CC BY
50
Г.Я. Полевщиков
д-р техн. наук, проф., заведующий лабораторией Института угля СО РАН
М.В. Шинкевич
канд. техн. наук, научный сотрудник Института угля СО РАН
А.В. Радченко
д-р физ.-мат. наук, проф., ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН
А.А. Черепов
главный инженер филиала «Шахта «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»
Е.В. Леонтьева
инженер Института угля СО РАН
УДК 622.272.6
фрактальная особенность структуризации массива горных пород в изменениях давления на призабойную часть угольного пласта, отрабатываемого длинным очистным забоем
На основании анализа горно-технологических данных о движении очистного забоя показана периодичность реализации упругой энергии массива горных пород, подтверждающая существенность отличий современной нелинейной геомеханики от классических представлений. Показано, что реализация упругой энергии массива приводит к формированию системы блочных структур, последствия чего выявляются и при мониторинге давления в стойках механизированной крепи.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99, партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100 и гранта РФФИ № 10-05-98009-р_сибирь_а.
Ключевые слова: ГЕОМЕХАНИКА, ДАВЛЕНИЕ, НАПРЯЖЕНИЕ, ЭНЕРГИЯ, ШАГ, ОБРУШЕНИЕ
Из классической геомеханики следует, что движение очистного забоя приводит к периодическому изменению размеров зависающих консолей подрабатываемых слоев пород и их числа, участвующих в формировании опорного давления. Формирование консолей сопровождается поднятием слоев пород над пластом впереди зоны максимальных напряжений. Известен гармонический ряд «волны Вебера» (1920 г.), согласно которому с удалением от очистного забоя амплитуда волны снижается, а ее период увеличивается. Натур-
ными исследованиями Ж.М. Кан-лыбаевой [1] инструментально доказано, что даже в малопрочных породах (аргиллиты) при глубине залегания отрабатываемого пласта около 100 м и длине очистного забоя 100 м поднятие нижней части кровли впереди забоя достигает 3 см на расстоянии 10-15 м от его плоскости. И.Л. Черняком и В.Е. Зайденваргом [2] аналитически показано, что в процесс вовлекаются и удаленные слои подрабатываемого массива, обладающие своей периодичностью; происходит «топтание» пласта гор-
ным давлением.
Отмеченные особенности достаточно близки к изложенным ниже результатам, но эти исследования выполнены на основе иных представлений о геомеханических процессах во вмещающем массиве горных пород. В принятой модели основой развития является не вес пород, а их удельная упругая энергия. Соответственно, причиной разрушения (дезинтеграции) является избыток упругой энергии в определенном слое массива. Снижение энергетического потенциала обеспечивается отторжением соответ-
ствующей массы пород в виде сводов параболической формы [3].
Рассматривая углегазоносный массив как геосреду с вложенными в нее природой пластинами-индикаторами (углеметановые пласты), ранее была установлена возможность [4] по показаниям системы аэрогазового контроля шахт отследить динамику изучаемых процессов и тем самым оценить особенности реакции массива на изменение внешних условий при отработке угольного пласта длинными очистными забоями [5]. Подтверждено формирование иерархии нелинейных блочных структур при вертикальной разгрузке углегазоносного массива от действовавших исходных напряжений. Геометрические параметры структур подчиняются правилу суперпозиции с кратностью 2 (фрактальная размерность Ф относительно длины очистного забоя / ). В разработанной модели геосреда, стремясь к новому устойчивому состоянию в изменившихся внешних условиях, снижает свой энергетический потенциал путем выделения соответствующей массы энергонасыщенной породы в форме параболоидов. Для образования боковой поверхности увеличивающихся сводов необходимая величина полной упругой энергии пород в соответствующем объеме формирующего своды геомеханического слоя может обеспечиваться ростом только их высоты, так как основания условно ограничены квадратами в технологически создаваемом прямоугольном вырезе на отрабатываемом пласте, границы которого безусловны.
Линейное снижение напряжений в среде с приближением к дневной поверхности обусловливает изменение высоты в иерархии сводов с нарастаниием фрактальной размерности. Для удобства алгоритмизации этой части модели представим массив в виде совокупности вложенных геомеханических слоев, отношение мощностей которых Ъ.в соответствует Ф=2.
Принимая линейное нарастание вертикальных напряжений с глубиной разработки, получим среднее значение упругой энергии на единицу мощности рассматриваемого геомеханического слоя:
Э° ~ 6Е(Нр-Нс) (<Нр ~Нс>)' (1)
где к - размерный коэффициент; у - плотность пород, кг/м3;
Нр - глубина залегания разрабатываемого пласта, м;
Н^ - глубина верхней границы рассматриваемого геомеханического слоя, м;
Е - средневзвешенный линейный модуль упругости пород в рассматриваемом слое, МПа.
Поскольку нас интересует относительное влияние потенциальной упругой энергии на рост высоты сводов, то условие
И = Ф'кп,
г 0
ретает вид:
И. = Ф1И где И0 - высота первого от отрабатываемого пласта геомеханического слоя; г - уровень иерархии, приоб
Численный расчет по этой формуле при И.у < Нр показал, что отношение И.у / 21И0 возрастает с ростом уровня иерархии. В диапазоне реальных глубин подземной разработки и значений И0 оно соответствует тангенсу углов 45-650 (рисунок 1), что можно принять в качестве объяснения установленного горным опытом факта: величина угла полных сдвижений подрабатываемого массива горных пород до дневной поверхности составляет: непосредственно над пластом у= 450; в пределах средних глубин горных работ (Кузбасс) - 500; больших глубин (Донбасс) - 600.
Рассмотрим горно-технологические условия при отработке пласта с труднообрушаемой кровлей.
Отрабатывается пласт 3-3а Алардинского месторождения на глубине 520-660 м. Полная мощность пласта до 5,6 м, вынимаемая мощность 4,5 м с оставлением пачки угля у почвы пласта. Угол падения пласта 140. Длина выемочного столба 1945 м, длина очистного забоя 220 м. Коэффициент крепости угля / =1,5, следовательно, сопротивление сжатию угля 15 МПа. По мощности пласт переслаивается крепким алевролитом, мощность его слоев колеблется от 0,1 до 2,1 м крепостью / = 4-6.
В кровле пласта залегает углистый алевролит мощностью от 0,4 до 0,95 м, средней крепости / = 2-3.
Выше находится слоистый зернистый алевролит средней устойчивости, мощностью 3,3 - 20,9 м, крепостью / = 6. Основная кровля представлена устойчивым крупнослоистым песчаником крепостью / = 6-9, мощностью от 1,0 до 13,5 м.
В почве пласта залегает среднезернистый слоистый алевролит крепостью / = 5.
Регистрация давлений в стойках механизированной крепи выполнялась 1 раз в сутки в ремонтную смену. Каждая секция имеет две стойки. Схема периодичности измерений показана на рисунке 2.
На интервале от 517 до 530 м давления в стойках регистрировались на каждой секции крепи из 112, те. через 1,8 м, а на всех прочих интервалах - через 5 секций, т.е. через 9 м. Для удобства обобщающего анализа значения давления интерпретированы через мощность слоя пород, вес которого соответствует реакции крепи. При средней плотности пород кровли, равной 2,5 т/м3, значения высоты слоя, нагружающего перекрытия секций крепи, составляли:
^ _ ^спЛ^спй Рст2$ст2 (3)
“ 0,025£в ’
где Рт - давление в гидроцилиндрах стоек крепи, МПа;
5^ - площадь сечения гидроцилиндра, м2;
5в - площадь перекрытия секции крепи, м2.
Результаты обработки данных показаны на рисунке 3, где видно явное проявление фрактальной размерности Ф=2. Имеем периодичность с шагом 50 м, что меньше длины забоя в 4 раза как по его длине, так и по направлению его под-вигания (/оч/Ф2). Но внутри этой периодичности имеются более мелкие периоды, которые при осреднении полиномом на большой площади сглаживаются.
Проявление более мелких фракталов представлено на рисунках 4 и 5.
Здесь отчетливо видна параболическая форма свода сдвижений (средняя линия замеренных значений) с длиной основания, несколько большей длины очистного забоя, и высотой 35 м на интервале подвигания от 517 до 530 м, а на интервале от 530 до 553 м - высотой 43 м. Технически возможная максимальная плотность замеров через 1,8 м позволяет заметить (рисунок 6) в средней части очистного забоя небольшое снижение значений, указывающее на присутствие свода с периодичностью 100 м (Ф=2).
70
и
>
С1
п
0_
-э*
55
50
45
40
О О
0 2
0 4
н„.Ун.
1 о
Рисунок 1 - Изменение угла полных сдвижений с приближением фронта разгрузки к дневной поверхности при Нр = 1500 м и И0 = 10 м
Рисунок 2 - Схема регистрации давлений в стойках механизированной крепи при отработке выемочного столба на Алардинском месторождении Кузбасса
В условиях вертикальной разгрузки его высота должна быть равна 50 м. В данном случае давление на секции крепи регистрируется у границы зоны радиальной разгрузки. Тогда получаем 50/35 и -¡Ф, что отвечает условию удвоения энергетического потенциала структурной иерархии массива при радиальной разгрузке.
На первом интервале при контроле давления по длине забоя через 1,8 м проявляется периодичность с шагом 12,5 м (Ф3), а при контроле через 9 м имеем шаг 25 м (Ф2).
На втором интервале подвигания забоя горное давление на перекрытия секций крепи повышается и регистрируется формирование вложенных сводов только с периодичностью 50 м, равной шагу сводообразования по оси выемочного столба (квадраты). Если исключить приштрековые зоны, то отклонения замеренных значений от размеров вертикального сечения основного свода во всех случаях лежат в пределах ±10 %. По направлению подвигания очистного забоя (рисунок 3) регистрируется повышение давления через 70 м. Это соответствует периодичности 50 м, умноженной на -\/2 .
Применение полученных результатов требует знания величины Ъ0 - высоты первого геомеханического слоя в конкретных горно-технологических условиях. Это затруднение снимается, если в качестве опорной величины принять шаг
Рисунок 5 - Своды давления на секции механизированной крепи при отработке пласта с труднообрушаемой кровлей на интервале подвигания от 530 до 553 м при выполнении замеров на каждой пятой секции крепи (9 м)
Рисунок 6 - Расчетные высоты сводов давления на секции механизированной крепи и их средние значения на интервале подвигания от 517 до 530 м при выполнении замеров на каждой секции крепи (1,8 м)
первичного обрушения основной кровли пласта, который является технологически значимым показателем и фиксируется для каждого очистного забоя. Его предварительное определение обеспечено в Кузбассе многолетним опытом применения соответствующей методики, разработанной проф. В.И. Мурашевым [6]. Согласно этой методике отношение первичного шага обрушения к вторичным шагам равно 5, что достаточно близко к кратности параметров (-^2)" Расхождение величин 4а и л/5 составляет 12 %, причем в большую сторону. Это может быть объяснено тем, что в эмпирических коэффициентах [6] присутствует влияние взаимодействия сводов сдвижения при отработке длинных столбов с межлавными целиками недостаточной несущей способности. Это влияние всегда сказывается в большую сторону. Тогда для удобства анализа процессов примем величину вторичного шага обрушения основной кровли (четверти первичного шага) в качестве контролируемого размера критического элемента геосреды, который интегрально отражает влияние напряжений в породах, может быть, от их механических характеристик и длины очистного забоя. Для равномерного обрушения кровли количество критических элементов, а также сводов более высокого уровня иерархии в пределах свода с основанием, равным длине забоя, должно быть целым четным числом.
С учетом вышесказанного появляется возможность оценок параметров структурных элементов массива с позиций накопленной ими упругой энергии.
Оценим изменения механических свойств массива, влияющих на периодичность обрушения пород кровли, по длине выемочного столба, используя значения линейного модуля упругости и коэффициента крепости пород кровли между-пластья пластов 1 и 3 по оси выемочного столба.
Подготовка данных заключается в снятии информации с плана горных работ и геологических разрезов по штрекам и по разведочным линиям. Величина устойчивого пролета кровли I = 50 м принята равной половине первичного
кр
шага первичного обрушения при отходе забоя от монтажной камеры. Соответственно, через каждые 50 м по всей длине выемочного столба с разрезов по конвейерному и вентиляционному штрекам сняты мощности вмещающих пород - алевролита и песчаника. Рассчитаны средневзвешенные значения коэффициента крепости пород кровли (4) и построены графики их изменений по длине конвейерного и вентиляционного штреков и средних значений по оси выемочного столба (рисунок 7):
^ = А щ +Л т2
► т„
где - коэффициент крепости алевролита по справочным данным;
/2 - коэффициент крепости песчаника по справочным данным;
т - мощность алевролита, м;
т2 - мощность песчаника, м;
тпоР - суммарная мощность пород, м.
Удельная (на единицу объема) потенциальная упругая энергия по оси выемочного столба 3-32 рассчитывается как:
о °2
щ ^ ~2~Ё, Дж/м3; ° = 0’025 • Нр , МПа, (5)
где а - напряжение в рассматриваемой области угольного пласта, МПа; Е - модуль упругости угля в массиве (справочные данные), МПа;
Н - глубина залегания пласта, м.
р
Средневзвешенная упругая энергия в слое равна:
Э1т • щ + ■ т,
Эы = 1уа * 2зд 2 , Дж/м3 , (6)
’ 2^тпор
где Э1уд - удельная потенциальная энергия алевролита, Дж/м3 Э1уд - удельная потенциальная энергия песчаника, Дж/м3.
6,5
5,5
О 500 1000 1500 /-в,м 2000
——— Вентиляционный штрек **»»»» Конвейерный штрек ----------------Среднее значение
Рисунок 7 - Изменение средневзвешенного коэффициента крепости пород кровли по длине выемочного столба 3-32 на Алардинском месторождении Кузбасса
Л
1 4 §
$ 9 9 / 9 1 V % 4 • Щ • ■
к 4 9 1 1 % 9 у V \ 1 4 / Г / 4 1 • ^
9 9 / У \' 1 1 / \ V \ \ % 4 / / г ♦ т • •
4 9 / / \ 1 1\ \* 9 I 1 / ! \ \ 1 1 / 4 * / « * •
9 4 /У / ■ \\ 1/ I/ ■ к ■ * • ■ "л й ■ \ V / А •
•< V ч" • ■ *1 ш У • ж • ■
* • * * • я »
■ ■ ■ 1
Для нахождения критической энергии слоя, обеспечивающей образование новой поверхности, используем размеры сводов для соответствующих геомеханических слоев на первичном шаге обрушения основной кровли:
Г.Э-
э. = ——^ , Дж/м2, (7)
‘ ^
где Э - упругая энергия при образовании сводов, Дж/м2;
V - объем свода, м3;
3 - площадь боковой поверхности свода, м2.
Изменения по длине выемочного столба критической энергии (с учетом колебаний средневзвешенного коэффициента крепости пород слоя) позволяют оценить энергетические возможности среды по образованию поверхности разрушения показателем относительной устойчивости геомеханических слоев (рисунок 8) вида:
э. /■
л«=~гЧт~ , (8)
^ кр, / ’ кр, 1,1'
где /к . - средневзвешенный коэффициент на первичном шаге обрушения; Экр 1 л - упругая энергия пород на первичном шаге обрушения кровли.
Лк
ё с- ""V N
* * ч Ч N
к 1 Ч ч V ✓
* ^ - щ * ^
9 й
О 500 1000 1500 в.м 2000
50 — — 25 ---------- »12,5
Рисунок 8 - Показатель относительной устойчивости геомеханических слоев
Если принять, что геомеханический слой мощностью 50 м является доминирующим в процессе сводообразования, то разрушения в двух вложенных слоях будут системными при соответствии кратности показателей Лк фрактальной размерности. Однако этого не наблюдается. Следовательно, на интервалах существенного отклонения кратности от фрактальной размерности Ф необходимо принудительное обрушение соответствующего слоя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Канлыбаева, Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыбаева. - М.: Наука, 1968. -108 с.
2 Черняк, И.Л. Периодичность изменения напряженно-деформированного состояния массивов угля и пород впереди очистного забоя / И.Л.Черняк, В.Е. Зайденварг // Горный журнал. Известия высших учебных заведений. - 1993. - №3.
- С. 25-28.
3 Полевщиков, Г.Я. Нелинейные геомеханические процессы в динамике метанообильности выемочных участков / ГЯ. Полевщиков, Е.Н.Козырева // Материалы Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли», посвященной 80-летию акад. М.В. Курлени (с участием иностранных ученых), 3-6 октября 2011 года: в II т. - Т. I. - Новосибирск: Ин-т горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 2011. - С. 449-455.
4 Полевщиков, Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / ГЯ. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - №11. -С. 117-120.
5 Шинкевич, М.В. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / М.В. Шинкевич, Н.В. Рябков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010.
- № 3. - С. 356-359.
6 Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханических процессов: автореферат дис. ... д-ра техн. наук (05.26.01). - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1980. - 36 с.
FRACTUAL FEATURES OF ROCK MASS STRUCTURING IN Полевщиков
PRESSURE DEVIATION ON A NEARFACE ZONE OF A COAL SEAM Геннадий Яковлевич
MINED BYLONGWALL FACES e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
G.Ya. Polevshikov, M.V. Shinkevich, A.V. Radchenko, A.A. Cherepov, E.V.
Leontyeva Шинкевич
Analyzed mining technological data on coal face advances exhibited a Максим Валериевич
periodical realization of rock mass elastic energy, justifying the significant e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
difference of modern nonlinear geomechanics from the classical
concepts. It is demonstrated that massif’s elastic energy realization leads Радченко
to the formation of block structures and is also detected during pressure Андрей Васильевич
monitoring in props of powered supports. e-mail: andrey-radchenko@live.ru
The work is performed under the financial support of
Interdisciplinary Integration Project SB RAS № 99, Partner Integration Черепов
Project SB RAS № 100 and RFFI grant u № 10-05-98009-p_sibir_a. Андрей Александрович
Key words: GEOMECHANICS, PRESSURE, STRESS, ENERGY, PICH,
CAVING Леонтьева Елена Владимировна e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
23
