CC BY
41
III. Технологические вопросы безопасности горных работ
УДК 622.831.242.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИХ УСТОЙЧИВОСТЬ И ПЕРИОДИЧНОСТЬ ОБРУШЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ НА ПЛАСТАХ ПОЛОГО ПАДЕНИЯ ПРИ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ УГЛЕДОБЫЧИ
Определены зависимости шагов обрушения пород кровли в очистных забоях при современных условиях ведения горных работ.
Ключевые слова: ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, РАЗРУШЕНИЕ, ШАГИ ОБРУШЕНИЯ, ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО МАССИВА, СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ, НАПРЯЖЕНИЕ В НЕТРОНУТОМ МАССИВЕ, ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПОРОД НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ, УГОЛ ПАДЕНИЯ ПЛАСТА, ДЛИНА ЛАВЫ, СКОРОСТЬ ПОДВИГАНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ
Процессы, протекающие в горном массиве, а именно: трещинообразование, расслоение, а также перераспределение напряжений в призабойной зоне угольного пласта и в подработанном горном массиве, процессы упругого восстановления пород обусловливают периодичность и устойчивость обрушения пород кровли в выработанном пространстве очистного забоя. Все эти процессы зависят как от горно-геологических условий отработки, так и от технологии ведения горных работ.
Рассматривая процесс разрушения горных пород с позиции механики, некоторые авторы [1] принимают для условий длинных лав в качестве расчетных - схемы однопролетных балок, защемленных в точке максимума опорного давления. В период до первого обрушения - это балки, защемленные с двух концов, а в режиме установившегося процесса движения - с одного (т.е. консольные). Балки нагружены собственной массой и массой вышележащих менее жестких слоев ц. Эта нагрузка вызывает изгибающие моменты и поперечные силы, которые принимают максимальные по абсолютной величине значения в точках защемления. Разрушение подобных систем происходит под действием растягивающих напряжений а от изгибающих моментов и касательных (и сдвигающих) напряжений т от поперечных сил при сдвиге, т.е. сцепления с. Величину пролета кровли, при которой происходит ее разрушение от деформаций растяжения (отрыва) а или сдвига (скола) а можно определить по известным формулам теории изгиба балок [1]:
Таким образом, размер зависающих слоев кровли зависит от прочностных параметров: пределов прочности при растяжении а при сжатии аж, сдвиге (сцепления) с и угла внутреннего трения р, величины которых в свою очередь
(1)
2 с
(2)
зависят от скорости деформации, а следовательно, от скорости под-вигания очистного забоя. Как показали исследования, прочностные и деформационные свойства горных пород увеличиваются с увеличением скорости приложения нагрузки, т.е. с увеличением скоростей под-вигания зависание пород кровли увеличивается.
Для более детального рассмотрения поведения пород в зоне опорного давления воспользуемся аналитико-экспериментальным способом, разработанным в ВостНИИ более 30 лет назад и использовавшимся для оценки уда-ро- и выбросоопасности очистного забоя [2].
Особенностью данного способа прогноза ударо- и выбросоопас-ности очистных забоев является то, что основной упор делается на определение первичного и последующего шагов обрушения пород кровли г и Т2р, и на основании численных значений этих параметров происходит определение основных величин (коэффициент концентрации напряжений, расстояние от забоя до максимума опорного давления, зоны опорного давления, напряжение в максимуме опорного давления, показатели ударо- и выбросоопасности), характеризующих геомеханическое состояние в окрестности выемочного участка.
Геомеханическое состояние горного массива в окрестности очистного забоя зависит от размера зависающей консоли пород кровли, периодичности ее обрушения, и, как следствие, изменение величин первичного и последующего шагов обрушения пород кровли играет одну из основных причин возникновения опасных газодинамических явлений при ведении горных работ.
В связи с этим возникла острая необходимость в определении новых зависимостей для шагов обрушения пород кровли, адекватно оценивающих их в современных условиях, обеспечивающих высокие нагрузки на выемочный участок.
Проведя анализ горногеологических и технологиче-
ских условий ведения горных работ в 60-70-е годы прошлого века (время разработки аналитикоэкспериментального метода), приходим к выводу о том, что в настоящее время значительно возросли скорости подвигания и длина очистных забоев, а также увеличилась глубина ведения горных работ в шахтах Кузнецкого угольного бассейна.
НЦ ВостНИИ был проведен комплекс исследований и натурных экспериментов, заключавшихся в определении фактических шагов обрушения пород кровли при современном уровне ведения очистных работ высокопроизводительными механизированными комплексами. Исследования проводились в действующих очистных забоях угольных шахт Кузбасса, что позволило выявить ряд физических закономерностей и увязать природные и технологические факторы. Они проводились в широком диапазоне начальных данных: глубина ведения горных работ составляла от 170 до 790 м, длина выемочного участка от 160 до 302 м, угол падения пласта 3...150, вынимаемая мощность угольного пласта 1,6...4,5 м, скорость подвигания очистного забоя от 2,4 до 14 м/сут, средневзвешенный коэффициент крепости угля изменялся от 0,4 до 1.
Для определения шагов обрушения основной кровли (первичного и последующего) в 38 очистных забоях угольных шахт различных геологи-
ческих районов Кузбасса проводились натурные измерения в горногеологических и горнотехнических условиях, сложившихся в данный момент.
Первичный и последующий шаги обрушения определялись с помощью манометров, установленных на гидравлических стойках в различных частях лавы (в 15 м от вентиляционного штрека, посередине выемочного участка, в 15 м от конвейерного штрека), по показаниям аппаратуры газового контроля при комбинированных схемах проветривания, расположенной на поверхностных газоотсасывающих установках, или по результатам наблюдения за смещениями крепи и обрушением кровли по звуковым эффектам, а также размерам непосредственно обрушившихся пород. Результаты расчета и фактические данные по первичному и последующему шагам обрушения пород кровли были проанализированы по 38 выемочным участкам шахт Кузбасса. Расчетные значения первичного и последующего шагов обрушения пород кровли определялись по формулам (3, 4, 5, 6).
Проведя сравнительный анализ данных, полученных расчетным методом определения шагов посадки кровли [2], данных скорректированного метода расчета, в котором изменено влияние скорости подвигания очистного забоя, и фактических данных, полученных в ходе натурных наблюдений на угольных шахтах, получаем, что у расчетного метода [2] среднее значение относительной погрешности для первичного и последующего шагов обрушения составило 31 %, в то время как у скорректированного метода оно составило для первичного шага 14 %, а для последующего -17 %.
00
О)
&Э1
^1
На
М
й|
СО
50
I г <0 * .
I 5
ш ж 30 * *
а Е Ф г
С О
1 | 20
Т “
* ■*
5 'Я
й а.
0 +-
4
20 40 60 ВО 100 120
Фактический первичный шаг обруш^нил Г|, лл
Рисунок 1 - Данные фактического первичного шага обрушения пород кровли к расчетным данным, полученным более 40 лет назад
0 20 40 60 80 100 120
Фактический первичный шаг обрушения г,, м
Рисунок 3 - Данные фактического первичного шага обрушения пород основной кровли к расчетным данным, полученным по скорректированным
зависимостям
5 10 л 15 20
Фактический последующий шл обрушения г> м
Рисунок 2 - Данные фактического последующего шага обрушения пород кровли к расчетным данным, полученным более 40 лет назад
гг= 1 .СПгаР* = 0,30
5 10 15 30
Фактический после дующий шаг обрушения г?. м
25
Рисунок 4 - Данные фактического последующего шага обрушения пород основной кровли к расчетным данным, полученным по скорректированным
зависимостям
III. Технологические вопросы безопасности горных работ
На рисунках 1 и 2 приведены данные фактических первичного и последующего шагов обрушения пород кровли к расчетным данным по зависимостям, полученным более 40 лет тому назад. Рассматривая данные диаграммы, видим, что расчетный метод не в полной мере отражает существующие закономерности при определении шагов обрушения пород кровли.
На рисунках 3, 4 показаны данные фактических первичного и последующего шагов обрушения пород кровли к расчетным данным по скорректированным зависимостям с учетом влияния скорости подвигания очистного забоя. Данные, приведенные на графике 3, хорошо аппроксимируются (корреляционное отношение 0,84) линейной зависимостью вида г1=1,042 г1ризм. Отношение значений последующих шагов обрушения, фактически определенных в очистных забоях, к расчетным, определенным при помощи скорректированной зависимости, аппроксимируем (корреляционное отношение 0,80) линейной зависимостью вида Т2=1,011 г^™.
Исходя из рисунков, приведенных выше, видим, что формулы (3) и (4) нуждаются в корректировке и уточнении с учетом современного уровня развития техники и технологии:
Г и,~В1'
(1 + 8т-а)-51-^ .
’ (3)
Г2,
=Вг
(1 + 8т-а)-8с^-А/Г
(4)
где а - угол падения пласта, град;
30 - напряжение на глубине разработки Н, м;
у - среднесуточная скорость подвигания очистного забоя, отнесенная к 1 м, м/сут;
- длина лавы по падению пласта, м;
Оо - параметр, равный 3,5 м;
В1, В2 - размерные параметры, соответственно равные 26 и 5 м.
Используя выражения, полученные при аппроксимации зависимостей шагов обрушения, имеем новые размерные параметры В1изм и В™ для определения шагов обрушения горных пород - как первичного, так и последующего:
изм — ту изм
г1р ~В1
{\ + Бт-а)-Ь°сж-У
(5)
5 •
Ггр
=в2я
(1 + £ш-<х)-81-К
(6)
6 •
где В1изм, В2изм - новые размерные параметры, соответственно равные 27,092 и 5,06.
На рисунках 5-6 в качестве примера приведены зависимости первичного и последующего шагов обрушения пород кровли от среднесуточной скорости подвигания лавы. На рисунках 7 и 8 показаны зависимости данных параметров от длины лавы по падению пласта.
00
00
щ
wl
^1
Hi
ffll
SI
№
III. Технологические вопросы безопасности горных работ
Выводы
На основании проведенных экспериментальных исследований по определению закономерностей и зависимостей устойчивости и периодичности обрушения пород кровли в очистных забоях угольных шахт установлено:
1 Современный уровень развития техники и технологии ведения очистных работ в угольных шахтах, а именно увеличение скоростей под-вигания забоев, которые зачастую достигают 15-20 м/сут, увеличение длины выемочных участков свыше 250 м, вынимаемой мощности угольного пласта, а также глубины горных работ, требует пересмотра и переоценки ряда геомеханических закономерностей. Исходя из этого,
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Динамические формы проявлений горного давления / В.Б. Артемьев, ПИ. Коршунов, А.К. Логинов, В.М. Шик. - СПб.: Наука, 2009. - 347 с.
2 Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ на основе исследований геомеханических процессов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.25.01. - Кемерово, 1979. - 363 с.
PROCESSES CONDITIONING STABILITY AND PERIODS OF ROOF Ботвенко
COLLAPSE IN COAL CUTTING FACES AT FLAT COAL SEAMS STUDY Денис Вячеславович
WITH MODERN MINING TECHNOLOGY е-mail: 642935@rambler.ru
D.V. Botvenko
Dependences of roof collapse steps in coal cutting faces at modern mining
methods are determined.
Key words: MINE ROCK, CRUSHING, COLLAPSE STEPS, ROCK MASS
GEOMECHANICAL CONDITION, STRUCTURE MODEL, STRESS
IN UNTUCHED ROCK MASS, STRENGTH LIMIT FOR UNIAXIAL
COMPRESSION, SEAM INCLINATION ANGLE, LONG PILLAR LENGTH,
COAL CUTTING FACE ADVANCE SPEED
необходима разработка нормативных документов, регламентирующих процедурные и организационные мероприятия, обязательные для угольных предприятий по прогнозу и предотвращению негативных газодинамических явлений.
2 Количественное изменение пер-
вичных шагов обрушения пород основной кровли варьируется в широком диапазоне - от 30 до 100 м и в первую очередь зависит от основных технологических параметров отработки: скорости подвигания
очистного забоя, длины выемочного участка, глубины ведения горных работ.
3 Определение шагов посадки горных пород кровли в очистных за-
боях (первичного и последующего) при современной технологии ведения горных работ производится при помощи структурной модели, в основе которой лежат: напряжение в нетронутом массиве, предел прочности пород на одноосное сжатие, угол падения пласта, длина лавы и скорость подвигания очистного
забоя в зависимости а/^/
4 По результатам обработки данных шахтных исследований получены новые размерные параметры, необходимые для определения количественных значений шагов обрушения пород кровли: первичного В1изм и последующего В2изм, которые соответственно равны 27,092 и 5,06.
научно-технический журнал № 2-2012
ВЕСТНИК
89
