Геомеханические основы упрочнения горных пород на сопряжениях лав с выработками Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.К. Клишин, К.З. Склепович, 2004

УДК 622.831.3:622.138.4

Н.К. Клишин, К.З. Склепович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА СОПРЯЖЕНИЯХ ПАВ С ВЫРАБОТКАМИ

Семинар №11

Упрочнение горных пород является эффективным мероприятием предотвращения вывалов из кровли в очистных, подготовительных выработках и, особенно, на их сопряжениях. Это связано с нарушен-ностью угольного пласта, пород за длительный период после проведения выработки и с дополнительным воздействием повышенного горного давления впереди лавы.

Параметры технологии упрочнения составами (длина шпура, расстояние между шпурами) научно не обоснованы, а приняты на организационной основе, исходя из необходимости обеспечить суточное подвигание лавы

4,0 м [1, 2]. Это приводит к дополнительным непроизводительным затратам.

Обоснование параметров технологии упрочнения необходимо производить на геоме-ханической основе. Что возможно только при изучении фильтрационных, емкостных и деформационных свойств трещиноватого массива. Фильтрационные свойства трещиноватого массива изменяются как в глубь массива от стенки выработки, так и на различном расстоянии от забоя лавы, а закономерности проницаемости трещиноватого массива не установлены.

Для определения зависимости проницаемости пород вокруг выработок от расстояния до забоя лавы проницаемость измерена через 17 шпуров глубиной до 2,5 м, пробуренных из откаточных выработок в породах, предел прочности на растяжение которых от 1,0 МПа до 4,0 МПа. Глубина разработки 300-800 м, мощность пласта 0,7-1,2 м. Максимальное расстояние от замерных станций до линии забоя лавы 30 м.

Рис. 1. Зависимость относительного коэффициента проницаемости от расстояния ао лавы и в глубь массива: 1 - 0,25 м; 2 - 0,45 м; 3 - 0,65 м; 4 -

0,85 м; 5 - 1,05 м; 6 - 1,25 м; 7 - 1,45 м; 8 - 1,65 м; 9 - 1,85 м.

Данные 681 измерения проницаемости на отдельных 0,2-метровых участках обработаны с применением ЭВМ по трем схемам, в которых использованы значения коэффициентов проницаемости: абсолютные; относительные при единичном значении на расстоянии 5 м; то же на расстоянии 10 м от лавы [3]. Единичное значение определялось для каждой выработки, шпура. Относительные значения рассчитывались как отношение коэффициентов проницаемости, измеренных на различных расстояниях от лавы к коэффициенту проницаемости, принятому за единицу.

На рис. 1 приведено изменение относительного коэффициента проницаемости массива горных пород (Ко) в зависимости от расстояния до лавы (1) и в глубь массива. Номера линий на рисунке соответствуют номерам участков шпура.

Наиболее динамично происходит раскрытие трещин или увеличение их количества, увеличение коэффициента проницаемости, во-первых, на расстоянии от 5м до забоя лавы, во-вторых вблизи выработки (до 0,85 м). На расстояниях от 30 до 5м впереди лавы коэффициент проницаемости увеличивается на 5-10 %, т.е. для практических целей может быть принят постоянным.

и

12

10

К

й

4-

2

О

* 8 12 16 20 24 £л,

Для определения параметров фильтрационного потока, глубины герметизации шпуров при нагнетании составов необходимо знание коэффициентов проницаемости в направлениях вдоль и поперек выработки, т.е. его пространственное распределение [4]. Исследования проведены для условий шахты им. XIX съезда КПСС ГХК "Луганск-уголь" при отработке пласта Д. Были пробурены 4 шпура: один из подготовительной выработки; три из ниши на расстояниях 1,0; 2,75 и 4,5 м от выработки (рис. 2). На участках шпуров 0,7-1,9 м от устья коэффициенты проницаемости были 12,3; 17,8; 9,46;

2,0 м2х10-6, соответственно для шпуров № 4, № 1, № 2, № 3, т.е. по мере удаления шпура от выработки проницаемость пород уменьшается.

Проницаемость в направлении выработки через шпур № 1 в 1,5 раза больше, чем через шпур № 4. Это объясняется действием опорного давления лавы. Интенсивная трещиноватость вдоль выработки не превышает 2 м. И это на самом напряженном, разрушенном угловом участке кровли, на сопряжении выработок. На расстоянии 1 м от выработки и лавы через шпуры № 1 и 4 проницаемость одинакова. Эти данные относятся к участку, непосредственно примыкающему к лаве и пригодны для осуществления оперативного упрочнения шпуров. На расстоянии более 2 м от лавы преобладающим является направление фильтрации вдоль выработки, а в лаве, наоборот, вдоль ее забоя. Изменение коэффициента проницаемости кровли впереди лавы в зависимости от расстояния до стенки выработки исследовано по данным измерений проницаемости на 530 участках 64 шпуров.

Уравнение регрессии К = 1,84-0,691с, м210-6, (1)

Рис. 3. Диаграмма изменения проницаемости пороа по глубине на расстояниях от лавы (+26,0; + 10,0; +3,3 м)

Рис. 2. Значение коэффициента проницаемости на отаельных участках лавы: 1 - стенка уклона; 2 - забой ниши; |___

проницаемость ЩЦ- параллельно уклону; |__ перпендикулярно уклону

где 1С - расстояние от стенки выработки в глубь массива, м, в диапазоне 0,4-2,5 м

Коэффициент корреляции 0,38, его надежность 10,1.

Измерение коэффициента проницаемости массива проводились на шахте им. XIX съезда КПСС вокруг 4 уклона пл. 11 [4]. Шпуры были пробурены в 30 м впереди лавы. На расстоянии 10 м впереди лавы проницаемость пород увеличилась в 4 раза на участке 0,2-0,4 м, зафиксирована фильтрация на участке 0,6-0,8 м. В непосредственной близости от лавы (+ 3,3 м) наблюдалось уменьшение проницаемости на ближнем к выработке участке массива, раскрытием на участках 0,4-0,8 м и дальше 1,2-1,6 м (рис. 3).

Повышенные напряжения впереди лавы приводят к раскрытию трещин, которые образовались в массиве за длительный период ее эксплуатации после проведения и до подхода лавы; движение блоков породы сложное, возможное и уменьшение ширины трещин.

Самые большие изменения проницаемости массива происходят вблизи забоя лавы; начиная с 10 м впереди лавы проницаемость заметно увеличивается, раскрываются удаленные от выработки трещины, а ближние к ней смыкаются.

Замеры деформации выполнены в 9 лавах холдинговых компаний «Луганскуголь», «Краснодонуголь», «Донбассантрацит», «Ма-кеевуголь». Лавы оборудованы комплексами КМ-80, КМ-90, работали стабильно при скорости подвигания лав 3-4 м в сутки [5].

Замерные линии были установлены параллельно и перпендикулярно забою на концевых

участках лав отдельно у вентиляционных и откаточных выработок. Деформацию поверхности кровли измеряли с помощью стойки СУИ-2 (1) с индикаторной головкой часового типа (2) между контурными реперами (3). Металлические реперы диаметром 10 мм и длиной 0,3 м забивали в заранее пробуренные с помощью ручной дрели на глубину 0,1-0,15 шпуры (рис. 4). Реперы располагали параллельно и перпендикулярно забою лавы. Точность линейных измерений 0,5 X 10-2 мм.

Получены эмпирические зависимости деформации кровли в направлении перпендикулярном очистному забою от горногеологических факторов (в, т, Н), при движении комбайна к выработке на участке длиной 5 м

£± = (0,298 + 0,0011в + 0,19т + +0,0001Н) X 10-3 , (2)

где в - прочность пород кровли на сжатие, МПа; т - мощность пласта, м; Н - глубина робот, м.

Значение множественного коэффициента детерминации Я2 = 0,919. Уровень значимости ар = 0,000342 < 0,05, что подтверждает правильность включения факторных признаков т, Н, в, в построенную модель.

При меньшей вероятности (ар = 0,058) получено уравнение для деформаций параллельных очистному забою, при движении комбайна к выработке на участке длиной 5 м £и = (-0,85 + 0,78т) X 10-3, (3)

где т - мощность пласта, м.

Коэффициент детерминации К2 = 0,343.

Диапазоны величин деформации кровли в зоне влияния выемки угля и посадки кровли:

1. Мейер Ф. Реактивные синтетические смолы в горной промышленности//Глюкауф. - 1981. - №4.

2. Белов В.П., Плотников К.В., Белов A.C. Опыт упрочнения углевмещающего массива полиуретановыми составами на шахтах Кузбасса// Уголь. - 2003. -№6. - С. 26-28.

3. Клишин И.К., Лёвин A.A., Топкий A.B., Гри-шан Н.К. Фильтрационные свойства трещиноватого массива // Сб. науч. тр. / ДГМИ. - Алчевск: ДГМИ, 2001, вып. 14. - С. 114-120.

3 2 1

- перпендикулярно очистному забою -

£±= (0,0001 - 0,33) Х10-3;

- параллельно очистному забою -ем = (0,0001 - 0,65) Х10-3.

Установлены следующие закономерности деформаций кровли на концевых участках лав:

1) деформации перпендикулярные очистному забою меньше деформаций параллельных очистному забою в 1,5-2 раза;

2) размеры зон влияния очистной выемки до 30 м и зависят от предела прочности кровли на сжатие;

3) преобладают сжимающие деформации кровли в направлении перпендикулярном очистному забою.

Таким образом, изменение напряжений и деформаций в трещиноватом массиве пород впереди лавы определяет проницаемость массива, т.е. механические и фильтрационные свойства взаимоувязаны для массива вокруг подготовительной выработки, испытывающей влияние лавы.

Вывод: при разработке скрепляющих составов и определении параметров технологии упрочнения, необходимо учитывать установленные закономерности фильтрационных и деформационных свойств нарушенного массива впереди лавы.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Клишин Н.К., Куленич Б.И., Топкий A.B. и др. Упрочнение горных пород для обеспечения устойчивости очистных и подготовительных вырабо-ток//Материалы международной конференции " Экология и безопасность жизнедеятельности” (Межгорье, Закарпатье, 20-26 августа 2001 года). - Алчевск: 2001. - С. 104-108.

5. Склепович К.З. Исследование деформации кровли на концевых участках лав пологих пластов// Сб. науч. тр. / ДГМИ, 2003, вып.17.

— Коротко об авторах---------------------------------------------

Клишин Н.К. - доктор технических наук,

Склепович К.З. - аспирант,

Донбасский горно-металлургический институт, г. Алчевск, Украина.