CC BY
0
12. Ter-Martirosyan Z.G. Soil mechanics: textbook. the manual. M.: Publishing House of the Association of Construction Universities, 2005.
УДК622.831 (571.17)
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРЕСТНОСТИ
ОЧИСТНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
УГОЛЬНЫХ ШАХТ
О.А. Петрова, А.В. Крестьянинов, А.А. Максимов, И.К. Шмаков
Рассмотрен вариант перехода высокопроизводительным комплексно-механизированным очистным забоем диагональной выработки в выемочном столбе угольной шахты. По результатам вычислительного эксперимента выявлены закономерности изменения напряжённо-деформированного состояния и прочностных свойств угольного пласта и вмещающих его пород. Рассмотрены варианты способов управления горным давлением и доказано, что применение гидроразрыва пород кровли над передовой выработкой обеспечивает её эксплуатационную устойчивость в зоне влияния очистного забоя.
Ключевые слова: угольный пласт, очистной забой, передовая выработка, напряжения, деформации, остаточная прочность, трещины гидроразрыва.
На современных угольных шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты длинными комплексно-механизированными забоями с суточной нагрузкой до 20 тысяч тонн, пространственные изменения горногеологических условий резко влияют на горнотехническую ситуацию [1, 2]. Вследствие периодического зависания и обрушения подработанных пород кровли изменяются параметры опорного горного давления в окрестности очистного забоя, форма и размеры вывалов пород кровли и отжима угля. В изменчивых горно-геологических и горнотехнических условиях в пределах выемочного столба для обеспечения безопасности горных работ, устойчивости проветривания выработок выемочного участка и запасных выходов из очистного забоя в аварийных ситуациях проводятся дополнительные выработки в виде сбоек, диагональных печей, скважин большого диаметра. Эти выработки следует называть передовыми, так как они проводятся впереди очистного забоя и в будущие периоды подлежат погашению. Однако при подходе очистного забоя к передовой выработке происходит наложение зон опорного горного давления в окрестности очистного забоя и передовой выработки. Для обеспечения эксплуатационной устойчивости передовых выработок проводятся дополнительные мероприятия: усиление крепи, установка специальных тумб и костров, закладка разрушенным углём и др. Реализация этих мероприятий осуществляется, как правило, с использованием ручного труда при доставке и установке новых
материалов и средств усиления крепи, что приводит к снижению эффективности и повышению опасности горных работ. Сложность решения задачи выбора способов и средств обеспечения эксплуатационной устойчивости передовых выработок состоит в отсутствии надёжных методик прогноза параметров геомеханических и газодинамических процессов в окрестности передовой выработки и приближающегося к ней очистного забоя.
С учётом изложенного предлагается решение научно-практической задачи прогноза способов и средств обеспечения эксплуатационной устойчивости передовых выработок для ритмичной и безопасной работы очистного забоя в их окрестности.
Методы исследований включают проведение вычислительных экспериментов методом конечных элементов и оценку эксплуатационной устойчивости передовой выработки по коэффициенту концентрации вертикальных напряжений и остаточной прочности угля и пород при проведении разгрузки массива горных пород скважинами и трещинами гидроразрыва.
Построение расчётной модели осуществлено в соответствии с горно-геологическими и горнотехническими условиями пласта 67 одной из перспективных шахт Кузбасса - филиалом «Шахта «Увальная» АО «УК «Сибирская». Пласт 67 является средним и выдержанным по мощности от 1,84 - 3,18 м, в среднем 2,34 м, характеризуется наличием породных прослойков, глубина разработки 310 м. При моделировании вынимаемая мощность пласта 67 с учётом присечки ложной кровли принята 2,50 м. Прочность угля при сжатии асж изменяется в пределах 6,10...7,38 МПа, в расчётной модели принято асж= 6,65 МПа.
Непосредственная кровля пласта 67 мощностью 6,9 - 14,8 м представлена мелкозернистым алевролитом с пределом прочности при сжатии 16,0 МПа. Основная кровля пласта 67 включает крупнозернистый алевролит с переслаиванием алевролитов и песчаников. Мощность пород основной кровли при моделировании принята равной 21,5 м, предел прочности при сжатии асж= 36,7 МПа. На отдельных участках пласта встречается ложная кровля. При численном моделировании мощность ложной кровли принята 0,25 м, предел прочности при сжатии асж= 7,3 МПа.
Ложная почва пласта 67 встречается на отдельных участках и представлена аргиллитом углистым мощностью 0,2 м при прочности пород Осж= 8,7 МПа. Непосредственная почва пласта 67 характеризуется алевролитом мелкозернистым мощностью 3,5 м при асж= 15,9 МПа.
Выемочный столб отрабатывается длинными очистными комплексно-механизированными забоями с расположением впереди движущейся лавы через каждые 300 - 400 м диагональных выработок.
Общий вид расчётной модели при взаимном влиянии очистного забоя и передовой выработки показан на рис. 1.
-50 0 50 100 150 200
Расстояние от бока диагональной выработки, м
Рис. 1. Распределение вертикальных напряжений (МПа) в массиве горных пород в окрестности очистного выработанного пространства и диагональной выработки, ширина целика 40 м, мощность пласта
2,5 м, глубина разработки 310 м
В соответствии с программой исследований изучены три варианта распределения геомеханических параметров системы «диагональная выработка - очистной забой»: без применения специальных мероприятий управления горным давлением, после разгрузки угольного целика скважинами длиной 5 м, пробуренными из диагональной выработки, после формирования в кровле пласта трещины гидроразрыва [3, 4] параллельно угольному пласту на расстоянии 10 м от его кровли. Ширина целика между очистным забоем и диагональной выработкой в разных вариантах принималась равной 5, 10 и 40 м.
Обсуждение результатов исследований. Исследование закономерностей распределения геомеханических параметров осуществлено численным методом конечных элементов [5, 6] с использованием авторского комплекса проблемно - ориентированных программ [7]. По результатам моделирования по каждому варианту проводился анализ следующих геомеханических параметров: главных, вертикальных и горизонтальных напряжений и деформаций массива горных пород; отношений остаточной прочности угля и пород к исходной прочности.
На рис. 2 показано распределение коэффициента концентрации вертикальных напряжений при традиционных способах охраны и поддержания передовой выработки [1, 2] при приближении к ней очистного забоя. Согласно графикам распределения коэффициентов концентрации вертикальных напряжений при ширине целика между передовой выработкой и
очистным забоем 10 м отчётливо проявляется взаимодействие обеих выработок.
Расстояние от бока диагональной выработки, м
Рис. 2. Распределение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в окрестности очистного забоя и диагональной печи до проведения специальных мероприятий по управлению горным давлением, ширина целика между диагональной выработкой
и очистным забоем 10 м
Максимальные напряжения, превышающие предел прочности угля при одноосном сжатии, выявлены в угольном целике как на поверхности очистного забоя, так и в боках диагональной выработки.
После проведения мероприятий по управлению горным давлением посредством разгрузки угольного целика скважинами (рис. 3, а) и формирования трещины гидроразрыва (рис. 3, б) произошло существенное изменение напряжённо-деформированного состояния массива горных пород.
Из сравнения графиков на рис. 2 и 3 следует, что после проведения разгрузки угольного целика скважинами вес зависающих пород кровли передаётся на угольный пласт вблизи очистного забоя и на участок пласта дальнего бока диагональной выработки. Следовательно, создаются условия для формирования концентраторов механических напряжений. Упругая энергия формоизменения в этих зонах может быть источником проявления геодинамических явлений в форме горного удара или внезапного выброса угля и газа.
а
Расстояние от бока диагоналбной выработки, м
б
Расстояние от бока диагональной выработки, м
Рис. 3. Распределение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в окрестности очистного забоя и диагональной печи после проведения мероприятий по управлению горным давлением посредством разгрузки угольного целика скважинами (рис. 3, а) и формирования трещины гидроразрыва (рис. 3, б), ширина целика между диагональной выработкой и очистным забоем 10 м
При реализации варианта разгрузки пород над диагональной выработкой (см. рис. 3, б) посредством проведения трещины гидроразрыва механические напряжения в породах кровли диагональной выработки резко снижаются, формируется зона разгрузки, но по закону сохранения энергии вес зависающих подработанных пород кровли передаётся на краевые участки трещины гидроразрыва.
На рис. 4 показаны графики изменения коэффициентов концентрации вертикальных напряжений при реализации трёх способов управления горным давлением. Согласно графикам формирование трещин гидроразрыва приводит к равномерному распределению напряжений вблизи передовой выработки.
До проведения дополнительных мероприятий по управлению горным давлением
После разгрузки угольного целика скважинами длиной 5 м, пробуренными из диагональной выработки
После формирования в кровле пласта трещины гидроразрыва параллельно угольному пласту на расстоянии 10 м от его кровли
Коэффициент концентрации вертикальных напряжений
Рис. 4. Графики изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в угольном целике между диагональной
выработкой и очистным забоем
Изменения прочности угля и пород в окрестности выработок под влиянием напряжений и деформаций в горном массиве представлены на рис. 5. Изменения прочности угля и пород определялись как отношение касательных напряжений по паспорту прочности угля или пород к касательным напряжениям, вычисленным методом конечных элементов.
На рис. 5 ширина целика между диагональной выработкой и очистным забоем 10 м.
а
б
0 0
*
Диагон выра льная ботка ботка V / 19
..... »44аэ-- / / - . - ~ ч 1 • • и** у
Пласт | Целик
— _ — » 1.8-^ /ч
Лава / ч * \
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
Расстояние бока диагональной выработки , м
Раз с грузочнь кважины е
Диагона выраб льная отка \ ,0.9-- \ /4 \ 1
\|( - ч> „-, у
{ Пласт * ^ 1 1 Ы • ЦеАцк^ т
-У О 1 4 Лава
ч / ч
15 -10 -5 0 5 10 15 20
Расстояние т бока диагонаьной выработки, м
Тре гидрор V- щина/ вазрыва С^о7 ас,—
( 1 У К чс ) ■ 0.9 11 , А / / У/ * Г> /у * \[ /
/ / у / ^ ''о Оь ■ ' 1
_—СЦ ( /'' Пласт ' к/1 .-> Цели —— 'орй/С
п 3? в а
Диагонал выраб ьная отка /13 1\ > » /
о 0
15 -10 -5 0 5 10 15
Расстояние от бока диагональной выработки, м
Рис. 5. Распределение отношения остаточной прочности R угля и пород в массиве к прочности угля и пород в лабораторных условиях в окрестности очистного забоя и диагональной печи: а - до проведения специальных мероприятий по управлению горным давлением; б - после разгрузки целика скважинами длиной 5 м
15
15
0
в
15
20
Линия при Я = 0,8 (пунктирная линия) является границей зоны формирования трещин, при Я<0,6 уголь или порода разрушены:
Л = ТП / *мкэ >
где Я - отношение остаточной прочности угля или пород в горном массиве к исходной по паспорту прочности; тп - касательные напряжения, принятые по предельной огибающей паспорта прочности угля или пород при соответствующих нормальных напряжениях, МПа; тмкэ - касательные напряжения, вычисленные методом конечных элементов, МПа.
В программном комплексе принят алгоритм построения огибающей паспорта прочности в виде параболической зависимости, изложенной в монографии [8].
Согласно графикам рис. 5, а без проведения специальных мероприятий по управлению горным давлением угольный целик между передовой выработкой и очистным забоем находится в зоне повышенной трещинова-тости (Я<0,8) и при наличии газа возможны газодинамические явления, что неоднократно подтверждено на практике.
При частичной разгрузке угольного целика скважинами (рис. 5, б) впереди передовой выработки формируется зона трещиноватости. В этом случае следует ожидать опасные динамические явления не только в лаве, но и в передовой выработке. Очевидно, следует проводить разгрузку угольного пласта в обоих боках выработки.
Формирование трещины гидроразрыва в кровле является наиболее безопасным способом обеспечения устойчивости угольного целика передовой выработки (рис. 5, в). Однако для реализации этого способа необходимо проведение дополнительных исследований, так как под влиянием трещины гидроразрыва возникают дополнительные формы проявления горного давления в виде концентраторов напряжений в основной кровле пласта и повышенного риска обрушений пород кровли вблизи очистного забоя.
Выводы. По результатам вычислительного эксперимента выявлены закономерности взаимодействия геомеханических и технологических процессов в окрестности очистного забоя и передовой выработки, пересекаемой этим забоем. Рассмотрены три варианта управления горным давлением: традиционный, с разгрузкой угольного массива скважинами и разгрузкой пород кровли угольного пласта трещинами гидроразрыва.
Установлено, что под влиянием веса подработанных пород кровли в окрестности передовой выработки и очистного забоя вследствие наложения зон опорного горного давления в угольном пласте возникают участки с повышенной концентрацией вертикальных напряжений. При приближении очистного забоя к диагональной выработке повышается риск возникновения опасных динамических явлений в виде горного удара или внезапных выбросов угля и газа.
Применение метода разгрузки угольного целика между очистным забоем и передовой выработкой скважинами позволяет разделить общую эпюру опорного горного давления на два участка: максимальные напряжения в окрестности очистного забоя и минимальные у передовой выработки.
Формирование горизонтальной трещины гидроразрыва в кровле пласта позволяет почти полностью разгрузить породы кровли и почвы передовой выработки, так как основной вес подработанных пород кровли в виде концентраторов напряжений располагается на краевых участках трещины.
Проведена оценка остаточной прочности угля и пород в окрестности очистного забоя и передовой выработки и установлено, что наилучшие условия для обеспечения устойчивости передовой выработки создаются после формирования в кровле пласта трещины гидроразрыва.
На основании изложенного можно сделать вывод, что для обеспечения устойчивости передовых выработок и пересечении их очистным забоем при отработке угольного паста необходимо после проведения диагональных выработок заблаговременно осуществлять формирование трещин гидроразрыва, что позволит разгрузить массив горных пород, снизить затраты на ремонт выработок и осуществлять безремонтное пересечение их высокопроизводительным очистным забоем.
Статъя подготовлена в рамках гранта Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2022-1190).
Список литературы
1. Коровкин Ю.А., Савченко П.Ф. Теория и практика длиннолавных систем. М.: Изд-во «Горное дело», 2012. 808 с.
2. Технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»: альбом / О. И. Казанин [и др.]. М.: Изд-во «Горное дело», 2014. 256 с.
3. Схема оперативного разупрочнения пород основной кровли пласта из подготовительной выработки методом направленного гидроразрыва / В.И. Клишин [и др.] // Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2021. № 7. С. 35-38.
4. Yoshioka K., Bourdin B. A variational hydraulic fracturing model coupled to a reservoir simulator // International Journal of Rock Mechanics and Mining Scienses. 2016. Vol. 88. P. 137-150.
5. Lavrikov S.V., Revuzhenko A.F. Mathematical modeling of deformation of self-stress rock mass surrounding a tunnel // Desiderata Geotechnica: Springer Conference Series. Springer Nature Switzerland AG. 2019. P. 79-85.
6. Серяков В.М. Особенности формирования зон опорного давления и разгрузки при ведении очистных работ на сближенных угольных пластах
// Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2019. № 5. С. 52-55.
7. Фрянов В.Н., Петрова О.А., Петрова Т.В. Комплекс проблемно-ориентированных программ для моделирования формирования и распределения опасных зон в газоносном геомассиве: свидетельство о регистрации электронного ресурса. № 21123, дата регистрации 03 августа 2015 года // Хроники объеденного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» № 08-09 (75-76), август-сентябрь 2015.
8. Проскуряков Н.М. Управление состоянием массива горных пород. М.: Недра, 1991. 368 с.
9. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях под (над) целиками и краевыми частями при разработке свиты угольных пластов мощностью до 3,5 м и с углом падения до 350. Л.: МУП СССР, ВНИМИ, ДонУГИ, КузНИУИ, 1984. 62 с.
10. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. М.: Недра, 1989. 270 с.
Петрова Ольга Александровна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Крестьянинов Александр Владимирович, аспирант,
krestyaninov261096@smail. com, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Максимов Алексей Анатольевич, ген. директор, Altik-shmainhox.ru, Россия, Новокузнецк, ООО «АШМ»,
Шмаков Иван Константинович, аспирант, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет
PATTERNS OF INTERACTION OF GEOMECHANICAL PROCESSES IN A ROCK MASS IN THE VICINITY OF ADVANCED WORKINGS AND A CLEAN-UP FACE DURING UNDERGROUND MINING OF A COAL SEAM
O. A. Petrova, A.V. Krestyaninov, A. A. Maksimov, I. K. Shmakov
A variant of the transition hy a high-performance complex mechanized treatment face of a diagonal mine in the excavation column of a coal mine is considered. According to the results of the computational experiment, the regularities of changes in the stress-strain state and strength properties of the coal seam and its host rocks were revealed. The variants of methods for controlling rock pressure are considered and it is proved that the use of hydraulic fracturing of roof rocks above the advanced mine ensures its operational stability in the zone of influence of the treatment face.
Key words: coal seam, treatment face, advanced production, stresses, deformations, residual strength, fracturing cracks.
Petrova Olga Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Krestyaninov Alexander Vladimirovich, postgraduate,
[email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Maksimov Alexey Anatolyevich, gen. director, Altik-shm@,inbox.ru, Russia, Novokuznetsk, LLC "ASHM",
Shmakov Ivan Konstantinovich, postgraduate, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University
Reference
1. Korovkin Yu.A., Savchenko P. F. Theory and practice of long-range systems. M.: Publishing house "Mining" LLC "Kimmeriysky center", 2012. 808 p.
2. Technological schemes for the preparation and development of excavation sites at the mines of JSC SUEK-Kuzbass: album / O. I. Kazanin [et al.]. M.: Mining of LLC Kimmeriysky Center, 2014. 256 p.
3. The scheme of operational softening of the rocks of the main roof of the formation from the preparatory work by the method of directional hydro-rupture / V.I. Klishin [et al.] // High-tech technologies for the development and use of mineral resources. 2021. No. 7. pp. 35-38.
4. Yoshioka K., Bourdin B. A variational hydraulic fracturing model coupled to a reservoir simulator // International Journal of Rock Mechanics and Mining Scienses. 2016. Vol. 88. P. 137-150.
5. Lavrikov S. V., Revuzhenko A. F. Mathematical modeling of de-formation of self-stress rock mass surrounding a tunnel // Desiderata Ge-otechnica: Springer Conference Series. Springer Nature Switzerland AG, 2019. P. 79-85.
6. Seryakov V.M. Features of the formation of reference pressure and discharge zones during the conduct of cleaning operations on converging coal seams // High-tech technologies for the development and use of mineral resources. 2019. No. 5. pp. 52-55.
7. Fryanov V. N., Petrova O. A., Petrova T. V. Complex of problem-oriented programs for modeling the formation and distribution of hazardous zones in a gas-bearing ge-omass: certificate of registration of an electronic resource. No. 21123, registration date 03 Aug-sta 2015 // Chronicles of the united fund of electronic resources "science and education" No. 08-09 (75-76) August-September 2015.
8. Proskuryakov N. M. Management of the state of the rock mass. M.: Nedra, 1991.
368 p.
9. Instructions for controlling rock pressure in treatment faces under (above) the pillars and edge parts during the development of a formation of coal seams with a capacity of up to 3.5 m and with an angle of incidence up to 350. l.: Municipal Unitary Enterprise of the USSR, VNIMI, DonUGI, KuzNIUI, 1984. 62 p.
10. Bulychev N.S. Mechanics of underground structures in examples and tasks. M.: Nedra, 1989. 270 p.
