CC BY
59
ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 622.86:622.33:338.28
АДАПТАЦИЯ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РИСКА ОБРУШЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК К УСЛОВИЯМ ШАХТ ЮГА
КУЗБАССА
А.Н. Домрачев, С.В. Риб, А.М. Никитина
Рассмотрены наиболее распространенные зарубежные методы оценки риска обрушения горных выработок и оценены возможности их использования для повышения уровня промышленной безопасности шахт юга Кузбасса.
Ключевые слова: вероятность обрушения, фактор вероятности, адаптация методики, крепление кровли, экспертная оценка, категории риска.
В ходе анализа источников [1-9] было установлено, что наибольшим распространением характеризуются экспертный, вероятностный (статистический) и смешанный методы оценки риска обрушения горных выработок.
Количественная экспертно-вероятностная оценка риска обрушения основывается на классификации по признаку coalmineroofrating (CMRR), который является числом в диапазоне 0 (слабая кровля) - 100 (максимально прочная кровля) [3]. Алгоритм расчета [4] представляет собой комбинацию статистических и экспертных методов и включает последовательный выбор параметров, зависящих от горно-геологических и горнотехнических характеристик с последующим вычислением вероятности на основе регрессионных зависимостей.
В настоящее время, наиболее распространенный вероятностный метод для определения параметров новых охраняемых целиками выработок и оценки устойчивости существующих - University of New South Wales (UNSW) Pillar Design Method [7], приемлемый для целиков прямоугольной и ромбовидной формы.
Для оценки возможности использования методик в условиях отечественных шахт были выполнены проверочные расчеты для шахт «Аларда», «Есаульская» и «Грамотеинская». Результаты расчетов сведены в таблицу.
Расчет риска обрушения выработок для условий шахт юга Кузбасса*
Объект Н,м w1,м W2,M Н,м 3, град @сж, МПа P, СМЯЯ P, UNSW
1 2 3 4 5 6 7 8 9
ш. Есаульская, штрек 26-25 бис 553 14 130 2,1 60 до 48 0,24 0,18
ш. Грамотеинская штрек пласта Сычевский ^в/с 260 14 90 3,1 50 до 40 0,18 0,13
ш.Аларда, штрек 3-40 (проект) 440 14,5 120 2,2 50 до 51 0,21 0,24
* Н -глубина заложения выработки,м; ^-минимальная ширина цели-ка,м; ^-максимальная ширина целика, м; ^-высота целика, м;
3 - угол между смежными сторонами околоштрекового целика; асж - предел прочности пород кровли при сжатии; р,СМЯЯ - вероятность обрушения, определенная по показателю СМЯЯ; p,UNSW- вероятность обрушения, определенная по методике
На рис. 1 приведены зависимости вероятности обрушения выработки по методике UNSW от ширины околоштрекового целика в условиях пласта Сычевский IV шахты «Грамотеинская», пласта 26а шахты «Есаульская» и пласта 3 шахты «Аларда». На рис. 2 приведены зависимости вероятности обрушения выработки от глубины заложения выработки в условиях пласта Сычевский IV шахты «Грамотеинская», пласта 26а шахты «Есаульская» и пласта 3 шахты «Аларда» по методике UNSW.
На рис. 3 приведены зависимости вероятности обрушения выработки от ее ширины в условиях пласта Сычевский IV шахты «Грамотеинская», пласта 26а шахты «Есаульская» и пласта 3 шахты «Аларда» по методике UNSW.
На рис. 4 приведены зависимости вероятности обрушения выработки от угла между смежными сторонами околоштрекового целика выработки в условиях в условиях пласта Сычевский IV шахты «Грамотеинская», пласта 26а шахты «Есаульская» и пласта 3 шахты «Аларда» по методике UNSW. На рис. 5 приведены зависимости риска обрушения выработки по методике UNSW от расстояния между сбойками, прорезающими околоштрековый целик, в условиях пласта Сычевский IV шахты «Грамотеинская», пласта 26а шахты «Есаульская» и пласта 3 шахты «Аларда».
Рис. 1. Зависимость риска обрушения выработки от ширины околоштрекового целика в условиях шахт юга Кузбасса
Рис. 2. Зависимость риска обрушения выработки от глубины заложения выработки в условиях шахт юга Кузбасса
Рис. 3. Зависимость риска обрушения от ширины выработки в условиях шахт юга Кузбасса
и н
о
ю «
ва
ЬЧ
В
и
ю о
И
о
0 Я
1
Г".
и РЗ
0.7 0,6 0.5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Грамотеинсткая Аларда —»-Есаульская
50 55 60 65 70 75 80 85 90 Угол между смежными сторонами целика, град
Рис. 4. Зависимости риска обрушения выработки от угла между смежными сторонами околоштрекового целика для шахт юга Кузбасса
Рис. 5. Зависимости риска обрушения выработки от расстояния между сбойками в условиях шахт юга Кузбасса
На рис. 6 приведены зависимости риска обрушения выработки от высоты целика, которая в большинстве случаев равна мощности угольного пласта.
Рис. 6. Зависимости риска обрушения выработки от высоты околоштрекового целика в условиях шахт юга Кузбасса
В целом методика оценки риска обрушения выработки на основе значения СМЯЯ является более устойчивой, так как в основе ее лежит выбор табличных значений влияющих параметров и шаг их изменения при-
85
ближается к линейной зависимости. Расчетом определяется значение показателя CMRR, где в качестве основного влияющего фактора выступает высота анкерования (длина анкера), Б1, м. На рис. 7 приведены зависимости значений параметра СМКЯ от высоты анкерованияв условиях пласта Сы-чевский IV шахты «Грамотеинская», пласта 26а шахты «Есаульская» и пласта 3 шахты «Аларда».
На основании результатов адаптации и анализа устойчивости методик вероятности обрушения выработки в условиях шахт юга Кузбасса можно сделать следующие выводы.
1. Возможная вероятность обрушения выработки р?, может быть
оценена по формуле
р? = так}?, р™ )+Ар? + Ар? + Ар? + Ар?,
д СЫКК /ГТЛТ-»
где р? - вероятность обрушения выработки по параметру СМКК; Ар™ш - вероятность обрушения выработки по параметру ЦЫ^"" др^ - дополнительное влияние длительности поддержания выработки; др^ - дополнительное влияние плотности анкерной крепи; др? - дополнительное влияние свиты пластов; др™ - дополнительное влияние притока воды в
выработку. 50 45 40
(V 35
% 30 и
ж
ь г
га
к
СП
25 20 15 10 5 0
ГрамотеинскаяАларда -»-Есаульская
1.8 1,9 2 2.1 2,2 2,3 Высота анкерования, м
2,4
Рис. 7. Зависимости значений параметра СМЯЯ от высоты анкерования в условиях шахт юга Кузбасса
2. Методика на основе показателя СМЯЯ в целом является более устойчивой к изменчивости исходных данных при достаточно широкой их номенклатуре. К недостаткам данной методики в части подготовки исходных данных следует отнести сложность идентификации ряда параметров, характеризующих массив, к отечественной классификации пород по обводненности, слоистости, трещиноватости, контактной прочности и др.
3. К недостаткам методики на основе показателя СМЯЯ следует отнести ограниченное количество непосредственно учитываемых технологических факторов - это высота анкерования, а также (опосредованно) -ширина выработки, плотность установки анкерной крепи и длительность поддержания выработки.
4. Особенностью методики на основе показателя СМЯЯ является большое влияние наличия прочного слоя непосредственной кровли (Бйю^Ьеё, SB), к которому с помощью анкеров «подшиваются» остальные слои. Однако при определенных условиях возникает парадоксальная ситуация, когда монолитная кровля оказывается менее предпочтительной, чем кровля с выделенным прочным слоем и несколькими контактами между слоями.
5. Важной особенностью обеих анализируемых методик является их ориентированность только на один тип крепи выработок - анкерную крепь. Данный подход можно считать приемлемым для угольных шахт России, разрабатывающих пологие пласты, и калийных рудников.
6. Анализ влияния высоты целика в условиях различных шахт юга Кузбасса при использовании методики UNSW выявил существенные различия в диапазонах влияния данного показателя. Для шахты «Грамотеин-ская» параметр оказывает существенное влияние в диапазоне 2,6 - 3,1 м, а для шахт «Есаульская» и «Аларда» - в диапазоне 2,0 - 2,9 м. В первом приближении данное различие может быть отнесено на счет дополнительного влияния глубины горных работ и существенных различий свойств вмещающих пород [9].
7. При адаптации методики UNSW установлено, что ширина околоштрекового целика более 18 м и угол примыкания смежных сторон целика более 70 - 75 градусов уже не оказывают существенного влияния на вероятность обрушения выработки. В этой связи область применения методики ограничивается шириной целика 18 - 20 м и углом примыкания 70 градусов.
Список литературы
1. Методология анализа и оценки риска при ведении аварийно-спасательных работ на горных предприятиях /А.Н. Домрачев, В.Г. Криво-
лапов, Ю.М. Говорухин, А.В. Масленков// Кемерово, «Кузбассвузиздат». 2013. 204 с.
2. Assessing roof fall hazards for underground stone mines: a proposed methodology / A.T. Iannacchione, J. Jr. ProsserL, G.S. Esterhuizen, T.S. Ba-jpayee// Littleton, CO: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 2006. Inc. SME preprint 06-059.
3. Devidas S. NIMAJE, Shiva S. A. Development of software to evaluate roof fall risk in bord and pillar method - depillaring phasegeoScience Engineering Volume LXI (2015), No.2 p. 14-22, ISSN 1802-5420.
4. Molinda G.M., Mark C., Debasis D. Using the coal mine roof rating (CMRR) to assess roof stability in U.S. coal mines, Journal of Mines, Metals, and Fuels, August-September. 2001. PP. 314-321.
5. Ghasemi E., Ataei M. et al. Assessment of roof fall risk during retreat mining in room and pillar coal mines. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2012, vol. 54, PP. 2-9.
6. Mark C., Chase F.E. et al. Reducing the risk of ground falls during pillar recovery. In Trans. Soc. Min. Engg., 2013, vol. 314, PP. 153-160.
7. Mark G., Stewart Adam O'Rourke. Probabilistic risk assessment of mine subsidence Australian Geomechanics Vol 43 No 3 September 2008. PP. 112.
8. Kouros Shahriar, Kazem Oraee, Ezzeddin Bakhtavar. Roof falls: An inherent risk in underground coal mining - [Электронныйресурс] URL: http://hdl. handle. net / 1893/2329, http ://icgcm. conferenceacademy. Com /CMS/ publicationsdtl. aspx
9. Риб С.В., Домрачев А.Н. Разработка алгоритма оценивания напряжённо-деформированного состояния неоднородного угольного целика с использованием двух- и трёхмерной реализации метода конечных элементов // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды X Всероссийской научно-практической конференции; под общ. редакцией С.М. Кулакова, Л.П. Мышляева; Сиб. гос. индустр. ун-т. Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. С. 465-469.
Домрачев Алексей Николаевич, д-р техн. наук, проф., domrachev@zaoproxy.ru, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Риб Сергей Валерьевич, ст. преп.,seregarib@,yandex.ru, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Никитина Анастасия Михайловна, канд. техн. наук, доц., nik.am_78@mail.ru, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет
ADAPTATION OF METHODS FOR RISK ASSESSMENT OF COLLAPSE OF UNDEGROUND MINE WORKINGS TO THE CONDITIONS OF THE MINES
IN THE SOUTHERN KUZBASS
A. N. Domrachev, S. V. Rib, A. M. Nikitina
The paper outlines the adaptation of roof fall risk assessment methods. This analysis was made to find an useful method solving miner health safety problem.
Key words: probability of risk fall, factor ofprobability, adaptation of methods, roof support, expert estimation, category of risk.
Domrachev Alexey Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor, dom-rachev@zaoproxy.ru, Russia, Novokuznetsk, Siberian State industrial University,
Rib Sergey Valerievich, Senior Lecturer, seregarib@yandex. ru, Russia, Novokuznetsk, Siberian State industrial University,
Nikitina Anastasia Mikhailovna, Candidate of Technical Science, Docent, nik.am_78@mail. ru, Russia, Novokuznetsk, Siberian State industrial University
Reference
1. Metodologija analiza i ocenki riska pri vedenii avarijno-spasatel'nyh rabot na gornyh predprijatijah /A.N. Domrachev, V.G. Kri-volapov, Ju.M. Govoruhin, A.V. Maslen-kov// Kemerovo, «Kuzbassvuziz-dat». 2013. 204 s.
2. Assessing roof fall hazards for underground stone mines: a pro-posed methodology / A.T. Iannacchione, J. Jr. ProsserL, G.S. Esterhuizen, T.S. Bajpayee// Littleton, CO: Society for Mining, Metallurgy, and Explora-tion, 2006. Inc. SME preprint 06-059.
3. Devidas S. NIMAJE, Shiva S. A. Development of software to evaluate roof fall risk in bord and pillar method - depillaring phasegeoSci-ence Engineering Volume LXI (2015), No.2 p. 14-22, ISSN 1802-5420.
4. Molinda G.M., Mark C., Debasis D. Using the coal mine roof rat-ing (CMRR) to assess roof stability in U.S. coal mines, Journal of Mines, Metals, and Fuels, AugustSeptember. 2001. PP. 314-321.
5. Ghasemi E., Ataei M. et al. Assessment of roof fall risk during re-treat mining in room and pillar coal mines. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2012, vol. 54, PP. 2-9.
6. Mark C., Chase F.E. et al. Reducing the risk of ground falls during pillar recovery. In Trans. Soc. Min. Engg., 2013, vol. 314, PP. 153-160.
7. Mark G., Stewart Adam O'Rourke. Probabilistic risk assessment of mine subsidence Australian Geomechanics Vol 43 No 3 September 2008. PP. 1-12.
8. Kouros Shahriar, Kazem Oraee, Ezzeddin Bakhtavar. Roof falls: An inherent risk in underground coal mining - [Jelektronnyjresurs] URL: http://hdl. handle. net / 1893/2329, http ://icgcm. conferenceacademy. Com /CMS/ publicationsdtl. aspx
9. Rib S.V., Domrachev A.N. Razrabotka algoritma ocenivanija naprjazhjonno-deformirovannogo sostojanija neodnorodnogo ugol'nogo celika s ispol'zovaniem dvuh- i trjohmernoj realizacii metoda konech-nyh jelementov // Sistemy avtomatizacii v obrazovanii, nauke i proiz-vodstve: Trudy X Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Pod obshh. redakciej S.M. Kulakova, L.P. Myshljaeva; Sib. gos. industr. un-t. Novokuzneck: Izd. centr SibGIU, 2015. S. 465-469.
