CC BY
20
УДК [622.831:622.273.3]:519.876.5
А.А. Черепов, С.Н. Ширяев, В.Ю. Кулак
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГЕОМАССИВА ПРИ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ МОЩНОГО ПОЛОГОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Приведены результаты численного моделирования геомеханических процессов в угольных целиках, породах кровли и почвы камер при послойной отработке мощного пологого угольного пласта камерно-столбовой системой разработки. Для численного моделирования применен метод конечных элементов в двумерной постановке с определением полного вектора напряжений и деформаций, вертикальных и горизонтальных смещений угольного пласта и вмещающих пород, отношения остаточной прочности угля и пород к исходной прочности, энергии формоизменения для прогноза очагов горных ударов. Рассмотрены варианты изменения параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива в зоне влияния одиночной камеры, при частичной выемке междукамерного целика заходками, взаимном влиянии нескольких камер. Выявлены концентраторы предельных напряжений в угольных целиках и почве камер. Зоны повышенного риска возникновения горных ударов после проведения 5—6 камер расположены в окрестности крайних камер.
Ключевые слова: горный массив, напряженно-деформированное состояние, численное моделирование, метод конечных элементов, комплекс программ, повышенное горное давление, целик, угольный пласт, выемочная камера, отжим угля в боках выработки.
Введение
Возможность отработки мощных пологих угольных пластов системами разработки с короткими забоями подтверждена еще в 1964 г. авторитетными учеными и практиками [2]: Н.И. Линденау, А.П. Судоплатовым, Т.Ф. Горбачевым, Л.Д. Шевяковым. Наиболее эффективной системой разработки мощных пластов короткими забоями в период 60— 70-х годов прошлого столетия оказался вариант с применением гидравлического способа выемки угля [1, 3, 4]. В условиях Томь-Усинского месторождения Куз-
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-170-178
басса при отработке мощных пластов III и IV—V различными вариантами систем разработки с короткими забоями с применением взрывного разрыхления угля и гидротранспортом горной массы получена производительность труда рабочего по участку 5,0—9,8 т в смену при потерях угля 29—43% [1].
С увеличением глубины разработки пласты Томь-Усинского угольного месторождения были отнесены к склонным к горным ударам, и системы разработки короткими столбами были запрещены.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 170-178. © А.А. Черепов, С.Н. Ширяев, В.Ю. Кулак. 2017.
Объект и методы исследования
В ООО «Распадская угольная компания» было принято решение применить для отработки пласта III в условиях шахты ЗАО «Распадская-Коксовая» камерно-столбовую систему разработки (рис. 1). Сущность варианта камерно-столбовой системы состоит в отработке мощного пласта слоями, в каждом слое проводится камера, которая расширяется при движении выемочного комбайна обратным ходом.
Пласт III — один из самых мощных на участке «Поле шахты № 2», выдержанный, строение от простого до очень сложного. Содержит более 8 прослоев породы мощностью 0,05—0,40 м, представленных аргиллитами и алевролитами. Мощность пласта от 7,86 до 13,03 м, в среднем 10,64 м. Выше пласта III на расстоянии 38—40 м залегает пласт I. Ложная кровля представлена аргиллитами. Непосредственная кровля пласта мощностью 17,4 м представлена алевролитами крупно- и мелкозернистыми. На границе непосредственной и основной кровли залегает угольный пласт мощностью 0,1—0,4 м. Основная кровля представлена песчаниками светло-серыми, мелкозернистыми, характеризуется как труднообрушающаяся. Непосредствен-
ная почва представлена алевролитами мелкозернистыми с переслаиванием алевролитов с песчаниками, местами трещиноватая.
Глубина горных работ на участках КСО 1—1 КСО 1—2 составляет 300— 370 м. Проектная мощность участка 300 тыс. т в год.
Для разработки проектной документации предварительно были получены заключения и рекомендации ВНИМИ по обоснованию основных параметров камерно-столбовой системы разработки пласта III на участках КСО 1—1 и КСО 1—2 в условиях ЗАО «Распадская-Коксо-вая». В соответствии с заключениями и рекомендациями в проекте приняты следующие параметры короткозабойной системы разработки: ширина камеры 6 м, ширина целика-столба между камерами 6—8 м, ширина барьерного целика между соседними блоками 18—39 м. Обязательным условием является проведение прогноза удароопасности. Теоретическое обоснование параметров системы разработки для условий пласта III приведено в статье ведущих ученых [5, 6], в которой посредством сравнения характера распределения опорного горного давления доказано, что вероятность горного удара как при отработке угольного пла-
Рис. 1. Проект отработки пласта III короткими забоями, выемочные блоки КСО 1—1 и КСО 1—2, шахта ЗАО «Распадская-Коксовая»
-10 -8 -6 -4 -2 О 2 4 6 8 10
Расстояние от оси модели, м
Рис. 2. Изолинии распределения коэффициента дезинтеграции угля и пород после проведения первой камеры по верхнему слою
ста длинными очистными забоями, так и кроткими почти одинаковая. Сложность управления горным давлением на экспериментальном участке состоит в необходимости проведения противоударных мероприятий в угольных целиках и краевых участках пласта.
Для выявления характера распределения напряженно-деформированного состояния (НДС) углепородного массива в пределах участков КСО 1-1 и КСО 1-2 ЗАО «Распадская-Коксовая» было проведено численное моделирование методом конечных элементов. По результатам моделирования вычислялись следующие параметры: полный вектор напряжений и деформаций, вертикальные и горизонтальные смещения угольного пласта и вмещающих пород, отношение остаточной прочности угля и пород к их исходной прочности (коэффициент дезинтеграции), энергия формоизменения для прогноза очагов горных ударов. При исследовании использовался пакет объектно-ориентированных программ, разработанный на кафедре геотехнологии СибГИУ [7]. Правило знаков расчетных параметров: напряжения и деформации сжатия отрицательные, растяжения — положительные;
смещения пород и пласта: оседания — отрицательные, пучения — положительные.
Исследования проведены поэтапно:
1 этап — распределение НДС в окрестности одиночной камеры при слоевой выемке пласта;
2 этап — распределение НДС в окрестности одиночной камеры при расширении ее обратным ходом заходками;
3 этап — распределение НДС в окрестности нескольких камер в пределах блока.
Результаты и обсуждение
Распределение НДС в окрестности
одиночной камеры при слоевой
выемке пласта
На рис. 2 показаны изолинии распределения коэффициента дезинтеграции угля и пород в окрестности камеры верхнего слоя. Коэффициент дезинтеграции вычислялся как отношение остаточной прочности к исходной прочности по формуле:
К = а /а 0, (1)
дез сж ост сж0' 4 '
где Кдез — коэффициент дезинтеграции угля и пород; асж ост — остаточная прочность угля или пород при сжатии, определяется по вычисленным напряжени-
ям и паспорту прочности, построенному по теории Кулона-Мора; асж0 — предел прочности угля или пород, определяется по результатам лабораторных или шахтных исследований.
На основе сравнения результатов численного моделирования и шахтных измерений величин отжима угля с боков, пучения пород почвы и вывалов пород кровли подземных выработок шахт Кузбасса установлены следующие критерии состояния угля и пород:
• при Кдез > 0,7 — уголь или порода находятся в устойчивом состоянии, дополнительные трещины не образуются, разрушения отсутствуют;
• при изменении Кдез в пределах 0,5—0,7 уголь или порода на контуре выработки находятся в упруго-пластическом состоянии, возможно образование трещин, блоков;
• при Кдез < 0,5 уголь или порода находятся в запредельном состоянии, разрушены, в боках возможен отжим угля, в кровле вывалы, в почве параллельно оси выработки образуются трещины шириной до 300 мм, происходит пучение пород.
В соответствии с указанными критериями в окрестности камеры по верх-
нему слою пласта III следует ожидать отжим угля в боках выработки глубиной до 0,5 м, пучение нижней угольной пачки с формированием трех трещин: по бокам и в середине выработки. По трещинам в боках выработки из нижних слоев пласта возможно выделение в выработку метана. В кровле выработки формируется блочная структура, то есть необходимо обязательно проводить крепление пород кровли.
Соответствие расчетных и фактических параметров деформирования угля и пород подтвердилось при отработке пласта III в виде пучения угольной пачки в почве, отжима угля с боков камеры.
Характер распределения зон упруго-пластического и запредельного состояния угля и пород подтверждается величинами смещений угля и пород на контуре камеры.
Наиболее опасные концентрации вертикальных и горизонтальных напряжений выявлены в боках и почве выработки, а также на контакте породы кровли и угольного пласта (рис. 3). Результаты расчетов подтверждают, что потеря устойчивости угольных целиков возможна за счет выдавливания угля в камеру по контактам уголь-порода.
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Расстояние от оси модели,м
Рис. 4. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений после отработки и расширения заходками первой камеры по верхнему слою
Распределение НДС в окрестности первой отработанной на полную мощность пласта камеры На следующем этапе исследований изучено распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности отработанной на полную мощность пласта камеры с расширением заходками и с учетом влияния соседних выработок на верхнем слое (рис. 4).
20
= 15
га н
о. &
ь
0
1 О х
-10
Как следует из рис. 4, произошло перераспределение вертикальных напряжений с формированием зон опорного горного давления в угольных целиках и на контуре выработок. Разрезную печь КСО 3—1 и выемочную камеру по верхнему слою следует рассматривать как компенсационные выработки, в окрестности которых коэффициенты концентрации вертикальных напряжений достигают 1,7, а в кровле и почве
10 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Расстояние от оси модели, м
напряжения после отработки и расширения заходками первой камеры
-15 -20
Рис. 5. Горизонтальные по верхнему слою
Рис. 6. Изолинии распределения коэффициента дезинтеграции угля и пород после отработки первой камеры на полную мощность пласта
выработок горный массив разгружен. Максимальные горизонтальные напряжения сжатия (рис. 5) также формируются в окрестности крайних выработок по верхнему слою. В почве камеры горизонтальные напряжения растягивающие.
По характеру распределения горизонтальных напряжений на расстоянии
17—18 м от кровли пласта выявлены вероятные разрушения пород кровли, границу которых следует рассматривать как высоту свода естественного равновесия.
Наличие смещений и разрушения пород кровли по контакту на расстоянии 17—18 м от кровли пласта подтверждается графиками рис. 6, где показано
1 - Разрезная печь
2 - Заходки1
3 - Выемочная камера 1
4 - Заходки 2
5 - Выемочная камера 2
6 - Заходки 3
7 - Выемочная камера 3
8 - Заходки 4
9 - Выемочная камера 4
10 - Заходки 5
11- Выемочная камера 5
12 - Заходки 6
13 - Выемочная камера 6
-60 -50 -40 -30 -20
Расстояние от оси модели, м
Рис. 7. Изолинии распределения отношения коэффициента дезинтеграции угля и пород после отработки и расширения заходками пяти камер первого блока: ширина камер 7 м, заходок и целиков 3,5 м
распределение коэффициента дезинтеграции угля и пород.
Как следует из рис. 6, произошло перераспределение зон запредельного состояния угля и пород в угольные целики между выработками и породы почвы. Разрезную печь КСО 3—1 и выемочную камеру по верхнему слою следует рассматривать как компенсационные выработки.
Перераспределение вертикальных и горизонтальных напряжений привело к увеличению площади зоны пучения угля в почве всех выработок
Распределение НДС в окрестности отработанных камер первого блока с расширением камер заходками Геомеханическая ситуация после отработки первой и последующих соседних камер на полную мощность пласта существенно усложнилась (рис. 7).
Уголь в целиках между камерами деформировался и перешел в упруго-пластическое или запредельное состояние. В породах кровли над камерами образовались локальные своды естественного равновесия. Породы почвы под целиками также частично разрушились.
Характерной особенностью деформирования пород кровли является замыкание локальных сводов над камерами в общий свод высотой 17—18 м. Выше этого свода и зоны расслоения формируется вторичный свод до высоты 30 м от кровли пласта. Наличие общего свода над блоком подтверждается симметричным распределением вертикальных напряжений (рис. 8).
Согласно рис. 8, над средними камерами возникла зона частичной разгрузки вертикальных напряжений, а максимальные значения опорного горного давления выявлены в краевых частях блока. Наиболее опасная по горным ударам ситуация возникла в окрестности разрезной печи КСО 3—1 и в целике между этой печью и первой камерой. В почве пласта под камерами выявлены растягивающие вертикальные напряжения, что подтверждает возможность пучения пород почвы.
Выводы
На основе анализа результатов численного моделирования и сравнения их с измеренными в шахтных условиях величинами пучения угля и пород в почве
Расстояние от оси модели, м
Рис. 8. Изолинии распределения коэффициента концентрации вертикальных напряжений после отработки и расширения заходками пяти камер первого блока: ширина камер 7 м, заходок и целиков 3,5 м
выработок, отжима угля с боков камер обоснованы следующие выводы:
1. Принятые в проектной документации параметры камерно-столбовой системы разработки при ширине камер 7 м, заходок 3,5 м и междукамерных целиков 3,5 м не обеспечивают безопасные условия ведения горных работ, так как происходит пучение угля и пород в почве камер, отжим угля с боков, что представляет опасность для людей.
2. В процессе и после проведения 5—6 камер над ними формируется свод
давления пород, который характеризуется уменьшением давления на междукамерные целики и увеличением опорного горного давления в угольном пласте в окрестности крайних камер, где возрастает риск возникновения динамических явлений в форме горного удара.
3. Рекомендуется в условиях ЗАО «Распадская-Коксовая» для отработки пласта III применить камерную систему разработки с шириной камер и междукамерных целиков до 7 м, а межблоковых целиков до 20 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хазов В. М., Соин В. В., Саньков А. Е. Результаты работ по созданию систем разработки мощных пологих пластов при гидромеханизации / Труды ВНИИГидроугля. Вопросы гидравлической добычи угля, вып. XI. — Кемерово: Кемеровское кн. изд-во, 1967. — С. 53—63.
2. Скопин С. Г. Некоторые вопросы разработки мощных угольных пластов Томь-Усинского месторождения Кузбасса / Разработка угольных месторождений. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1964. — С. 174—184.
3. Семенихин А.Я., Манжелевский Г. В. Пути совершенствования системы разработки мощных пологих пластов при гидродобыче / Труды ВНИИгидроугля. Вып. 39. — Новокузнецк: ВНИИГидроуголь, 1977. — С. 41—46.
4. Мучник В. С., Голланд Э. Б., Маркус М. Н. Подземная гидравлическая добыча угля. — М.: Недра, 1986. — 223 с.
5. Яковлев Д. В., Баскаков В. П., Розенбаум М. А., Калинин С. И. К вопросу отработки уда-роопасных угольных пластов короткими забоями // Уголь. — 2015. — № 7. — С. 13—16.
6. Баскаков В. П., Розенбаум М.А., Калинин С. И., Семенцов В. В., Добровольский М. С. Отработка мощных угольных пластов, опасных по газодинамическим явлениям, системой коротких забоев // Уголь. — 2015. — № 11 (1076). — С. 17—20.
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 объединного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» № 08—09 (75—76) август — сентябрь 2015. Режим доступа: http://ofernio.ru/portal/ newspaper05.php пгтт?!
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Черепов Андрей Александрович — технический директор,
ООО «Распадская угольная компания»,
e-mail: Andrey.Cherepov@evraz.com,
Ширяев Сергей Николаевич — технический директор,
ООО «УК «ЕВРАЗ Междуреченск»,
e-mail: sn_shir@mail.ru,
Кулак Виталий Юрьевич — генеральный директор,
АО «Промуглепроект»,
e-mail: Vitaly.Kulak@evraz.com.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 170-178. UDC [622.831:622.273.3]:519.876.5
A.A. Cherepov, S.N. Shiryaev, V.Yu. Kulak
STRESS AND STRAIN DISTRIBUTION IN GEOMASS UNDER ROOM-AND-PILLAR MINING OF A THICK GENTLY DIPPING COAL BED
The results of numerical modeling of geomechanical processes in coal pillars, the roof rocks and soil chambers in layered mining of thick flat coal seam with chamber and pillar system of development. For numerical simulation applied finite element method for two-dimensional with the full vector of stresses and deformations, vertical and horizontal displacements of the coal seam and enclosing rocks, the relation of residual strength of coal and rocks to the source strength, the energy of deformation for the prediction of foci of rock bursts. Considered options for changing the parameters of the stress-strain state of coal-rock mass in the zone of influence of a single chamber, with partial interchamber pillar extracting splitting, the mutual influence of multiple chambers. Identified hubs boundary stresses in coal pillars and soles of chambers. Areas of increased risk of rock bursts after holding 5—6 cameras are located in the neighborhood of last in row chambers.
Ключевые слова: горный массив, напряженно-деформированное состояние, численное моделирование, метод конечных элементов, комплекс программ, повышенное горное давление, целик, угольный пласт, выемочная камера, отжим угля в боках выработки.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-170-178
AUTHORS
Cherepov A.A., Technical Director,
e-mail: Andrey.Cherepov@evraz.com,
LLC «Raspadskaya Coal Company», Novokuznetsk, Russia,
Shiryaev S.N., Technical Director,
e-mail: sn_shir@mail.ru,
LLC «Managing company «EVRAZ Mezhdurechensk»,
Novokuznetsk, Russia,
Kulak V.Yu., General Director,
e-mail: Vitaly.Kulak@evraz.com,
JSC «Promugleproekt», Novokuznetsk, Russia.
REFERENCES
1. Khazov V. M., Soin V. V., San'kov A. E. Trudy VNIIGidrouglya. Voprosy gidravlicheskoy dobychi uglya, vyp. XI (Proceedings of VNIIGidrougol'. Questions hydraulic coal mining. Vol. XI), Kemerovo, Ke-merovskoe knizhnoe izd-vo, 1967, pp. 53—63.
2. Skopin S. G. Razrabotka ugol'nykh mestorozhdeniy (Development of coal deposits), Novosibirsk, IGD SO AN SSSR, 1964, pp. 174—184.
3. Semenikhin A. Ya., Manzhelevskiy G. V. Trudy VNIIgidrouglya. Vyp. 39 (Proceedings of VNIIGidrougol'. Vol. 39), Novokuznetsk, VNIIGidrougol', 1977, pp. 41—46.
4. Muchnik V. S., Golland E. B., Markus M. N. Podzemnaya gidravlicheskaya dobycha uglya (Underground hydraulic coal mining), Moscow, Nedra, 1986, 223 p.
5. Yakovlev D. V., Baskakov V. P., Rozenbaum M. A., Kalinin S. I. Ugol'. 2015, no 7, pp. 13—16.
6. Baskakov V. P., Rozenbaum M. A., Kalinin S. I., Sementsov V. V., Dobrovol'skiy M. S. Ugol'. 2015, no 11 (1076), pp. 17—20.
7. Fryanov V. N., Petrova O. A., Petrova T. V. Khroniki ob"edinnogo fonda elektronnykh resursov «Nau-ka iobrazovanie», no 08—09 (75—76) August—September 2015, available at: http://ofernio.ru/portal/ newspaper05.php
