Изменение проявления горного давления при подземной выемке угля вследствие сдвижения массива горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © М.С. Четверик, М.А. Синенко,

2012

УЛК 622.83:622.063.4

М.С. Четверик, М.А. Синенко

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ВЫЕМКЕ УГЛЯ ВСЛЕДСТВИЕ СДВИЖЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Показано, как горное давление проявляется на той части сдвигающегося массива, породы которой потеряли сплошность. Оно определяется зоной расслоений, зависящей от скорости развития деформаций растяжений в массиве и скорости перемещения очистного забоя. Объем пород, потерявших сплошность, как часть «деформационной волны» (горное давление) снижается при повышении скорости очистного забоя.

Ключевыю слова: массив горных пород, горное давление, объем сдвигающегося массива, динамическая мульда, движущийся очистной забой.

Несмотря на рост объемов производства альтернативных источников энергии, добыча угля в ближайшем будущем остается перспективной, и будет производиться на глубоких горизонтах шахт. С одной стороны это благоприятно для экологии, поскольку деформации земной поверхности снижаются, и наносится, соответственно, меньший вред окружающей среде (не разрушаются здания и сооружения, не подтапливаются территории), а с другой — усложняется добыча угля в связи с повышением горного давления, увеличением газовыделения, выбросами угля и метана. Эти негативные последствия являются главной причиной аварийных ситуаций на шахтах. Проявления на шахтах Украины опасных газодинамических явлений свидетельствует о том, что горное давление изучено недостаточно. Особенно мало изучена взаимосвязь параметров сдвижения подработанного массива горных пород с параметрами очистной выемки.

В процессе выемки угля массив горных пород разделяется на зоны:

• первая характеризуется тем, что после выемки угля процесс сдвижения в ней полностью закончился, подработанный горный массив осел, горные породы и земная поверхность находятся в нарушенном состоянии;

• вторая — это зона, где уголь не вынут и горный массив, и земная поверхность находятся в естественном состоянии.

Ни в подработанном массиве, где процесс сдвижения полностью окончился, ни в неподработанном массиве, под которым выемка угля еще не производилась, никаких особо опасных газодинамических явлений и деформационных процессов не происходит. Они происходят в третьей зоне — динамической мульде сдвижения.

Динамическая мульда сдвижения — это подрабатываемый массив горных пород и земная поверхность, которые при перемещении очистной выемки разделяются на участки с одновременными, но различными деформациями: растяжений и сжатий. Во время подвигания очистного забоя перемещается и динамическая мульда сдвижения: вовлекаются в сдвижение новые участки массива горных пород

Рис. 1. Перемещение динамической мульды (деформационной волны) в массиве горных пород при подвигании очистного забоя

и земной поверхности, при этом зона растяжений перемешается вслед за подвига-нием забоя и через определенный период сменяется зоной сжатий [1].

Динамическая мульда — это деформационная волна, которая перемешается по подрабатываемому массиву.

Динамическая мульда сдвижения ограничена плоскостями: впереди очистного забоя плоскостью, наклоненной под динамическим углом сдвижения; позади очистного забоя, где процесс сдвижения закончился, плоскостью, наклоненной в сторону выработанного пространства под углом полных сдвижений; плоскостями со стороны восстания и падения пласта, наклоненными под соот-ветствуюшими углами сдвижения.

Объемом динамической мульды сдвижения (деформационной волны) будем называть массив горных пород, ограниченный вышеуказанными плоскостями (рис. 1):

А1В1С1Д1 — участок земной поверхности, ограниченный динамической мульдой сдвижения; А2В2С2 Д2 — зона расслоений; А3В3С3 Д 3 _ призабойное пространство, где происходит процесс сдвижения; А3В3С4 Д 4 — горизонтальная плоскость; уд, ув, — углы сдвижения (динамический угол, угол по восстанию пласта); Ь — длина лавы, м; М — постоянная минимальная величина расстояния от точки под землей, где закончился процесс сдвижения, до положения очистного забоя при отходе от разрезной печи, м; К — расстояние от точки положения очистного забоя, при котором при отходе от разрезной печи процесс сдвижения начался, м.

Объем динамической мульды сдвижения не является постоянным. Он зависит от многих величин: глубины ведения горных работ, элементов залегания пласта,

Рис. 2. Расчетная схема (по[5])

системы разработки, параметров очистного забоя, параметров сдвижения, свойств пород, слагающих сдвигающуюся толщу, проявляющихся в видах и параметрах деформапий, прежде всего их скорости, газоводонасы-щенности массива, его естественной и тектонической нарушенности.

2. Результаты предыдущих исследований

В геомеханике, изучающей горное давление, развиваются два направления. Первое, основанное на инструментальных измерениях сдвижения массива горных пород и земной поверхности с разработкой эмпири-ко-аналитических моделей.

Второе — теоретические методы, основанные на гипотезах горного давления исходя из механики сплошных сред [2]. Основоположником первого направления является С.Г. Авершин [3], второго — А.Н. Динник [4]. В обоих направлениях на протяжении многих лет получены весьма существенные научные результаты. Однако, некоторые гипотезы, принятые в теоретических методах изучения горного давления, не согласуются с инструментальными наблюдениями. Так, А.Н. Динник внес следующую гипотезу [4, стр.103] «Если рассматривать горную породу, как упругое тело, то в таких же условиях находится кубик, мысленно выделенный из слоя горной породы, лежащей на глубине Н от дневной поверхности и неопределенно простирающейся во все стороны. Если вышележащая порода однородна, то

ау = дИ (гидростатическое давление), (1)

где ц — вес единипы объема породы, кг/м3.

Очевидно, что в данном случае сх=су=с. Так как изменению длины горизонтального ребра мешает порода, то тх=0». Эта гипотеза исполь-зуется многими исследователями и в дальнейшем. Так, например, в работе [5] (рис. 2) в расчетной схеме принято:

Оу=уИ; сх=^уЯ, (2)

где у — среднее значение объемного веса горных пород; 1 — коэффипиент бокового распора.

Приведенная схема имеет недостатки:

а) в расчетной схеме при выемке угля предполагается, что напряжения возникают мгновенно. По инструментальным наблюдениям продолжительность сдвижения составляет месяпы и годы в зависимости от глубины разработки;

б) сдвижение массива происходит всегда впереди очистного забоя (под динамическим углом) при любых глубинах;

Рис. 3. Влияние сдвижения массива горных пород на разрушение и усадку угольного пласта в охранном целике: а — формирование статической и динамической мульд сдвижения и их влияние на деформации ствола; б — развитие горных работ возле охранного целика

в) деформации растяжения доходят от забоя до поверхности не мгновенно, а за продолжительный период, то есть с определенной скоростью, которая зависит от свойств пород [7].

3. Цель работы

Целью работы является установление зависимости объема динамической мульды сдвижения от глубины ведения горных работ, параметров очистного забоя, параметров сдвижения.

4. Задачи работы

а) установить влияние величины объема сдвигающегося массива горных пород (как горного давления) на устойчивость горных выработок;

б) установить зависимости объема динамической мульды сдвижения от глубины разработки, скорости перемещения очистного забоя, скорости развития деформаций растяжения в массиве, скорости оседаний и др.;

в) рассмотреть особенности перемещения динамической мульды сдвижения (деформационной волны).

5. Результаты исследований

5.1. Влияние величины объема сдвигающегося массива горных пород на устойчивость горных выработок.

Рассмотрим процесс сдвижения массива горных пород при пере-мещении очистных работ от целика, при котором происходят наибольшие разрушения целика и ствола [6—9] (рис. 3).

При отходе от разрезной печи 1 очистного забоя 2 произошло сдвижение массива горных пород и земной поверхности. В горном массиве и на земной поверхности образовались две полумульды сдвижения: статическая 3 и динамическая 4. В процессе перемещения очистного забоя и развития динамической мульды 4 в точке 5 земной поверхности усиливались деформации сжатия в результате их наложения от статической и динамической полумульд. Это привело к повышению опорного давления АБВ и разрушению пласта угля в охранном целике на участке 6. На участках 7 произошла усадка пласта на величину Иу. На контакте разрушенного угля и пород кровли образовалась поверхность сдвижения 8, в результате смещения по ней пород 9 произошли деформации ствола на участке 10.

Как следует из приведенной схемы, в данном случае одновременно в сдвижение вовлекается при прочих равных условиях наибольший массив горных пород: от статической и динамической мульд сдвижения. По исследованиям [9] при совместном воздействии статической и динамической мульд происходит кратковременная концентрация горизонтальных деформаций сжатия, которые в 4 раза превышают опасные. При подходе лавы к целику объем пород, вовлекаемый одновременно в сдвижение, меньше — только от динамической мульды. И еще меньший объем массы горных пород вовлекается в сдвижение при проходе лавы рядом с границей целика. При этом воздействие сдвижения на границу целика происходит постепенно по мере подвигания очистного забоя.

Таким образом, чем больший массив горных пород одновременно вовлекается в сдвижение, а, следовательно, была большей и величина горного давления, тем большие разрушения целика и ствола.

Влияние объема сдвигающегося массива горных пород (объема динамической мульды) на величину горного давления проявляется и при отработке крутых угольных пластов. Оно различно при разных технологических схемах отработки пластов: лавами с перемещением забоя по простиранию, полосами с перемещением забоя по падению [10]. При отработке лавами и перемещении очистного забоя по простиранию на отрабатываемом этаже объем массива пород, одновременно вовлекаемый в сдвижение, остается постоянным. При отработке полосами по падению объем массива горных пород увеличивается по мере понижения очистных работ.

В первом случае горное давление по мере перемещения очистного забоя хотя и является максимальным для данной глубины разработки, но не будет существенно изменяться по мере отработки этажа.

Однако давление не будет равномерно распределяться по длине лавы. Наибольшие смещения будут в нижней части лавы, а наименьшие — в верхней. Это же подтверждается инструментальными наблюдениями по определению сближения боковых пород, приведенными в работе [11].

При перемещении очистных работ по падению горное давление постепенно повышается в соответствии с увеличением объема горных пород массива, одновременно вовлекаемых в сдвижение.

Увеличение давления с понижением горных работ за каждый цикл подтверждается инструментальными измерениями напряжений в массиве, приве-

Таблица 1

Изменение деформаций по падению в массиве при выемке угля полосами с перемещением забоя в том же направлении (по Глушко В.Т. и др.)

Расстояние от контура полосы до деформомет-ров по падению, м Деформации в зоне опорного давления, мм

Расстояние до забоя, м

2 3 4 5 8 10 12 14 16

45 0,95 0,95 0,90 0,85 0,80 0,80 0,77 0,75 0,75

85 1,25 1,20 1,35 1,30 1,25 1,20 1,10 1,00 0,95

102 2,75 2,80 2,75 2,90 1,85 2,40 2,85 2,55 2,40

денными в работе [12]. Так, установлено, что с отработкой каждой последующей полосы концентрация напряжений в угольном массиве увеличилась и достигла максимальной величины при доработке панели; они увеличились в 2,5 раза (табл. 1).

Таким образом, причиной различного горного давления в одинаковых горногеологических условиях являются разные объемы сдвигающегося массива.

5.2. Формирование динамической мульды сдвижения (деформационной волны)

Рассмотрим три вида горного давления в зависимости от соотношения скоростей перемещения очистного забоя и деформаций растяжений в массиве, а также формирование при этом динамической мульды сдвижения.

1) Скорость перемещения очистного забоя V3 меньше скорости развития деформаций растяжений Vä в массиве (V3<Vä). При этом глубина разработки Н такова, что зона растяжений с разрушением сплошности массива достигает поверхности, то есть:

Н , О)

2L

где Н <—6¥д зона расслоений, м.

V3

Тогда объем деформационной волны (приближенно, как объем усеченной призмы) VßB. составит:

^ g (H )* m * cos а ^ , М > -V3 I + H (ctgy пс + ctg/д

g (H) * m * cos а

M +-V3

V 3

V * L

* [L + H (ctgyB + ctgy„)]-

(4)

где а — угол падения пласта, град.; т — мощность пласта, м; уп.с.., Уд, Ув, уп — углы сдвижения (угол полных сдвижений, динамический угол, углы по восстанию и падению пласта); д(Н) — коэффициент при главном векторе сдвижения; \/0 — скорость оседаний, м/сут; Vз — скорость подвигания забоя, м/сут; Ь — длина лавы, м; Н — глубина разработки, м; М — постоян-

ная минимальная величина расстояния от точки под землей, где закончился процесс сдвижения, до положения очистного забоя при отходе от разрезной печи, м (см. рис. 1).

2) Скорость перемеше-ния очистного забоя также меньше скорости развития деформаций растяжения в массиве (^з<Уд). Но глубина разработки такова, что зона растяжений с разрывом сплошности массива не доходит до поверхности. В массиве образуется зона расслоений на высоте НР от забоя. Эта отделившаяся часть массива (часть объема динамической мульды) и проявляет себя как горное давление. Ее объем (объем деформационной волны) Va.вм. составит

Рис. 4. График зависимости объема динамической мульды от скорости перемещения забоя при разной длине лавы

Угд= 0,51 Hp |{[(М + K) + (Hp + 0,5h)*с1вуд + tfctgync]

х

(5)

х[L + Hp (ctgYВ + ctgyП)]}- 0,5L [(М + K) - hctga] (M + K) sin a

где Hp — зона расслоений, м; h — высота треугольника (см. рис. 1), h=(M+K) sina, м.

Как следует из выражения, объем деформационной волны уменьшается с повышением скорости перемещения очистного забоя, то есть горное давление снижается, что подтверждено практикой.

3) Скорость перемещения очистного забоя выше скорости развития деформаций растяжения Разрыв сплошности пород отсутствует. Такие скорости перемещения очисного забоя по данным Айруни А.Т. были достигнуты на шахтах в Австралии. Объем деформационной волны, надо полагать, в этих условиях минимальный.

Из выражения (5) и графиков (рис. 4, 5) следует, что объем разрушенных сдвигающихся пород снижается весьма существенно при скорости перемещения очистного забоя более 2 м/сутки. Однако, поскольку скорость перемещения забоя взаимосвязана с длиной лавы, то при ее увеличении снижается скорость перемещения забоя и увеличивается горное давление.

5.3. Особенности перемещения динамической мульды сдвижения (деформационной волны)

Скорость перемещения динамической мульды сдвижения зависит от свойств пород (их оседания), глубины разработки и скорости перемещения очистного забоя. Скорость перемещения деформационной волны можно определить инструментально.

Рис. 5. График зависимости объема динамической мульды от скорости перемещения забоя при разных углах падения пласта

Допустим, что на поверхности имеется наблюдательная станция, состоящая из реперов, расположенных по направлению перемещения динамической мульды (рис. 6).

Если на репере КР1 прекратились оседания, то есть он находится на участке полных сдвижений, а через время t прекратились оседания на репере Яр2, то при расстоянии между реперами 1 скорость перемещения динамической мульды составит

V

= -, мм/сут.

(6)

Однако, при разной скорости перемещения очистного забоя и при постоянной величине оседаний, зависящей от свойств пород, параметры динамической мульды будут изменяться, а следовательно будет изменяться объем деформационной волны, что необходимо учитывать при определении скорости ее перемещения.

Вывоаы

1. Опыт ведения горных работ на пологих и крутых пластах, инструментальные наблюдения свидетельствуют о том, что чем больше объем горных пород одновременно вовлекается в сдвижение, тем больше горное давление. Только та часть горных пород проявляет себя как горное давление, которая в результате сдвижения отделилась от массива, и разрушились межкристаллические связи, подрабатываемый массив потерял сплошность.

2. При понижении горных работ при подземной добыче угля горное давление в виде объема разрушенных пород подработанного горного массива (часть объема деформационной волны) зависит от высоты зоны расслоений, парамет-

Рис. 6. Перемещение динамической мульды

ров сдвижения, параметров очистного забоя, скорости развития деформаций растяжений в не разрушенном массиве и оседания в нарушенном. Регулирование (уменьшение) горного давления возможно путем увеличения скорости перемещения очистного забоя, что приведет к уменьшению объема деформационной волны.

3. Скорость перемещения динамической мульды зависит от скорости оседания подработанных горных пород и скорости перемещения очистного забоя.

1. Петрук Е.Г. Управление деформационными процессами в динамической мульде сдвижения при подземной разработке пологих угольных пластов: Автореф. дис. д-ра техн. наук. — Днепропетровск, 1994. - 38 с.

2. Скипочка С.И., Усаченко Б.М., Куклин В.Ю. Элементы геомеханики углепородного массива при высоких скоростях подвигания лав. Днепропетровск: Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАНУ. - 2006. - 248 с.

3. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. - М.: Углетехиз-дат, 1947.

4. Динник А.Н., Скуратов Г.А. Справочник по технической механике (с горным уклоном). - М.: Уголь, 1931.

5. Новикова Л.В., ЗаславскаяЛ.Н., Яворский А.В. Матерiали мiжнар. конф. «Форум пр-ниюв — 2006». — Дншропетровськ: РВК НГУ, 2006. — С. 106—112.

6. Акимов А.Г., Хакимов Х.Х. Обеспечение безопасной эксплуатации шахтных стволов. - М.: Недра, 1988.

7. Четверик М.С., Андрошук Е.В. Теория сдвижения массива горных пород и управления деформационными процесами при подземной выемке угля. - Днепропетровск: Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАНУ, - 2004. - 150 с.

8. Кулибаба С.Б. О повышении эффективности охраны вертикальних шахтных стволов. Геотехническая механика: Межведом. сб. научных трудов. — Днепропетровск: Институт геотехнической механики НАНУ, 2001. — Вып. 29. — С. 162—165.

9. Ларченко В.Г. Влияние направления движения очистного забоя на деформации объектов земной поверхности, расположенных над границей целика. Сб. науч. трудов. - Ал-чевск, ДМИ. Вып.12, — С. 74—81.

10. Подорванов А.А., Бубнова Е.А. Влияние технологических схем выемки угля и управления кровлей на сдвижение массива горных пород и земной поверхности при разработке крутых угольных пластов. Геотехническая механика: Сб. науч. трудов. — Днепропетровск: ИГТМ, 2004. — № 49. — С. 73— 90.

11. Булат А.Ф., Курносов А.Т. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов. - Киев: Наук. думка, 1987. - 200 с.

12. Глушко В.Т., Яланский А.А., Курносов А.Т. и др. Методика оценки основных технологических и технических параметров отработки крутых пластов щитовыми агрегатами. — Киев: Наук, думка, 1981. - 56 с. ВШИ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Четверик М.С. — доктор технических наук, профессор, Синенко М.А. — инженер, [email protected] Институт геотехнической механики НАН Украины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ