выбросы угля и газа, а также внезапные поднятия почвы выработок. Эти явления, помимо того, что представляют угрозу для безопасности людей, резко ограничивают эффективность проведения выработок. Так, например, темпы проходки на шахте им. А.. А. Скочинского не превышают 20—30 м в месяц, что связано с необходимостью выполнения сотрясательного взрывания. Задалживаются огромные средства на ликвидацию последствий внезапных газодинамических явлений.
Существуют два обособленных подхода, связанных с решением, проблем поведения и поддержания подготовительных выработок. Первый тодход предусматривает управление угле-
породным массивом с целью борьбы с газодинамическими явлениями. Цель второго—'повышение устойчивости выработок. Известно, что наиболее интенсивные проявления горного давления в одиночной подготовительной выработке имеют место в непосредственной близости от проходческого забоя. В условиях большой глубины уже на расстоянии 20 м от него зона разрушенных пород вокруг выработки достигает 60—70% от. своих конечных размеров. На такую же величину реализуются и смещения пород в выработку. Данные свидетельствуют о существенности -влияния проходческого забоя на .проявления горного давления. В зоне его влияния формируется основа устойчивости выработки, во многом определяющая ее последующее состояние вплоть до момента 'погашения. Поэтому управление состоянием массива вокруг подготовительной выработки с целью повышения ее устойчивости наиболее целесообразно осуществлять в непосредственной близости от ее забоя.
Место осуществления управления состоянием массива — лризабойная зона подготовительной выработки является объединяющим звеном двух обособленных подходов. Второй объединяющий момент—взаимосвязь геомеханических и газодинамических .процессов. В силу сказанного можно обосновать единый /подход к управлению углепородным массивом, 'при проведении подготовительных выработок с целью повышения их устойчивости и борьбы с различного рода газодинамическими явлениями. Экономическая целесообразность единого подхода не вызывает сомнений.
Разрабатываемые способы единого управления состоянием массива должны быть основаны на объективных закономерностях теомеханнческих и газодинамических процессов в слоистом массиве в зоне влияния движущегося забоя подготовительной выработки и направлены на устранение причин потерн устойчивости выработок и ситуаций, опасных по внезапным газодинамическим явлениям.
Вышесказанное позволяет считать тему диссертации актуальной.
Цель работы — установление закономерностей проявлений геомеханичеоких и газодинамических процессов, протекающих вокруг подготовительных выработок, для обоснования технологии управления, углепородным массивом на стадии проведения выработок, обеспечивающей повышение их устойчивости и безопасность ведения горных работ.
Идея работы заключается в едином подходе к управлению геоме.ханическнми и газодинамическими процессами в массиве на основе их взаимосвязи, предусматривающем одновременное повышение устойчивости подготовительных выработок и предотвращение динамических явлений,
Научные положения, выносимые на защиту:
(периодичность изменения геомеханического и газодинамического состояний углепородного массива по длине одиночной подготовительной выработки, которая определяется периодическими разрушениями приконтурных породных слоев в заделке вокруг за'боя от изгибных напряжений с резкими изменениями напряженно-деформированного 'состояния всего прнзабойного массива. Наиболее ярко периодичность проявляется при проведении выработки по песчанистым и глинистым сланцам;
волнообразный характер распределения напряжений и газодинамических параметров то напластованию пород в слоистом углепородном массиве .вокруг одиночной подготовитель-ион выработки зависит от формы поперечного сечения выработки, мощности слагающих слоев и деформативной неоднородности массива;
явление зональной дезинтеграции пород, открытое группой ученых под руководством акад. Е. И. Шемякина, свойственно слоистому массиву, проявляется в боках и впереди забоя одиночной подготовительной выработки и имеет периодический характер. Причиной возникновения зональной дезинтеграции в слоистом массиве является последовательное наложение на окружающие породы по мере подвитання забоя 'іпюр напряжений волнообразного характера с различными параметрами, обусловленными периодически изменяющимся горным давлением;
периодический характер возникновения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок по особсвыбросоопасным угольным'пластам определяется периодическими разрушениями приконтурных слоев в заделке -вокруг забоя;
математическая модель периодичности проявления горного давления в одиночной подготовительной выработке.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
'большим объемом шахтных инструментальных наблюдений (более 10 000) за проявлением горного давления и га-зовыделеннем из угольного пласта и в призаібойное пространство на шахтах Донбасса;
достаточной сходимостью расчетных данных с результатами замеров проявлений горного давления (расхождение 10-20%);
положительным опытом внедрения в практику разработанных способов повышения устойчивости выработок и борьбы с газодинамическими явлениями при их проведении.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— впервые установлено явление периодичности геомеха-
ннческих п газодинамических процессов по длине одиночной
подготовительной выработки, обоснован механизм явления, определена область его существования и установлены зависимости его основных параметров: периода и амплитуды от горно-геологических условий;
— подтверждено существование волнообразного характе
ра распределения напряжений и газодинамических проявле
ний по напластованию пород в слоистом углеотородном мас
сиве вокруг одиночной подготовительной выработки, установ
лены зависимости параметров распределений от горно-геоло
гических и горнотехнических факторов, представлено теорети
ческое обобщение;
—раскрыты закономерности возникновения явления зональной дезинтеграции (открытого группой ученых под руководством акад. Е. И. Шемякина) в слоистом углепородном массиве вокруг одиночных подготовительных выработок, заключающиеся в ее периодичности и существовании в боках и впереди забоя выработки, обоснован механизм явления;
установлена связь возникновения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок с периодичностью проявления в них горного давления;
разработан экспериментально-аналитический метод расчета устойчивости одиночной подготовительной выработки, отличающийся учетом периодичности горного давления.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей проявлений геомеханических .и газодинамических процессов для прогнозирования характеристик поведения утлепородных массивов и научного обоснования управляющих воздействий на них в процессе проведения подготовительных выработок.
Практическое значение работы заключается:
в обосновании концепции единого подхода к управлению состоянием углепородного массива при проведении подготовительных выработок с одновременным достижением целей повышения их устойчивости и борьбы с газодинамическими явлениями;
в обосновании принципов единого управления массивом;
в разработке способов и рекомендаций по управлению массивом, предусматривающих одновременное повышение устойчивости подготовительных выработок и борьбу с газодинамическими явлениями при их проведении;
в разработке экспериментально-аналитического метода расчета смещений пород по длине выработки и во времени для обоснования параметров, способов и рекомендаций по управлению массивом.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы работы использованы в разработанных рекомендациях и способах по управлению состоянием углевмещающего массива.
Промышленная апробация и внедрение технических решений проходили на шахтах ПО «Донецкуголь» и «Торезантрацит».
На шахте им. А. А. Скочинского ПО «Донецкуголь» внедрен способ периодического разрушения слоев пород вмещающего массива вблизи забоя подготовительной выработки по мере ее проведения. Результатом явилось значительное сокращение числа выбросов угля и газа. С 52 до 19% уменьшилась вариация периодических изменений конечных смещений кровли выработок по их длине. На шахте им. А. Ф. Засядько этого же объединения использованы рекомендации по периодичности анкерования пород кровли в прпзабойном пространстве подготовительных выработок. В итоге практически были ликвидированы обрушения пород в призабойное пространство.
Способ передового торпедирования массива в пределах проектного контура выработки внедрен на шахте им.. Лутуги-на ПО «Торезантрацит». Достигнуто повышение устойчивости подготовительных выработок на 40%, значительно улучшено газодинамическое состояние угольного пласта призабойного массива. На этой же шахте прошел промышленную апробацию и внедрение способ обеспечения контакта крепи с массивом путем заполнения закрепного пространства материалом на основе полиуретановых смол. Конвергенция пород в подготовительных выработках уменьшена та 60%.
Фактический экономический эффект от внедрения разработок составил 1077 тыс.. руб. (в ценах 1991 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись автором в виде докладов и обсуждались на 12-м Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата, 1990 г.), научно-технической конференции Донецкого политехнического института (1991 г.), научных семинарах Донецкого политехнического института (1990— 1992 гг.), 1 школе-семинаре по проблемам разработки, комплексного освоения месторождений и обогащения полезных ископаемых (Москва, ИПКОН АН СССР, 1987 г.), заседании Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа (Донецк, 1991 г.).. Автором был представлен и опубликован доклад на Международной конференции по надежности, производству и управлению в угольных шахтах (Австралия, Австралийский горно-металлургический институт, 1991 г.)..
Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 17 научных статей и получено 11 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 3&2 страницах машинописного текста, состоит из введения,
6 глав и заключения, содержит 59 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 188 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» Московского государственного горного университета за полезные советы при выполнении диссертационной работы, а также инженерно-техническим работникам производственных объединений и шахт Донецкого угольного бассейна за помощь при выполнении экспериментальных работ.
