CC BY
8ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№1 (78) / 2022.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.831.27
ё<эк10.24412/0136-4545-2022-1-69-74 EDN:WKWHBO
©2022. Н.И. Лобков, В.С. Маевский, А.А. Лобков
ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ РАЗГРУЗКИ ПЛАСТА ВПЕРЕДИ ЛАВЫ
Приведены результаты исследований формирования зоны разгрузки угольного пласта впереди лавы в процессе изгиба пород основной кровли над выработанным пространством. Ключевые слова: лава, выработанное пространство, опорное давление, слои кровли, непосредственная кровля, основная кровля, 'разгрузка угольного пласта.
Введение и цели исследования. Наличие в основной кровле пласта достаточно мощного и устойчивого породного слоя, способствует её зависанию над выработанным пространством и формированию максимального опорного давления величиной более 37Н. В качестве основной кровли может рассматриваться несущий слой, ближайшей к пласту, группы слоев [1].
Породный массив, сложенный слоями осадочных пород и вмещающий угольные пласты, до начала ведения горных работ, находится в напряжённом состоянии под действием силы тяжести (7Н). При ведении очистных работ образуется выработанное пространство, над которым изгибаются породные слои кровли и формируют дополнительное вертикальное (опорное) давление на угольный пласт. Под действием опорного давления, впереди лавы, происходит перераспределение вертикальных напряжений на верхней кромке пласта.
В контексте описанных явлений целью работы является изучение условий формирования зоны разгрузки пласта впереди лавы.
1. Диагностика сдвижения горных пород кровли. Результаты диагностики сдвижения горных пород кровли над выработанным пространством показывают следующее.
В таблице 1 приведены показания датчиков трения впереди очистного забоя при отработке пласта (1) в модели. По результатам показаний датчиков давления при отработке породного массива первой группы строения пород построены графики изменения давления на пласт впереди лавы (опорного давления).
Таблица 1.
Показания датчиков трения между породными слоями
№№ датчика Базовое усилие, кг Показание датчиков давления
При отходе лавы на 120 м до обрушения кровли При отходе лавы на 200 м до обрушения кровли
Показание датчика Разность % Показание датчика Разность %
1 3,4 3,5 0,1 4 0 0 0
2 3,2 3,5 0,3 10 0 0 0
3 3,3 3,1 -0,2 -6 0 0 0
4 3,5 3,6 0,1 2 0 0 0
5 3,5 3,5 0 0 0 0 0
6 3,6 3,6 0 0 4,2 0,6 17
7 3,5 3,5 0 0 4,3 0,8 23
8 4,1 4,1 0 0 3,8 -0,3 -8
9 4,0 4,0 0 0 3,9 -0,1 -2
10 3,2 3,2 0 0 3,3 0,1 3
11 3,1 3,1 0 0 3,1 0 0
12 2,9 2,9 0 0 2,9 0 0
13 2,8 2,8 0 0 2,8 0 0
14 3,0 3,0 0 0 3,0 0 0
15 3,6 3,6 0 0 3,6 0 0
16 3,5 3,5 0 0 3,5 0 0
17 3,4 3,4 0 0 3,4 0 0
По результатам показаний датчиков давления при отработке породного массива первой группы строения пород построены графики изменения давления на пласт впереди лавы (опорного давления).
На рисунке 1 приведены графики зависимости давления на пласт от подви-гания лавы. При отходе лавы от разрезной печи на 120м на первом датчике зафиксирован прирост давления на 4%, на втором - на 10% (это максимальное опорное давление).
На третьем датчике зафиксировано уменьшение давления на 6%. Уменьшение давления может произойти только за счет поднятия кровли впереди лавы. Поднятие кровли разгружает пласт за максимумом опорного давления. На четвертом датчике наблюдается увеличение давления на пласт по сравнению давления нетронутого массива на 2%. В остальных датчиках впереди лавы давление не изменяется. При отходе лавы на 120м слой тридцатиметрового, несущего песчаника, залегающего непосредственно над пластом, не обрушился. Дальнейшее подвигание лавы способствовало увеличению максимального опорного давления. Отход лавы на 200м от разрезной печи привел к обрушению песчаника. Перед его обрушением величина максимального опорного давления увеличилась по сравнению с давлением в нетронутом массиве на 23%. Нисходящая ветвь опорного давления опустилась ниже нулевой линии на 8% (восьмой датчик). Датчик №9 показал уменьшение опорного давления по сравнению с давлением нетро-
Рис. 1. Показания датчиков давления в модели первой группы строения пород ( ^ направление движения лавы; 1-17 - номера датчиков давления; а - при отходе лавы от разрезной печи на 120 м; б - при отходе лавы от разрезной печи на 200м)
нутого массива на 2%. На датчике №10 наблюдалось увеличение давления на 3%. На всех последующих датчиках давление не изменялось. После обрушения песчаника величина максимального опорного давления снизилась практически до уровня давления не тронутого массива.
2. Компьютерное моделирование сдвижения породного массива. По результатам компьютерного моделирования сдвижения породного массива построена кривая, характеризующая изменения опорного давления впереди лавы перед вторичной посадкой кровли (рис. 2). На рисунке приведена кривая опорного давления впереди лавы, включающая в себя восходящую и нисходящие ветви. Удаление зоны разгрузки пласта от груди забоя лавы определяется точкой пересечения линии 7Н с кривой нисходящей ветви опорного давления (а). Расстояние от груди забоя лавы до точки пересечения (рис. 2) составляет 17,5м.
^сж
МН
30
70 60 50 40 30 20' 10
0 10 20 30 ■ 40 50/ст,м
Рис. 2. Пересечение линии 7Н с кривой опорного давления: 1 - восходящая ветвь опорного давления; 2 - нисходящая ветвь опорного давления.
Восходящая ветвь опорного давления (1) показывает изменение опорного давления от 0 до к7Н. Нисходящая ветвь (2) показывает изменение опорного давления от к7Н до линии 7Н и ниже.
На рисунке 3 приведен характер изменения вертикальных сжимающих напряжений в зоне разгрузки пласта при разных величинах максимального опорного давления. Из рисунка 3 видно, что максимальное опорное давление впереди лавы (кривая №1), не превышает величины З7Н. Кривая №1, на расстоянии 100м от груди забоя, плавно приближается к линии 7Н, не пересекая ее. В этом случае зона разгрузки пласта не образуется. Кривая №2, на расстоянии 42м от груди забоя, ложится на линию 7Н, не пересекая ее.
главные сжимающие напряжения слеза уголь верх
30
хб.иОсп?/
го I 1ДО Е № /
С
1- — ---— —¿,00Е<07
х,м
Рис. 3. Изменения характера распределения нисходящей ветви опорного давления, определяющей образование зоны разгрузки пласта впереди забоя лавы: 1- кривая при максимальном опорном давлении 7Н < Ртах < 37Н; 2 - кривая при максимальном опорном давлении Ртах = 37Н; 3 - кривая при максимальном опорном давлении Ртах > 3^Н.
В этом случае, при дальнейшем увеличении максимального опорного давления возможно формирование зоны разгрузки пласта. Кривая №3 пересекает линию 7Н и происходит формирование зоны разгрузки пласта впереди лавы. Расстояние от забоя лавы до зоны разгрузки пласта впереди очистного забоя позволяет определять и учитывать месторасположение зоны в процессе проектирования очистных работ.
Выводы. Методика определения расстояния от груди забоя лавы до зоны разгрузки пласта с использованием физико-механических характеристик породного массива включает в себя следующее.
1. Определение предельного пролета основной кровли. Из выражения 1 и 2 определим предельные пролеты группы слоев основной кровли в период первичной и вторичной посадки [2]
£2 = — ^пр га
2h?
Е 7с hc i=1
I2EGC
nl
(1)
кр
l — 1пр -
\
2h2
12EGC
E 7chc
i=1
nl
(2)
кр
где £пр- предельный пролет породного слоя перед первичной посадкой, м; Нс -
мощность рассчитываемого слоя, м; 7с - объёмный вес породы, Н/м 3; I кр- Крита
тическая длина трещины в слое, м; Е 7сНсс - распределенная нагрузка группы
1=1
слоев, МН/м2; Ос - эффективная поверхностная энергия, МПа; Нсс - мощность слоя пригрузки, м.
2. Определение величины максимального опорного давления. Величина максимального опорного давления определяется из выражения [3]
P m
— 7H + 7 ■ h ■ lnp ■ a, Па,
(3)
где 1пр - величина пролета рассчитываемого породного слоя, м; Н - мощность рассчитываемого породного слоя, м; 7 - объемный вес породы рассчитываемого породного слоя, Н/м3; а - единичная ширина балки-полоски, м; 7Н - напряжение нетронутого породного массива, МН.
3. Проверка возможности формирования зоны разгрузки пласта впереди лавы. Проверка производится путем сравнения величины максимального опорного давления с кривыми, определяющими возможность формирования зоны разгрузки пласта впереди лавы (рис. 3).
4. Определение расстояния от груди очистного забоя лавы до зоны разгрузки пласта. Расстояние от груди забоя лавы до зоны разгрузки пласта впереди лавы, производится графоаналитическим методом путем пересечения линии 7Н с кривой опорного давления (рис. 2). Точка пересечения линии 7Н с нисходящей ветвью опорного давления определяет расстояние от груди забоя лавы до зоны разгрузки пласта.
1. Носач А.К. Процессы подземных горных работ в очистных забоях / В.К. Носач, Н.И. Лобков - Донецк: РВА ДонНТУ, 2001. - 180 с.
2. Лобков Н.И. Порядок расчета максимального опорного давления впереди лавы / Н.И. Лобков, А.А. Лобков // Труды РАНИМИ. - 2019. - № 8(23). - С. 273-285.
3. Лобков Н.И. Особенности формирования горного давления при ведении очистных работ / Н.И. Лобков // Науков1 пращ УКРНДМ1 НАН Украши. - 2014. - Вып. 15. - С. 308-315.
N.I. Lobkov, V.S. Mayevsky, A.A. Lobkov
Formation of a reservoir unloading zone in front of the longwall.
The results of studies of the formation of the coal seam discharge zone ahead of the long-wall in the process of bending the rocks of the main roof over the worked-out space are presented. Keywords: long-wall, developed .space, support pressure, roof layers, direct roof, main roof, coal seam unloading.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 28.01.2022
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
Оперативный государственный военизированный горноспасательный отряд Министерства чрезвычайных ситуаций, Донецк
Republican Academic Research and Design Institute of
Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying
(RANIMI), Donetsk
Operational State Paramilitary Mining Rescue Unit of the Ministry of Emergency Situations, Donetsk
ranimi@ranimi.org
