Эпюры опорного горного давления очистного забоя Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.831

ЭПЮРЫ ОПОРНОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

Геннадий Иванович Кулаков

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru

Рассмотрены особенности опорного горного давления в окрестности очистного забоя в условиях угольного пласта горизонтального залегания. Отмечена связь горного давления с геологическими и физико-механическими параметрами массива. Выполнены исследования напряжений в стенках горных выработок в условиях Алтае-Саянской сейсмической зоны, в частности, с использованием фотоупругих скважинных датчиков типа ФДО-2.

Ключевые слова: угольная шахта, очистной забой, горное давление, эпюры горного давления, фотоупругие датчики, шахтный полярископ.

LINES OF ABUTMENT PRESSURE FROM WORKFACE

Gennady I. Kulakov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, Rock Mechanics Laboratory, tel. (383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru

The paper focuses on features of abutment pressure from workface in horizontal coal bed. It is shown that the abutment pressure is connected with geological and physico-mechanical characteristics of rocks. The author analyzes stresses in sidewalls of mine excavations in the Altai-Sayan folded zone, in particular, using photoelastic downhole sensors FDO-2.

Key words: coal mine, workface, abutment pressure, abutment pressure lines, photoelastic sensors, mine polariscope.

Эпюра опорного горного давления является информативным параметром, характеризующим напряженное состояние массива впереди очистного забоя [1,2]. На рис. применительно к пологому угольному пласту или пологой рудной залежи приведен в двух вариантах общий вид эпюры опорного горного давления: а - общая схема очистного забоя при отработке угольного пласта механизированным очистным комплексом и общий вид эпюры опорного горного давления; б - все обозначения забоя, комплекса и эпюры горного давления. Использованы следующие обозначения: 1 - пласт угольный, пологого или горизонтального залегания, 2 - очистной забой, 3 - призабойная зона, 4 - механизированный комплекс, 5 - лавный конвейер, 6 - отработанное пространство, 7 -измерительная скважина для регистрации параметров с использованием аппаратуры, основанной на регистрации электромагнитного фона в очистном забое и измерительной скважине.

Аппаратура, используемая для контроля эпюры горного давления, размещается в измерительной скважине либо вблизи её устья, и включает следующие элементы: 8 - антенна скважинная, 9 - штанга, на переднем конце которой установлена антенна, на противоположном конце штанги - регистрирующий прибор 10 типа РЭМИ-2 или ИЭМИ-1. Также обозначены: 11 -дневная поверхность, 12 - собственная эпюра горного давления, 13 - кровля угольного пласта 1, 14 - почва угольного пласта, 15 - положение антенны у дна скважины.

Штанга 9 выполнена диэлектрической. Вдоль штанги проложен коаксиальный кабель, соединяющий антенну и регистрирующий прибор. На штанге нанесена по всей её длине метрическая линейка, состоящая из делений в 20 см, которые содержат сантиметровые и мм деления.

Рис. Эпюры опорного горного давления очистного забоя при отработке механизированным комплексом горизонтально залегающего пласта: по горизонтальной оси - расстояние вдоль скважин, по вертикальной - напряжения

(пояснения в тексте)

На рисунках использованы следующие обозначения: к0 - точка на забое -нижняя точка устья скважины, к1 - точка максимума эпюры опорного давления, ка - точка в скважине на её нижней стенке, соответствующая положению максимума опорного давления, кв - точка пересечения правой ветви эпюры с горизонтальной линией, совмещенной со срединой нижней стенки измерительной скважины и соответствующей напряжению в породе от веса столба породы высотой от линии нижней стенки скважины до дневной поверхности 11, кв - точка симметричная точке кв, но расположенная на нижней стороне скважины, £п -вектор максимального опорного давления в пределах рассматриваемой эпюры опорного горного давления, уН - величина вертикальной компоненты напряжений от веса пород в точке, соответствующей нижней стенки скважины, у -плотность пород по вертикальному разрезу, перпендикулярному оси скважины, на расстоянии от поверхности до дна скважины по вертикали, 1а - расстояние от плоскости забоя до вектора £п , 16 - расстояние от плоскости забоя до точки кв, 18 - расстояние от дна скважины до антенны при снятии отсчета по прибору, 1пка -полная длина скважины.

Обычно выделяют три основных параметров эпюры горного давления: -максимум эпюры - напряжение £П, - расстояние до точки максимума плоскости забоя - параметр 1а, - расстояние вдоль скважины от забоя до точки кв - параметр 1в .

На практике по величине оценивают напряжения в массиве впереди забоя, по величине 1а оценивают размер пластической зоны, по параметру 1в оценивают размер зоны, в пределах которой могут происходить все геодинамические процессы (разрушение угля, породы, горные удары, внезапные выбросы). Эти параметры обычно приводятся в проектах на ведение горных работ.

В настоящее время параметры эпюры опорного горного давления определяют экспериментальным путем при измерениях в горных выработках. Одним из распространенных способов состоит в использовании скважинных кольцевых фотоупругих датчиков [3]. Эксперименты выполняются в следующей последовательности. В подготовительной выработке, расположенной впереди очистного забоя в направлении на встречу забою бурится одна или несколько скважин (или шпуров), в которых устанавливают датчики. Затем по мере по-двигания очистного забоя регистрируют показания датчиков. Кольцевой фотоупругий датчик позволяет определить ориентацию квазиглавных напряжений в месте установки датчиков и величину прироста этих напряжений.

Однако в условиях действующего забоя этот способ относительно трудоемкий. Наблюдения надо вести от нескольких дней до недели и более, пока очистной забой не дойдет до места установки датчиков.

Из других геомеханических методов возможно использовать методы полной разгрузки с установкой прибора в центральной скважине. В лаборатории механики горных пород разрабатывается метод оценки параметров эпюры гор-

ного давления на основе регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ) в скважинах, пробуренных из очистного забоя [4].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра. - 1980.

2. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров. - М.: Изд-во «Горная шахта». - 2006.

3. Кулаков Г.И., Счастливцев Е.Л. Скважинные кольцевые фотоупругие датчики. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН. - 1998.

4. Яковицкая Г.Е. Методы и технические средства диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии. - Новосибирск: «Параллель». - 2008.

© Г. И. Кулаков, 2015