Научная статья на тему 'Формирование зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения подработанных пород кровли при отработке свиты угольных пластов'

Формирование зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения подработанных пород кровли при отработке свиты угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Горное давление и управление им»

CC BY
525
48
Поделиться

Аннотация научной статьи по горному делу, автор научной работы — Павлова Л. Д., Фрянов В. Н.

Используя пространственную расчетную модель деформирования и разрушения горных пород, разработанную на основе метода конечных элементов, проведено исследование формирования зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения подработанных пород кровли при отработке свиты угольных пластов

Похожие темы научных работ по горному делу , автор научной работы — Павлова Л.Д., Фрянов В.Н.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Формирование зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения подработанных пород кровли при отработке свиты угольных пластов»

и др., происходили интенсивные процессы замещения. По андезитовой лаве формировались, по существу, новые породы, обогащенные хлоритом, кварцем, гидрослюдами, сидеритом, так что первоначальный состав пород определяется с трудом: по реликтовой текстуре и остаточным минералам. Известняки доломитизировались, перекристаллизо-вывались, в них образовывались пустоты выщелачивания, приуроченные, главным образом, к различным минерализованным трещинам, а в брекчи-рованных разностях - к цементирующей обломки глинисто-кальцитовой матрице, унаследовано развиваясь по пустотам неполной цементации и растворения при доломитизации. Графито-кремни-стые сланцы подверглись растрескиванию, послойному окремнению и гидрослюдизации.

В это же время, вероятно, закладывались многочисленные тектонические трещины, которые соединяли пустоты выщелачивания и способствовали дальнейшему увеличению пустотного пространства и с этой же стадией связана миграция углеводородов, следы которых отмечены в пустотах и прожилках более поздних генераций.

Оказавшись под слоями мезо-кайнозойских тер-ригенных отложений, палеозойские образования, испытывая погружение, вновь попадали в зону прогрессивного катагенеза, но уже наложенного. Часть незаполненных углеводородами пустот заполнилась кальцитом и кремнистым материалом. В то же время образовывались новые трещины и полости выщелачивания, которые при изменении гидрохимических условий заполнялись углеводородами.

Таким образом, исследования, проведенные в скважине 26 Чкаловского нефтяного месторождения, показали сложное строение нефтегазоносного горизонта зоны контакта палеозойских и мезозойских пород.

Комплекс отложений представлен тремя типами пород: известняками, графито-кремнистыми сланцами и метаандезитами. В зависимости от состава пород в них наблюдается специфическая минерализация: например, развитие хлорита в пустотах и прожилках в метаандезите.

Вместе с тем отмечается присутствие «сквозных» минералов, присутствие которых не связано с составом пород, а обусловлено процессами, протекающими во всем комплексе зоны контакта. Они представлены карбонатами и кварцем, развитыми в пустотах и трещинах.

Вся толща интенсивно изменена, разбита сетью разноориентированных трещин, заполненных кальцитом, доломитом, кварцем и серицитом. Этими же минералами заполнены первичные поры пород. Вверх по разрезу степень изменения пород повышается: возрастает роль кальцита, доломита и кварца, причем, наряду с кальцитизацией, доломитизацией и окварцеванием, широкое развитие получил процесс сидеритизации.

По субвертикальным трещинам, реже трещинам, ориентированным в субгоризонтальном направлении, мигрировала нефть, следы которой повсеместно отмечаются в пустотах прожилков и в участках пород, примыкающих к ним.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Астахова Р.Г. Метаморфизм и перераспределение органического вещества осадочных пород под влиянием траппов // Литология и геохимия нефтегазоносных толщ Сибирской платформы. - М.: Наука, 1981. - С. 122-124.

2. Ежова А.В. Условия формирования доюрских образований Чкаловского газоконденсатного месторождения // Три века горно-геологической службы России: Матер. регион. конф. геологов Сибири, Дальнего Востока и Северо-Востока России. - Томск, 2000. - Т. 1. - С. 195-197.

УДК 622.831.232

ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН РАЗГРУЗКИ, ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ ПОРОД КРОВЛИ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет». г. Новокузнецк E-mail: rector@sibsiu.ru

Используя пространственную расчетную модель деформирования и разрушения горных пород, разработанную на основе метода конечных элементов, проведено исследование формирования зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения подработанных пород кровли при отработке свиты угольных пластов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Существующие методы прогноза напряженно-деформированного состояния (НДС) при отработке свиты угольных пластов могут быть применены, как правило, для анализа в вертикальных плоскостях при

решении двумерной задачи [1-4 и др.]. В этих методиках не учитываются такие явления, как снижение интенсивности сдвижений подработанных и надра-ботанных пород под и над угловыми участками выра-

ботанного пространства, а также интенсификация процессов сдвижения в зоне влияния выступов при сложной форме границ выработанного пространства. Использование пространственной расчетной модели геомеханических параметров углепородного массива в зоне влияния горной выработки позволяет прогнозировать аномальный характер сдвижения и распределения параметров НДС на таких участках, а также оценить влияние опережающей подработки или над-работки свиты угольных пластов.

Y, м

h-

¡¡¡Я 2ВИ ж

Р28 ю 13

/

h- х, м

0 200 400 600 800

Рис. 1. Схема отработки выемочного поля

1000

Для расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород при отработке свиты пластов использовалась пространственная расчетная модель деформирования и разрушения горных пород, разработанная авторами на основе метода конечных элементов [5].

Согласно программе исследования [6] был проведен расчет параметров НДС углепородного массива для свиты угольных пластов 26а и 26б шахты «Абашевская» в Кузбассе. Моделировалась отработка пласта 26б для выемочного участка, форма и размер которого приведены на рис. 1. Расстояние очистного забоя от монтажной камеры - 200 м.

Учитывая, что влияние угловых участков выработанного пространства проявляется менее интенсивно по сравнению с плоским сечением, наибольшее внимание при исследовании было уделено изучению влияния уступа отрабатываемого пласта (рис. 1) на распределение параметров НДС в надра-батываемых и подрабатываемых пластах. Для достижения необходимой степени детализации объекта, используя метод вложенных областей [7], выполнялся вырез над уступом (под уступом), ограниченный координатами 250<х<450, 250<у<450.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

По результатам исследования влияния уступа в выработанном пространстве на форму и размеры зоны разгрузки установлено, что отношение высоты зоны полной разгрузки в породах кровли и почвы отрабатываемого пласта по горизонтальным напряжениям составляет (рис. 2): до уступа (сечение х=200, рис. 1) 0,5; под уступом (сечение х=300, рис. 1) 1,67; впереди уступа (сечение х=400, рис. 1) 1,5.

Высота зоны полной разгрузки над уступом в надработанном пласте снижается по сравнению с высотой зоны впереди забоя. Наличие зоны полной разгрузки по вертикальным напряжениям выявлено только в породах кровли, а ее высота составляет 20...25 м (рис. 2). Высота зоны частичной разгрузки в породах почвы прослеживается на глубину до 130 м, т.е. отношение этой глубины к размерам выработанного пространства составляет 0,8.

В результате исследования влияния уступа в выработанном пространстве на параметры зоны повышенного горного давления при увеличении угла падения породных слоев от 0 до 30° в отрабатываемом пласте установлены следующие закономерности (рис. 3):

- вертикальные напряжения снижаются над уступом в 1,12 раза;

Рис. 2. Границыi зоныi полной разгрузки горизонтальных напряжений: а) над уступом (сечение х = 300); б) впереди уступа (сечение х = 400)

Рис. 3. Изолинии распределения напряжений в окрестности уступа (сечение у=350): а) горизонтальных; б) вертикальных

270 260 250 240

220 210

7, м \ /

\ \ \ / / со Чр / £ -22-

\ г

1 ) см /

ы

1 1 \\ ш 1 $ \

у NN > ю

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

/ \ X,

280 290 300 310 320 330 340

] выработанное пространство

- длина зоны опорного давления впереди забоя снижается в 1,4 раза;

- коэффициент концентрации вертикальных напряжений уменьшается с 6,5 до 5,5;

- коэффициент бокового давления снижается с 0,43 до 0,27.

При увеличении угла падения породных слоев от 0 до 30° в надрабатываемом пласте установлено, что коэффициент концентрации вертикальных напряжений уменьшается с 1,8 до 1,5 и коэффициент бокового давления снижается с 0,38 до 0,27 (рис. 3).

При надработке горизонтально залегающего пласта вертикальные напряжения в надрабатывае-мом пласте под уступом верхнего пласта изменяются монотонно. При наклонном залегании пласта (30° по оси ОУ) наблюдается несколько экстре-

мальных точек (точки А, В, С на рис. 4), в которых отмечаются повышенные величины горизонтальных и вертикальных напряжений. Учитывая неравномерность распределения этих концентраторов напряжений в угольном массиве, следует ожидать в указанных зонах надрабатываемого пласта повышенную вероятность динамического проявления горного давления в форме горных ударов и внезапных выбросов.

По результатам исследования влияния уступа в выработанном пространстве верхнего отрабатываемого пласта на характер разрушения пород в кровле и почве установлено, что высота зоны обрушения пород кровли над отработанным выше выемочным столбом достигает 75 м, т.е. отношение высоты этой зоны к ширине выработанного пространства составляет 0,5 (рис. 4). Зона разрушения

440

420 400 380 360 340 320 300 280 260

260 300 340 380 420

б

440 420

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

400 380 36ЭД 340 320 300 280

260

260 300 340 380 420

-------проекция уступа верхнего угольного пласта в надрабатываемом пласте

Рис. 4. Изолинии распределения напряжений в надрабатываемом пласте в окрестности уступа при наклонном залегании пласта: а) горизонтальных; б) вертикальных

Рис. 5. Границы зоны разрушения угля и пород: а) над уступом (сечение х = 300); б) впереди уступа (сечение х = 400)

450 425400

375-

350

325

30<

275

250

225

200

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

375 425 475 525 575

450 425 400 375 350 325 300 275 250 225 200

375 425 475 525 575

I выработанное пространство пласта 26 С

И угольный пласт 26а

при угле падения более 0° асимметрична и смещена в сторону восстания пласта. На участке влияния уступа ширина зоны разрушения увеличивается в сторону падения пласта. Породы почвы в выработанном пространстве под влиянием разгрузки разрушаются на глубину 5 м.

Зоны разрушения надрабатываемого пласта расположены под границами выработанного пространства верхнего пласта (рис. 5).

Явление образования трещин в углепородной толще между надработанным пластом и выработанным пространством верхнего пласта подтверждается на практике при отработке пласта 16 в

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Слесарев В.Д. Разработка свиты пластов. - М.: Углетехиздат, 1948. - 184 с.

2. Борисов А.А. Взаимодействие выработок при разработке свит пластов. - Л.: ЛГИ, 1980. - 97 с.

3. Управление горным давлением при разработке пологих пластов с труднообрушаемой кровлей на шахтах Кузбасса / С.И. Калинин, А.Ф. Лютенко, В.П. Егоров, С.Г. Дъяконов. -Кемерово: Кемеровское книжное изд-во, 1991. - 247 с.

4. Методы и средства решения задач горной геомеханики / Г.Н. Кузнецов, К.А. Ардашев, Н.А. Филатов и др. - М.: Недра, 1987. - 248 с.

5. Павлова Л.Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности

условиях шахты «Абашевская», где происходили прорывы метана из надрабатываемого пласта по трещинам, расположенным по периметру выработанного пространства верхнего пласта [8].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таким образом, в результате проведенных исследований в надрабатываемом пласте под уступом верхнего пласта выявлена неравномерность распределения вертикальных и горизонтальных напряжений по линии падения пласта, а также определены зоны разрушения отрабатываемого и надрабатываемого пласта, что позволяет прогнозировать геомеханическую ситуацию при отработке свиты угольных пластов.

подготовительной выработки // Известия вузов. Горный журнал. - 2003. - № 1. - С. 59-63.

6. Павлова Л.Д. Программа исследований влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на распределение параметров напряженно-деформированного состояния слоистого углепородного массива // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. научных статей. - Новокузнецк, 2004. - С. 39-44.

7. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.

8. Лаврик В.Г. Взаимодействие геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке пологих газоносных пластов / В.Г Лаврик, С.Р. Ногих, М.И. Радиковский. - Новокузнецк: АОУК "Кузнецкуголь", препринт № 57, 1988. - 13 с.