CC BY
21
-------------------------------------- © П. М. Бондарев, М. П. Бондарев,
2005
УДК 622.272
П.М. Бондарев, М.П. Бондарев
О НЕОБХОДИМОСТИ УЧЕТА ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫБОРЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ
Семинар № 1
ТУ ыход угольной отрасли России из за-
-Я-М тяжного кризиса решается не только путем ввода новых шахт, но и интенсификацией процессов добычи (повышенной нагрузки на лавы). Однако в сложившихся условиях, когда техника по большей части изношена, реально происходит разрыв связи поколений шахтеров, сопровождающийся потерей традиций и снижением уровня подготовки трудовых коллективов, достигать высоких показателей трудно. Быстро такие потери не восстанавливаются.
Для повышения производительности угледобывающих предприятий, необходимо искать и другие пути. Одним из этих путей, является использование естественных (природных) процессов, происходящих в горном массиве, с положительным эффектом.
Как показывают проводимые авторами исследования, на поведение горного массива большое влияние оказывает тектоническая составляющая спектра силового воздействия горизонтального или близкого к нему направления, формирующая локальные участки сильнонапряженных зон. Особенно очевидно это проявляется с возрастанием глубины добычи полезного ископаемого, где в результате проводимых горных работ происходит искажение естественного напряженного поля горного массива, последствия которого, как правило, негативно сказываются на устойчивости горных выработок, обрушаемости пород, эффективности добычных комплексов и т.п.
Прогноз напряженного состояния угленосных отложений и вмещающих пород неразрывно связан с анализом их деформированно-сти, т.е. изучением дизъюнктивных и плика-тивных дислокаций. По мнению некоторых авторов [1], эти дислокации являются одним из
четких индикаторов интенсивности тектонических движений. Подвижные части слоистой среды указывают на время, место и направление разрядки тектонических напряжений. Материалы по складчатым и иным деформациям рассматриваются при этом с морфологогеометрических, кинематических и динамических позиций. Такая схема позволяет с единых позиций выявить параметры деформационного поля исследуемой территории.
Существующие теории поведения горного массива в окрестностях горных выработок принимают в расчет вес толщи горных пород, залегающей выше. Это прежде всего разработки, основанные на поведении полубесконечных балок, лежащих на упругом основании, и балок, в которых происходит нарушение сплошности по контактам слоев и где породный массив рассматривается как совокупность отдельных слоев. Некоторые теории рассматривают горные породы как упругие однородные, изотропные и сплошные среды. Однако эти разработки, как показывает практика, уже вырабатывают заложенные в них теоретические ресурсы и зачастую не способны обеспечивать уровень современного производства.
Для решения вопросов повышения эффективности и безопасности горных работ предлагаем использовать эффект вектора пограничного смещения.
Горняками Восточного Донбасса давно отмечены особенности поведения горного массива, свидетельствующие о том, что при отработке угольных пластов в разных направлениях горный массив ведет себя по-разному и различия эти бывают весьма существенными. Так, по наблюдениям производственников, отработка пласта шахтами Краснодонецкого
шахтоуправления ОАО (ПО) "Ростовуголь" (Краснодонецкая синклиналь) в восточном направлении всегда велась в более благоприятных условиях, чем в западном. Аналогичная картина отмечена на шахтах "Аютинская", "Южная" (Шахтинско-Несветаевская синклиналь) и других. На шахте "Аютинская", по наблюдениям авторов, обрушение пород западного борта транспортного ходка уклона № 1 проявилось более чем на порядок интенсивнее, чем восточного. Имеется еще ряд таких наблюдений, однако подобные сведения, несмотря на свою безусловную ценность, являются интуитивными, недостаточно обоснованными и не могут служить надежной отправной точкой для использования в практических целях.
Анализ производственной деятельности ОАО "Ростовуголь" за 1998 год свидетельствует о том, что с обрушением пород связано до 40 % всех травм, а вывалы пород из кровли очистных забоев и зажим секций очистных комплексов, послужили причиной серьезного снижения объема добычи угля в лавах.
Работы по изучению динамики слоистого горного массива проводятся авторами на шахтах ОАО "Ростовуголь" с 1992 года. В числе других вопросов, исследовались и особенности его поведения в очистных забоях. С целью выявления причин неадекватного поведения горного массива в лавах, отрабатывающих один и тот же пласт в пределах одного уклона, но в разных направлениях, было рассмотрено поведение горного массива с учетом:
- действия веса вышележащей толщи;
- влияния кливажных трещин как в угольном пласте, так и вмещающих породах;
- воздействия тектонических сил субгори-зонтального направления.
Проведенными исследованиями не были установлены причины, свидетельствующие о том, что вес вышележащей толщи может по-разному влиять на состояние горного массива в призабойной части очистных забоев, движущихся в разных направлениях. Действие вектора нагрузки для них (забоев) одинаков, строение массива практически не различается. Дополнительные условия с данной позиции при этом не возникают. Отсутствуют какие-либо сведения об этом и у других авторов.
Кливажные трещины при разработке угольных пластов стали учитываться очень
давно, когда уголь только-только начинали добывать. С началом применения отбойных молотков умелое использование особенностей расположения кливажных трещин позволяло значительно повышать производительность труда в очистном забое, который при изменении элементов залегания трещин, приходилось и разворачивать. Исследуя это направление, авторы проанализировали кливаж во вмещающих породах и основных пластах Восточного Донбасса, разрабатываемых шахтами ОАО "Ростовуголь" в Шахтинском, Новошахтин-ском и Шолоховском угольных районах. Элементы залегания систем трещин были тщательно проанализированы на механо-математическом факультете Ростовского государственного университета и в Вестминтер-ском университете Великобритании. Основной целью этих исследований были поиски закономерностей в системах кливажных трещин как угольных пластов, так и вмещающих пород, позволяющих найти ключ к механизму, обуславливающему неодинаковое поведение горного массива в призабойной части конкретных очистных забоев. Полученные результаты
свидетельствуют о том, что каждый пласт имеет свои системы кливажных трещин, отличающиеся от систем соседнего пласта. Разнятся также системы и на разных участках одного и того же пласта. Кливажные трещины в угольных пластах, за редким исключением, не совпадают с трещинами, образовавшимися во вмещающих породах (табл. 1).
Проведенный анализ дает основание сделать заключение о том, что в общем наборе систем кливажных трещин, развитых в пластах и вмещающих породах не просматривается какая-то закономерность, способная стать стержнем для формирования выводов, которые могут объяснить особенности поведения угольных пластов и вмещающих пород в очистных забоях на больших площадях.
Важную роль в формировании структурнодинамических характеристик угольных пластов и вмещающих пород играют тектонические силы субгоризонтального направления .
В настоящее время Донецкий бассейн переживает неотектонический период активизации тектонических процессов. Поле напряжений альпийского возраста, действо-
Таблица 1
Элементы залегания основных систем кливажных трещин еугольном пласте и вмещающих породах на некоторых шахтах ОАО "Ростовуголь"*________________________________
Шахта Индекс пласта Пласт, положение вмещающих пород Азимут падения, 0 Угол падения, 0
К5В Кровля 230 70-80
160-180 70-90
Пласт 210-230 45-90
140, 210 30-90
им. Октябрьской К5Н Кровля 200-220 80-90
революции 75-85 70-90
Пласт 205 40-70
60-80 30-80
К51-» Кровля 250-260 80-90
Пласт 240-260 20-50
К42 Кровля 320 (аз. про- 90
стирания)
І21 Уклон 16 Кровля 210-230 35-80
100-125 75-85
320-350 70-85
Пласт 220-230 42-45
255-265 45-48
Южная Уклон 14 Пласт 280-290 85
110 42,85
ізн Кровля 265 75
0-10 70-80
Пласт 90-110 75-86
280 90
130-140 45
■ 1 І2 Кровля 160-180 85
70-90 80-85
Пласт 90 80
Майская 145 85
ізн Кровля 230-270 75-90
10-340 75-90
Пласт 105 85
180 80-85
І21” Кровля 25-30 65-75
Юбилейная Пласт 85-90 80-85
ізн Кровля 25-40 70-85
Пласт 85-90 80-85
І3Н-1 Кровля 290-360 85-90
им. Чиха 200-270 85-90
Пласт 0-30 30-60
260-280 45-70
1 Ш8 Кровля 160-180 80-85
Садкинская 60 80-85
Пласт 160-180 80-85
310-320 85
Із” Кровля 220-240 80-90
90-115 70-90
Пласт 245-270 70-88
130-135 75-85
им. Ленина ізн Кровля 45-65 70-85
210-250 70-85
Пласт 100-105 70-80
235-245 70-90
І21 Кровля 100 70-80
Шолоховская 20-30 65-75
Пласт Системы трещин нет
*В таблице приведены только основные системы кливажа, на шахтах
их насчитывается до 5-7
вавшее в массиве и раньше, характеризуется на региональном структурном уровне почти горизонтальным положением осей главных нормальных напряжений. Ориентация осей напряжений локального уровня и вид напряженного состояния изменяются от участка к участку закономерно, отражая положение в пространстве неоднородностей горного массива. Важнейшими из этих неоднородностей являются геологические поверхности -флексуры, складки, разрывы, контакты пород, зоны трещиноватости. Строение любого участка земной коры характеризуется, как правило, только ему присущими особенностями, что требует при детальном анализе обязательного учета наибольшего числа факторов.
Результаты геологического документирования, проводимого авторами на шахтах "Аютин-ская", "Южная", "Краснодонецкая", "Синегорская", "Шолоховская" ОАО «Ростовуголь» свидетельствуют о том, что действие горизонтальных тектонических сил регионального масштаба имеет общее субмеридиональное и северо-северо-западное (ССЗ) направления и на отмеченных шахтах, несмотря на то, что отрабатываемые ими пласты расположены в разных изолированных и удаленных друг от друга синклиналях, отличаются незначительно - не более чем на 5-150 Однако, на отдельных пластах в пределах одного и того же шахтного поля отмечены существенные изменения относительного направления действия силы, вплоть до противоположного.
Обобщение данных по отработанным лавам свидетельствует о том, что единого благоприятного направления отработки для данного региона не существует. Например, на шахте "Южная" пласт 1эн отрабатывается в более
Таблица 2
Оценка эффективности работы лав по разным направлениям
Номера лав Типы применяемого оборудования Объем горной массы, м3/год Направление ведения очистных работ,0 Относительная добыча, средняя по направлениям, % Отклонение к направлению отработки от предлагаемого (170°), 0
Бортовые лавы № 3 4 6 8 10 12 1М87 УМС, УСВ-2 1КМС 1М87УМС, УСВ-2 191 250 226 440 206 550 194 480 189 720 220 320 195
Всего: 1 228 760 в среднем: 204 793 195 100 25
1507 1509 1511 1513 1515 1517 1519 1521 ТСУ 5, ОКУ 05, СО-75 80 042 74 376 166 421 107 716 164 400 89 666 92 680 83 296 285
Всего: 1 287 152 в среднем: 107 325 285 52,4 115
1514 1520 ГСУ 5, ОКУ 05, СО-75 109 746 125 960 105-117
Всего: 1 287 152 в среднем: 107 325 105-117 57,5 65-53
1522 1524 1526 1528 1530 1532 1М87 УМС УСВ-2 1М88УМСУСВ-2 109 478 118 188 178 220 146 395 148 941 117 116 110-120
Всего: 818 336 в среднем: 136 389 105-117 66,6 65-53
202 204 1М88 УМС УСВ-2 81 400 143 400 300 130
Всего: 224 800 в среднем: 112 400 300 54,9 130
благоприятных условиях в общем восточном направлении, а пласт 121 в западном.
В условиях слоистой толщи при общем движении горного массива в одном направлении внутри могут происходить встречные (противоположные) относительные подвижки слагающих его пород и угольных пластов (рис. 1.), т.е. в кровле одного пласта породы относительно могут смещаться в одном направлении, а в соседнем - в прямо противоположном. Зависит это от разной степени торможения от-
дельных слоев, неодинаковой величины трения на их контактах и др.
Различие в поведении горного массива у очистного забоя разных лав можно объяснить тем, что в одном случае подвигание механизированных комплексов под породы кровли происходит в согласии с естественными процессами и не входит в значительное противоречие со сложившейся геомеханикой горного массива, в другом же случае эти противоречия (разногласия с естественными процессами) серьезные.
Рассмотренная в данной работе роль тектонических сил в особенностях поведения горного массива при отработке угольных пластов (что, по-видимому, справедливо и для пластовых месторождений других полезных ископаемых) ранее не изучалась. Однако, если исходить из того, что только изменение направления отработки угольных пластов способно без каких-либо затрат более чем на 15 % поднять производительность лав и существенно снизить травматизм от обрушения угля и породы, однозначно можно утверждать, что в изучении затронутых вопросов необходимо и должны быть предприняты в этом направлении самые решительные усилия. Разумеется, что перекраивать существующие схемы отработки действующих шахт нет никакой необходимости, но можно с новых позиций нарезать фланговые участки и нужно детально изучить рассмотренные закономерности на перспективных угольных месторождениях с целью разработки рекомендаций, необходимых для нарезки полей на новых и развивающихся шахтах.
В качестве примера рассмотрим шахту "Южная" ОАО "Ростовуголь", на которой была проанализирована эффективность отработки запасов угля расположенных на северном фланге шахтного поля [2]. Шахта "Южная" ОАО "Ростовуголь" сдана в эксплуатацию в 1950 году с проектной мощностью 1200 тыс. т в год. Шахта разрабатывает пласты 12' (средняя геологическая мощность 1,53 м) и 13н (средняя геологическая мощность 1,6 м) - опасный по горным ударам и (средняя геологическая
мощность 1,4 м) (средняя геологическая мощность 1,4 м). Естественные тектонические силы на пласте 13н благоприятную обстановку будут
1. Кузьмин Д.В.. Прокопенко А.И, Овцов С.А. Анализ деформированности угленосных отложений в пределах шахтных полей юго-западного Донбасса. - В ст.: Экспериментальная тектоника и полевая тектонофизика. - Киев: Наукова Думка. 1991. - С. 186-190.
создавать на горном отводе шахты «Южная» при ведении очистных работ по азимуту 170°.
При расчетах эффективности работы лав рассматриваемой шахты «Южная» на пласте 13н по различным направлениям с 1979 по 1993 год учитывался объем добычи горной массы за полный год, тип применяемого оборудования, направление ведения очистных работ (табл. 2). В расчетах принимались только годы, выемка угля в которые производилась в течение полного срока - с января по декабрь (табл. 2).
Как видно из приведенных в табл. 2 данных, эффективность работы лав, отрабатывающих угольный пласт по азимуту 195° (близкому к предлагаемому - 170°), на 33,444,9% выше, чем эффективность работы лав, ведущих отработку по другим направлениям. И она существенно выше, чем средняя по шахтам ОАО «Ростовуголь». Очевиден и тот факт, что четные лавы 15 уклона, имеющие азимут отработки пласта 110-120° так же эффективнее, чем остальные на 12-14 %.
Предлагается, при проектировании на угольных шахтах очистных работ, в обязательном порядке учитывать геодинамические особенности горного массива, особенно на контакте угольного пласта и вмещающих пород и согласовывать направление движения очистных забоев с направлением действия горизонтальных тектонических сил.
В условиях быстрого развития угольной промышленности, происходящего на фоне очевидного снижения уровня подготовки шахтера, предлагаемый способ повышения эффективности добычи угля и снижения травматизма связанного с обрушением пород в очистных забоях, практически не подверженный влиянию человека, весьма актуален.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Леонов А.А., Чефранов ИВ. Использование эффекта вектора пограничного смещения для улучшения технико-экономических показателей угледобывающего предприятия. Ж-л Уголь № 12, 2001, с. 16-17.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------------
Бондарев П.М. - кандидат физико-математических наук, Виндзорский университет, Лондон, Великобритания.
Бондарев М.П. - Северо-Кавказское представительство ВНИМИ, Шахты, Ростовская обл., Россия, кандидат геолого-минералогических наук.
