Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1 Особенности разработки пологих угольных пластов на большой глубине 9
1.2 Особенности проявления горного давления и разрушения трудноуправляемых кровель в очистных забоях 21
1.3 Горно-геологическая характеристика и особенности поведения вмещающих пород при очистной выемке 26
1.4 Цель и задачи исследований 31
2. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ 35
2.1 Методика проведения наблюдений 35
2.2 Результаты измерения конвергенции боковых пород в призаоойном пространстве 37
2.3 Измерение деформаций подготовительных вьгработок 67
2.4 Измерение напряженного состояния пород кровли впереди очистного забоя 67
Выводы 78
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА МОДЕЛЯХ ИЗ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 80
3.1 Методика моделирования 80
3.2 Отработка моделей 85
3.3 Определение величины максимального опорного давления 94
Выводы 99
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ
ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ 101
4.1 Определение времени разрушения пород кровли и рациональной скорости подвигания очистного забоя 102
4.2 Выбор рационального способа управления кровлей в очистном забое 127
4.3 Определение параметров частичной закладки выработанного пространства 135
Выводы 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
ЛИТЕРАТУРА 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 167
- Особенности разработки пологих угольных пластов на большой глубине
- Результаты измерения конвергенции боковых пород в призаоойном пространстве
- Методика моделирования
- Определение времени разрушения пород кровли и рациональной скорости подвигания очистного забоя
Введение к работе
Директивами ХХУІ съезда КПСС предусматривается увеличение объема добычи угля на 1981 - 1985 г.г. и на период до 1990 года. Основным резервом роста объема добычи угля в Донбассе является разработка пластов со сложными горно-геологическими условиями на большой глубине. Число таких пластов неуклонно возрастает. Сложность разработки заключается в наличии непосредственно над пластом и на определенном удалении от него трудноуправляемых пород, представленных легко- или труднообрушагощимися слоями. Слабые породы непосредственной кровли, разрушаясь в зоне опорного давления обрушаются мелкими фракциями в призабойное пространство вслед за проходом комбайна, образуя пустоты в кровле значительных размеров. В результате этого секции механизированной крепи лишаются распора, в забоях наступают аварийные ситуации. Прочные породы, залегающие непосредственно над пластом или выше его, -зависают на значительных площадях и их обрушение приводит к посадке механизированной крепи "нажестко".
При разработке пластов с трудноуправляемыми породами получили применение способы управления кровлей полным обрушением, с передовым торпедированием пород и частичная закладка выработанного пространства. Разупрочнение пород кровли сопряжено со сложностями поддержания длинных скважин в глинистых породах, а также их заряжания. Эти трудности возникают и при слоистом сложном массиве выше пласта.
Частичная закладка выработанного пространства породой в виде бутовых полос представляет собой весьма трудоемкий процесс, сдерживающий подвигание механизированного забоя.
Значительное влияние на состояние боковых пород и проявление горного давления оказывает изменение скорости подвигания очистного забоя. С увеличением скорости подвигания увеличивается устой- чивость кровли в призабойном пространстве. Однако недостаточная несущая способность механизированной крепи, поломки комплекса, приводящие к длительным простоям лав, способствуют обрушению зависших породных консолей и посадке крепи "нажестко".
В силу вышеизложенного является актуальной задача совершенствования параметров управления горным давлением.
Целью работы является совершенствование технологических параметров управления кровлей при разработке пологих пластов в сложных условиях глубоких шахт Донбасса, обеспечивающее увеличение нагрузки на очистной забой.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей формирования горного давления и сдвижения всей толщи пород над разрабатываемым пластом при определении параметров управления кровлей в очистных забоях.
Задачи исследования: изучение в натурных условиях характера проявления горного давления при разработке пологих пластов глубоких шахт с трудноуправляемыми кровлями; определение параметров опорного давления и выявление основных влияющих факторов; установление характера взаимодействия породных слоев в результате ведения очистных работ при наличии в горном массиве мощных и прочных пород "мостов"; изучение характера разрушения слоя непосредственной кровли впереди очистного забоя в зависимости от временных и горно-технических факторов; определение рациональных параметров частичной закладки выработанного пространства и рациональной скорости подвигания очистного забоя.
Методы исследований: системный анализ основных влияющих факторов на проявление горного давления при разработке пластов в сложных горно-геологических условиях; шахтные наблюдения проявлений горного давления; лабораторные исследования характера сдвижения породного массива на моделях из эквивалентных материалов; - экспериментирование в натурных условиях. На защиту выносятся: модель формирования опорного давления впереди очистного забоя до первичной посадки кровли; модель разрушения во времени слоя непосредственной кровли в зоне опорного давления; расчетный метод определения рациональной скорости подвига-ния очистного забоя; - параметры управления кровлей в очистных забоях. Научная новизна: установлен и экспериментально проверен механизм формирования опорного давления впереди очистного забоя до первичной посадки кровли; разработана модель разрушения во времени слоя непосредственной кровли в зоне опорного давления; предложен расчетный метод определения рациональной скорости подвигания очистного забоя и параметров управления кровлей.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: большим объемом натурных исследований проявлений горного давления в 19-ти очистных забоях и 8-ми подготовительных выработках шахт "Прогресс", "Лесная" и "Заря" ПО "Торезантрацит"; лабораторными исследованиями на моделях из эквивалентных материалов; достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов с отклонением не превышающим 20%; внедрением разработанных рекомендаций в производство и полученным в результате внедрения фактическим экономическим эффектом.
Практическая ценность работы заключается в разработке расчетного метода определения технологических параметров управления кровлей, обеспечивающих стабильную работу очистных забоев. Разработан новый способ управления кровлей, защищенный авторским свидетельством №643643.
Реализация работы. Результаты исследований используются при разработке пласта Пя на шахтах "Прогресс" и "Лесная" производственного объединения "Торезантрацит". Для условий этих шахт определены параметры управления кровлей частичной закладкой выработанного пространства и величина рациональной скорости подвигания очистного забоя, внедрения которых позволило получить фактический экономический эффект от 19,2 до 38,2 тыс., рублей в год на один очистной забой.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 1-ой Всесоюзной конференции молодых ученых (Москва, 1979 год), Республиканском научно-техническом совещании "Использование энергии взрыва в народном хозяйстве" (Батуми, 1981 год), УП Всесоюзной конференции по механике горных пород (Днепропетровск, 1981 год), Х1-й конференции молодых ученых по проблемам разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых (Москва, 1981 год), Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будущего" (Москва, 1982 год), УШ Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1984 год).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ и одно авторское свидетельство.
Структура работы. Диссертация общим объемом 190 страниц состоит из введения, четырех глав и заключения. Материал изложен на 105 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, II таблиц и два приложения.
I. Состояние вопроса. Задачи исследования.
Настоящая работа посвящена изучению закономерностей формирования горного давления в очистных забоях глубоких шахт со сложными горно-геологическими условиями. Анализ ранее проведенных исследований по данному вопросу позволяет выявить круг нерешенных задач и определить пути их решения.
В данной главе производится анализ работ, посвященных особенностям разработки и проявлений горного давления в лавах пологих пластов глубоких шахт с трудноуправляемой кровлей, приводится опыт ведения очистных работ в этих условиях, определяется цель и задачи исследования.
Особенности разработки пологих угольных пластов на большой глубине
Особенностью современной разработки угольных пластов Донбасса является усложнение горно-геологических условий с увеличением глубины /2/. Глубина горных работ существенно влияет на характер проявления горного давления в толще пород. С увеличением глубины разработки все виды деформации земной поверхности уменьшаются. Горное давление, наоборот, увеличивается, концентрация деформаций и напряжений на отдельных участках становится более опасной. Размеры зон опорного давления увеличиваются пропорционально глубине разработки /3/. Глубина ведение горных работ, является одним из объективных нерегулируемых факторов разработки месторождений. В работах И.А. Турчанинова, Г.Л. Фисенко, А.А. Борисова, А.С. Бур-чакова, К.А. Ардашева, А.Н. Динника, Ж.С. Ержанова, Г.Н. Кузнецова, СТ. Кузнецова, М.П. Зборщика, В.Т. Глушко и других, рассматривается ряд факторов, оказывающих заметное влияние на процесс сдвижения горных пород и формирование горного давления. Указанные факторы можно разделить на две группы. К первой группе относятся факторы, поддающиеся изменению по воле человека и называемые регулируемыми. Геометрические элементы залегания пластов и другие факторы не поддающиеся изменению искусственным путем, относятся к заданным /3,4,5,6,7,8,9,10,11,12/. К регулируемым факторам можно отнести вынимаемую мощность пласта, способ управления горным давлением, размер выработанного пространства, скорость подвигания очистного забоя, порядок ведения горных работ.
Вынимаемая мощность пласта и способ управления горным давлением относятся к числу основных факторов, которые определяют размеры зон сдвижения и деформации горных пород. С увеличением вынимаемой мощности пласта увеличивается высота зоны сдвижения пород и число слоев пришедших в сдвижение. Уменьшение вынимаемой мощности или же уменьшение величины возможного опускания пород кровли достигается путем неполной выемки пласта, или путем закладки выработанного пространства.
В связи с широким внедрением механизированных крепей способ управления кровлей полным обрушением стал основным. В настоящее время на шахтах Донбасса с полным обрушением работают 8Ь% лав, с плавным опусканием менее 2% и частичной закладкой более 13$ лав /8/.
Результаты измерения конвергенции боковых пород в призаоойном пространстве
Замеры конвергенции боковых пород пласта в призабойном пространстве производились с помощью измерительной стойки СУИ - 2, которая устанавливалась между реперами, закрепленными в кровле и почве пласта по нормали к напластованию (рис. 2.1).
Первоначально замер расстояния между кровлей и почвой пласта производился на расстоянии 10...15 см от груди забоя. По мере по-двигания лавы репера перемещались в выработанное пространство и с определенным интервалом производились замеры конвергенции. В некоторых местах стойка оставлялась на сутки и более в лаве, фиксируя непрерывно величину конвергенции с помощью самопишущего устройства. Проведенные таким образом замеры позволили установить зависимость величины конвергенции боковых пород пласта от расстояния между разрезной печью и фиксируемым положением очистного забоя.
Измерения величин деформации подготовительных выработок производилось по методике ВНИМИ /71/. Замерные станции устанавливались по длине подготовительных выработок через 10 м. Начальным отсчетом служили замеры расстояний между реперами по вертикали до начала работы очистного забоя. Данные замеров позволяют получить графики зависимости величины деформации от расстояния между замерной станцией и очистным забоем и, таким образом, определить размер зоны опорного давления впереди очистного забоя.
Измерение напряженного состояния пород кровли пласта впереди очистного забоя производилось с помощью гидравлических датчиков по методике, разработанной Сибирским отделением АН СССР /72/. Гидравлические датчики устанавливались в кровле пласта для чего из подготовительных выработок бурились скважины диаметром 42 мм длиной от 10 до 25 метров и в них помещались гидродатчики (рис. 2.2). Гидродатчик соединялся с манометром, установленным у устья скважины посредством высоконапорного металлического трубопровода, В качестве рабочей жидкости применялось машинное масло. Первоначально давление в гидродатчиках доводилось до 2,0...2,5 МПа. Как правило стабилизация давления происходила в течении 4,,.5 суток и при величине 1,4..,2,0 МПа,
Методика моделирования
Моделирование производилось согласно методике /3,73/ в несколько этапов.
На первом этапе было определено, что для достижения поставленной цели необходимо отработать три модели. В первой модели моделируемая толща не имела пород "мостов" и была представлена породными слоями мощностью по три метра, с четким межслоевым контактом. Во второй модели соблюдалось подобие породного массива реально существующему в Шахтерско-Торезском районе. В первой и второй моделях подвигание очистного забоя осуществлялось при управлении кровлей полным обрушением. Третья модель была полностью индентична второй, отличие состояло лишь в порядке отработки модели. Выемка "пласта" производилась при управлении кровлей частичной закладкой выработанного пространства. При отработке трех моделей решались следующие задачи:
- изучение характера сдвижения породных слоев кровли пласта и механизма формирования горного давления при выемке последовательно одной, двух и трех лав;
- определение слоя, играющего решающую роль в формировании горного давления при различных размерах выработанного пространства;
- установление зависимости изменения величины максимального опорного давления от размеров выработанного пространства.
Поставленные задачи, размеры стенда для моделирования, длина моделируемой лавы определили массштаб моделирования 1:300.
Для моделирования принят участок шахтного поля шахты "Прогресс" , разрабатывающей пласт /? g "Фоминской", который является одним из наиболее интенсивно разрабатываемых в районе /15/. По данным геологоразведочных скважин построен геологический разрез пласта и вмещающих пород. Структура породного массива на разрезе соответствует условиям разработки большего числа очистных забоев шахты. В таблице 3.1 приведены характеристики вмещающих пород пласта.
На втором этапе произведен выбор материала модели. В качестве эквивалентного материала принята трехкомпонентная смесь. В состав смеси входит песок кварцевый, белый, мелкозернистый, канифоль, парафин /73/. Для создания четкого межслоевого контакта используется крупномолотая слюда. Согласно методике моделирования определялись требуемые прочностные характеристики моделируемых пород. Для изготовления материала модели с необходимыми характеристиками закатывались пробные слои и производились испытания образцов материала. В таблице 3.2 приведены характеристики материала в модели, процентный и весовой состав компонентов в смеси. Материал модели изготавливался следующим образом. Необходимое количество песка подогревалось до температуры I40...I50C. Затем в песок добавлялись канифоль, парафин и смесь тщательно перемешивалась. Готовая смесь засыпалась в модель, разравнивалась гребешком и уплотнялась катком в строго заданном режиме.
class4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ
ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ class4
Определение времени разрушения пород кровли и рациональной скорости подвигания очистного забоя
Тип разрушения горных пород определяется видом напряженного состояния и прочностными свойствами. В работах /3,26,65,66,67,68, 70,85,86,87,88/ указывается, что горные породы склонны к хрупкому разрушению особенно при значительных нагрузках и малом периоде их приложения.
В настоящее время нет классификации горных пород по хрупкости. Имеются различные оценочные показатели хрупкости /3,53,88/, полученные по данным исследований деформации пород под нагрузкой. Существуют различные способы определения коэффициентов хрупкости, однако наиболее простым является способ /89/, основанный на использовании данных испытания образцов на одноосное сжатие и растяжение сжатие и растяжение, МПа. В таблице 4.1 приведены коэффициенты хрупкости основных пород Донбасса. Теоретически максимально возможная величина показателя хрупкости К-М стремится к единице. Следовательно к рассмотренным типам пород можно применять методы механики хрупкого разрушения. Процесс разрушения слоя пород непосредственной кровли представляется в следующем виде. Напряженное состояние балки жестко заделанной на опорах принимается аналогично Г.Л. Шисенко /4/ и с учетом давления зависающих слоев на угольный пласт. Несущий слой непосредственной кровли прогибается под собственным весом и весом обрушившихся вышележащих слоев с меньшей цилиндрической жесткостью. При прогибе слоя у заделки возникают сжимающие напряжения, которые создают и касательные по наклонным площадкам do . По этим же площадкам действуют и растягивающие напряжения максимальная величина которых приложена на поверхности слоя в точке о . Кроме того в точке CL действует и максимальное опорное давление под действием которого (рис. 4.1) увеличиваются соответственно сжимающие и касательные напряжения /8,13,46,55/.
