Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ И СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕМАТИКИ. Интенсивное внедрение технологии выемки крутых пластов полосами по падению с использованием щитовых агрегатов в настоящее время является одним И8 перспективных направлений развития угледобычи. Однако повышение производительности их работы.с переходом на глубокие горизонты в значительной мере осложняется увеличением горного давления, газоносности и проявлением газодинамических явлений.
Большой вклад в изучение закономерностей формирования горного .давления вокруг очистной выработки и разработку способов управления состоянием горного массива принадлежит К. А. Ардашеву. А. А. Борисову, А. Ф. Булату. Ф. Н. Воскобо-еву. М. П. Зборщику. А. Н. Зорину. Б. М. Иванову, 0. В. Ко-локолову, В. Н. Николину. И. М. Петухову. К. К. Софийскому. Г. Н. Фейту, В. В. Ходоту. С. А. Христиановичу и др. Вместе с тем, постоянно ухудшающиеся условия отработки крутых пластов требуют развития выполненных работ и создания новых нетрадиционных подходов по изысканию способов управления напряженно-деформированным состоянием угольных массивов на больших глубинах с использованием энергии горного давления.
Наличие зоны отжатого угля в призабойной части пласта является одним из основных условий повышения нагрузки на очистной забой по газовому фактору, поскольку степень деформации этой части пласта, происходящая в результате изменения его напряженного состояния, тесно связана с активностью сорбционных и десорбционных процессов. Дегазация и снижение интенсивности проявления горного д.'івления, максимум которого перемещается в глубь массива, являются следствием увеличения
4 размеров зоны нарушенного и отжатого угля в призабойной части пласта.
Существующие способы управления геомеханическими процессами, протекающими вблизи очистных забоев, в значительном диапазоне горногеологических условий недостаточно эффективны, т.к. связаны с выполнением трудоемких Суровых работ, да и сам процесс бурения не исключает вероятности проявления газодинамических явлений.
Большую перспективу в этом направлении дают фундаментальные результаты в области механики горных пород (открытия М 337 за 1988 г., СССР и И 1 за 1992 г., Украина), которые позволяют сделать вывод, что управлять свойствами и состоянием призабойной части пласта можно малоэнергоемкими воздействиями на несколько порядков ниже уровня действующих в горном массиве напряжений,реализуемыми.циклической разгрузкой-распором секций щитовой крепи. Однако практическое применение этого способа, основанного на использовании энергии массива, сдерживается слабой изученностью деформационных процессов, происходящих в призабойной части угольного пласта при его дополнительном нагружении. отсутствием геомеханического обоснования параметров циклического воздействия с учетом механики деформирования и разрушения угля. В этой связи обоснование и выбор рациональных параметров способа управления зоной отжима угля посредством циклических воздействий щитовой крепью на боковые породы является актуальной научной задачей.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ.Института геотехнической-механики НАН Украины. Постановлениями ГКНТ СССР и Украины. Минуглепрома и Президиума НАН Украины.
ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы - установление закономерностей формирования и характера изменения зоны отжима угля вокруг очистных выработок и обоснование рациональных параметров способа управления этой зоной для эффективной отработки крутых пластов щитовыми агрегатами в сложных горногеологических условиях.
Для ее реализации поставлены и решены следующие задачи:
-
Установить закономерности формирования и характер изменения зоны отжима угля в очистных выработках при отработке крутых пластов щитовыми агрегатами.
-
Выполнить геомеханическое обоснование способа управления состоянием призабойной части угольного пласта в зоне отжима.
. 3. Определить рациональные параметры способа управления зоной отжима угля.
4. Оценить эффективность управления зоной отжима угля посредством циклических воздействий щитовой крепью на боковые породы в различных горногеологических условиях.
Основная идея работы состоит в направленной активизации процесса разрушения пласта и увеличении зоны отжима угля в щитовых лавах дозировано привнесенной энергией в угольный массив при циклических воздействиях секциями крепи на пласт через боковые породы. '
ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО НАУЧНАЯ НОВЮНА. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей формирования и характера изменения зоны отжатого угля с учетом литолого-геомеха-нических факторов и их использование при определении напряженно-деформированного состояния угольного массива и оценке процесса разрушения угля в зоне отжима при его дополнитель-
ъ ном нагружении; в обосновании и определении рациональных параметров способа управления зоной отжима при циклических воздействиях щитовой крепью на пласт через боковые породы для повышения эффективности очистных работ.
Практическое значение работы состоит в определении рациональных параметров способа управления зоной отжима угля для эффективной отработки крутых пластов различной степени метаморфизма, а также в установлении области применения указанного способа, его проверке в промышленных условиях.
Научная новизна.
-
Установлены закономерности формирования и- характер изменения зоны отжима угля по длине очистного забоя и высоте полосы, отличающиеся учетом литолого-геомеханлческих факторов.
-
Установлены зависимости между величиной зоны, отжима угля и параметрами циклического воздействия,представленные в графическом виде для наиболее часто встречающихся горногеологических условий отработки крутых пластов.
-
Предложено аналитическое выражение для оценки предельного состояния угля, отличающееся учетом энергетического уровня развития дефектов при дополнительных напряжениях возмущения и позволяющее определить его величину, не вызывающую развязывание газодинамических проявлений горного давления.
-
Обоснована возможность использования коэффициента разрыхления угля для определения параметров зоны отжима; установлен нелинейный характер его изменения в зависимости от уровня действующих напряжений и марочного состава угля.
УРОВЕНЬ РЕАЛИЗАЦИИ И ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК. Результаты работы реализованы при отработке крутых угольных пластов на шахте им. Ф. Э. Дзержинского ПО "Дзержинскуголь"
и ш/у "Александровское" ПО "Орджоникидзеуголь". На базе разработок автора виданы рекомендации по улучшению технико-экономических показателей отработки угольных пластов на указанных шахтах. По совокупности результатов исследований разработаны "Рекомендации по управлению отжимом угля при отработке крутых выбросоопасных пластов щитовыми агрегатами".
Реализация разработок по диссертации позволила добиться равномерной дегазации призабойной части угольных пластов, увеличить нагрузку на лаву и обеспечить ритмичность работы щитовых участков.
АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены и одобрены на двух Всесоюзных конференциях по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1982, 1987); научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников (Москва, 1990); четырех Всесоюзных семинарах "Горная геофизика" (Сухуми, 1983; Батуми. 1985; Боржоми, 1987; Телави, 1989); на научных семинарах ИГТМ НАН Украины (Днепропетровск, 1989-1995).
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (статьи. доклады).
Диссертация состоит из введения. 4-х разделов и заклю- чения, содержит 182 страницы машинописного текста, включающих 7 таблиц и 49 рисунков со списком литературы. из 122-х наименований и 4-х приложений.
ДЕКЛАРАЦИЯ О ЛИЧНОМ ВКЛАДЕ В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. В качестве ответственного Исполнителя научно-исследовательских, работ автор принимал непосредственное участие в проведении лабораторных и шахтных экспериментов, проверке
полученных результатов в промышленных условиях. Автором определены цель, идея работы, задачи исследования, обобщены результаты лабораторных и шахтных экспериментов, выполнено обоснование способа, сформулированы научные положения, выводы и рекомендации. Постановка и проведение лабораторных, и шахтных исследований выполнены при участии автора с ведущими специалистами отделов проблем разработки месторождений на больших глубинах и механики горных пород.
Методология и методы исследования. В работе,использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобще-, ние научно-технических достижений, использование фундаментальных положений механики твердого тела (горных пород), оптическое моделирование геомеханических процессов при дополнительном воздействии . на массив, шахтные исследования и проверку разработок в промышленных условиях.
Предмет и объект исследований: геомеханические процессы в призабойной части угольных пластов при циклическом воздействии крепью на боковые породы, . рациональные параметры способа управления зоной отжима угля при отработке крутых пластов щитовыми агрегатами. . ,
Автор выражает благодарность сотрудникам отдела проблем разработки месторождений на больших глубинах ИГТМ НАН Украины работникам шахт и производственных объединений " Орджони'-кидзеуголь ", "Дзержинскуголь" за помощь в проведении экспериментов и промышленной проверки разработок. ОСНОВНОЕ* СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Значительное повышение- эффективности очистных работ и снижение ограничения нагрузки на забой по газовому фактору при Отработке крутых угольных пластов полосами по ладению
з достигнуто в результате геомеханического обоснования и выбора рациональных параметров способа управления зоной отжима угля, базирующегося на фундаментальных закономерностях, связанных с деформированием и разрушением горных пород, новейших достижениях и открытиях последних лет по использованию энергии горного массива в зонах повышенных напряжений для активного управления состоянием призабойной части пласта при помощи слабых воздействий. Основные научные положения, защищаемые в диссертации:
-
Напряженно-деформированное состояние призабойной части крутых пластов, отрабатываемых щитовыми агрегатами, определяется совокупностью литолого-геомеханических факторов и формируется с образованием зоны отжима угля, неравномерно распределяющейся по длине очистного забоя. Характер распределения зоны имеет синусоидальную периодичность с затуханием ее максимальной величины в направлении от углеспускной печи к вентиляционной, определяемой соотношением 3:1.
-
Разрушение призабойной части угольного пласта в виде устойчивого развития дефектов активизируется в результате локального увеличения напряжений, линейно связанных с горнкм давлением и параболически с упругими свойствами массива, развиваемых дополнительным смещением боковых пород на кромке пласта величиной не менее 5,4 * 1СГ3 м при циклическом воздействии щитовой крепью.
-
Коэффициент разрыхления угля, определяющий параметры зоны отжима, изменяется в пределах от 0,98 в глубине пласта до 1,18 в зоне работы исполнительного органа выемочной машины и нелинейно зависит от уровня действующих напряжений, марочного состава угля и в натурных условиях коррелируется с величиной кажущегося электрического сопротивления массива.
Исследованы закономерности Формирования и характер изменения боны отжима угля в очистных выработках при щитовой отработке крутых пластов в различных горногеологических условиях. Установлено, что напряженно-деформированное состояние призабоиной части угольных пластов определяется струк-турно-литологическнм составом вмещающих пород, характером и шагом обрушения кровли, степенью метаморфизма угля и формируется с образованием зоны отжима угля. Деформирование различных участков угольного пласта в процессе его отработки имеет зональный характер как по длине очистного забоя, так и высоте полосы. По_ длине очистного забоя образуются четыре зоны, каждая из которых характеризуется определенными размерами и степенью нарушеннрсти. Угольный массив наиболее подвержен влиянию горного давления со стороны углеспускной печи и разрушается с образованием максимального размера отжима угля. В направлении кутка сопряжения очистного забоя с вентиляционной печью зона отжима синусоидально уменьшается в 3-3,5 раза, а концентрация напряжений возрастает. Этот участок становится потенциально опасным по различным газодинамический проявлениям горного давления. По высоте полосы, в зависимости от литолого-геомеханнческих факторов, образуются от одной до трех зон повышенных деформаций угольного массива, в которых по мере достижения кровлей предельных пролетов зона отжима угля увеличивается.
Основные изменения зоны отжима угля и концентрации напряжений происходят скачкообразно при выемке угля и передги-жении щитового агрегата! Во время выемки уменьшается зона отжима, а концентрация напряжении в пласте увеличивается в 1.5-3,0 раза и его максимум приближается к кромке пласта на 0,2-0,5 м. Во время передвижения крепиі в результате резкого
смещения боковых пород, происходит интенсивный рост напряжений и разрушение приконтурной части пласта, сопровождающееся увеличением зоны отжима угля и газоьыделения из нее. При от-сутстыш производственных процессов активный отжим угля происходит в течение трех часов с момента обнажения забоя.
Геомеханическое обоснование способа управления состоянием призабойной части угольного пласта в зоне отжима базируется на обобщении теоретических, лабораторных и экспериментальных данных по определению влияния малоэнергоемких воздействий на процесс разрушения горных пород. Лабораторными исследованиями на оптически чувствительных материалах и шахтными экспериментами установлено активное влияние изменения рабочего сопротивления и начального распора крепи на напряженно-деформированное состояние призабойной части угольного пласта на расстояние 2-2,5 м, гиперболически снижающееся в глубину массива.
Для качественной оценки величины дополнительного воздействия на процесс разрушения угля, установления закономерностей изменения этой величины от основных влияющих факторов в диссертационной работе решена задача об энергетических изменениях в трещиновато-пористом угольном массиве на базе условий развития дефектов-трещин при изменении состояния среды в зависимости от свойств и действующих напряжений. В результате решения плоской задачи теории упругости (Ламэ, Коши) при определенных нами граничных условиях с использованием энергетического критерия Грифитса получено условие устойчивого роста дефектов при дополнительном воадействии на массив:
к Р2 R0 \
> 4 ГО S .
8 Е (7 v - 5)
12 где: Р - давление в окрестности дефекта; Ro - радиус дефекта; S - площадь поверхности дефекта; *о - поверхностно-активная энергия; Е и v - модуль упругости и коэффициент Пуассона угля; X - дробно-рациональная функция специального вида, зависящая от Е и v.
Расчет параметров первичного поля напряжений, величин дополнительных напряжений и смещений, необходимых для устойчивого развития дефекта, производился с помощью ПЭВМ по алгоритмам программ, реализованных на языке FORTRAN 2Z.
Выполненными вычислениями установлено, что активное воздействие, характеризуемое величиной дополнительного смещения Соковых пород, линейно возрастает с уменьшением'горного давления, превалирующих размеров трещин,, деформационных свойств угля и параболически с увеличением упругости масси-. ва.
По результатам испытаний образцов угля различного лито-типа на трехосное неравнокомпонентное сжатие установлены два основных параметра циклических воздействий: амплитуда разгрузки от предельного значения напряжений и количество циклов нагружения. Наиболее эффективны циклические воздействия в запредельной области (в зоне отжима), где происходит резкое увеличение объема угольных образцов и коэффициента разрыхле-' ния угля. В качестве.информативного параметра для характер) ристики степени нарушенности угля в еоне отжима предложено использовать коэффициент разрыхления угля Кр. Значения Кр в , зависимости от условий деформирования и марочного состава угля изменяются от 0.98 до 1,18.
Определены рациональные параметры способа управления зоной отжима угля посредством циклических воздействий крепью на боковые породы. К ним относятся: величина начального рас-
13 пора и нижний предел остаточного подпора кровли при загрузке и разгрузке гидросекций крепи, количество циклов "разгрузка-распор" и интервал времени между силовыми воздействиями.
Шахтными наблюдениями за изменением состояния угля в зоне отжима в результате циклических воздействий установлено:
влияние начального распора крепи на смещение боковых пород уменьшается, с ростом устойчивости непосредственной кровли и степени метаморфизма угля;
увеличение количества циклов воздействия наиболее эффективно проявляется на пластах с марками угля К и ОС с непосредственной кровлей средней устойчивости или неустойчивой с обязательным использованием остаточного подпора кровли величиной не менее 8 МПа. Это же.касается пластов угля карки Ж с неустойчивой кровлей и остаточным подпором не менее б МПа.
Для пластов более высокой степени метаморфизма (марка Т) с вмещающими породами выше третьей категории устойчивости по классификации ДонУГИ увеличение количества циклов не приводит к существенным изменениям состояния угля в зоне отжима;
- увеличение интервала времени между силовыми воздейс
твиями щитовой крепи с 0 до 15 минут приводит к смещению бо
ковых пород на большую величину, в результате чего разруша
ются слои угля, находящиеся в глубине массива, увеличивая
продолжительность газоотдачи призайойной части пласта в 3-и
более раза.
Практическая реализация способа управления зоной отжима угля заключается в следующем. После выемки полосы угля кон--вейеростругом на максимальную величину выдвижения гидродомк-' ратов подачи (0,63 м) производят передвижение секций щитово-
14 го агрегата и последовательно разгружают все вспомогательные секции крепи на участке, предназначенном для обработки. Обработку участков производят последовательно в направлении от углеспускной печи к вентиляционной. Управление крепью ведут с пульта щитового агрегата. Воздействия на пласт производят одновременной разгрузкой и последующим распором основных секций крепи с параметрами, рекомендованными в таблице.
Разработанные параметры обеспечивают увеличение в 1,2-1,7 раза зоны отжима угля и газовыделешш из нее, создают условия для эффективной выемки угля щитовыми агрегатами в сложных горногеологических ycj шиях.
Оценку эффективности упрі. ления зоной отжима угля в различных горногеологических условиях осуществляли в два этапа. На первом этапе расчетным путем определяли достаточную величину зоны отжима ио критерию Летухова-Линькова, учитывающему характер деформирования угольного пласта и свойства боковых пород. На втором этапе в шахтных условиях методом подземных электрических зондирований (ПЭЗ) фиксировали величину зоны отжима до и после циклических воздействий с установленными параметрами. Сравнительный анализ расчетных величин отжима угля, полученных в натурных условиях и необходимых для безопасного ведения очистных работ по критерию 1о " Із + Ін.о . позволил определить область рационального применения указанного способа и рекомендовать его для пластов с марками угля К, ОС и частично Ж с кровлями ІІ-І1І категориями устойчивости по классификации ДонУГХ
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждается принятыми теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях горной механики, теорий моделирования и вероятности; удов'
Таблица Рекомендуемые рациональные параметры управления зоной отжима угля при циклических воздействиях щитовой крепью
Длина участка воздействия, м
Схема
воздействия крепью
Средней устойчивости (III категория)
16 ...
летворительной сходимостью результатов лабораторных, аналитических и шахтных исследований влияния циклических воздействий на процесс разрушения угольного пласта; статистической обработкой и достаточностью объема шахтных исследований напряженно-деформированного состояния угольного массива в представительных для ЦРД очистных забоях, обеспечивающих надежность результатов не ниже 80 X; положительными результатами проверки параметров способа в промышленных условиях.
В диссертации на основе анализа и обобщения результатов проведенных комплексных исследований дано новое решение актуальной научной задачи по геомеханическому обоснованию и выбору рациональных параметров способа управления зоной отжима угля посредством циклических воздействий щитовой крепью на боковые породы при выемке крутых пластов полосами по падению, обеспечивающими эффективную их отработку. Итоговые выводы сводятся к следующему:
1. Установлены закономерности формирования и характер изменения зоны отжима угля в очистных выработках при отработке крутых угольных пластов щитовыми агрегатами, заключающиеся, в том, что максимальная величина зоны отжима приурочена к определенным участкам массивов и имеет зональный характер как по падению, так и простиранию пласта. Максимальный размер зоны формируется со стороны углеспускной печи и синусоидально уменьшается в 3-3,5 раза к кутку сопряжения очистного забоя с вентиляционной печью. По высоте полосы в зависимости от литолого-геомеханических факторов образуются от одной до трех зон повышенных деформаций угольного пласта, в которых по мере достижения кровлей предельных пролетов зона отжима угля увеличивается. Параметры зоны отжима в наиболь-
шей степени восприимчивы к технологическим воздействиям на призабойную часть пласта.
2. Выполнена аналитическая оценка условий развития зоны
отжима за счет устойчивого разрушения угля в призабойной об
ласти пласта, учитывающая энергетическое развитие дефектов
при дополнительных напряжениях возмущения и позволяющая оп
ределить его величину, не вызывающую развязывание газодина
мических проявлений горного давления. Такие возмущения соз
даются импульсными сбросами давления распора в гидростойках
щитовой крепи'.
Установлено, что величина дополнительного воздействия
линейно зависит от горного давления, превалирующих размеров
трещин, деформационных свойств угля и параболически от упру
гости массива. <.
Циклические воздействия наиболее эффективны в-зоне отжима, где наблюдается,резкое увеличение коэффициента разрыхления угля. Обоснована возможность использования коэффициента разрыхления угля для определения параметров зоны отжима.
3. Определены рациональные параметры способа управления
зоной отжима угля для различных условий разработки, включаю
щие верхний и нижний пределы начального распора крепи и ос
таточного подпора кровли, количество циклов воздействия, ин
тервалы времени между циклами.
Показано, что циклические воздействия на пласт через боковые породы наиболее эффективно проявляются на пластах с марками угЛя К и ОС с непосредственной кровлей средней устойчивости, или неустойчивой с остаточным подпором кровли в пределах 30-40 7. от номинального сопротивления крепи. Это же относится ' к пластам угля марки Ж с'неустойчивой кровлей и остаточным подпором не менее 0-30 Z.
-
Выполнена оценка эффективности управления зоной отжима угля посредством циклических воздействий.щитовой крепью, на пласт через Соковые породы в различных горногеологических условиях и обоснована область рационального их применения.
-
Проверка основных результатов диссертационной работы на шахтах ЦРД при отработке шахтопластов к? "Александровский" и тз "Толстый" показала, что применение разработанных рекомендаций позволило снизить ограничение нагрузки на очистной забой в 1,2-1,7 раза по газовому фактору.
