CC BY
53
© М.В. Шинкевич, Н.В. Рябков, Е.Н. Козырева, 2010
УДК 622.121.54
М.В. Шинкевич, Н.В. Рябков, Е.Н. Козырева
ДИНАМИКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ МАССИВА ПРИ ДВИЖЕНИИ ДЛИННОГО ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ*
Проведены исследования факторов управления геомеханическим состоянием вмещающих пород и угольного пласта, основанных на установлении закономерностей процессов, протекающих в окружающем породном массиве при подвигании очистного забоя
Ключевые слова: геомеханические процессы, лава, газокинетические свойства пласта, горное давление
Семинар № 3
решение задачи управления гео-
лГ механическим состоянием вмещающих пород и угольного пласта основывается на установлении закономерностей процессов, протекающих в окружающем породном массиве при подвигании очистного забоя. Их следствием являются изменения газокинетических свойств пласта и метано-обильности забоя. Исследование этих факторов выполнены при отработке выемочного столба № 351 шахты «Чертинская-Коксовая» (Кузбасс) путем измерений:
- давлений в секциях механизированной крепи при отработке пласта;
- метанообильности выемочного участка.
Лава № 351 имела следующие горнотехнологические условия.
Отрабатывается пласт 3. Глубина отработки изменяется от 345 м до 360
м. Длина выемочного столба - 840 м. Длина лавы 180 м. Вынимаемая мощность пласта 2,8 м. Коэффициент крепости угля / = 0,4-1,0.
Ложная кровля пласта - алевролиты слабые (/= 2-3), т = 0,1-0,3 м. Непосредственная кровля представлена алевролитами мелкозернистыми трещиноватыми, легкообрушающимися (/= 4), мощностью до 14 м. Основная кровля пласта -песчаники мелкозернистые слаботрещиноватые (/ = 6), т = 24-30 м, по длине выемочного столба местами наблюдается выход слоя песчаника непосредственно на пласт.
Обработка результатов измерения горного давления на крепь показала (рис. 1 и 2), что его динамика имеет четко выраженную сводообразность по площади отрабатываемого выемочного столба.
*Работа выполнена с финансовой поддержкой по междисциплинарному интеграционному проекту СО РАН № 89
Рис. 1. Изменение давления в стойках механизированной крепи при отработке выемочного столба № 351
В тоже время, обработка результатов не выявила более мелких периодов изменений, близких шагам обрушений, связанных с формированием и обрушением консолей основной кровли (шаги вторичных обрушений основной кровли), согласно с общепринятой схемой проявления периодичности горного давления. Очевидно, при движении комплексно-механизированного забоя
длиной в сотни метров обрушения кровли происходят не упорядоченными шагами, а носят стохастический характер по длине лавы (рис. 3). Но поведение слоев пород, расположенных от отрабатываемого пласта на удалении, соизмеримом с длиной очистного забоя, приобретает систематический характер, согласующийся с геоме-ханическими процессами во всей подрабатываемой толще.
Аппроксимация экспериментальных данных сглаживающими функциями позволила увидеть следствия разгрузки от горного давления более мощных, чем основная кровля, слоев пород и путем несложных расчетов оценить мощность слоя, определяющего гравитационное давление на крепь. Исходя из условия равновесия взаимодействующих сил и приняв среднюю плотность пород кровли равной 2,5 т/м3, получены значения высоты этого свода, назовем его гравитационным, по длине вы-
Рис. 2. Изменение давления в секциях крепи, расположенных на расстоянии от конвейерного штрека 75, 90 и 105 м при длине лавы 180м
емочного столба (рис. 4).
Видно, что расчётная высота свода изменяется от 55 до 72 м при среднем значении около 63 м, период изменений составляет примерно 90 м, а угол развития, откладываемый от линии отрабатываемого пласта 550-700. Полученное значение угла равно принятому в [1] углу давления. Это указывает, что основой связи амплитуды литологического давления на секции механизированной крепи с положением забоя является некоторая разгрузка на линии очистного забоя подрабатываемого вмещающего массива от геостатического горного давления, за которой следуют процессы его дезинтеграции и сдвижений. Но поскольку скорость распространения фронта разгрузки намного больше любой реальной скорости подвигания забоя, то регистрация некоторой относительно небольшой величины слоя горных пород ложащегося на
■75
•90 - - .105 lb, м
Рис. 3. Стохастический характер изменения давления в стойках механизированной крепи при движении очистного забоя
секции крепи вслед за под-виганием забоя позволяет выделить этот слой в качестве самостоятельной характеристики геомеханического процесса. Ее значения, при соответствующей страти-
графии массива могут определять, например интенсивность газопритока в зону аэ-рогазового обмена забой -выработанное пространство при комбинированной схеме проветривания.
Согласно широко апробированному в Кузбассе алгоритму расчета шагов обрушения пород кровли [2, 3] имеем для условий лавы № 351 устойчивый пролет основной кровли 21 м и общую высоту зоны разрушения пород 43 м. Отметим, что указанная методика определяет эти величины по эмпирическим зависимостям, учитывающим все многообразие условий бассейна. Сравнивая величину устойчивого пролета с периодом изменения давления на крепь, видим, что их соотношение близко к 4. Если значения давления на крепь интерпретировать как вес пород, то получим максимум амплитуды этой гармоники в 72 м, т.е. она примерно вдвое выше зоны разрушений.
Результаты измерения метано -обильности высокопроизводительных
И, м 80 ■ 60 ■ 40 ■ 20 ■ 0
♦ ♦«* Л
► -> V
♦ ♦ ▼ фГ ^
180
230
280
выемочных участков, в том числе и указанного выше, отрабатывающих пологие пласты с полным обрушением кровли представлены в многочисленных работах [4, 5, 6]. Был установлен волнообразный характер ее изменения по длине выемочного столба с периодами до сотен метров (газокинетический паттерн массива газоносных горных пород). Установлено, что величина периодов связана с процессами сдвижения подрабатываемого массива горных пород. Таким образом, рассматривая массив горных пород как некоторую среду, в которой расположены пластины-индикаторы изменения геомеханического состояния, можно заключить, что процесс разгрузки и сдвижения пород по длине выемочного столба имеет волнообразный характер с периодом в сотни метров во всех горно-геологических условиях. По мере отработки выемочного столба фронт сдвижений обуславливает соответствующее изменение пригрузок на основную кровлю и призабой-
Рис. 4. Изменение высоты гравитационного свода кровли пласта по длине выемочного столба
330 Ьв
ную часть пласта. Формирование первой от монтажной камеры внешней полуволны сопровождается рядом внутренних, кратных 2 относительно внешней, минимальная из которых соответствует шагу первичного обрушения основной кровли.
Изложенное позволяет предположить, что причиной периодически повторяющихся явлений колебания горного давления в длинных очистных забоях, происходящих в ограниченном объеме призабойного пространства и в краевой части пласта, является последовательное формирование сводов сдвижений по длине выемоч-
1. Петухов И.М. Теория защитных пластов [Текст] / И.М. Петухов, А.М. Линьков и др. -М.: Недра, 1976. - 224 с.
2. Временное руководство по расчету первичного и последующего шагов обрушения пород кровли при разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию в условиях Кузбасса [Текст]. - ВостНИИ: Кемерово, 1973. -12 с.
3. Мурашев В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханиче-ских процессов [Текст] : Автореферат дис. докт.техн.наук. - М., 1980. - 36 с.
4. Полевщиков Г. Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику ме-
ного столба, параметры которых имеют определяющее значение.
Полученные результаты указывают на возможность уточнения известных представлений о развитии процессов деформирования подрабатываемого массива горных пород с целью повышения надежности решения прикладных задач геомеханики газоносных месторождений. Их согласование с газодинамикой массива и отрабатываемого пласта, обеспечивает оперативность уточнения технологических решений по управлению газовыделением из разрабатываемого пласта и выработанного пространства.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
танообильности выемочного участка [Текст] / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю.Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., 2001. - №5. - С.121-127.
5. Полевщиков Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород [Текст] / Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н. // Горный информационно-аналитический бюллетень, - 2002.
- №11. - С.117-120.
6. Козырева Е.Н. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами [Текст] / Е.Н. Козырева, М.В. Шинке-вич, // Вестн.КузГТУ, -2006. - № 6.2. - С.17-19. ЕШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Шинкевич М.В. - младший научный сотрудник лаборатории газодинамики угольных месторождений ИУУ СО РАН,
Рябков Н.В. - директор ООО «Шахта «Чертинская-Коксовая»,
Козырева Е.Н. - старший научный сотрудник лаборатории газодинамики угольных месторождений ИУУ СО РАН, кандидат технических наук, iuu@kemsc.ru
