Исследование на физических моделях процессов сдвижений при подземной разработке угольных пластов в поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© О.И. Казаннн, Б.Ю. Зуев, A.A. Мешков, 2012

УДК 622.27

О.И. Казанин, Б.Ю. Зуев, А.А. Мешков

ИССЛЕДОВАНИЕ НА ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ ПРОЦЕССОВ СДВИЖЕНИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ПОЛЕ ШАХТЫ «КРАСНОЯРСКАЯ» ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»

Представлены результаты исследований на моделях из эквивалентных материалов аномальных сдвижений земной поверхности, вызванных отработкой запасов поля шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Ключевые слова: подземная разработка, угольный пласт, сдвижение поверхности, физическое моделирование.

В результате подземной отработки пологого пласта Бай-каимский мощностью 2,6 м в поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» над выемочными участками 1310, 1308, 1306 при глубине разработки 300 - 100 м образовались провальные трещины шириной до 7 м, глубиной до 3,5 м и протяженностью до 500 м и более (рис.1). Образование трещин не было спрогнозировано расчетами по действующим отраслевым нормативным документам [1]. Такой вид деформирования подработанной толщи не характерен для отработки пологих пластов на глубинах превышающих 20т (т - мощность угольного пласта) и входит в противоречие с установившимися, общепринятыми представлениями о характере и параметрах процесса сдвижения пород в данных условиях.

В связи с этим была поставлена цель подробного исследования процессов, происходящих в толще мощных наносов, достигающих 50—60 м на физических моделях из эквивалентных материалов (ЭМ), особенно эффективных при необходимости учета таких факторов, как разрывы сплошности массива и эволюция его

структурных параметров. Это потребовало решения следующих основных задач:

• разработать и изготовить стенд для физического моделирования;

• воспроизвести всю толщу наносов (50-60 м) на основе критериев подобия;

• смоделировать опускание коренных пород на их границе с наносами и формирование мульды сдвижения при последовательной отработке двух выемочных участков по пласту Байкаим-ский и одного - по пласту Полысаев-ский при мощности пластов, соответственно, 2,6 и 4,6 м с углами падения 8-10о учетом усредненных натурных данных, близких к параметрам моделируемого массива (рис. 2);

• определить параметры смещения и трещинообразования в толще наносов до дневной поверхности с учетом заданной; последовательности отработки лав и развития процессов сдвижений во времени.

Подбор эквивалентных материалов, обеспечивающих воспроизведение физико-механических свойств и структуры горного массива, играет ключевую роль при решении всех моделируемых геомеханических процес-

сов. Разработка рецептуры изготовления ЭМ велась с учетом основных факторов, определяющих физическую суть данного процесса и физико-механических параметров моделируемых наносов, представленных супесями и суглинками.

Свойства суглинков и супесей в общем случае характеризуются полной графической диаграммой прочности

в виде огибающей предельных кругов напряжения, характеризующих начало пластического течения материала.

Однако, при расчете диаграмм для сыпучих и связных материалов достаточно использовать основные константы для данного типа материалов (табл. 1): величину сцепления С с размерностью напряжений и безразмерный коэффициент 1дф (где ф - угол внутреннего трения). Такой подход полностью соответствует методике, используемой в механике грунтов, также базирующейся на теории прочности Кулона-Мора с прямолинейными огибающими предельных кругов Мора.

При подборе ЭМ для наносов, представленных супесями и суглинками, для соблюдения условий подобия процессов их деформирования и разрушения, необходимо соблюсти следующие равенства, связывающие параметры модели и натуры через линейные масштабы а] и соотношение удельных весов ау.:

1 =1= 1 м

У и

фм = tg фн

См = 4- * С = а, * а

I „ и 1 У

С

(1) (2)

Рис. 1. Трещины на поверхности (фото предоставлены маркшейдерской службой шахты «Красноярская»)

С учетом выбранного линейного масштаба моделирования а] = 1:140 и масштаба удельных весов яу = ар = = 1,27 были подобраны ЭМ, удовлетворяющие критериям подобия (табл. 2)

Для решения поставленных задач был разработан и изготовлен стенд для физического моделирования (рис. 3), воспроизведена вся толща наносов (5060 м) из разработанных ЭМ, смоделировано опускание коренных пород на их границе с наносами и формирование мульды сдвижения с помощью специально разработанного механизма при последовательной отработке

Рис.

Таблица 1

Типы и свойства моделируемых пород

Тип породы Сн , МПа Ф, град р, кг/м3

Супеси, суглинки 0,011 18-23 1850-1920

п/п Физико-механические параметры Моделируемый тип наносов

супеси суглинки

1 Состав компонентов ЭМ кварцевый пе- кварцевый пе-

сок+солидол сок+солидол+веретенное

(100:1,5) масло (100:1,0:5,0)

2 Условия перемешивания без подогрева с подогревом до 40°С

смеси ЭМ

3 Сцепление С, МПа 1,910-4 4,210-4

4 Угол внутреннего трения 1дф 30° (0,58) 26° (0,49)

5 Модуль деформации, МПа 0,69 0,62

6 Коэффициент Пуассона 0,3 0,3

Таблица 2

Физико-механические параметры ЭМ

выемочных участков на пластах, мощностью соответственно, 2,6 и 4,6 м с углами падения 8-10о учетом усредненных натурных данных, близких к параметрам моделируемого массива (рис.4). При этом воспроизводилось поэтапное оседание дневной поверхности в центре мульд в диапа-

зоне от 12 до 80 % от мощности извлекаемых пластов, перекрывающим известные натурные данные по величинам оседаний при различных параметрах кровли, обрушающейся в выработанное пространство при стабилизации величины оседания на каждом этапе (табл. 3).

Рис. 3. Фото стенда 1,8х0,4х0,5 м для изготовления и исследования моделей из эквивалентных материалов

Таблица 3

Этапы моделирования процессов сдвижений

№ Лтах / ^чг

этапа 1 лава, 1 и 2 ла- 1 лава,

пласт 2,6 ва, пласт пласт

м 2,6 м 4,6 м

1 0,12 0,15 0,12

2 0,24 0,30 0,24

3 0,36 0,45 0,36

4 0,48 0,60 0,48

5 0,6 0,8 0,6

Параметры вертикальных смещений определялись с помощью репер-ных марок, установленных на передней поверхности модели на различных горизонтах, динамика развития и параметры трещин - с помощью современных цифровых фотокамер с погрешностью 0,05 - 0,1 мм.

В соответствии с Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [1] зоны опасного влияния и углов сдвижения по наклону составляют 1 = 4 *10-3, по кривизне - к = 0,2*10-3.

Величина оседаний репера определяется по формуле:

П = Ип_! - Ип , (3)

Рис. 4. Развитие и смыкание трещин на модели при последовательной отработке выемочных участков

О Д015

оло1

одой

-одой

-0001

-0Д015

Рис. 5. Оседание дневной поверхности при отработке пластов 2,6 и 4,6 м

0Д4

свз

0р2

0Д1

-0Д1

-0р2

✓ \

7 у У

■ 5 ) К 0 Г к 21 0 2! 0 30

л.

-1 и2л.1(и -1 л.

Рис. 6. Наклоны дневной поверхности при отработке пластов 2,6 и 4,6 м

где Нп_г — отметка репера из предыдущего или начального наблюдения; Нп — отметка репера из последующего наблюдения.

По данным оседания реперов определяют наклоны и кривизну. Наклоны определяют по формуле:

1 =

Пп -П

п-1

6

(4)

где цп — вертикальное сдвижение переднего репера; пп-1 — вертикальное

сдвижение заднего репера, 6 — горизонтальная длина интервала между реперами (от начального наблюдения).

ооо1

ооом

-00005

-0001

-00016

• 1 л. --1л. Ми

Рис. 7. Кривизна дневной поверхности при отработке пластов 2,6 и 4,6 м

Наклоны - величины безразмерные. При построении графиков вертикальных деформаций (наклонов) величины их относят к середине интервала.

Кривизну определяют по формуле:

(5)

к = ( К - П-1) / ^

где 1п — наклон последующего ин-

тервала; 1п-1 интервала,

— наклон предыдущего

^ =(*п - )/2 —

полусумма горизонтальных длин последующего и предыдущего интервалов (из начального наблюдения).

При построении графиков полученную кривизну относят к общей точке смежных интервалов. Радиус кривизны (величину, обратную кривизне) определяют по формуле: Я = 1/к и выражают в километрах.

В соответствии с приведенными формулами и с учетом масштаба моделирования были построены зависимости пересчитанные на условия натуры и приведенные на рис. 5, 6, 7.

Анализ полученных данных показывает, что:

• при максимальных оседаниях при отработки пластов 2,6 и 4,6 м, составляющих от 60 до 80 % от мощности пласта при минимальных оседаниях до 20 % на дневной поверхности наносов над центральным целиком образуется несколько трещин с максимальным раскрытием до 0,8 м после отработки 1 лавы пласта 2,6 м и 1,4 м - после отработки 2 лавы пласта 2,6 м;

• в ходе отработки пласта 4,6 м при отработке 1 лавы произошло смыкание трещин с максимальным раскрытием трещин до 0,15-0,2 м при увеличении их числа;

• максимальные оседания дневной поверхности при отработке 1 лавы 2,6 м составили 1,68 м, 2-ой лавы 2,6 м - 2,2 м, 1 лавы 4,6 м - 3,7 м;

• максимальные наклоны дневной поверхности после отработки 1 лавы 2,6 м превышали допустимые пределы в 3,8 раза, 2-ой лавы 2,6 м - в 7,5 раз, 1 лавы 4,6 м - в 3,9 раза;

• максимальная кривизна дневной поверхности при отработке 1 лавы 2,6 м превышали допустимые пределы в 1,7 раза, 2-й лавы 2,6 м - в 6,5 раз 1 лавы 4,6 м - в 1,3 раза;

• максимумы оседаний наблюдались в краевых зонах моделируемого участка 250 м над центрами мульд при отработке 1 и 2 лавы пласта 2,6 м и над центром мульды от 1 лавы пласта 4,6 м;

• максимальные наклоны были смещены от вертикальной проекции центра целика между 1 и 2 лавы пласта 2,6 м на 35 вправо и влево от нее; а после отработки 1 лавы пласта 4,6 м - на 25 м влево от нее;

• максимальная кривизна была зафиксирована после отработки 1 и 2 лавы пласта 2,6 м (1,3* 10-3) над вертикальной проекцией центра целика в месте расположения трещины с максимальным раскрытием 1,4 м, а минимальная после отработки 1 лавы

пласта 4, 6 при уменьшении на порядок раскрытия этой и других трещин (рис. 4).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности существенного снижения раскрытия трещин земной поверхности или полного их смыкания после отработки пласта Полысаевский мощностью 4,6 м при условии расположения целиков этого пласта над максимумами мульд при отработке выемочного столба по пласту Байкаимский мощностью 2,8 м при условии отработки 1 лавы пласта 4,6 м.

Для прогнозирования смещений и деформаций поверхности при отработке в поле шахты Красноярская пласта Полысаевский мощностью 4,6 м необходимо проведение дополнительных исследований влияния на параметры сдвижения скорости подвигания лавы, а также взаимного расположения целиков на сближенных пластах.

1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - СПб.: ВНИМИ, 1998. -291 с.

2. Исследование и разработка комплекса рекомендаций по повышению эффективно-

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

сти технологии и снижению негативного воздействия подземной угледобычи на подрабатываемые земельные участки шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс»: Отчет о НИР. — Рук. Ка-занин О.И. - СПб.: СПГГУ, 2011. 102 с.

3. Peng S.S. Coal Mine Ground Control. — West Virginia University, 2008. P. 7 50. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Казанин О.И. — доктор технических наук, Зуев Б.Ю. — кандидат технических наук, zuev_bu @spmi.ru Санкт- Петербургский государственный горный университет, Мешков A.A. — горный инженер, ОАО «СУЭК-Кузбасс».

_д