CC BY
26
УДК 622.831.31
B.И. Мурашев (д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
Д.В. Ботвенко (канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
C.И. Голоскоков (канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
А.Г. Овчаренко (д-р техн. наук, профессор Бийского технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»)
Аналитико-экспериментальный метод определения геомеханического состояния очистных забоев угольных шахт
на стадии проектирования
Разработан аналитико-экспериментальный метод, позволяющий на стадии проектирования прогнозировать геомеханическое состояние очистных забоев угольных шахт.
Ключевые слова: АНАЛИТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД, ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ, УДАРО- И ВЫБРОСООПАСНОСТЬ, ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ, ПРОГРАММА РАСЧЕТА
Увеличение интенсивности ведения горных работ на угольных шахтах приводит к быстрому росту глубины разработки, резкому осложнению механического состояния массива горных пород не только в окрестности одного или группы угольных пластов, но и в целом по шахтному полю.
Для оценки геомеханического состояния в окрестности очистных выработок был разработан аналитико-экспериментальный метод, который состоит из нескольких десятков операторов, на базе которых составлена программа, позволяющая оперативно оценивать состояние горного массива в зависимости от комплекса природных и технологических факторов.
Для иллюстрации сложности и многообразия используемых при расчетах факторов приведем фрагментарно ряд основных зависимостей и критериев.
Одним из основных критериев при расчете степени удароопасности и показателя выбро-соопасности является расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений впереди очистного забоя Хр., которое определяется по уравнению:
С \
0.01/1
X = т • е 1 ср
0
0.85
—0,33
О
О
-+0,1
С а I 1-е 1 пР
V )
м,
(1)
)
где т - вынимаемая мощность пласта, м; /10 - вторичный шаг обрушения пород основной кровли, м; ё3 - напряжения на линии забоя, кгс/см2; ё0 - напряжения в нетронутом угольном массиве, кгс/см2; а1 - реологический параметр, 1/ч; 4,р - приведенное время, ч.
Степень удароопасности оценивается по критерию Ду, определяемому из выражения:
Ду
Кк '$0 - $3
кгс/см
10 -Хср
где Кк - коэффициент концентрации напряжений в максимуме опорного давления. При значениях критерия Ду более 10 выработка считается удароопасной. Показатель выбросоопасности Яо вычисляется по формуле:
(2)
Яо={АхСр - I) < 0 , кгс/см2, где I - ширина режущего органа добычной машины, м;
расстояние от забоя до зоны нормальных напряжений, м.
(3)
$ -$
X =хСр 0 $
Кк $ -$
В случаях, когда выполняется условие I > А^ср, состояние забоя считается выбросоопас-
ным.
С использованием данных характеристик угольных пластов и вмещающих пород, а также технических решений разработки получены исходные данные для расчета показателей ударо- и выбросоопасности. Основные параметры, необходимые для расчета геомеханического состояния очистного забоя, приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема геомеханического состояния в окрестностях очистного забоя
Программа расчета геомеханического состояния горного массива в окрестностях горных выработок и прогноза газодинамических явлений приведена на рисунке 2.
Ж мте Г^~1Гр1Г5<1
Рисунок 2 - Программа расчета геомеханического состояния горного массива
В качестве примера в таблице 1 приведены данные расчетов параметров зон опорного давления, шагов обрушения пород кровли, зон разрушения пород по штрекам к пласту, показатели удароопасности и выбросоопасности для различных горно-геологических условий шести очистных забоев на четырех шахтах: «Осинниковская», им. С.М. Кирова, «Чертинская-Коксовая», «Котин-ская».
Результаты расчетов при нормальном залегании пласта при отработке лавы №1-1-5-6 бис (/=0,7) показывают, что полученные данные согласуются с данными, полученными в процессе отработки запасов лавы №1-1-5-6 бис. Расчетная величина зоны разрушения вышележащего породного массива составила 55 м, и в связи с тем, что в эту область попадает ряд пластов, данную зону необходимо учитывать при определении газообильности горных выработок.
Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод о том, что при нормальном залегании пласта не следует ожидать возникновения ударо- и выбросоопасных ситуаций даже при высоких темпах подвигания лавы №1-1-5-6 бис до 8 м/сут или при нагрузке в 6000-7000 тонн в сутки.
Пласт Болдыревский (лава №2453) отнесен к угрожаемым по горным ударам с глубины 150 м и отрабатывается с текущим прогнозом удароопасности. Наблюдаются глухие удары в пласте, потрескивание угля, отторжение кусков из забоя, т.е. некоторые признаки удароопасных ситуаций. Это показывают и расчеты показателя удароопасности для коэффициента крепости пласта угля /=0,8, скорости подвигания 9,5 м/сут и ширины захвата 0,8 м. При значениях коэффициента крепости пласта /=0,7 показатели удароопасности приобретают неопасные значения даже при высоких скоростях подвигания очистного забоя №2453 (9,5 м/сут).
Таблица 1 - Численные значения параметров зоны разрушения горного и угольного массивов
Глу би- на Н, м Дли на ла- вы, м Ширина шнека, м Угол паде- ния, град Выни- мае- мая мощ- ность, м Ско- рость под- ви- га- ния, м/сут Кре- пость пласта, I Крепость кровли, Е Первичный шаг, м Вто- рич- ный шаг, м Зона интен- сивно- сти разру- шения, м Зона блоч- ного разру- шения, м Зона круп- но- блоч- ного об- руше ния, м Высота зоны разру- шения пород кровли, м Пока- затель ударо- опас- ности Пока- затель выбро- соопас ности Коэф- фици- ент кон- цен- трации напря- жений Напряжения в максимуме опорного давления, кгс/см2 Рас-стояние от забоя до зоны макси-маль ных на-пряже-ний Х, м
Шахта «Осинниковская», лава №1-1-5-6-бис
790 200 0,8 7 3,15 5 0,7 7 28,2 5,4 9,04 4,5 41,8 55,4 5,8 2,2 2,3 457,6 7,4
790 200 0,8 7 3,15 5 0,3 7 28,2 5,4 207,9 103,9 41,8 353,7 1,7 10,6 2,2 437,6 25,4
790 200 0,8 7 3,15 2 0,7 7 22,4 4,3 11,4 5,7 41,8 59,0 3,5 4,3 2,2 448,7 12,1
790 200 0,8 7 3,15 4 0,7 7 26,7 5,1 9,7 4,8 41,8 56,3 5,1 2,7 2,3 455,7 8,5
790 200 0,8 7 3,15 6 0,7 7 29,5 5,6 8,4 4,2 41,8 54,5 6,8 1,8 2,3 458,9 6,5
790 200 0,8 7 3,15 8 0,7 7 31,7 6,1 7,6 3,8 41,8 53,2 8,5 1,3 2,3 460,7 5,2
790 200 0,8 7 3,15 10 0,7 7 33,5 6,4 6,9 3,4 41,8 53,2 10,2* 0,9 2,3 461,8 4,3
Шахта им. С.М. Кирова, №2453
340 242 0,8 5 2,22 9,5 0,8 6 43,9 8,4 1,2 0,6 20,2 21,9 15,9* -0,4* 2,4 200,2 1,1
340 242 0,63 5 2,22 9,5 0,8 6 43,8 8,4 1,5 0,7 20,2 22,4 12,9* -0,14* 2,4 200,2 1,4
340 242 0,8 5 2,22 4 0,8 6 35,3 6,8 1,7 0,8 20,2 22,7 7,9 -0,002* 2,4 199,7 2,2
340 242 0,8 5 2,22 6 0,8 6 39,1 7,5 1,4 0,7 20,2 22,4 10,9* -0,2* 2,4 200,0 1,6
340 242 0,8 5 2,22 8 0,8 6 42,0 8,1 1,3 0,6 20,2 22,1 13,8* -0,3* 2,4 200,2 1,3
340 242 0,8 5 2,22 12 0,8 6 46,5 8,9 1,0 0,5 20,2 21,8 19,6* -0,5* 2,4 200,3 0,9
340 242 0,8 5 2,22 9,5 0,7 6 43,9 8,4 2,4 1,2 20,2 23,8 9,2 -0,04* 2,4 199,9 2,0
340 242 0,63 5 2,22 9,5 0,7 6 43,9 8,4 2,9 1,5 20,2 24,6 7,6 0,3 2,4 199,8 2,4
340 242 0,8 5 2,22 4 0,7 6 35,3 6,8 3,2 1,6 20,2 25,1 4,9 0,6 2,3 199,1 3,8
340 242 0,8 5 2,22 6 0,7 6 39,1 7,5 2,8 1,4 20,2 24,4 6,5 0,3 2,3 1996 2,9
340 242 0,8 5 2,22 8 0,7 6 42,0 8,0 2,5 1,3 20,2 24,0 8,0 0,1 2,3 199,8 2,3
340 242 0,8 5 2,22 12 0,7 6 46,5 8,9 2,2 1,1 20,2 23,4 11,1* -0,2* 2,4 200,1 1,7
Шахта им. С.М. Кирова, лава №2592
320 240 0,8 8 1,73 7 0,6 6 42,9 8,2 3,8 1,9 15,1 20,9 4,7 0,7 2,3 187,7 3,7
320 240 0,8 8 1,73 4 0,6 6 37,3 7,2 4,5 2,3 15,1 21,8 3,5 1,2 2,3 187,0 5,1
320 240 0,8 8 1,73 6 0,6 6 41,3 7,9 4,1 2,0 15,1 21,2 4,4 0,8 2,3 187,5 4,1
320 240 0,8 8 1,73 8 0,6 6 44,4 8,5 3,7 1,9 15,1 20,7 5,2 0,6 2,3 187,8 3,4
320 240 0,8 8 1,73 10 0,6 6 46,9 9,0 3,4 1,7 15,1 20,3 6,1 0,4 2,4 187,9 2,9
320 240 0,8 8 1,73 12 0,6 6 49,2 9,4 3,2 1,6 15,1 19,9 7,0 0,2 2,4 188,1 2,5
Продолжение табл. 1
Глу би- на Н, м Дли на ла- вы, м Ширина шнека, м Угол паде- ния, град Выни- мае- мая мощ- ность, м Ско- рость под- ви- га- ния, м/сут Кре- пость пласта, / Крепость кровли, Е Первичный шаг, м Вто- рич- ный шаг, м Зона интен- сивно- сти разру- шения, м Зона блоч- ного разру- шения, м Зона круп- но- блоч- ного об- руше ния, м Высота зоны разру- шения пород кровли, м Пока- затель ударо- опас- ности Пока- затель, выбро- соопас ности Коэф- фици- ент кон- цен- трации напря- жений Напряжения в максимуме опорного давления, кгс/см2 Рас-стояние от забоя до зоны макси-маль ных на-пряже-ний Х, м
Шахта «Чертинская-Коксовая» , лава №569
385 164 0,8 7 2,04 4,1 0,5 7 40,4 7,8 13,4 6,7 18,2 38,4 2,0 3,7 2,3 222,9 10,7
385 164 0,8 7 2,04 6 0,5 7 44,4 8,5 12,8 6,4 18,2 37,4 2,3 3,2 2,3 223,7 9,5
385 164 0,8 7 2,04 8 0,5 7 47,7 9,2 12,1 6,0 18,2 36,3 2,6 2,7 2,3 224,3 8,5
385 164 0,8 7 2,04 10 0,5 7 50,5 9,7 11,4 5,7 18,2 35,3 2,9 2,3 2,3 224,7 7,6
Шахта «Чертинская-Коксовая» , лава №349
364 152 0,63 10 2,8 3,7 0,9 7 42,2 8,1 1,4 0,7 24,1 26,6 8,7 -0,06* 2,4 213,8 2,2
364 152 0,63 10 2,8 6 0,9 7 47,6 9,1 1,2 0,6 24,1 25,8 12,7* -0,29* 2,4 214,3 1,5
364 152 0,63 10 2,8 8 0,9 7 51,2 9,8 1,0 0,5 24,1 25,6 16,3* -0,41* 2,4 214,4 1,2
364 152 0,63 10 2,8 10 0,9 7 54,1 10,4 0,9 0,5 24,1 25,4 19,8* -0,47* 2,4 214,5 0,9
Шахта «Котинская», лава №5207
320 230 0,8 6 4,3 14 0,7 5 46,4 8,9 5,6 2,8 42,2 50,6 6,5 0,2 2,4 188,0 2,7
320 230 0,8 6 4,3 16 0,7 5 47,9 9,2 5,3 2,7 42,2 50,2 7,3 0,1 2,4 188,1 2,4
320 230 0,8 6 4,3 18 0,7 5 49,4 9,5 5,0 2,5 42,2 49,8 8,1 0,01 2,4 188,2 2,2
320 230 0,8 6 4,3 20 0,7 5 50,7 9,8 4,8 2,4 42,2 49,4 8,8 -0,06* 2,4 188,3 1,9
320 230 0,8 6 4,3 14 0,8 5 46,4 8,9 2,8 1,4 42,2 46,4 11,4* -0,3* 2,4 188,4 1,5
320 230 0,8 6 4,3 16 0,8 5 47,9 9,2 2,6 1,3 42,2 46,1 12,9* -0,3* 2,4 188,4 1,3
320 230 0,8 6 4,3 18 0,8 5 49,4 9,5 2,5 1,2 42,2 45,9 14,3* -0,4* 2,4 188,5 1,2
320 230 0,8 6 4,3 20 0,8 5 50,7 9,8 2,4 1,2 42,2 45,8 15,8* -0,4* 2,4 188,5 1,1
320 230 0,8 6 4,3 14 1,0 5 46,4 8,9 1,0 0,5 42,2 43,7 22,9* -0,6* 2,4 188,6 0,7
320 230 0,8 6 4,3 16 1,0 5 47,9 9,2 0,9 0,5 42,2 43,6 25,9* -0,6* 2,4 188,6 0,6
320 230 0,8 6 4,3 18 1,0 5 49,4 9,5 0,9 0,4 42,2 43,5 28,9* -0,6* 2,4 188,7 0,5
320 230 0,8 6 4,3 20 1,0 5 50,7 9,8 0,8 0,4 42,2 43,4 31,9* -0,6* 2,4 188,7 0,5
* Условия, при которых геомеханическое состояние окрестности очистного забоя является потенциально опасным с точки зрения возникновения внезапного выброса либо горного удара
Для исключения возможности возникновения удароопасных ситуаций необходимо уточнить коэффициент крепости пласта или уменьшить величину захвата до 0,63 м, сохраняя достигнутую нагрузку.
Что же касается выбросоопасности, то не следует ожидать ее повышения при достигнутых нагрузках на забой как по лаве №2453, так и по лаве №2503.
Из таблицы 1 следует, что для условий лавы №369 и, в частности, крепости пласта, равной 0,5, не должны возникать удароопасные и выбросоопасные ситуации даже при среднесуточной скорости подвигания очистного забоя более 10 м/сут. Что же касается лавы №349, то высокая крепость пласта (0,9) обусловливает возможность возникновения удароопасных ситуаций при скоростях подвигания забой более 5 м/сут. Указанная скорость является предельной для данных условий, т.е. отработка запасов без специальных мероприятий по предотвращению горных ударов и выбросов угля и газа является недопустимой.
Расчеты параметров геомеханического состояния лав №5207 шахты «Котинская» показывают, что с такими параметрами достигнуто практически максимально возможное безопасное суточное подвигание забоя. Дальнейшее повышение среднесуточной скорости подвигания (возрастание нагрузки) приведет к возможности возникновения хрупкого разрушения угля в призабойной зоне. Следует также учесть, что данный пласт характеризуется высокой крепостью пачек угольного пласта (до 1,0), что при выемке угля в местах повышенной крепости угольного пласта может привести к возникновению горного удара даже при скорости подвигания забой 14 м/сут и менее. Поэтому с целью исключения возможности возникновения удароопасных ситуаций при крепости угольного пласта /=0,7 скорость подвигания очистного забоя №5207 не должна превышать 14 м/сут.
Полученные зоны разрушения пород кровли позволяют более качественно учитывать ме-тановыделение в лавы из разрушенных пород кровли.
Результаты расчетов показывают хорошую сходимость результатов с фактическими данными (первичный и вторичный шаги обрушения пород кровли, показатели удароопасности и выбросоопасности), полученными при отработке всех очистных участков (таблица 1).
Таким образом, разработанный аналитико-экспериментальный метод дает возможность на стадии проектирования очистного участка спрогнозировать или предотвратить возникновение опасных геомеханических ситуаций.
ANALYTIC-EXPERIMENTAL METHOD OF COAL MINES EXTRACTION FACES GEOMECHANICAL CONDITION DETERMINATION AT THE STAGE OF PROJECT MAKING
V.I. Murashev, D.V. Botvenko, S.I. Goloskokov, A.G. Ovcharenko
Analytic-experimental method which allows to forecast geo-mechanical condition of coal mines extraction faces at the stage of project making is developed.
Key words: ANALYTIC-
EXPERIMENTAL METHOD, GEOMECHANICAL CONDITION, SHOCK- AND OUTBURST DANGER, EXTRACTION FACE, CALCULATION PROGRAMME
Мурашев Вячеслав Иванович тел. (3842) 64-26-51 Ботвенко Денис Вячеславович тел. (3842) 64-29-35 Голоскоков Сергей Иванович тел. (3842) 64-29-35 Овчаренко Александр Григорьевич тел. (3854) 25-29-03
