Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса, цель и задачи исследо вания 11
1.1. Опыт и горно-геологические условия перехода очистными забоями зон повышенного горного давления в Донбассе 11
1.2. Состояние изученности вопроса 20
1.3. Цель и задачи исследования 31
2. Методика проведения исследования 34
2.1. Натурные исследования состояния вмещающих пород. 34
2.2. Исследования на моделях из эквивалентных материалов .38
2.3. Экспериментально-аналитический метод исследования напряженного состояния массива пород 41
3. Экспериментальные исследования проявлений горного давле ния при очистной выемке в зонах влияния целиков угля на шахтах Донецкого бассейна 44
3.1. Общие сведения 44
3.2. Исследование влияния целика на состояние кровли в 25 восточной панельной лаве пласта кн5 шахты "Краснолучская" производственного объединения "Донбассантрацит" 45
3.3. Исследование влияния целика на состояние кровли на шахте "Снежнянская" производственного объединил "Торезантрацит" 58
3.4. Исследование влияния целика на состояние кровли в западной лаве пласта шахты "Комиссаровская" производственного объединения "Ворошиловградуголь". 66
3.5. Исследование влияния целиков на состояние кровли в условиях пласта И& шахты "Знамя коммунизма" производственного объединения "Донбассантрацит" 74
3.6. Исследование проявлений горного давления в зоне влияния целика на шахте "Украина" производственного объединения "Ворошиловградуголь" 79
3.7. Обобщение результатов шахтных экспериментов 89
4. Аналитические и лабораторные исследования геомеханических процессов при очистной выемке в зонах влияния целиков угля смежных пластов 101
4.1. Научная проблематика исследования структурно-деформационных свойств массива горных пород 101
4.2. Оценка структурных изменений массива горных пород под целиком угля 105
4.3. Исследование геомеханических процессов при подработке целика 119
4.4. Сопоставление аналитических и лабораторных исследований с результатами шахтных наблюдений. 138
5. Разработка способа ведения очистных работ в зонах влия ния подрабатываемых целиков угля 156
5.1. Прогнозирование опасных проявлений горного давления. 156
5.2. Управление геомеханическими процессами очистной выемки при подработке целиков 175
5.3. Экономическая эффективность способа ведения очистных работ в зонах вредного влияния оставленных целиков угля на горные выработки смежных пластов 201
Заключение 210
Литература
Приложения
- Состояние изученности вопроса
- Исследования на моделях из эквивалентных материалов
- Исследование влияния целика на состояние кровли на шахте "Снежнянская" производственного объединил "Торезантрацит"
- Исследование геомеханических процессов при подработке целика
Введение к работе
В одиннадцатой пятилетке продолжается дальнейшее наращивание объемов комплексной механизации угледобычи. Вместе с тем, в последние годы наметилась общая тенденция снижения сруднесуточ-ной добычи из одного комплексно-механизированного очистного забоя. Сложившееся положение требует расширения области эффективного применения механизированных комплексов. Одной из геомеханических задач, связанных с решением этой проблемы, является обоснование рационального порядка и параметров разработки свиты пологих пластов. Ее актуальность возрастает с увеличением глубины разработки, повышением плановых нагрузок и темпов подвига-ния очистных забоев. Наиболее остро она стоит в Донецком бассейне, где около 8С$ шахт разрабатывают несколько пластов.
При разработке свит угольных пластов неизбежной является подработка и надработка, вредное влияние которых обусловлено оставлением целиков угля и краевых частей, формирующих зоны повышенного горного давления. На шахтах Минуглепрома УССР, разрабатывающих пологие пласты, ежегодно зоны влияния целиков и краевых частей переходят 40-5С$ всех очистных забоев. В этих зонах наряду с возрастанием вероятности появления внезапных выбросов угля, породы и газа, горных идаров создаются условия для обрушения кровли, как правило, резко ухудшается состояние вмещающих пород, снижается их устойчивость, усиливается вывало образование.
Вопросами обоснования рационального порядка разработки свит угольных пластов длительное время занимаются многие научно-исследовательские и учебные центры. Основная направленность исследований в зонах влияния целиков состоит в предотвращении катастрофических динамических проявлений горного давления -горных ударов и внезапных выбросов, а также снижении затрат на поддержание подготовительных выработок. За последние годы разработаны методики определения опасных зон, апробированы способы уменьшения вредного воздействия. Значительно меньшее внимание уделялось исследованию механизма влияния целиков угля смежных пластов на структурно- деформационные свойства массива и процессы разрушения пород кровли в подрабатывающих очистных выработках. Для рассматриваемых условий до настоящего времени отсутствовали требования к способу управления кровлей и креплению в лавах пологих пластов. Вместе с тем, усложнение горно-геологических условий, увеличение частоты и интенсивности обрушений кровли сдерживает рост технико-экономических показателей очистных забоев, снижает уровень безопасности труда в указанных зонах. В связи с этим актуальной является разработка способов ведения очистных работ в зонах влияния целиков угля, оставленных на вышележащих пластах примерно перпендикулярно направлению очистной выемки.
Цель работы состоит в установлении закономерностей изменения структурно-деформационных свойств массива и процессов разрушения пород для разработки способа ведения очистных работ в зонах влияния целиков угля, оставленных на вышележащих пластах примерно перпендикулярно направлению очистной выемки, осуществление которого повысит безопасность и эффективность разработки тонких угольных пластов.
Идея работы заключается в том, что очистные работы в зонах влияния подрабатываемых целиков должны вестись с учетом изменения структурно-деформационных свойств массива и процессов его разрушения, оказывающих решающее действие на реализацию проявлений горного давления и состояние кровли в лавах.
Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в диссертации сформулированы следующие основные задачи: - исследовать закономерности изменения структурного строения массива пород под целиками, вызванные влиянием повышенного горного давления (по подхода подрабатывающего очистного забоя);
- исследовать зависимость влияния изменения структурно-деформационных свойств и процессов разрушения массива пород при подработке целиков на реализацию проявлений горного давления, установить механизм их воздействия на состояние кровли и технологические процессы в очистном забое;
- уточнить параметры зон влияния целиков угля на состояние кровли в лавах и дифференцировать их по степени опасности;
- предложить рекомендации по управлению кровлей и креплению очистных забоев в зонах влияния подрабатываемых целиков угля, проверить их практическую работоспособность и эффективность;
- выбрать и уточнить основы способа оперативного прогнозирования проявлений горного давления в опасных зонах.
Методы исследований. При исследовании принят комплексный метод, включающий шахтные исследования проявлений горного дав -ления с использованием известных методов оценки структурно-деформационных свойств и напряженного состояния горного массива, лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов, аналитические исследования поля напряжений под целиком при его формировании и подработке, анализ проявлений горного давления в зонах влияния целиков смежных пластов. Обработка результатов осуществлялась с использованием математической статистики.
Автор выносит на зашиту:
1. Закономерности структурного строения массива пород под целиком.
2. Основные закономерности изменения структурно-деформационных свойств и процессов разрушения массива пород при под работке целиков, их влияние на состояние кровли и технологические процессы в очистном забое.
3. Обоснование и разработку способа ведения очистных работ в зонах влияния целиков угля, оставленных на вышележащих пластах примерно перпендикулярно направлению очистной выемки, который включает в себя:
- уточненную методику построения зон влияния целиков угля с дифференциацией их по степени опасности;
- рекомендации по управлению кровлей и креплению очистных забоев;
- основы способа оперативного прогнозирования проявлений горного давления в опасных зонах.
Научные положения, разработанные лично диссертантом» и новизна:
впервые установлены зависимости влияния на состояние кровли очистных забоев изменений структурно-деформационных свойств ( обрушаемости и устойчивости ) при подработке "перпендикулярных" целиков, а также характера разрушения пород, которые вызваны техногенной неоднородностью структурного строения массива под целиком и дополнительным разрушением при переходе участков с различающимися структурно-деформационными свойствами ( целик - выработанное пространство ) в процессе его подработки;
получены закономерности изменения структурно-деформационных свойств и процессов разрушения горных пород в зонах влияния подрабатываемых целиков угля в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий, отличающиеся тем, что для их количественной оценки используются относительные показатели, выраженные через ширину зоны опорного давления, которая является комплексным геомеханическим параметром; впервые разработана система прогнозирования структурно-деформационных свойств массива при подработке "перпендикулярных" угольных целиков, включающая методику построения зон влияния с дифференциацией их по степени опасности, а также способ оперативного прогнозирования и оценки опасных состояний кровли в указанных зонах;
впервые обоснованы требования к способу управления горным давлением и применяемой при подработке угольных целиков крепи, вытекающие из исходных горно-геологических условий и прогнозируемого изменения структурно-деформационных свойств.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:
удовлетворительной сходимостью результатов, полученных с применением апробированных методов натурных, лабораторных и аналитических исследований, выполненных в большом объёме ( шахтные наблюдения за изменением структурно-деформационных свойств были проведены на 27 выемочных участках в типичных условиях пологих пластов Донбасса, лабораторные исследования основывались на данных отработки пяти моделей из эквивалентных материалов, параметры опасных зон определялись на основании обобщения опыта отработки 82 очистных забоев );
фактическим снижением величин смещений боковых пород и коэффициентов их вариации, улучшением состояния кровли и отсутствием завалов призабойного пространства при ведении очистных работ в зонах влияния целиков угля согласно разработанным рекомендациям.
Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении зависимостей влияния на состояние кровли и технологические процессы в очистном забое изменений структурно-деформационных свойств массива, регистрируемых при подработке угольных целиков, обосновании необходимых параметров управления кровлей и крепления в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий, которые могут быть использованы при обосновании параметров способа ведения очистных работ в опасных зонах.
Практическое значение работы заключается в разработке способа ведения очистных работ, включающего систему прогнозирования и предотвращения опасного воздействия на состояние кровли подрабатываемых целиков угля, что позволяет повысить безопасность и эффективность очистной выемки в зонах их влияния. Указанный способ ведения очистных работ включен в "Рекомендации по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35° при переходе ими зон влияния целиков и краевых частей смежных пластов", которые утверждены Минуглепромом УССР в 1980г.
Реализация работы. "Рекомендации по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35° при переходе ими зон влияния целиков и краевых частей смежных пластов" внедрены в пяти лавах шахт производственного объединения "Ворошиловградуголь", фактический экономический эффект от их внедрения составил 45,4 тыс.руб.
В соответствиии с планом повышения технического уровня производства Минуглепромом УССР и Донуги в I98I-I982 годах производилось промышленное внедрение указанных "Рекомендаций...". В настоящее время "Рекомендации..." используются на шахтах отрасли при составлении проектов отработки выемочных участков.
За разработку и внедрение способа ведения очистных работ в зонах вредного влияния оставленных целиков угля на горные выработки смежных пластов автор в составе коллектива удостоен премии ЦК ЛКСМ Украины и Укрсовета НТО в области науки и техники за 1980 г. и премии: Донецкого обкома ЖСМ Украины и облсовета НТО в области науки и техники за 1982 г.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на УП Всесоюзной конференции по механике горных работ (Днепропетровск, 1981 г.), на Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение: ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1982 г.), на Всесоюзной конференции "Геомеханические проблемы высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности угольных пластов на глубоких горизонтах" (Донецк, 1980 г.)» на I Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (Москва, 1979 г.)» на республиканском научно-техническом семинаре "Совершенствование способов и средств управления кровлей и крепления очистных забоев в сложных горногеологических условиях" (Донецк, 1982 г.), на научно-производственном семинаре НТО-горное (Донецк, 1982 г.).
Состояние изученности вопроса
Вопросу обоснования рационального порядка разработки свиты угольных пластов и исследованию их взаимного влияния уделяется большое внимание. В этом направлении ведутся работы в институтах ВНИМИ, ИГД им.А.А.Скочинского, ИГД СО АН СССР, Донуги, Мга,ИГТМ АН УССР, ДГИ, ЛГИ и др.
При обосновании исходных параметров отработки свит большое значение имеют работы специалистов в области механики горных пород К.А.Ардашева, А.А.Борисова, В.И.Барановского, А.С.Біурчакова, Г.И.Грицко, В.Т.Давидянца, А.В.Докукина, А.М.Ил&птейна, Г.А.Кру-пенникова, Г.Н.Кузнецова, С.Т.Кузнецова, С.М.Липковича, Г.Я.Но вика, А.Д.ЇЇанова, И.М.Петухова, В.В.Ржевского, Д.С.Ростовцева, К.Ф.Сапицкого, В.Д.Слесарева, П.М.Цимбаревича, И.Л.Черняка, Е.И.Шемякина, Г.Л.Фисенко. Для изучения физических процессов, протекающих в горном массиве при разработке свиты пластов, важны результаты экспериментальных исследований механических свойств горных пород, принципиальные методические аспекты которых наиболее полно рассмотрены в_( работах А.Д.Алексеева, Л.И.Барона, Л.Н.Ботвинкиной, Я.Л.Бича, Ф.П.Дублика, В.В.Белоусова, М.В.ІЬов-ского, Ю.М.Карташова, Г.Н.Кузнецова, С.Т.Кузнецова, К.В.Руппе-нейта, М.М.Протодьяконова, А.В.Пэка, Б.В.Матвеева, А.Н.Ставро -гина. Задача крепления очистных забоев и управления кровлей неразрывно связана с вопросами взаимодействия элементов призабой-ной крепи и бокбвых пород, которые нашли свое отражение в работах И.Н.Воронина, Ф.П.Глушихина, Е.Д.Дубова,И.А.Кияшко,А.И.Зиль-бермана, Е.П.Мухина, А.А.Орлова, Н.М.Садыкова, Ю.Г.Спицына.
Большое значение имеют работы зарубежных исследователей О.Якоби, Г.Хервига, Г.Ирресбергера, Г.Зверлинга.
Исследованию геомеханических процессов, вызванных взаимным влиянием разработки смежных угольных пластов в свитах, посвящено большое количество работ. В абсолютном большинстве из них рассматриваются вопросы предотвращения динамических явлений (горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа), снижения затрат на поддержание подготовительных выработок. Значительная часть этих работ выполнена путем наблюдений в шахтах. Большой объем исследований выполнен на моделях из эквивалентных и оптически-чувствительных материалов. Имеется много работ, выполненных аналитическими методами.
Изучая вопросы, связанные с отработкой свиты пластов, многие исследователи отмечали вредное влияние целиков и краевых частей на подрабатывающие и надрабатывающие пласты. Авторы боль шинства работ изучали границы, меньшее число - механизм влияния повышенного горного давления на состояние пласта и вмещающих горных пород. Обычно определению границ зон влияния целиков и краевых частей уделяли внимание при расчете защищенных зон от газодинамических явлений и разгруженных зон - при выборе места заложения подготовительных и капитальных выработок.
Влияние целиков угля и краевых частей, оставленных на смежных пластах, как фактора, увеличивающего выбросоопасность, отмечали авторы работ /I-I5, 53-55/. Большинство из них, изучая защищенные от газодинамических явлений зоны, определяли параметры зон повышенного горного давления.
Наиболее целенаправленные исследования аспектов разработки свит угольных пластов выполнены во ВНИМИ. На их основе разработаны методики построения зон повышенного горного давления от целиков и краевых частей при разработке пластов, опасных по горным ударам /16/ и внезапным выбросам угля, породы и газа /17/.
В методиках /16,17/ параметры зон повышенного горного давления приняты без учета геологических и горнотехнических факторов, таких как глубина горных работ, мощность пластов, состав пород междупластья и т.д. Это объясняется тем, что газодинамические проявления горного давления протекают в катастрофической форме. Для их предотвращения необходимо принимать решения с большим запасом. Поэтому же в "Инструкции..." /17/ зоны повышенного горного давления не дифференцируются по степени выбросоопас-ности.
При оценке зон повышенного горного давления существенными являются специфические отличия динамических проявлений горного давления от влияния целиков и краевых частей смежных пластов на состояние кровли в лаве. Как правило, последнее заключается в снижении устойчивости нижних слоев кровли, увеличении конверген ции боковых пород очистного забоя. Эти проявления нельзя рассматривать как катастрофические явления. С ними надо считаться в части повышения трудоемкости работ, снижения производительности труда, повышения себестоимости угля.
Исследования напряженного состояния пород при разработке свиты пластов многие годы проводились под руководством И.М.Пету-хова. Результаты их излагались в ряде монографий /1,2,4,18,19/ и других работах. На основании шахтных наблюдений авторы /I/ делают выводы, что дальность влияния целика по фактору горного давления весьма значительна и может достигать 100 м и более. Исследуя вопрос о влиянии целиков, они устанавливают, что влияние целика, как концентратора напряжений,сказывается над и под его серединой на расстоянии до 3 с в породах почвы и до 4 с - в породах кровли. Здесь с - ширина целика.
Исследовано также влияние ширины целика и показано, что целики шириной около 20 м (более 12-кратной мощности пласта) не теряют несущей способности и передают в породы почвы пригрузки от веса вышележащих пород. Межлавные целики шириной 4-6 м в процессе развития очистных работ разрушаются и практически теряют несущую способность /4/.
Комплексные лабораторные исследования на моделях из оптически-чувствительных и эквивалентных материалов проводились в Сибирском отделении АН СССР Г.И.Грицко и В.А.Пёлауровым /20/. Их исследования показали, что при работе лав в створе посредине междупластья на участке впереди забоев концентрация вертикальных ожимающих напряжений достигает I,85tftf . В зонах влияния краевых частей концентрация опорного давления достигает 4-6 tfH , а при переходе створов наиболее опасным по фактору горного давления является участок, расположенный на расстоянии 0,3-0,5 мощности междупластья от створа в сторону массива пласта.
Ряд работ по исследованию напряженного состояния массива под целиками выполнен аналитическими методами /21,22,31,56,57/. . В.В.Зубковым /21/ разработан метод и составлена программа, позволяющая расчитать напряженное состояние массива пород при подработке и надработке целиков.
Используя аналогичные методы, 0.В.Рыбак /22/ установила существенное различие в формировании зон опорного давления в случае подхода лавы подрабатывающего или надрабатывающего пласта к краевой части и в случае выхода из под нее.
Многие авторы /23-31/ рассматривали проблему влияния повышенного горного давления с точки зрения поддержания подготовительных выработок. Исследования показали, что вредное влияние целиков и краевых частей выражается в уменьшении сечения выработок за счет значительного возрастания величины и скорости смещения боковых пород, пучения почвы. Увеличение количества трещин и заколов, разрушение затяжки обусловливают при этом увеличение числа и размеров вывалов пород из кровли. Однако, установленные количественные закономерности в силу их специфических особенностей не могут быть распространены на очистные выработки.
При исследовании проявлений горного давления в зонах влияния целиков и краевых частей меньшее влияние уделялось изучению изменения структурно-деформационных свойств массива. Между тем, ошибочная оценка свойств горных пород под целиками и краевыми частями отрицательно сказывается на эффективности управления горным давлением, приводит к нарушению производственного процесса и обусловливает значительные убытки. Устранение последствий проявлений горного давления с использованием ручного труда требует больших затрат, снижает уровень безопасности работ /32/. СЯкоби /33/, к примеру, считает, что "проблема управления горным давлением на большой глубине не является сама по себе пробле
Исследования на моделях из эквивалентных материалов
Моделирование методом эквивалентных материалов /62/ основано на замене естественных горных пород искусственными материалами, показатели физико-механических свойств которых находятся в определенных соотношениях с аналитическими показателями тех же свойств пород натуры.
Для решения поставленных задач в настоящей работе использованы данные пяти моделей, заложенных и отработанных в лаборатории моделирования Донуги под руководством Н.В.Тихоновой. Сведения о моделях приведены в приложении У . Изготовление и отработка моделей производились на плоских стендах в соответствии с рекомендациями /70/ и учетом опыта моделирования в Донуги. Необходимым этапом исследования, предшествующим проведению самих экспериментов, являлся предварительный анализ и обоснование представительности содержания опытов на моделях, а также приемов и программы их проведения.
Оценка представительности экспериментов производилась с учетом выполнения следующих условий /70/:I. Воспроизведение в модели главных факторов, определяющих ход изучаемых процессов, и установление показателей, регистрация которых позволяет выявить их закономерности и основные черты механизма, а также требуемые горнотехнические характеристики.
В данном случае определяющими факторами при формировании специфической геомеханической ситуации под целиками являются: глубина, на которой оставлен целик; мощность угольного пласта, на котором оставлен целик; геометрические размеры целика; свойства пород междупластья; мощность пород междупластья.
Их значения принимались в соответствии с данными табл.1.1.2. Обеспечение достаточно полного и надежного выявленияискомых закономерностей путем рационального подбора типа и масштаба проектируемых моделей, а также необходимого их количества.
При определении напряженного состояния массива горных пород в процессе отработки угольного пласта можно считать, что деформации соответствуют плоскому деформированному состоянию. Поэтому правомерным является моделирование изучаемых процессов на плоских моделях.
Для получения общей механической схемы влияния целиков на отработку смежных пластов масштаб моделей был принят 1:100,для выявления влияния некоторых определяющих факторов и технологических параметров модели имели масштаб 1:20.3. Соответствие граничных условий на внешних сторонах модели, определение минимальной толщи пород, воспроизводимой вмодели, определялось по методике /70/. Соблюдение граничных условий у краев стенда обеспечивалось достаточным расстоянием отних до исследуемых зон. Для решения поставленной задачи требуется моделирование различной глубины разработки, в то время какпо технологическим причинам высота моделей ограничивается величиной 1,8-2,0 м. Зто-вызывает необходимость применения компенсирующей пригрузки.
Для данных стендов, при изготовлении моделей по аналогичной методике ранее проводились эксперименты, которые позволили получить методику расчета дополнительного пригруза /71/.
Соблюдение граничных условий в нижней части модели обеспечивается прибором "Упругое основание" /72/.4. Соответствие физико-механических характеристик материалов модели моделируемому массиву пород. применялись парафиновые и гипсопесочные смеси. Комплекс соответствующих характеристик определялся по опытным данным /73/. с последующей проверкой на одноосное сжатие и растяжение образцов из модели.5. Соответствие временного режима горнотехнических операцийпо подвиганию выработок в модели масштабу времени процессов деформаций и смещений пород, окружающих выработку. Масштаб времениопределялся опытным путем из условий затухания процесса деформаций кровли после технологического процесса выемки угля. В моделях интенсивные сдвижения кровли после выемки угля наблюдалисьв течение 15-20 мин., после чего они стабилизировались. В шахтных условиях влияние вруба, по наблюдениям /74/J наблюдается в течение 1,5-2 часов. То есть длительность суток в модели соответствует 4 часам.
В данной задаче для соблюдения масштаба времени промежуток времени между отдельными циклами выемки угля принимался одинаковым для всех моделей и составлял 30 мин. Это обеспечивало сопоставимость результатов при различных горнотехнических условиях.6. Соответствие средств наблюдений и измерений изучаемымпоказателям процесса.
Для решения поставленной задачи исследований производились измерения смещений и напряжений при отработке моделей. Замеры смещений толщи пород и деформаций целика производились зеркальными тензометрами, расположенными в кровле и почве пласта /73/.
Перераспределение давления в процессе выемки пластов в плоскости почвы замерялось прибором "Упругое основание" с индикаторами часового типа. Исследования данного упругого динамометрического основания (УДи) показывают, что модуль упругости системы УДО составляет = 2,92-10 кг/см /72/ и отличается от модуля упругости эквивалентного материала, имитирующеги породы песчаника при масштабе моделирования I:I0U (Е- 2,1.I03кг/см2), примерно на один порядок. Это обеспечивает удовлетворительное соблюдение граничных условий в нижней части модели.данная система УДО обладает достаточной точностью для определения давлений в плоских моделях - максимальная погрешность составляла 0,5%.
Несмотря на то, что моделирование позволяет строить модели, во многом адекватно отражающие свойства и процессы, происходящие в шахтных условиях, в качестве критерия достоверности получаемых на моделях результатов принимались данные, полученные в натурных экспериментах.
Для исследования механизма влияния целиков угля на структурно-деформационные свойства вмещающих пород необходим расчет напряженного состояния горного массива. С этой целью использовался комплексный экспериментально- аналитический метод /75/, который состоит в сочетании аналитических решений, позволяющих выявить наиболее общие качественные закономерности, с экспериментальными исследованиями, несущими информацию о конкретных проявлениях механического состояния массива горных пород.
Экспериментально-теоретический подход к исследованию механического состояния горного массива был разработан в Ш% Си АН СССР /75/. Кто научной основой является метод применения теории функций комплексного переменного к решению плоских задач теории упругости Н.И.Мусхелишвили /76/, операторные методы теории линейной наследственности, разработанные академиком Ю.Н.Работновым /77/ и развитые для горных пород М.И.Розовским и Ж.С.Ержановым /78/, а также экспериментальные методы исследования механики гор
Исследование влияния целика на состояние кровли на шахте "Снежнянская" производственного объединил "Торезантрацит"
Экспериментальный участок отрабатываемой по восстанию 2 западной лавы пласта h6 залегал на глубине 490 м. Угол падения пласта - 4, вынимаемая мощность - 0,95 м. Наблюдения проводились в зоне влияния "перпендикулярного" целика угля шириной 30 м, оставленного на вышележащем пласте. h7 . Мощность между-пластья - 80 м. Разрез толщи пород, а также соотношение горных работ на смежных пластах приведены на рис.3.9. Отличительной особенностью геологического строения кровли разрабатываемого пласта является то, что непосредственно над ним залегает слой мощностью 0,3 м крепкого песчаника, который препятствует обрушению вышележащей толщи песчаноглинистых сланцев и способствует зависаниям кровли в лаве. Выемка угля в лаве производилась комбайном ІК-І0І, крепление призабойного пространства - механизированной крепью МК-97. Из-за малой вынимаемой мощности пласта, как правило, имела место недодвижка секций крепи на расстояние 0,85 м до забоя, величина бесстоечного пространства составляла 2,45-3,25 м.
Анализ гистограмм распределения расстояния между трещинами в кровле (рис.ЗЛО в) и удельной конвергенции (рис.3.10 а) показывает, что вне зоны влияния целика массив пород классифицируется как устойчивый 5"4 и труднообрушаемый Д3_4 Рассматриваемые распределения являются бимодальными и имеют два ярковыра-женных максимума, один из которых характерен для периода работы лавы между осадками, а другой - для момента осадки. Осадки кровли происходят периодически через 22-25 м подвигания лавы.
При подходе очистного забоя к проекции первой кромки целика было зафиксировано увеличение нарушенности кровли трещинами в 2,5 раза по сравнению с надработанной зоной и увеличение конвергенции доо( я 0,058 (рис.3.9 б и З.П б). Это обусловило возрастание нарушенности кровли вывалами (рис.3.9 в) и послужило причиной завала лавы при входе под целик (рис. 3.12 и 3.136). Отработка участка пласта под целиком сопровождалась улучшением состояния пород кровли, снижением уровня конвергенции. Это про исходило в условиях, когда увеличилось зависание пород в выработанном пространстве более, чем в 2 раза по сравнению с надработанной зоной и возросло напряженное состояние - максимальный выход буровой мелочи увеличился в 4,5 раза и составил 19 л/м. При выходе очистного забоя в надработанную зону было зафиксировано увеличение в 4,5 раза нарушенности кровли трещинами, в 3,8 раза возросла конвергенция, достигая в отдельных случаях величины о( = 0,1600. Увеличение нарушенности кровли трещинами обусловило при выходе из-под целика три завала призабойного пространства.
Распределение удельной конвергенции (рис.3.10 б) позволяет классифицировать массив пород в зоне повышенного горного давления как труднообрушаемый А3. В свою очередь, распределение расстояний между трещинами в опасной зоне (рис.3.10 г) характерно для малоустойчивых Б3_2.
Опасные проявления горного давления, зафиксированные при переходе кромок целика, позволили определить границы зоны его влияния (рис.3.9 а).
Для уточнения особенностей разрушения кровли и характера взаимодействия крепи с боковыми породами на рис.3.13 приведены эскизы типичной нарушенности кровли для различных положений лавы под целиком. При отработке участка под центром целика фиксируются зависания пород в выработанном пространстве до 10 м. Кровля мало нарушена. Угол наклона параллельной забою техноло гической трещиноватости составляет 65-75, трещины имеют сомкнутые берега.
По мере подхода лавы под первую кромку сокращается расстояние между трещинами до 0,7-0,8 м, увеличивается угол наклона до 85-90, возрастает зияние отдельных трещин, достигающее 10мм. Высота обрушений составляет 1,2-1,5 м. Обрушения в бесстоечном пространстве являются причиной дополнительного снижения бокового распора между отдельными блоками непосредственной кровли и способствуют их вертикальному движению друг относительно друга при разгрузке и передвижке секций крепи. Смещения блоков при этом достигают 0,2-0,3 м.
При переходе второй кромки целика и выходе в надработан-ную зону уменьшаются размеры блоков песчаника в кровле до 0,5-0,8 м, угол наклона технологической трещиноватости составляет 85-90, смещение блоков по трещинам возрастает до 0,4 м. В бесстоечном пространстве по ширине до 1,7 м происходят обрушения пород непосредственной кровли на высоту до 2,0-2,5 м. Вывалившаяся порода полностью засыпала призабойное пространство.
Обрушения кровли и завалы лавы значительно ухудшили технико-экономические показатели работы очистного забоя - скорость его подвигания уменьшилась с 55-60 до 10 м/мес.
На шахте "Снежнянская" помимо наблюдений во 2 западной лаве пласта h6 производилась оценка влияния подрабатываемых целиков на состояние кровли в смежной - I западной лаве, которая имела сходные горно-геологические и горнотехнические условия. Отличие заключалось в том, что зона была сформирована целиками другой ширины (рис.3.12). Один из них имел ширину 8 м, второй классифицировался как "перпендикулярная" краевая часть.
Наблюдения показали, что интенсивность проявлений горного давления в опасной зоне при ширине целика 8 м ниже, чем при ширине 30 м. В данном случае, обрушаемость массива оставалась без изменения. Имело место только снижение устойчивости пород до категории E3_z при выходе изнпод , целика, когда был зафиксирован завал лавы.
Когда же работы велись в зоне влияния "перпендикулярной" краевой части, которую можно рассматривать как целик большой ширины, управление горным давлением осложнилось. После выхода в надработанную зону отмечались завалы призабойного пространства, сопровождавшиеся исчерпанием запаса раздвижности стоек крепи. Завалы происходили практически беспрерывно и распространялись на значительный по длине участок очистного забоя. Характер и параметры обрушений кровли близки к наблюдавшимся во 2 западной лаве при выходе из-под целика. Среднее расстояние между трещинами в кровле уменьшилось до 0,54 м, сближения кровли и почвы увеличились до максимальной величины 0,095. Анализ гистограмм распределения удельной конвергенции показал, что в рассматриваемом случае массив необходимо классифицировать как труднообрушаемый А3_4. По устойчивости нижнего слоя кровли изменение поведения пород в опасной зоне было существенным. Это позволяет говорить о снижении устойчивости кровли до категории 52_3 (рис.ЗЛО д,е).
Исследование геомеханических процессов при подработке целика
При описании геомеханических процессов подработки целика требуется учитывать имеющиеся изменения структурно-деформационных свойств массива. Переход участков с различными свойствами обусловливает отклонения от установившегося геомеханического процесса и связан с дополнительным разрушением массива и формированием его нового структурного строения. В силу динамичности протекания эти явления могут быть отнесены к переходным геомеханическим процессам. Сложность состоит в том, что в настоящее время отсутствуют способы строгого определения напряженного состояния вмещающего массива в этих случаях.
Для оценки напряженного состояния массива пород, когда имеется вероятность формирования его новой структуры, вызванная геомеханическими процессами при переходе очистным забоем участков с отличающимися структурно-деформационными свойствами, была разработана специальная программа, позволяющая уточнить аналитический расчет путем использования данных, полученных при отработке в подобных условиях моделей из эквивалентных материалов. В программе использовались относительные пересчетные коэффициенты, устанавливающие связь между отдельными элементами напряжений, рассчитанных аналитически1. Пересчетные коэффициенты вычислялись для различных параллельных напластованию уровней по формуламздесь индексы: #- означает, что напряжение вычислено аналитически; і - принимает значения номеров параллельных напластованию уровней, располагающихся на различном удалении в кровлю и почву от пласта; / - определяет массив точек по направлению движения очистного забоя.
"Булевым" напряжениям (б»)о соответствует уровень, для которого имеются данные о вертикальных сжимающих напряжениях, замеренных в модели прибором "упругое основание".
При достаточной корреляции (К & 0,7) между ( 6а )oj и элементами напряжений в числителе формул (4.23) производится вычисление составляющих искомого напряженного состояниягде индекс гн указывает, что данные напряжения соответствуют напряжениям в модели, пересчитанным на натуру. Вычисления (4.24) производились по данным модели 3-62-УМК. Расчет выполнялся для уровня пород непосредственной кровли, удаленного от Аналитический расчет упруго-мгновенного напряженного состояния массива при подработке целика был выполнен В.В,Зубковым. пласта на пятикратную величину вынимаемой мощности (10 метров).
Полученные эпюры главных напряжений б, и 6Z , максимального касательного напряжения , угла о( отклонения от вертикали главного напряжения 6, представлены на рис.4.6-4.8. Они показывают, что при отработке участка угольного пласта, расположенного под центром целика (рис.4.7), по сравнению с входом (рис.4.6) и выходом (рис.4.8) имеются существенные различия. Под центром целика происходит увеличение главного напряжения 6t и максимального касательного напряжения ахв 1,6-2,1 раза.Фиксируется также изменение положения относительно линии забоя максимума напряжений df , определяющего зону, в которой породы кровли переходят в предельное состояние /112/.
Сопоставление полученных эпюр напряженного состояния массива со схемами перехода кровли в предельное состояние /87,111-112, I3CKL32/ позволяет установить отличия в характере и типе разрушения пород в зоне влияния целика. На условия разрушения пород кровли очистных выработок оказывает большое влияние соотношение прочности массива пород непосредственной кровли и прочности угольного пласта. Причем, необходимо учитывать, что в зоне повышенного горного давления происходит дополнительное снижение последней за счет геомеханической деструкции угля /129/.
В практике очистной выемки под целиками возможны несколько соотношений указанных црочностей, определяющих тип разрушения кровли.
Если под центром целика, по сравнению с надработанной зоной, не отмечается увеличение цилиндрической жесткости кровли, то в процессе его подработки по всей зоне имеет место улучшение обрушаемости и снижение устойчивости боковых пород. Кровля разрушается впереди забоя за счет сдвига при изгибе. Схема сеток линий скольжения для этого случая приведена на рис.4.9. Сдвиговые деформации в зоне опорного давления формируют сеть сдвиговых наклонных трещин, разбивающих кровлю на ряд небольших по размеру блоков, взаимодействующих мевду собой и крепью. В данном случае хорошая обрушаемость кровли, являющаяся положительным качеством ее управления, сочетается с низкой устойчивостью в обнажениях. Существенно сокращается допустимая площадь незакрепленной кровли, возрастает число местных вывалов из-за обыгрывания элементов крепи в бесстоечном прост tранстве.
Если под центром целика имеет место увеличение цилиндрической жесткости кровли, то ее переход в предельное состояние также как ив предыдущем случае происходит впереди забоя.Однако, сеть наклонных трещин оказывается более редкой..За счет перехода в предельное состояние и сдвига по контакту между пластом и вмещающими породами становится возможным "выдавливание" блоков кровли из зоны опорного давления в сторону выработанного пространства . Схема сеток линий скольжения для.этого случая приведена на рис.4.10. Она отображает комбинированную задачу теории предельного равновесия /112/, в которой вдоль граней 2-5-7 и 4-6-8 существует специальное предельное равновесие. Цри этом блок 2-4-6-5 сохраняет монолитность и перемещается вместе с находящимся под ним предельно напряженным пластов при его выдавливании. Вдоль поверхности 4-6 возможно проскальзывание пласта. Блок 5-6-8-7, распираясь, препятствует вертикальному движению блоков непосредственной кровли. Между блоками сохра -няется распор и они образуют некоторую устойчивую систему до тех пор, пока в каком либо из них за счет дополнительного разрушения не произойдет скол опорной части, приводящий к потере бокового распора, резкой осадке блоков данного слоя и возрастанию давления на крепь блоков, располагающихся над поддерживав мым выработанным пространством.
Последовательное: разрушение вышележащих слоев происходит, путем отрыва или скола. Так как в выработанном пространстве отмечается более упорядоченное опускание блоков кровли, то отсутствует разрыхление и подбучивание кровли, увеличиваются зависания пород, создаются условия для вторичных осадок кровли повышенной интенсивности.
Отличительной чертой данного типа разрушения кровли является то, что при нем глубина разработки мало влияет на интенсивность проявлений горного давления. Это объясняется тем, что при изгибе и сколе нависающих консолей давление на крепь очистных выработок определяется только весом обламывающихся консолей кровли и частичной догрузкой крепи во время вторичных осадок /87,131/.
Если ширина зоны ухудшения обрушаемости массива под целиком оказывается достаточно большой, то осадки происходят периодически при превышении предельных деформацией изгиба слоев основной и непосредственной кровли и сопровождаются разрушением пород в пределах призабойного пространства. Причем, потеря бокового распора нижнего слоя, способствующая проскальзыванию блоков, может происходить без существенного его разрушения. Вертикальное смещение блоков отмечается в момент облома консоли кровли, когда перемещаются точки бокового распора. Важное значение приобретает учет наложения шага обрушения основной кровли. f Если обрушение основной кровли произошло перед входом под целик, а ширина опасной зоны незначительна, то отработка участка пласта под центром целика не будет осложнена опасными состояниями кровли.По мере дальнейшего увеличения под центром целика цилиндрической жесткости кровли создаются условия для плавного опуска
