CC BY
27
СЕМИНАР 13
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.А. Матвеев, М.Д. Молев, В.А. Мосяков, 2001
УДК 622.33
В.А. Матвеев, М.Д. Молев,
В.А. Мосяков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУР КРОВЕЛЬ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ДОНБАССА
С
реди направлений геомеханики в последние десятилетия заметно выделилась проблематика изучения характера проявлений горного давления в длинных очистных забоях и связанных с ней методов их прогноза. Практическое значение последних трудно переоценить -их разработка и реализация поможет предупредить нежелательные, и в большинстве своем опасные явления в призабойных пространствах лав.
Очевидно, что создание точной и достоверной методики прогнозирования проявлений горного давления является конечной целью решения вышеупомянутой проблемы. Ее достижение предполагает наличие не только корректной теоретической базы, но и целого комплекса сведений о структурных особенностях и прочностных характеристиках массивов горных пород.
Развиваемое теоретическое направление в данной области [1,2], в котором решается задача создания математической модели гео-механических процессов в кровле угольного пласта при его выемке длинными очистными забоями, требует наличия указанных сведений с максимально возможной де-
тализацией. Это особенно важно на этапе проверки основных положений теории в условиях типичных структур кровель угольных пластов.
Наиболее значимыми для реализации математической модели являются детальные данные о расслоении толщи горных пород вокруг очистных и подготовительных выработок. Подобные сведения должны давать представления о слоистости массива пород на всем протяжении интересующего нас участка. Источниками такой информации могут служить данные геологической разведки и результаты геофизических исследований пород кровель угольных пластов. Последние дают представление о внутреннем расслоении толщи пород кровли пласта с использованием сейсмоакустиче-ского метода. Данный метод позволяет выявить, так называемые, ослабленные межслоевые контакты (ОМК), наличие которых указывает на существование слоев внутри толщи пород. В настоящее время Бюро шахтной геофизики и геологическими службами шахт АО «Ростовуголь» накоплен значительный материал, на основании которого можно классифицировать кровли разрабатываемых угольных пластов. Этот материал представляет собой графики сейс-
моакустических исследований, проведенных в подготовительных выработках. Результаты геофизических исследований были использованы для получения зависимости расслоения пород внутри пачек от степени их удаления от пласта. Для этого кровля пласта разбивалась на равные интервалы (по 2 метра), в них измерялось среднее для определенного участка количество слоев, и, используя эту величину, определялась средняя толщина слоев на данном участке для каждого интервала. При исследовании использовались данные по тринадцати шах-топластам АО «Ростовуголь», разрабатываемым 6-ю шахтами Шахтинского и 5-ю - Новошах-тинского угольных районов в пределах семи пластов. Результаты представлены в виде графиков (ломанные линии) изменения
средней толщины слоев по мере удаления вверх от пластов (рис. 113).
Очевидно, что представление полученных сведений в виде ломанных графиков малопригодно для использования в математической модели геомеханических процессов в кровле угольных пластов. Поэтому была предпринята попытка математического описания полученных зависимостей в форме полиномиальной функции 6-го порядка. Эта функция имеет вид
^ = а + а1 • 1ср + а2 • 1ср + а3 • 1ср +
+ а4 • 1^р + а5 • 15р + а6 • 1бр
Таблица 1
Шахтопласты Значения коэффициентов полиномиальной функции
а ai а2 аз а4 а5 аб
«Южная», пласт 12 4,3675 -3,3032 1,0328 0,0587 -0,0726 0,0108 -0,0005
«Юбилейная», пласт ^ 1,87 0,3055 0,8194 -0,8615 0,2837 -0,039 0,0019
Им. газеты «Комсомольской правды», пласт 12 0,53 7,0748 -7,1078 2,8979 -0,5654 0,0523 -0,0018
«Майская», пласт 12 24,98 -49,01 39,209 -15,309 3,1274 -0,3214 0,0131
«Соколовская», пласт Щ 8,51 -13,203 8,36 -2,1067 0,1800 0 0
Им. Ленина, пласт 1” 6,09 -8,3812 6,1429 -2,0708 0,3171 -0,0180 0
«Западная капитальная», 4Н пласт 13 -7,9900 28,656 -26,422 11,163 -2,4019 0,2559 -0,0107
*н 1 Им. Чиха, пласт 13 22,422 -31,121 17,42 -4,8285 0,7145 -0,0544 0,0017
Им. Ленина, пласт 1® 9,7337 -14,971 11,252 -4,2628 0,8494 -0,0843 0,0033
Им. газеты «Комсомольской правды», пласт Ц 3,0075 -0,2045 -0,9086 0,5232 -0,1171 0,0119 -0,0005
«Октябрьской революции», пласт k5в 6,1625 -8,4794 6,6483 -2,5887 0,5214 -0,0519 0,0020
«Аютинская», пласт ^ 6,0925 -6,8177 4,7136 -1,6595 0,3063 -0,0284 0,0010
«Самбековская», пласт /^1 1,0056 2,5757 -0,9106 -0,1032 0,0830 -0,0119 0,0005
где hc - средняя толщина слоев на интервале, м.; 1ср - расстояние от пласта до срединной поверхности интервала, м.; a...a6 -коэффициенты.
Указанная функция, по существу, является аппроксимирующей кривой для определенных выше зависимостей изменения толщины слоев с удалением вверх от кровли пласта. Графики построены для каждого шахтопласта и приведены на рис. 1-7 в виде линий без выделения точек. Значения коэффициентов a...a6 определены с использованием приложения Excel в ЭВМ.
На основе полученных результатов была произведена типизация структур кровель и составлен их кадастр. Прежде чем пояснить
принцип разделения на группы приведем краткую теоретическую посылку.
Известно, что кровля угольного пласта до начала ведения очистных и подготовительных работ имеет уже сформированную слоистую структуру, т.е. она представляет собой последовательное чередование слоев пород с различными прочностными характеристиками, имеющими между собой различного рода, а, следовательно, и разной прочности контакты. Прочность массива горных пород в значительной степени определяется остаточной прочностью на плоскостях напластования. Из механики горных пород и массивов известно, что условия сдвига на
межслоевых контактах могут быть описаны законом Кулона
Т = &• ^р+ 1Ссц ,
где ф - касательные напряжения, МПа; у - нормальные напряжения на плоскостях сдвига, МПа; ц - угол внутреннего трения, град; ^ц - показатель сцепления, МПа.
Из этого следует, что предельные касательные напряжения, при которых происходит нарушение связей между слоями, определяются, в основном, величинами, которые зависят от литологического состава массива горных пород. Анализ структурных колонок залегающей над пластом толщи горных пород дает возможность определить характер изменения этих величин с удалением вверх
от пласта, что позволяет оценить процесс расслоения пород кровли при ведении горных работ. Речь идет о сравнительно небольшом расстоянии от от контакта кровли с разрабатываемым пластом (1520 м).
По данным геологоразведки, особенности осадконакопления на обследованных пластах таковы, что непосредственно над пластом угля залегают преимущественно наименее прочные породы - глинистые и песчано-глинистые сланцы. Выше них, как правило, залегает пачка слоев песчаного сланца, который несколько прочнее. Далее литологический состав пород на различных пластах меняется по-разному, но почти во всех случаях верхние слои кровель представлены прочными породами - песчаниками.
Немаловажное значение в процессе расслоения имеет характер контактов между соседними слоями, что в значительной степени определяет сцепление пород. Исследованиями установлено [3,4], что между слоями глинистых и песчанистых сланцев поверхности контактов наиболее гладкие и ровные, такие контакты представляют собой зеркала скольжения. Сцепление пород в этом случае очень незначительно (0,005-0,065 МПа). Контакты слоев глинистого сланца и песчаника, характеризующиеся как углистый прослой, также ровные, но им свойственна некоторая шероховатость (сцепление пород до 0,55 МПа). Наконец, для третьего вида контактов между слоями песчаников, песчанистых сланцев и известняков, в том
числе с растительными остатками, поверхности которых неровные и шероховатые, наиболее характерны значения сцепления пород от
0,45 до 4,3 МПа.
При анализе геологических разрезов по подготвительным выработкам на шахтах ОАО «Рос-товуголь» основное внимание уделялось удельному весу и степени удаленности от кровли пласта наиболее прочных пород - песчаников. Сопоставление этих данных с графиками сейсмоакустиче-ских исследований показало, что именно к этим местам приурочено менее интенсивное расслоение пород. Из всего разнообразия структур массивов пород над пластами, были выделены три группы кровель, приведенные в табл. 2. К первой группе относятся массивы пород, удельный вес крупнослоистых пород в которых невелик на протяжении всей изучаемой толщи, вплоть до полного их отсутствия на некоторых участках. Для второй и третьей групп наличие песчаника обязательно на всем рассматриваемом участке: во второй группе - неоднократно (переслаивание песчаника и сланца), в третьей -один раз. Разделение внутри третьей группы на подгруппы производилось с учетом колебания мощности сланца.
Определение пределов прочности пород на растяжение для шахт ОАО «Ростовуголь» также производилось Бюро шахтной геофизики. Пределы прочности пород на растяжение определялись экспериментальным путем с помощью пробника БУ-39, на котором про-
изводилось раскалывание образцов.
На основании проведенных исследований был составлен кадастр структур кровель, представленный в виде табл. 2. Как видно данные табл. 2 подтверждают выдвинутое предположение о характере изменения степени расслоения с подъемом вверх от кровли пласта.
Так как сейсмоакустические исследования производились в подготовительных выработках, то необходимо обратить внимание на важный факт. Из закономерностей изменения напряженного состояния пород кровли над выработками известно, что наибольшая величина максимального, близкого к вертикальному, главного напряжения у2 имеет место в непосредственной кровле на уровне контакта с пластом и снижается с подъемом вверх, а вместе с ней снижаются и касательные напряжения фтах, тем более, что при этом увеличивается уровень минимальных, близких к горизонтальным главных напряжений у!. Потеря сплошности пород кровли по плоскостям напластования происходит прежде всего за счет сдвигов от касательных напряжений в области опорного давления с последующим отрывом слоев друг от друга на участке призабойного пространства и в зоне обрушения.
Таким образом, расслоение пород кровли происходит под влиянием двух факторов: литологическим составом слагающих кровлю пласта пород и распределением напряжений в зоне опорного давления. Эти же факторы действуют аналогично и в очистных забоях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвеев В.А. Геомеханика кровли угольного пласта в очистном забое. «Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики». Труды международной конференции 17-21 июня 1996 г. ВНИМИ. СПб. 1996. с. 271-275.
2. Матвеев В.А. Расчеты проявлений горного давления в очистном забое. «Уголь». №12. 1996г. с. 51-54.
3. Исследование механических свойств горных пород Донецкого бассейна. / Под ред. В.Т. Давидянца и Н.Х. Су-данова. ДонУГИ. Углетехиздат. М. 1951. 224 с.
4. Кузнецов Г.Н. Методические указания по определению прочности трещиноватого массива горных пород. ВНИМИ. Л. 1991. 42 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
_________________________________________________________________________________________________________£
Матвеев Валентин Александрович - профессор, доктор технических наук, Шахтинский институт Южнороссийского государственного технического университета.
Молев Михаил Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент, начальник бюро шахтной геофизики ОАО «Ростовуголь».
Мосяков Владислав Анатольевич - аспирант, Шахтинский институт Южно-российского государственного технического университета.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ СТАТЬИ:
В.А. Матвеев, М.Д.
Молев, В.А. Мосяков Г еомеханическая оценка структур кровель угольных пластов в восточной части Донбасса
Матвеев Валентин Александрович, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, профессор кафедры «Технология, механизация, организация и безопасность горных работ» Шахтин-ского института ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ).
Адрес: пр. Победы Революции, 128, кв. 35, г. Шахты, Ростовской обл. 346500
Адрес: ул. Парковая, 56, кв. 8, г. Шахты, Ростовской обл. 346503
Адрес: пр. Победы Революции, 120, кв. 59, г. Шахты, Ростовской обл. 346500
