Содержание к диссертации
Введение
1. ТЕОРИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ ГОРНОГО МАССИВА ПРИ ВЕДШИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
1.1. Общие положения 6
1.2. Краткий анализ современных представлений о механизме сдвижения и методах расчета напряжений в породах надугольной толщи при разработке пологих угольных пластов 8
1.3. Цель, задачи и методн исследований 21
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО
ДАВЛЕНИЯ В П0Р0ДАХ УГОЛЬНОЙ ТОЛЩИ В НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
2.1. Натурные измерения сдвижений горных пород при их подработке 26
2.2. Исследование распределения касательных напряжений в надугольной.толще на моделях из оптически активных материалов . 35
2.3. Исследование распределения нормальных напряжений на моделях из эквивалентных материалов 41
2.4. Анализ и обобщение экспериментальных исследований 52 Выводы
3. ВЫБОР ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ 58
3.1. Принятый инженерный метод расчета горного давления 58
3.2. Формальный анализ применения в расчетах ряда Фурье 64
3.3. Понятие о реакции упругой постели 67
3.4. Метод определения деформационных свойств пород по результатам натурных измерений деформаций . . 72
Выводы 80
4. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ПОРОД НАДУГОЛЬНОЙ ТОЛЩ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
4.1. Понятие о расчетном полупролете . 81
4.2. Определение реакции в выработанном пространстве 84
4.3. Метод определения нормальных нагрузок в породах надутольной толщи при ведении очистных работ 87
4.4. Расчет нагрузок в модели надутольной толщи . . . 95
Выводы 101
5. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ПОРОД НАДУГОЛЬНОЙ ТОЛЩ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
4.1. Понятие о расчетном полупролете . 81
4.2. Определение реакции в выработанном пространстве 103
5.2. Влияние глубины разработки и. изменения мощности пласта на распределение нагрузки по слоям
5.3. Алгоритм расчета напряженно-деформированного со-с тояния пород.надугольной.толщи при ведении очистных работ 109
5.4. Определение напряжений в породе-мосте 116
5.5. Установление рациональной длины лавы и выбор места заложения подготовительных выработок 122
5.6. Экономическая эффективность применения разработок 125
Выводы 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
ЛИТЕРАТУРА 131
ПРИЛОЖЕНИЯ 140
- Краткий анализ современных представлений о механизме сдвижения и методах расчета напряжений в породах надугольной толщи при разработке пологих угольных пластов
- Натурные измерения сдвижений горных пород при их подработке
- Принятый инженерный метод расчета горного давления
- Определение реакции в выработанном пространстве
- Определение реакции в выработанном пространстве
Краткий анализ современных представлений о механизме сдвижения и методах расчета напряжений в породах надугольной толщи при разработке пологих угольных пластов
Как уже отмечалось, отработка угольного пласта вызывает перераспределение природных напряжений в горном массиве. Нарушенное горными разработками равновесие пород влечет за собой их деформацию, появляются разрывы сплошности, происходит сдвижение пород. Сдвижение, начавшись у очистной выработки, распространяется в над-угольную толщу и при определенном соотношении глубины и размеров выработки этот процесс доходит до земной поверхности. Мульда сдвижения, которая оконтуривает на поверхности зону влияния очистных работ, связана с границами очистной выработки углами сдвижения по восстанию у , падению /3 и простиранию J , а также углами полных сдвижений
Изучением области сдвижения горных пород при подземной разработке занимались многие ученые и в настоящее время качественная картина этого процесса достаточно изучена. Сдвижение горного мае -сива рассматривается /5,30,72/ в зависимости от характера деформирования и состояния пород в различных зонах, констатируется, что возможны следующие формы деформаций: обрушение в надугольной тол -ще, изгиб, сжатие и сдвиговые деформации пород.
Теоретические разработки, посвященные сдвижению пород при ведении очистных работ, имеют свою историю и начаты в прошлом столетии. Подробный анализ этих работ выполнен С.Г.Авершиным /2/. Все исследования, связанные с развитием теории сдвижения горных пород, можно разделить на: работы, посвященные созданию общей теории деформирования горного массива под влиянием подземных разработок и методике расчета сдвижений и деформаций для всех зон сдвижения; работы, связанные с созданием схем сдвижения и методов расчетов напряжений и деформаций горных пород в отдельных зонах.
class2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО
ДАВЛЕНИЯ В П0Р0ДАХ УГОЛЬНОЙ ТОЛЩИ В НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ class2
Натурные измерения сдвижений горных пород при их подработке
Для установления закономерностей сдвижения пород надугольной толщи при ведении очистных работ были проведены инструментальные наблюдения на шахте им. Д.Ф.Мельникова ПО "Первомайскуголь". На -блюдения проводились в полевых штреках, пройденных по песчанику и подрабатываемых очистными работами нижележащего пласта. При этом на северном крыле при подработке 7-го северного полевого штрека, управление кровлей осуществлялось полным обрушением, на 6-м южном -частичная закладка. Такие условия позволяли экспериментально полу- чить опускания и горизонтальные перемещения подрабатываемых пород при различных способах управления кровлей.
На северном крыле инструментальные наблюдения производились при подработке 7-го северного полевого штрека пл. 1 мощностью 1,3 м. Выемка угля производилась комплексом КМ-87 Д, управление кровлей - полное обрушение, скорость подвигания забоя лавы 1,84 2,0 м/сут.
7-й северный полевой штрек имел различное расположение как в слое песчаника (рис. 2.1), так и по отношению к границам очистных работ пл. і . При этом состояние штрека, как показали наб -людения, в значительной степени зависит от места его расположения. Так, если штрек находился от границ очистных работ пл. на расстоянии 25-30 м, имели место значительные деформации верхняков, металлической крепи, а поддувание почвы достигало 400-500 мм и штрек требовал ремонта. Более значительные деформации пород в штреке возникали при размещении его ниже нейтральной оси слоя (у почвы песчаника). В этом случае поддувание почвы достигало 600-700 мм, а сближение стенок выработки достигало 400-500 мм. Штрек требовал полного перекрепления. При расположении же штрека у кровли песчаника сближение стенок составляло 100-150 мм, а поддувание не превышало 350-400 м.
Увеличение расстояния от границ очистных работ пл. 1ц до штрека от 30 м до 45-50 м заметно улучшало его состояния. В этом случае поддувание почвы не превышало 100-150 мм и штрек не требовал ремонта. Однако и в этом случае изменение расположения штрека по отношению к нейтральной оси слоя песчаника оказывало влияние на его состояние. При проведении штрека у кровли песчаника сближение стенок штрека достигало 200-250 мм.
Для измерения опусканий и горизонтальных деформаций в 7-м северном полевом штреке было оборудовано 8 станций наблюдения, сое -тоящих из контурных реперов, размещенных в кровле, почве и стенках выработки. На рис.2.2 представлена выкопировка из плана горных выработок и расположение штрека по отношению к границам очистных работ пл. Д . Измерения опускания кровли штрека, полученные ниве -лированием по 8 наблюдательным станциям, обработаны методом сред -них и результаты представлены на рис.2.3. Анализ данных измерений показывает, что в данных условиях влияние очистных работ пл. Ц. прослеживается на расстоянии 25 27 м впереди забоя длавы. Макси -малыше опускания наблюдались на расстоянии 120 м позади забоя лавы и достигали 1000 мм, что составляет, примерно, 80% мощности пласта. Наклоны, которые построены на основании графического дифференцирования кривой спускания, показывают, что максимальная интенсивность опускания находится позади лавы на расстоянии 40 - 42м. Выполаживание кривой наклонов происходит на расстоянии 60 - 63 м позади забоя лавы.
Принятый инженерный метод расчета горного давления
Анализ литературных источников и результаты натурных и лабораторных исследований показали, что наиболее приемлемым из расчетов является метод расчета напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг очистной выработки пологого пласта, разработан -ный А.В.Савостьяновым /65,66,67,68,69,70/.
При подработке толщи горных пород распределение нормальных нагрузок зависит от расположения характерных точек как в массиве, так и над выработанным пространством. В массиве можно выделить две точки: в одной нормальные нагрузки максимальные, в другой они соответствуют геостатическому давлению. Над выработанным пространством характерной тдчкой является точка перегиба слоя, в которой величина нагрузок минимальна и она служит границей опорной зоны.
С целью выявления характера распределения и величины нормальных нагрузок на каждый слой породы надугольной толщи, необходимо установить местоположение характерных точек в массиве, определяю -щих параметры защемления и точек перегиба слоев.
Указанный метод позволяет для каждого слоя породы определять параметры эпюр нагрузок, зависящие от податливости основания, определяемого коэффициентом постели и жесткостью рассматриваемого слоя.
Слой представлен в виде балки-полоски лежащей на податливом основании загруженный собственным весом и сосредоточенной силой, равной весу олоев в пределах полупролета выработки (рис. 3.1).
Вследствие разрушения пласта или подстилающих пород у границ очистных работ максимум опорного давления будет находиться на некотором расстоянии от этой границы. Причиной разрушения пласта или пород являются касательные напряжения, вызванные нормальными (поперечными) силами. По мере уменьшения касательных напряжений вероятность нарушения сплошности слоя и основания снижается.
Для установления величины и характера распределения нормальных нагрузок для каждого слоя необходимо знать массу зависающих пород и расположение точек, определяющих границы опорной зоны,т.е. геометрические параметры эпюр нагрузок.
class4 МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ПОРОД НАДУГОЛЬНОЙ ТОЛЩ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ class4
Определение реакции в выработанном пространстве
Определение нагрузок в зоне опорного давления и в подработанной толще является в настоящее время одним из наиболее важных вопросов в исследованиях сдвижения горных пород при ведении очистных работ.
Возникновение зон опорного давления и разгрузки при изгибе слоев является убедительным доказательством тому, что прогибающиеся подработанные спои горных пород обладают значительной несущей способностью. Это позволяет рассматривать изгибающиеся слои пород как тонкие плиты, защемленные по периметру, а в плоской задаче -как упругие балки-полоски, защемленные по контуру и получившие заданную величину прогиба / 12, 14, 74 В связи с большим разнообразием мощностей и различной прочносгью слоев пород и большой общей мощностью надугольной толщи, среди достаточно мощных и прочных имеются и слои малой мощности, которые при заданной величине прогиба полностью теряют несущую способность и являются дополнительной равномерно распределенной нагрузкой на более жесткие сдои.
Таким образом, вся надугольная толща разделяется на пачки слоев, в основании которых залегают мощные и жесткие слои, несущие кроме собственного веса дополнительную нагрузку от вышележащих слоев.
Зависание подработанной толщи приводит к образованию зоны опорного давления, распространяющейся также как и зона разгрузки на слои подстилающих и покрывающих пород.
Как следует из 3.1)для определения нормальных нагрузок и деформаций слоев пород надугольной толщи, необходимо установить параметры защемления и области совместных опусканий слоев как в опорной зоне, так и в выработанном пространстве.
В качестве граничных условий совместных опусканий при подработке слоев используются точки их перегиба, в которых кривизна изгиба меняет знак, а максимальные опускания соответствуют заданной величине прогиба.
Расчетная длина полупролега, при которой опускание слоя достигает заданной величины определяется по выражению (4.3), а при-грузка в выработанном пространстве в средней части выработки или на расстоянии расчетной длины слоя определится по формуле (4.5).
class5 МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ПОРОД НАДУГОЛЬНОЙ ТОЛЩ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ class5
Определение реакции в выработанном пространстве
Процесс движения горных пород надугольной толщи зависит как от геологических так и от производственно-технических факторов. Изучением этих вопросов занимались многие исследователи,, И.М.Петухов / 28 / установил зависимость ширины зоны опорного давления от глубины разработки и мощности вынимаемого пласта. Зависимость была установлена в результате обработки натурных измерений, полученных при отработке пластов.
В работах /24, 36, 48, 52, 68 / подтверждены роль и характер влияния горнотехнических и геологических факторов на проявление опорного давления. Исследованиями на основании инструментальных наблюдений в горных выработках шахт установлена зависимость ширины зоны опорного давления от глубины залегания, прочности пород и степени зависания основной и непосредственной кровли в выработанном пространстве.
Известны также эмпирические исследования / 14, 25, 46, 84 /в некоторой мере подтверждающие основные закономерности формирования опорного давления в различных зависимостях.
Общим недостатком многих решений является ограниченность области их применения, так как эмпирические зависимости выведены для конкретных условий, в которых проводились исследования и не раскрывают физической суги явлений. Метод расчета напряженно-деформированного состояния пород надугольной толщи, который приведен в 3.1, позволяет установить некоторые закономерности при изменениях глубины залегания пласта, его мощности, жесткости слоев вмещающих пород.
Для этих целей на ЭВМ были выполнены расчеты геометрических параметров сдвижения надугольной толщи, представленной однородными слоями в зависимости от мощности пласта т t коэффициента/з, характеризующего жесткость защемления слоя и глубины залегания Н,
Исходные данные для расчева: модуль упругости слоев В =1,0 МПа; коэффициент Пуассона /4 =0,25; коэффициент ft изменялся от 0,02 до 0,07 1/м, мощность слоев 10 м, мощность пласта изменялась от 0,5 до 1,8 м, глубина разработки 100, 200, 300 и 800 м; величина свободного опускания со стороны обрушенных пород, принималась 0,6 m .
