Введение к работе
Актуальность проблемы.Технико-экономические показатели и перспективы
развития угольной и калийной промышленности в значительной степени
зависят от устойчивости выработок. В настоящее время средняя глубина
ведения горных работ на угольных шахтах России достигла 700 м, а при
отработке Воркутского месторождения - 700-1050 м. Опыт первоочередной
отработки защитных угольных пластов в свитах ряда бассейнов показывает,
что добыча угля сопровождается крайне низкой устойчивостью
подготовительных выработок. В наиболее сложных условиях при бесцеликовой технологии находятся выработки, сохраняемые для повторного использования. Их поддержание сопровождается интенсивными процессами пучения, деформации при которых достигают 50-70 % общей конвергенции выработки, а также повышенным газо выделен кем з них. С 1986 по 1992 гг. ежегодные потери от простоев очистных забоев из-за загазирования подготовительных выработок при отработке пласта Четвертого по трем основным шахтам объединения "Воркутауголь", составляли до 40-65 тыс.т. Ремонт подготовительных выработок и подрывка пород почвы осложняются выносом метана, а иногда и его возгоранием.
Проектными и научными институтами во многих бассейнах разработаны и испытаны различные способы охраны горных выработок. Однако промышленные испытания некоторых из них з Печорском бассейне оказались не эффективными.
Оіработка сильвинитовых пластов АБ и Красный II в АО "Уралкалий" , сопровождается внезапными разрушениями кровли и почвы, обрушениями кровли очистных и подготовительных выработок, что призодкт к травмированию рабочих. Ущерб объединений "Воркутауголь" и "Уралкалий" составляет сотни миллионов рублей.
Совершенствованию подземного способа разработки пластовых месторождений и решению вопросов, связанных с динамическими и статическими проявлениями горного давления в очистных и подготовительных выработках и улучшением условий их поддержания, посвящены работы С.Г.Авершина, К.А.Ардашева, Б.З.Амусина, И.В.Бахлашоза, З.Бенязски, Н.С.Булычева, В.Л.Боброва, А.А.Борисова, Я.А.Бича, З.П. Зубова, В.Н.Каретникова, Б.А.Картозия, О.В.Ковалева, К.В.Кошелева, С.В.Кузнецова, А.Лабасса, Ю.М.Либермана, А.М.Линькова, И.И.Медведева, В.А.Николина, И.М.Петухова, Г.Д.Полянимой, Н.М.Проскурякова, А.Г.Протосени, К.В.Руипенейта, А.Н.Ставрогина, В.Д.Слесарева, Г.Л.Фисенко, Н.Н.Фотиевой, С.А.Христиановича, И.Л.Черняка, В.М. Шика, В.С.Ямщикова и др.
Большое количество публикаций и научных работ, выполненных на эту тематику, свидетельствует об актуальности рассматриваемых в диссертационной работе вопросов, связанных с разработкой способов охраны подготовительных выработок пластовых месторождений, и не окончательно решенной проблеме.
Цель работы. Установление влияния маломощных пропласткои, залегающих в кровле или почве рабочих пластов, на состояние подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников, для разработки способов охраны, позволяющих повысить их устойчивость и исключить статические и динамические разрушения почвы и кровли.
Основная идея работы заключается в том, что с помощью активных способов охраны повышается устойчивость и исключаются разрушения кровли и почвы подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах угольных шахт и калийных рудников.
Основные задачи работы заключаются в следующем:
исследовать и определить основные закономерности формирования напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников, имеющих в почве или кровле маломощные угольные или глинистые пропластки;
определить влияние слабых маломощных угольных и глинистых пропластков на характер деформирования подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах пластовых месторождений, и на основе этого выявить механизм статических и динамических разрушений почвы и кровли;
разработать и экспериментально проверить эффективность способов и средств охраны подготовительных выработок при отработке угольных и калийных пластов;
разработать метод прогноза потери устойчивости пород почвы и методику ее ожидаемых смещений для подготовительных выработок, сохраняемых для повторного использования;
- провести оценку целесообразности экономических инвестиций для
внедрения разработанных способов охраны подготовительных выработок.
Научная новизна работы состоит в следующем :
- аналитически обоснован и экспериментально подтвержден механизм
деформаций пород почвы и кровли подготовительных выработок,
пройденных в слоистых неоднородных массивах, в зоне влияния очистных
работ, состоящий в несимметричном продольно-поперечном изгибе почвы и
кровли и последующем ее расслоении и отрыве от действия опорного давления, касательных и горизонтальных нагрузок ;
- установлены закономерности изменения напряжено-деформированного
состояния в почве и кровле подготовительных выработок со слабыми
маломощными пропластками, заключающиеся в образовании локальных зон
концентрации горизонтальных сжимающих напряжений внутри массива,
раздутии пропластков и формировании субвертикальных трещин в почве и
кровле выработок и в отсутствии этих явлений при локальной и региональной
разгрузках.
Положения, выносимые на защиту:
при отработке пластовых месторождений и наличии в массиве слабых пропластков, деформации почвы или кровли подготовительных выработок начинаются с глубины залегания пропластков и зависят от физико-механических характеристик слоев и прослоев, их мощности и параметров опорного давления; при отсутствии пропластков деформации почвы или кровли развиваются с контура выработки, постепенно распространяясь вглубь и достигают значительно меньших величин;
наличие слабых маломощных угольных или глинистых пропластков в окружающем массиве подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников приводит к возникновению на контактах слоев касательных напряжений и увеличению в почве или кровле в несколько раз сжимающих горизонтальных напряжений, поперечных выработке, в результате чего происходит статическое разрушение слоев в виде пучения или заколообразования или динамическое разрушение в виде внезапных разрушений почвы или кровли; а при их отсутствии- только статическое разрушение;
потеря устойчивости слоев почвы и кровли подготовительных выработок происходит за счет продольно-поперечного их изгиба, для ее повышения разработаны и опробованы региональные и локальные способы уменьшения касательных и горизонтальных нагрузок в слоистом неоднородном массиве вокруг подготовительных выработок за счет восходящего порядка ведения горных работ, а при отсутствии такой возможности - с помощью разгрузочных щелей в кровле или почве пласта, позволяющие обеспечивать безопасные условия поддержания подготовительных выработок при отработке угольных и калийных пластов.
Достоверность научных положений . выводов и рекомендаций
Достоверность обеспечивается применением современных методов анализа, обширным привлечением фактических материалов работы угольных шахт, калийных рудников и экспериментальных данных, полученных с помощью замеров на более чем 350 станциях, оборудованных глубинными и контурными реперами, близкой сходимостью результатов моделирования и теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов, с одновременным измерением смещений и напряжений в массиве горных пород и промышленного внедрения, подтверждается положительным опытом использования разработок в ПО "Воркутауголь" и АО "Уралкалий".
Методы исследований
Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, базирующийся на анализе и научном обобщении результатов экспериментальных исследований проявлений горного давления в подготовительных выработках угольных шахт и калийных рудников, математического и физического моделирования в разнообразных горногеологических и горнотехнических условиях. Для решения поставленных задач использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории упругости и пластичности с широким использованием электронно-вычислительной техники.
Практическая значимость работы:
- разработаны на уровне изобретений локальные способы охраны
подготовительных выработок, основанные на использовании разгрузочных
щелей в почве и кровле угольных и калийных пластов, определены их параметры
и области эффективного применения, выданы рекомендации для использования
в паспортах проведения и поддержания выработок. Результаты работы
включены в "Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ
на Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима"
(Пермь-Березники, 1993) и в "Дополнения к действующей "Инструкции по
безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты,
склонные к горным ударам" по предупреждению динамических разломов почвы
выработок" (Санкт-Петербург, ВНИМИ, 1996).
- на уровне изобретений разработаны средства механизации проведения
разгрузочных щелей в кровле и почве калийных и угольных пластов;
- разработан метод прогноза потери устойчивости слоев почвы и методика расчета ее ожидаемых смещений в подготовительных выработках, сохраняемых для повторного использования.
Реализация работы в промышленности
Региональный способ охраны повторно используемых выработок прошел испытания в лаве 114-с шахты "Заполярной" ПО "Воркутауголь" при отработке пласта Четвертого. За очистным забоем было сохранено 300 м вентиляционного штрека, в котором, одновременно с конвейерным штреком, проводились коплексные исследования по измерению напряжений в угольном пласте и его почве, измерялись смещения кровли и почвы с помощью глубинных и контурных реперов, производился анализ полученных данных с визуальным осмотром выработок. Рекомендации по применению регионального способа охраны повторно используемых подготовительных выработок переданы з институт "Печорниипроект" для проектирования и раскройки Южного блока шахты"Заполярной", 3 горизонта шахты "Северной", строящейся шахты Воргашорская-4 ПО "Воркутауголь" и 3 горизонта шахты"Воргашорской" концерна "Росуголь".
Локальные способы охраны повторно используемых выработок с помощью разгрузочных щелей прошли испытания в 812-е, 72-ю и 82-ю бремсбергах шахты "Северной" ПО "Воркутауголь" при опережающей отработке пласта Четвертого. Общая длина экспериментальных зон составила около 3 км. Рекомендации по применению локальных способов охраны повторно используемых подготовительных выработок переданы в ПО "Воркутауголь" для применения на шахтах бассейна. Методика расчета ожидаемых смещений почвы повторно используемых подготовительных выработок передана в институт "Печорниипроект" для проектных работ.
Рекомендации по повышению устойчивости горных выработок внедрены в рудниках АО "Уралкалий", что позволило повысить безопасность и эффективность горных работ. В выработках, пройденных с разгрузочной щелью, общей длиной около 10 км случаев обрушений не зафиксировано.
Научные и практические результаты работы используются з учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).
Экономический эффект от применения разгрузочных щелей при охране подготовительных выработок только пласта Четвертого составит по ПО "Воркутауголь" 1269,1 млн. руб. в ценах 1995 г. Экономический эффект от
применения восходящего порядка подготовки и отработки южного блока шахты "Заполярная" за 11 лет составит 118365 млн. руб. в ценах 1992 г.
Личный вклад автора диссертационной работы:
- постановка задач, разработка методики, организация и научное
руководство исследованиями, результаты которых припедспы в
диссертационной работе;
- обобщение результатов шахтных исследований и уточнение на их базе
механизма статических и динамических разрушений кровли и почвы
подготовительных выработок угольных шахт и калийных рудников с наличием
в них слабых маломощных угольных и глинистых пропластков;
- аналитическая оценка устойчивости пород почвы подготовительных
выработок и разработка методики расчета ее ожидаемых смещений;
- разработка способов охраны подготовительных выработок угольных шахт
и калийных рудников и средств для их осуществления, экспериментальная
проверка их эффективности в шахтных условиях;
- разработка рекомендаций по применению разработанных способов
охраны подготовительных выработок.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на 8 ,9 ,10 и 11 Всесоюзном семинарах "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г.Новосибирск, 1982, 1984, 1987, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления" (г. Ленинград, 1982), на 12 Всесоюзном семинаре "Исследования горного давления и охрана капитальных и подготовительных выработок" (г. Алма -Ата, 1990), на 8 Всесоюзном совещании "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (г.Новосибирск, 1991), на 1, 2, 3 и 5 Всесоюзных семинарах "Горная геофизика" (гг. Ткибули, 1981; Сухуми, 1983; Батуми, 1985 и Телави, 1989), на научно-технической конференции "Современные методы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера" (г.Сыктывкар, 1989), на Межгосударственной научно-технической конференции "Развише сырьевой базы промышленных предприятий Урала" (г. Магнитогорск, 1995), на Международном симпозиуме "Проблемы безопасности мри эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (гг. Москва-Пермь, 1995) на ежегодных научно-технических
конференциях Пермского политехнического института (1979 - 1984), а также на технических совещаниях ПО "Воркутауголь"и ПО "Уралкалий".
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 37 печатных работах, из них 7 являются изобретениями и одна монография.
В диссертации изложены результаты научных исследований, которые
осуществлялись автором в ППИ и филиале С-ПГГИ в г. Воркуте в 1979-1995 гг.
при выполнении научно-исследовательских работ в соответствии с
утвержденной Минвузом РСФСР целевой комплексной программой "Человек
и окружающая Среда . Проблема охраны природы . Охрана и использование
земных недр" (шифр раздела проблемы 4.196, код темы 38.55.23. Название
темы "Исследование и разработка новых методов прогноза , предотвращения и
улучшения устойчивости горных выработок на рудниках Верхнекамского
месторождения калийных солей") и по хоздоговорным темам 83/84:
"Совершенствование техники и технологии интенсивной отработки угольных
пластов на шахтах ПО "Воркутауголь" и 50/91 : "Разработка способа борьбы с
пучением в повторно используемых подготовительных выработках с
помощью разгрузочных щелей" между ПО "Воркутауголь"и ЛГИ.
Автор выражает глубокую признательность профессорам ^.И. МедведевуI. А.Г. Протосене, В.П. Зубову, Г.Д. Полуниной, Ю.В. Шувалову, Г.А. Холоднякову, д.т.н. А.А.Баряху, к.т.н. B.C. Сидорову, к.т.н. Кротову, горному инженеру Ю.Н. Падерину, сотрудникам филиала С-ПГГИ (ГУ) в г. Воркуте и ГИ УО РАН, ИТР шахт и ПО "Воркутауголь" и АО "Уралкалий", оказавшем научную и организационную помощь в проведении исследований и оформлении диссертационной работы.
Обгем и структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 375 страницах машинописного текста, содержит 131 рисунок, 34 таблицы, список литературы из 268 наименований и 4 приложения.
В первой главе сделан обзор современного состояния подготовительных выработок на угольных шахтах и калийных рудниках, выполнен анализ горногеологических условий проведения выработок и проявлений горного давления в них, рассмотрены существующие способы охраны подготовительных выработок и обосновываются задачи исследований.
Вторая глава посвящена исследованию проявлений горного давления в подготовительных выработках шахт ПО "Воркутауголь" и определению основных закономерностей влияния на напряженно-деформированное состояние горного массива слабых маломощных угольных пропластков.
В третьей главе приводятся основные закономерности влияния на напряженно-деформированное состояние горных выработок АО "Уралкалий" маломощных глинистых пропластков.
Четвертая глава посвящена математическому объемному моделированию напряженно-деформированного состояния вокруг подготовительных выработок, пройденных в слоистых неоднородных массивах угольных и калийных месторождений, определено влияние слабых маломощных пропластков на распределение напряжений в приконтурной зоне и проведена оценка эффективности применения различных способов охраны подготовительных выработок, втом числе разгрузочных щелей.
В пятой главе приводятся результаты аналитических исследований закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива вокруг повторно используемых подготовительных выработок, на основе чего предложены метод расчета устойчивости слоев почвы для определения критических нагрузок, которые приводят к ее внезапным динамическим разрушениям, и метод расчета пучения подготовительных выработок.
В шестой главе рассматриваются результаты шахтных испытаний способов борьбы с динамическими явлениями на шахтах ПО "Воркутауголь" и АО "Уралкалий" и выполнена экономическая оценка принятых в производство рекомендаций по охране подготовительных выработок.
В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами и даны конкретные рекомендации по применению разработанных способов охраны подготовительных выработок.
