CC BY
30
УДК 622.831.2
СТРУКТУРИЗАЦИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ДЛИННЫМИ СТОЛБАМИ
Проведённые исследования проявлений горного давления позволили уточнить модель развития геомеханических процессов с учетом реализации упругой энергии вмещающего массива горных пород при движении очистного забоя. Повышение адекватности модели реальным газогеомеханическим процессам в газоносном массиве обеспечит принятие эффективных технологических решений как на стадии проектирования, так и ведения горных работ при отработке пластов угля длинными столбами по простиранию.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99, партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.
Ключевые слова: РУДНИЧНАЯ ГАЗОДИНАМИКА, ГЕОМЕХАНИКА, ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, СВОДЫ ДАВЛЕНИЯ, ТЕХНОГЕННАЯ СТРУКТУРИЗАЦИЯ МАССИВА, УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ДЛИННЫЙ ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ
Е.Н. Козырева
Г/
М.В. Шинкевич
канд. техн. наук, заведующий лабораторией Инсти-—та угля СО РАН
канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН
Движение очистного забоя приводит к периодическому изменению горного давления на призабойную часть пласта и механизированную крепь, что в кой геомеханике объясняется изменением размеров и числа зависающих консолей близлежащих слоев пород, участвующих в формировании опорного давления.
Натурными исследованиями Ж. М. Канлы-баевой (1960 г.) инструментально доказано, что формирование консолей сопровождается поднятием слоев пород над пластом впереди зоны максимальных напряжений. Даже в слабых породах (аргиллиты) при глубине залегания отрабатываемого пласта около 100 м и длине очистного забоя 100 м поднятие нижней части кровли достигает 3 см на расстоянии 10-15 м от плоскости забоя [1]. Учитывая расстояние от плоскости забоя до максимума напряжений, определяя место формирования опоры консоли кровли как зону максимальных напряжений и принимая форму прогиба кровли параболической, стало возможным оценивать размер зоны разгрузки отрабатываемого пласта от горного давления за зоной максимальных напряжений.
Российскими учеными было доказано, что с ростом прочности пород кровли и глубины разработки эффект поднятия слоев кровли впереди забоя лавы возрастает, при этом происходит «топтание» пласта горным давлением [2]. Была обоснована более точная картина изменений напряженно-деформированного состояния массива пород при отработке пласта длинными очистными забоями: «... движение очистного забоя приводит к периодическому изменению напряжений в угольном пласте, соответствующих изменениям состояния разноудаленных от пласта пород кровли. Эти изменяющиеся напряжения представляют собой динамическую составляющую опорного давления, которая проявляется на фоне статической составляющей. Движение очистного забоя приводит к периодическому изменению состояния пород от сжатия к растяжению».
Немецкими учеными методами физического моделирования было установлено [3], что в выработанном пространстве длинных очистных забоев образуется не один, а несколько сводов в подрабатываемом массиве пород, последовательно формирующихся при движении забоя.
Одной из причин образования сводов является горизонтальный распор в слоях пород. Явления образования и исчезновения горизонтального распора в сводах обрушения периодически сменяют друг друга. Следствия этого процесса проявляются в периодичности (шагах) обрушения кровли. Другими немецкими учеными [4], приводились результаты измерений давления в стойках механизированной крепи в лавах. Было доказано, что распределение горного давления вдоль забоя лавы периодично во времени и имеет волнообразный характер, но и эти результаты не получили до настоящего времени соответствующую идентификацию параметров.
В Институте угля СО РАН исследования этих особенностей были начаты в 2000-х годах и проводятся по настоящее время [5-7]. Отметим, что при изучении нелинейных геомеханических процессов при отработке угольных пластов акцент сделан на применение методов рудничной газодинамики. Основанием этому является известное правило: угольные пласты выделяют метан только при снижении напряжений, то есть внешним контуром области газоистощения углегазоносных пород является фронт их техногенной разгрузки от действовавших напряжений. Согласно классическим представлениям о геомеханических процессах во вмещающем массиве за фронтом разгрузки приток метана на выемочный участок при отходе забоя от монтажной камеры должен плавно возрастать, достигая некоторой постоянной величины. Следовательно, для уточнения динамики техногенного геомеханического процесса, охватывающего многие миллионы тонн углегазоносных пород, достаточно отследить один из его конечных результатов - изменение метанообильности выемочного участка при движении очистного забоя. При оснащении выемочных участков электронной системой рудничного мониторинга этот подход не создает технических затруднений. Применение методов рудничной газодинамики при анализе горнотехнологических ситуаций на месторождениях с различной стратиграфией и последовательностью отработки пластов в свите выявило, прежде всего, существенную нелинейность ме-танообильности (ее больших значений по амплитуде и периодов изменений несоизмеримо больше шага обрушения основной кровли), заставляющую говорить о явной волнообразности процесса.
С помощью методов рудничной аэрогазодинамики были проанализированы результаты горно-экспериментальных исследований геомеханических процессов на 20 выемочных
участках шахт Кузбасса. Их обобщение позволило уточнить некоторые особенности геомеханических процессов, дополняющие классические представления о сводах сдвижений и обрушения консолей:
-развитие техногенной структуризации массива можно представить в виде формирования иерархии вложенных геомеханических слоев, в которой более мощный слой включает в себя все предыдущие;
-в пределах каждого геомеханического слоя массив снижает уровень накопленной упругой энергии путем «отторжения» некоторых критических по энергоемкости образования структурных элементов, высота которых определяет мощность слоя;
-минимальные затраты накопленной упругой энергии на образование критических структурных элементов (дезинтеграция слоя) при вертикальной разгрузке объемно-напряженного массива соответствуют оконтуриванию тел параболоидной формы.
Схематично развитие этих процессов (структуризация массива горных пород) представлено на рисунке 1. Создание плоского выреза происходит по мере отработки угольного пласта длинным очистным забоем (кп - мощности вложенных геомеханических слоев п-го уровня структурной иерархии; Ьв - отход забоя от монтажной камеры; 1оч - длина очистного забоя).
При решении задач, связанных с изучением техногенных геомеханических процессов во вмещающем массиве, таких как изменение напряжений, разгрузка, сдвижение, разрушение подрабатываемого и надрабатываемого массива, его газодинамическое и напряженно-деформированное состояние, развитие процессов в основной и непосредственной кровли и так далее, возникают сложности с их пространственным моделированием. Однако стремительно возрастающие возможности вычислительной техники помогают визуализировать отмеченные специфические особенности [8].
Тогда указанные дополнения классической модели позволяют более точно описывать газо- и геодинамику выемочного участка, особенно при повышенных скоростях отработки столба. Однако, несмотря на весьма представительный объем горно-экспериментальных исследований геомеханических процессов методами рудничной газодинамики, их результаты всё-таки несколько косвенные, поскольку включают еще один явно нелинейный процесс - изменение состояний угольных пластов с формированием неустойчивых газовых потоков в направлении области
Рисунок 1 - Схема развития геомеханических процессов в однородном изотропном массиве горных пород с учетом реализации его упругой энергии при создании плоского выреза: (а) общий вид, (б) со стороны очистного
забоя, (в) по длине выработанного пространства
контроля их интенсивности. По этой причине исследования были дополнены наблюдениями за изменениями давления в стойках секций механизированной крепи в очистном забое.
Приведем пример горно-экспериментального участка, расположенного на горном отводе шахты «Алардинская» (Кузбасс). Длина очистного забоя состаляет 200 м, глубина залегания отрабатываемого пласта - 600 м; пласт с труд-нообрушаемой кровлей. Шаг первичного обрушения основной кровли составил около 100 м, шаг вторичного обрушения - около 25 м. При обобщении данных и построении поверхности давления на крепь применялся программный продукт «Surfer» и метод аппроксимации Local Polynomial. Для удобства анализа значения давлений интерпретировались через мощность (h) соответствующего слоя пород, вес которого равен реакции крепи при данном положении забоя. Ранее этот пример рассматривался в работе [7] с позиции формирования сводов давления на
секции механизированной крепи. Полученные результаты уточнили периодичности сводообра-зования не только по длине выемочного столба, разделенного на три интервала наблюдений, но и во времени при длительной остановке забоя. Результаты обработки приведены на рисунке 2 (а) (первый интервал - 518-553 м при средней скорости подвигания забоя V = 2,8 м/сут; второй - 646-707 м при V = 1,9 м/сут; третий - 726-815 м при V = 2,5 м/сут). Здесь достаточно отчетливо видны своды давления с периодичностью 50 и 100 м как по длине очистного забоя, так и по длине выемочного столба, чем подтверждается волнообразность процесса сдвижений горных пород, причем её периодичность кратна длине очистного забоя. Видна и некоторая зависимость процесса сдвижений от скорости подвига-ния очистного забоя. На первом интервале отработки волнообразность более выражена, чем на втором и третьем.
На рисунке 2 (б) развитие процесса во
23
времени видно более детально. Например, при длительной (60 суток) остановке забоя проявляется периодичность примерно в 25 м. Сечение этой поверхности по линии, соответствующей 30-м суткам остановки забоя (рис. 3 (а)), позволяет выделить периоды в 12,5 м, причем на фоне периодичности 100 м и связи с основанием свода, соответствующего длине очистного забоя 200 м. Кроме того, выявлено влияние плотности замеров на разрешающую способность метода: при ширине секций крепи в 1,8 м минимально возможная регистрация периодичности составляет 12,5 м, при выполнении замеров на каждой пятой секции крепи (9 м) выявляемая периодич-
ность - 25 м.
Еще один рассмотренный горно-экспериментальный участок расположен на горном отводе шахты «Чертинская-Коксовая» (Кузбасс). Его особенностью является меньшая глубина ведения горных работ, а кровля пласта представлена породами средней прочности. Длина очистного забоя - 180 м, глубина залегания пласта - 340 м. Замеры давления в стойках механизированной крепи производились по длине лавы в 30, 60, 75, 90, 105, 120 и 150 метрах от конвейерного штрека. Малая плотность измерений по линии очистного забоя позволила выявить лишь верхний уровень иерархии техногенных структур и
Ь, м
Рисунок 2 - Высоты сводов давления на секции механизированной крепи при отработке пласта на шахте «Алардинская»: (а) по длине выемочного столба Ьв; (б) при длительной остановке забоя на расстоянии Ье=517 м
от монтажной камеры
подтвердить, что и в этих горнотехнологических условиях изменения горного давления на крепь имеет волнообразный характер как по оси отрабатываемого столба, так и по линии очистного забоя. Оценка высоты сводов давления показала, что в данных условиях она примерно в 1,5 раза меньше, чем в условиях с труднообрушае-мой кровлей и на глубине вдвое большей.
Модель развития геомеханических процессов в однородном изотропном массиве горных пород при создании плоского выреза (см. рис. 1) с учетом полученных уточнений и обобщения горно-экспериментальных данных представлена на рисунке 3. В установленной волнообразности процессов присутствуют и соответствующие классическим представлениям закономерности формирования сводов давления. Основными параметрами модели приняты длина очистного забоя (I) и глубина ведения горных работ. Свод более высокого уровня иерархии, как по линии забоя, так и по оси выемочного столба, формируется в период отработки интервала дезинтеграции пород в предыдущем слое, то есть, связан с отработкой каждой пары сводов нижнего уровня иерархии. Поэтому, при отработке интервала дезинтеграции пород между этими парами имеет место более динамичный рост локального изменения напряжений в опорах оснований сводов с переходом на более высокий уровень иерархии. Это может сопровождаться динамическими явлениями вплоть до горных ударов и (или) интенсивными пучениями
почвы штреков впереди очистного забоя.
В заключение отметим, что для снижения горного давления впереди очистного забоя на вентиляционные ходки и демонтажную камеру вентиляционные ходки должны проводиться на расстояниях от монтажной камеры, кратных длине очистного забоя, длина выемочного столба должна приниматься также кратной длине очистного забоя. Периодичность и параметры применения способов управления горным давлением за счет принудительного обрушения кровли должны соответствовать особенностям процесса структуризации. Необходимо предусматривать их направление по контурам формирующихся сводов для минимизации энергетических затрат на разрушение пород.
Рисунок 3 - Модель развития техногенной структуризации во вмещающем массиве горных пород за линией длинного очистного забоя
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Канлыбаева, Ж. М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж. М. Канлыбаева. -Изд-во «Наука», 1968. - 108 с.
2. Черняк, И. Л. Периодичность изменения напряжённо-деформированного состояния массивов угля и пород впереди очистного забоя / И. Л. Черняк, В. Е. Зайденварг // Горный журнал. Изв. Высших учебных заведений. - 1993. - № 3. - С. 25-28.
3. Якоби, О. Практика управлении горным давлением / О. Якоби. Пер. с нем. - М.: Недра, 1987.
- 566 с.
4. Ройтер, М. Волнообразное распределение горного давления вдоль забоя лавы / М. Ройтер, В. Курфюст, К. Майрховер, Ю. Векслер // ФТПРПИ. - 2009. - № 2. - С. 38-44.
5. Козырева, Е. Н. Особенности газогеомеханических процессов на выемочном участке шахты / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово. - 2010. - № 2. - С. 28-35.
6. Полевщиков, Г. Я. «Деформационно-волновые» процессы в массиве горных пород при движении очистного забоя в угольных пластах / Г. Я. Полевщиков // ФТПРПИ. - 2013. - № 5. - С. 50-60.
7. Полевщиков, Г. Я. Фрактальная особенность структуризации массива горных пород в изменениях давления на призабойную часть отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, А.В. Радченко, Е.В. Леонтьева, А.А. Черепов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово.
- 2013. - № 1.1. - С. 16-23.
8. Леонтьева, Е. В. Оценка возможностей методов компьютерного моделирования геомеханического процесса во вмещающем массиве [Электронный ресурс] / Кемерово. Инновационный конвент
«Кузбасс: образование, наука, инновации». Сборник трудов, 2014. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
ROCK MASSIF RESTRUCTURING IN CONDITIONS WHEN THE COAL SEAM IS MINED WITH LONG PILLARS
Kozyreva E.N., Shinkevich M.V.
The rock pressure manifestation studies allowed to specify the model of the geomechanical processes development taking into account the implementation of the elastic energy of the enclosing rock mass when driving the coal extraction face. Model correspondence increase to real gas-geomechanical processes in the gas-containing massif will provide conditions to take the efficient technological decisions both at projecting stage and during the mining work by long pillars along the coal seam.
The work is done with the financial support of Interdisciplinary integration project of the SB of RASc No. 99, partnership integration project of the SB of RASc No. 100
Key words: MINE GAS DYNAMICS, GEOMECHANICS, MINE PRESSURE, PRESSURE ARCHES, MASSIVE TECHNOGENIC RESTRUCTURING, COAL SEAM, LONG COAL EXTRACTION FACE
Козырева Елена Николаевна e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
Шинкевич Максим Валериевич e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
Разработка и реализация проектов промоезопасности
промбезопасности -
'новленный портал посвященный
ЯЩ€
проблрМам промышленной
юс
опасности
и Горный ЦОТ»
9
-1 ■-
ЖШЯ^ШшсШ.
■ >.
ИШЬгх.
26
