CC BY
55
УДК 622.833622.267.3
ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУЧЕНИЯ ПОЧВЫ ШТРЕКОВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИРАЗГРУЗОЧНЫХ ЩЕЛЕЙ НАШАХТЕ «ТАЛДИНСКАЯ-ЗАПАДНАЯ 2»
О.И. Казанин, А. А. Сидоренко, А. А. Ильинец, В.Ф. Васильев
Рассмотрена проблема пучения почвы выемочных штреков угольных шахт на примере шахты «Талдинская-Западная-2». Проанализированы основныеметоды борьбы с повышенным пучением почвы. В условиях шахты для снижения пучения предло-женоприменение разгрузочных щелей в боках выработки, формируемых щеленарезны-ми машинами. На основе проведенного моделирования методом конечных элементов проведена оценка величины пучения почвы, показана возможность обеспечения безремонтного поддержания выработок при применении разгрузочных щелей в боках штреков.
Ключевые слова: угольная шахта, лава, штрек, пучение почвы, разгрузочная щель, численное моделирование.
С увеличением глубины ведения горных работ пучение почвы становится одной из основных причин нарушения эксплуатационного состояния выработок угольных шахт[1].Пучениепроявляется, как правило, либо в результате набухания горных пород при увеличении их влажности, либо выдавливания пород почвы и смятия в складки из-под краевых частей пласта или целиков, являющихся концентраторами напряжений.
В условиях шахты «Талдинская-Западная-2» при отработке мощного пологого пласта 70 на выемочном участке 7009 (рис. 1) наблюдалось повышенное пучение пород почвы вентиляционного штрека, охраняемого целиком угля шириной 40 м. Интенсивность пучения пород почвы повышалась в зоне опорного давления лавы 7009.
Рис. 1. Выкопировка из плана горных работ по пласту 70 (выемочный
штрек 7009)
На сопряжении лавы с вентиляционным штреком пучение в отдельных случаях достигало максимальной величины 3,0-3,5 м (рис. 2). В ре-
зультате пучения пласта на значительном по протяженности участке выемочного столба, а также вследствие вывалов пород кровли, работа лавы 7009 характеризовалась низкими нагрузками, которые были в 5-10 раз ниже плановых (рис. 3), что привело к увеличению сроков отработки выемочного столба более чем в 2 раза и нанесло значительный экономический ущерб.
А)
Нситнляцноешмн штрек 70-09
Em.il> Д1И пыл ПК1»
ВКШ ПШ1 ВШ1 Ш11 ВЕШ вин
,„к ........
Б)
'■ • Я
Лава 70-09 ••• <» , ■ •. ч" Щ) /СГх^ целик
Рис. 2. Пучение в вентиляционном штреке 7009: А - по длине выработки; Б - на сопряжении с лавой 7009
В рассматриваемых горно-геологических условиях пучение почвы выработок происходит в виде выдавливания или складкообразования с последующим хрупким разрушением или без него пород ложной и непосредственной почвы пласта 70, имеющих низкую механическую прочность. Пучение почвы выработок происходит в результате деформации размокших под влиянием воды пород, выдавливаемых под воздействием опорного давления, а также за счет набухания пород в результате инфильтрации в него технической и природной воды.
Значительный опыт борьбы с пучением накоплен на глубоких шахтах Донецкого и Печорского бассейнов [2]. Выделяется две группы методов борьбы с пучением почвы [3, 4].
450 400
*
Рис. 3. Динамика нагрузки на очистной забой 7009
К первой группе относятся способы разгрузки массива, окружающего выработку:
• с использованием защитного действия пластов (надработки или подработки защитными пластами);
• применение камуфлетного взрывания почвы;
• применение спаренных узких бутовых полос непосредственно по бокам выемочных выработок;
• способ разгрузки почвы пластовых выработок скважинами, буримыми в борта выработки;
• бурение разгрузочных скважин в почве выработки;
• бурение разгрузочной щели в почве выработки.
Ко второй группе относятся способы активной разгрузки и последующего упрочнения пород почвы:
• анкерование пород почвы;
• применение податливых и жестких кольцевых крепей или крепей с обратным сводом;
• применение в зоне опорного давления впереди и за очистным забоем временных усиливающих крепей из спец. профиля с составными лежнями.
Применяемые в настоящее время технологические схемы проведения и поддержания выемочных выработок с использованием анкерной крепи, включая возведение крепи усиления в зоне влияния очистного забоя или в зонах ПГД (повышенного горного давления), в ряде случаев не обеспечивают безремонтного поддержания выработок, что приводит к дополнительным затратам и убыткам от простоев оборудования очистных забоев.
Интерес представляет предлагаемый в работе Кузьмина С.В. [5] способ охраны подготовительных выработок компенсационными полостями при отработке мощных угольных пластов. Идея работы заключается в обеспечении допустимой потери площади сечения подготовительной выработкой, охраняемой с помощью компенсационных полостей. Даны рекомендации по размерам и расположению компенсационных полостей относительно выработанного пространства. Однако применение данного способа в реальных горно-геологических условиях требует значительных экономических и временных ресурсов. Кроме того, при решении задачи автор опирался на исследования на плоских моделях, которые не учитывают влияния опорного давления действующей лавы.
Согласно заключению по шахте «Талдинская-Западная-2» проведенному Кемеровским Представительством «ВНИМИ»[6] предлагается превентивный способ борьбы с последствиями пучения почвы в рабочее пространство выработки с помощью компенсации потери проектной высо-
ты способом увеличения высоты в проходке на 1,0 - 1,8 м. Такой подход к решению проблемы не влияет на процесс пучения почвы, а лишь позволяет проводить работы без критической потери высоты выработки.
Исходя из мирового опыта и анализа опыта работы угольных шахт Воркуты и Донбасса [7, 8], предлагается рассмотреть вариант применения щелевой разгрузки в боках выработки для уменьшения величины пучения почвы.
При формировании разгрузочной щели обеспечивается смещение максимума напряжений от контура выработки вглубь массива (целика) в результате чего зона возможного смятия пород также смещается вглубь массива (целика). Эффективность такого способа борьбы с пучением определяется параметрами прорезаемой щели. В качестве щеленарезной машины возможно использование серийно выпускаемой машины «Урал 50» имеющей следующие характеристики: техническая производительность при сопротивляемости пород резанию Ар=450 Н/мм - не менее 1,5 м/мин; глубина щели - не менее 1,2 м; ширина прорезаемой щели - до 0,14 м.
Для оценки возможности и эффективности применения способа создания разгружающих щелей для снижения пучения почвы в условиях шахты «Талдинская-Западная-2» были выполнены экспериментально-аналитические исследования, включающие как изучение деформационно-прочностных характеристик и натурные наблюдения за состоянием участковых выработок и краевых частей массива на шахте, так и численные исследования с использованием метода конечных элементов. При моделировании учитывалось слоистое строение массива, различие деформационно-прочностных характеристик горных пород, наличие смежного выработанного пространства ранее отработанного столба, а также влияние действующей лавы. Компьютерному моделированию пучению пород почвы в выработках посвящены работы С.Н. Гапеева [9] и В.В. Коваленко [10]. Для учета влияния действующей лавы использовалась3Б модель.
Фрагменты результатов численных исследований представлены на
рис. 4.
Рис. 4. Поля полных деформаций в окрестности вентиляционного штрека 7009: А - без мероприятий; Б - нарезка щели только со стороны целика; В - нарезка щелей с двух сторон выработки
Опорное давление лавы оказывает значительное влияние на напряженное состояние массива на всем протяжении зоны опорного давления (до 80 м). Однако, более подробное рассмотрение уровня пучения почвы показывает, что повышенная интенсивность пучения в зоне влияния лавы имеет место на ограниченном участке, непосредственно примыкающим к лаве, что объясняется ограниченной протяженностью зоны опорного давления (10 - 15 м), формируемой впереди очистного забоя, имеющей уровень напряжений существенно (в 1,5 - 2 раза) превышающий уровень геостатического давления.
В результате выполненных исследований получены поля полных деформаций в окрестностях вентиляционного штрека 7009 (рисунок 4, А).
На рисунке 4, Б и В, представлены результаты моделирования способов разгрузки массива в окрестности выработки с использованием соответственно одной компенсационной щели, нарезанной в сторону межлав-ного целика, и двух компенсационных щелей, нарезанных в обе стороны от вентиляционного штрека 7009. Анализируя полученные данные можно наблюдать существенное уменьшение пучения почвы, в случае проведения разгрузочных щелей в обе стороны от участковой выработки.
Выполненные экспериментально-аналитические исследования позволили сделать следующие выводы:
• Действующая лава оказывает определяющее влияние на уровень пучения почвы в выработке, охраняемой неразрушаемым угольным целиком, что обуславливает необходимость применения при проведении экспериментально-аналитических исследований трехмерных моделей для учета ее влияния.
• Наибольшая величина пучения почвы имеет место на ограниченном участке выработки (10 - 15 м), непосредственно примыкающем к лаве, что обусловлено повышенным уровнем напряжений на этом участке зоны опорного давления, формируемой впереди очистного забоя.
• Существенное снижение пучения почвы в участковой выработке, охраняемой целиком и погашаемой вслед за лавой, обеспечивается проведением компенсационных (разгрузочных) щелей в обе стороны от выработки на глубину 1,2 м, что может быть осуществлено с использованием щеленарезной машины «Урал-50». Применение компенсационных щелей, нарезанных только в направлении межлавного целика, не обеспечивает существенного снижения пучения почвы в выработке.
• Использование компенсационных (разгрузочных) щелей приводит к изменению напряженно-деформированного состояния массива в окрестности выработки и требует изменения ее паспорта крепления для обеспечения устойчивости бортов и кровли выработки.
• Формирование разгрузочных щелей в обе стороны вентиляционного штрека 7009требует дополнительных затрат, однако способствует существенному снижению пучения почвы выработок, что позволит обеспечить их безремонтное поддержание.
Список литературы
1. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В.Прогноз пучения пород почвы горных выработок-вероятностный аспект // Сб. науч. тр. ДонГТУ. Ал-чевск: Изд-во ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ»,2010. С. 4 -13.
2. О способах предотвращения выдавливания пород почвы выемочных выработок глубоких шахт / Г.И. Соловьев [и др.] // Сб. науч. тр. ре-гионал. науч. -техн. конф.«Геотехнологии и охрана труда в горной промышленности»: 16 сентября 2009 / под ред. Л. Л. Бачурина. Донецк: Изд-во ООО «Цифровая типография», 2009. С. 85 - 92.
3. Якоби О. Практика управления горным давлением. М.: Недра, 1987. 566 с.
4. Черняк И. Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра, 1993. 256 с.
5. Кузьмин С.В.Разработка способа охраны подготовительных выработок с помощью компенсационных полостей при отработке мощных пологих угольных пластов: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2016. 154 с.
6. Лазаревич Т.И. Заключение по определению размеров охранных целиков у капитальных, подготавливающих и подготовительных выработок, пройденных по пласту 70, склонному к горным ударам, и размеров угольных пачек, оставляемых в кровле и почве пласта, в условиях выемочных столбов лав 70-08, 70-09 и 70-10 шахты "Талдинская-Западная-2" Ш/У
"Талдинское-Западное". Кемерово: ОАО «Исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела межотраслевой научный центр ВНИМИ», 2012. С.31-34.
7. Дрибан В.А., Хохлов Б.В., Рожко М.Д.Об оценке эффективности щелевой разгрузки в подготовительных выработках // Сб. науч. тр. «Научные труды УкрНДМИ НАН Украины», Донецк. 2015. № 15. С. 88 - 94.
8. Цай Б.Н., Бахтыбаев И.Б.Влияние разгрузочных щелей на образование условной зоны неупругих деформаций пород вокруг выработки // Сб. науч. тр.«Труды университета».Калининград: Изд-во «КГТУ», 2007. С. 21 -24.
9. Гапеев С.Н., Лозовски С.П., Рязанцев А.П. Компьютерное моделирование процесса пучения пород почвы в подготовительных выработках // Межд.науч. симпозиум«Неделя горняка -2003».Сем. № 10. М.: МГГУ, 2003.
10. Коваленко В.В. Рязанце А.П. Обоснование параметров способа борьбы с пучением пород почвы в условиях угольных шахт: монография. Д.: НГУ, 2013. 119 с.
Казанин Олег Иванович, д-р техн. наук, проф., декан, зав. кафедрой, kaza-nin@ spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Сидоренко Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., Sidorenko_AA@pers.spmi.ru,Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Ильинец Андрей Александрович, асп., s175015@stud.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Васильев Василий Федорович, горный инженер, koby2010@mail.ru,Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
NUMERICAL STUDIES OFTHE ENTRIES FLOOR HEAVEWHILE
USING RELIEVE SLOTSIN THE MINE "TALDINSKAYA-ZAPADNAYA 2"
O.I. Kazanin, A.A. Sidorenko, A.A. Ilinets, V.F. Vasiliev
The problem of floor heavein the head and tail entries of coal mines is considered on the example of the mine"Taldinskaya-Zapadnaya 2".The main methods of floor heave prevention are analyzed. Using relieve slots in the sides of entries by slot-cutting machine reduce the floor heavein mines. Based on modeling by finite element method the floor heave is measured, the possibility of cost-free maintenance of entries while using relieve slots in the sides of entries is shown.
Key words: coal mine, longwall face, entry, floor heave, relieve slot, numerical modeling.
Kazanin Oleg Ivanovich, Doctor of Technical Science, Professor, Dean of mining faculty, Head of the blasting engineering department, kazanin@,spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Sidorenko Andrey Aleksandrovich, Candidate of Technical Science, Docent, Sido-renko_AA@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Ilinets Andrey Aleksandrovich, Post-Graduate Student, s175015@,stud.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
VasilievVasiliyFedorovich, Mining Engineer, koby2010@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University.
Reference
1. Litvinsky G.G., Fesenko E.V.Prognoz pouring of soil rocks of mining excavations-the probabilistic aspect // Cb. scientific Tr. DonSTU. Alchevsk: Publishing house of the State Technical University of the Russian Academy of Sciences "DonGTU", 2010. S. 4 -13
2. On the methods of preventing the extrusion of soil rocks from excavations of deep mines / G.I. Solovyov [and others] // Sb. scientific tr regional.nauchno-tehn. Conference "Geotechnologies and labor protection in the mining industry": September 16, 2009 / ed. Ll Bachurin Donetsk: Publishing house "Digital Printing House", 2009. C 85 - 92.
3. Jacobi O. Mountain pressure management practice. M .: Nedra, 1987. 566 p.
4. Chernyak I.L. Increasing the stability of preparatory treatments. M .: Nedra, 1993.
256 p.
5. Kuzmin SV Development of a method of protection of preparatory work with the help of compensating cavities for the treatment of powerful flat carbons: diss. ... Candidate tech sciences St. Petersburg, 2016. 154 p.
6. Lazarevich T.I. Conclusion on the determination of the size of security guards in capital, preparatory and preparatory workings, traversed on the formation 70 prone to mountain impacts, and the dimensions of coal packs left in the roof and the soil of the formation, under the conditions of the excavation pillars 70-8, 70-09 and 70 -10 mines Taldinskaya-Zapadnaya-2 Sh / Y "Taldinskoe-Zapadnoye". Kemerovo: Open Society "Research institute of mountain geomechanics and mine surveying business-intersectoral scientific center of VNIII", 2012. p. 31-34.
7. Driban VA, Khokhlov BV, Rozhko MD, On estimation of efficiency of slot discharge in preparatory workings // Sb. scientific tr "Scientific works of UkrNDMI of NAS of Ukraine", Donetsk. 2015. No. 15. S. 88 - 94.
8. Tsai BN, Bakhtybaev IB The effect of discharge gaps on the formation of the conditional zone of inelastic strains of rocks around the development // Sb. scientific Tr. University. Kaliningrad: Publishing house "KSTU", 2007. S. 21 -24.
9. Hapeev SN, Lozovsky SP, Ryazantsev AP Computer modeling of the process of propagation of soil rocks in preparatory workings // Int. Symposium "Week of the Miner -2003". Sem. No. 10. M .: MGGU, 2003.
10. Kovalenko V.V. Ryazants AP Justification of the parameters of the method of combating the formation of soil rocks in the conditions of coal mines: a monograph. D .: NMU, 2013. 119 p.
