CC BY
75
© М.Г. Мустафин, И.М. Петухов, 2002
УДК 622.83
М.Г. Мустафин, И.М. Петухов
ОБ ОСНОВНЫХ ФАКТОРАХ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИХ ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОРНЫХ УДАРОВ С РАЗРУШЕНИЕМ ПОЧВЫ ВЫРАБОТОК
Проблема предотвращения горных ударов в нашей стране впервые возникла в связи с их мощными проявлениями в 1940-х годах в Кизеловском угольном бассейне [1, 2].
В последующие годы горные удары зарегистрированы почти во всех угольных бассейнах страны. В результате целенаправленных и комплексных исследований [2, 3], которые были выполнены в 50, 60-х годах прошлого столетия и охватывали широкий спектр геологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов, разработаны эффективные меры борьбы с горными ударами на угольных пластах, об эффективности которых свидетельствует значительное уменьшение их количества [3].
Вместе с тем с начала 1980-х годов резко участились случаи возникновения одного из видов горных ударов [3, 4, 5, 6, 7, 8], особенность которого состоит в том, что горный удар возникает в породах почвы выработки с бурным ее разрушением. Типичная картина их проявления приведена на рис. 1. Наблюдались они во многих угольных бассейнах, и к настоящему времени их количество исчисляется сотнями [7, 8]. Причем, надо заметить, что регистрируются, как прави-
ло, лишь те случаи, которые нанесли значительный вред производству или связаны с человеческими жертвами.
На основе вышеупомянутых крупномасштабных исследований по проблеме горных ударов уже в то время была поставлена основная научнопрактическая задача [1, 2]: определение напряженного состояния почвы выработки, которую можно уподобить прочной плите (слою), заделанной в забое и по стенкам выработки, решение которой позволит вскрыть закономерности деформирования и, в конечном счете, разрушения почвы выработки. При этом принципиальным является положение, выдвинутое И.М. Петуховым [2], которое заключается в необходимости рассмотрения всей системы «выработка - вмещающие породы - прочный слой». Дело в том, что горный удар - это процесс реализации упругой энергии разрушающегося структурного элемента (например: слой породы или угольный пласт) и вмещающих пород. При этом различное соотношение указанных составляющих определяет силу разрушения пород или горного удара [2].
Ниже речь пойдет о горных ударах с разрушением почвы выработок, возникающих в подготовительных выработках. Из анализа фактических данных [7] следует, что возникают они либо при проведении подготовительных выработок на некотором расстоянии от забоя выработки, либо в уже пройденных выработках при изменении горнотехнической обстановки, как
правило, при воздействии зон ПГД (рис. 2). Большинство случаев (66%) отмечено в интервале отношений ширины выработки (а) к мощности прочного слоя (т) от 2 до 5, в 34% они происходили при а/т >5 и ни одного случая не зарегистрировано при а/т < 2. Подавляющее большинство этих горных ударов произошло при пологом падении пород.
Данные о произошедших горных ударах с разрушением почвы в подготовительных выработках, касающиеся параметров слоистости пород, в ряде случаев отражали лишь качественную картину залегания пород, так как определялись на основе ближайших скважин доразведки шахтного поля. Указанные обстоятельства ставят задачу теоретической проработки вопроса о роли слоистости вмещающих подготовительную выработку пород при развязывании этого вида горных ударов.
Теоретическое решение задачи о напряженном состоянии прочного слоя в почве подготовительной выработки с учетом изложенного стало возможным лишь в последнее время, благодаря бурному развитию вычислительной техники и специального программного обеспечения. При этом используют различные расчетные методы [3]. В горной геомеханике широкое применение нашли методы теории упругости и пластичности [3, 9, 10]. Процесс деформирования пород принято разделять на два: до достижения предела их прочности (упругость), и после - запредельное деформирование (плас-тичность). Такое разделение связано с тем, что поведение породы и соответственно методы его изучения на до- и запредельной стадиях существенным образом отличаются. Для выяснения вопроса о том, какую роль играют различные геологические и горнотехнические факторы при формировании напряженного состояния почвы подготовительной выработки, представляется достаточным рассмотрение геомеханической модели линейно деформируемого массива. Исследование закономерностей напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных по-
Рис. 1. Зарисовка подготовительной выработки после горного удара с разрушением ее почвы происшедшего 21.02.90 г. на шахте “Комсомольская” ОАО “Воркутауголь”
род, вмещающего подготовительную выработку, в почве которой залегает прочный слой породы, связано с проведением многочисленных расчетов для различных геологических и горнотехнических условий. Поэтому речь может идти о компьютерной технологии моделирования (КТМ) рассматриваемого процесса, обеспечивающей ввод, обработку, интерпретацию и иллюстрацию всей совокупности необходимой исходной и результирующей информации.
Разработанная КТМ представляет собой программный комплекс («Недра 2D» и «Недра 3D» [11, 12]), включающий глобальные модули, а именно: препроцессорный - по вводу исходной информации и построению структурной и конечно-элементной моделей рассматриваемого объекта; по решению задачи о НДС методом конечных элементов (МКЭ) и постпроцессор-
Ввод исходной информации
Формирование структурной модели
Формирование конечно-элементной модели (дис_______________кретизация области)______________
Расчет задачи по МКЭ
ный модуль для наглядного представления результатов моделирования (рис. 3).
Программный алгоритм МКЭ достаточно хорошо описан в литературе [9, 10]. При подготовленных исходных данных его реализация даже для достаточно больших и сложных задач с применением современных компьютеров не встречает особых трудностей и составляет считанные минуты. Однако создание препроцес-сорного и постпроцессорного программных модулей представляет собой непростые технические задачи.
В используемой КТМ на основе исходной информации о массиве горных пород автоматически отстраиваются и структурная и конечноэлементная модели, а также формируется массив граничных элементов и точек, которые посредством специальных процедур используются для задания определенных граничных условий. Таким образом, производится подготовка всех исходных данных для реализации МКЭ. Решение системы линейных уравнений, к которой сводится решение задачи по МКЭ, производится методом Зейделя с релаксационным коэффициентом. При этом важным моментом является то обстоятельство, что за счет использования ори-
Рис. 2. Характерные условия возникновения горных ударов с разрушением почвы (ГУРПВ) в подготовительных выработках
гинальной программной процедуры матрица жесткости системы формируется без ее нулевых членов, что позволяет на несколько порядков снизить количество используемых ячеек машинной памяти и решать практические геомеханические задачи, применяя лишь оперативную память компьютера. Представление результатов моделирования (компонентов напряженно-деформированного состояния массива горных пород и других важных расчетных параметров) выполняется в виде изолиний или цветовым выделением расчетных параметров [11, 12].
На основе разработанной КТМ выполнено моделирование и установлено влияние основных геологических и горнотехнических факторов на напряженное состояние почвы подготовительной выработки, которые обуславливают возникновение горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок.
Как было отмечено, рассматриваемый вид горных ударов возникает при проведении подготовительной выработки на некотором удалении от забоя. Поэтому важно знать распределение напряжений в призабойной области выработки, и чем оно отличается от случая плоской задачи. Для решения этого вопроса проведено объемное моделирование напряженного состояния пород, вмещающих подготовительную выработку (шири-на выработки 4 м, глубина залегания 550 м). Результаты моделирования «вертикальных» напряжений (напряжений, действующих в массиве пород в вертикальном направлении, рис. 4) свидетельствуют, что напряжения вблизи забоя невелики. На удалении от забоя примерно на расстояние трех линейных размеров сечения выработки уровень напряжений как бы стабилизируется, и их величины соответствуют тем, которые получаются в результате решения плоской задачи. Это, с одной стороны, объясняет возникновение этого вида горных ударов на некотором удалении от забоя вы-
Представление результатов моделирования
Рис. 3. Схема программных модулей компьютерной технологии моделирования
Ек - М-к!
Зависимости напряжений в прочном слое от соотношений его мощности и ширины выработки
—-—_^Рис. 6. К расчету горизонтальных
____напряжений
б
а
в
работки, а с другой, - указывает на корректность использования плоской задачи для детального изучения напряженно-деформированного состояния вмещающих подготовительную выработку пород, в том числе прочного слоя.
Выполнен сравнительный анализ напряженного состояния пород у подготовительных выработок с различной формой сечения, в почве которых
залегает прочный слой породы. Выяснилось, что наименьшая разница между уровнем вертикальных напряжений в боках выработки и в ее почве на удалении от контура выработки равном ее полуширине возникает у выработок круглого сечения, а наибольшая - у квадратного (рис. 5).
При проведении подготовительной выработки по угольному пласту картина распределения напряжений у выработки существенно отличается от случая ее заложения по породам. Причем вертикальные напряжения в
выработки увеличиваются, наиболее существенно это при наличии в почве выработки прочного слоя.
Многовариантное моделирование напряженного состояния прочного слоя, включающее вариации отношений: ширины выработки к мощности прочного слоя (а/т), упругих параметров прочного слоя и нижележащей толщи пород (Е1/Е2, см. рис. 6, а), а также глубины заложения подготовительной выработки, позволило более детально изучить закономерности распределения напряжений в прочном слое. Весьма важным конкретизирующим обобщением исследований [6, 7] является то, что в отличие от вертикальных напряжений, горизонтальные в прочном слое весьма чутко реагируют на изменения величин параметров слоистости и могут служить в качестве прогностического признака при прогнозировании рассматриваемых видов горных ударов. При этом они характеризуют изгиб слоя. На основе построенной по результатам моделирования номограммы (рис. 6, б) для определения горизонтальных
мощности прочного слоя от 2 до 6. Этот интервал почти совпадает с тем, который был определен на основе фактических данных о настоящих горных ударах и поэтому может считаться теоретическим обоснованием этих значений.
Рассмотрено также влияние на напряжения в прочном слое других факторов. В случаях, когда прочный слой залегает на
боках выработки уменьшаются, но абсолютные горизонтальные в почве
Рис. 5. Гистограммы напряжений для различных форм сечения подготовительных вырвботок
нормированных на глубину разработки напряжений, действующих в прочном слое на его нижней границе под серединой выработки, наибольшие величины напряжений возникают при отношении ширины выработки к
а)
б)
Рис. 9. Структурная модель (а) и распределение вертикальных напряжений в породах у сопряжения (б, план, сечение в 10 м в кровле выработок)
б)
Влияние подготовительной выработки, пройденной по одноименному пласту
ш
б)
“"Горизонтальные" напряжения на нижней границе прочного слоя
-"Горизонтальные" напряжения на верхней границе прочного слоя -''Горизонтальные" напряжения на нижней границе прочного слоя
Рис. 7. К учету угла падения пород (а - структурная модель,б -Рис^аИгимбаршни а-расппрредяжелеенниийя) вертикальных напряжений у выработок (а) и зависимости горизонтальных напряжений в
прочном слое от расстояния между выработками (б)
0
Структурйая модель
Массив горных пород
Рис. 11. К оценке влияния геологических нарушений (а - структурная модель, б -распределение горизонтальных напряжений, разрез)
Рис. 8. Зависимости
333.3 666.7 1000.0 1333.3 1666.7 2000.0 2333.3 2666.7 3000.0 3333.3 3666.7 4000.0 4333.3 4666.7 5000.0
I оригинальные" напряжения на верхней і ранице иричниі и-сттшг
Горизонтальные" напряжения на нижней границе прочного слоя
б
некотором удалении от поверхности почвы выработки, напряжения на его нижней и верхней границах возрастают. Однако по мере увеличения этого расстояния горизонтальные напряжения на верхней и нижней границах прочного слоя стремятся при-
нять одинаковые значения, при этом существенно уменьшается изгиб слоя и соответственно опасность возникновения горного удара. Примерно такая же закономерность наблюдается при изменении угла падения пород. Причем уже при 5-6 градусах на верхней
границе прочного слоя горизонтальные напряжения меняют знак на положительный (рис. 7).
Угольный пропласток в почве выработки может существенным образом влиять на напряжения в прочном слое. При его залегании непосредст-
ПИ д! 855 6.85
\ 1 '"--"чё
VИ.85 \
\
Соотношение размеров зоны опорного давления у очистной выработки
I----- ——-
50 100 200 400, м
Длина лавы, м
□ Максимальная величина зоны опорного давления в призабойной части лавы
□ Максимальная величина зоны опорного давления в боковых частях
б
а
венно под прочным слоем горизонтальные напряжения в прочном слое на его нижней границе могут возрасти в 3 и более раз относительно случая без пропластка. При залегании последнего на расстоянии, примерно равном ширине выработки, напряжения в прочном слое такие же, как и в случае без пропластка.
Представленные результаты моделирования были получены на основе использования модели нетронутого породного массива, в котором действует боковой распор по А.Н. Диннику [1]. Вместе с тем исходное напряженное состояния массива может характеризоваться и другим соотношением вертикальных (V) и горизонтальных ^) напряжений. На рис. 8 показаны зависимости напряжений в прочном слое почвы выработки при литостатическом распределении исходного поля напряжений = X = 1), а также при тектонике (Х> 1).
Как видно из графиков горизонтальные напряжения на нижней и верхней границах прочного слоя возрастают соразмерно коэффициенту бокового отпора (X). При этом разница в напряжениях на нижней и
верхней границах прочного слоя почти не изменяется.
Исследовано так же влияние на напряженное состояние породного массива горнотехнических факторов, которые могут создать опасность относительно горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках.
В областях сопряжения подготовительных выработок (рис. 9) в выступающих краевых частях массива (углах) напряжения на 15-20 % превышают уровень уН. В то же время над и под сопряжением возникает разгрузка, превышающая величину разгрузки пород вне сопряжения (рис. 9, б).
Рассмотрение напряженного состояния пород при сближении параллельных (парных) выработок, пройденных по одноименному угольному пласту, под которым залегает прочный слой породы (а/т = 4, рис. 10) показало, что и вертикальные напряжения у выработок (рис. 10, а) и горизонтальные в прочном слое под выработкой (рис. 10, б), претерпевают существенные изменения, когда расстояние между
Рис. 12. Результаты моделирования напряженного состояния пород у очистной выработки при различном ее отходе от разрезной печи (а - структурная модель, б -этап моделирования, в - гистограмма зон опорного давления)
выработками не превышает 10 их условных радиусов.
Промоделированы некоторые случаи влияния на распределение напряжений в породном массиве геологических нарушений. Последние могут быть элементами (сместителями) иерархической сложной блочной структуры [13]. Напряженное состояние такого массива оценивается с привлечением методов геодинамиче-ского районирования изучаемого объекта (месторождения, шахты и т.д.) [13], включающие в себя расчетные методы. Важным моментом при этом является определенность граничных условий на контуре рассматриваемого блочного массива. В приводимом примере (рис. 11) принято, что на границах массива смещения пород в горизонтальном направлении равны нулю, но в вертикальном породы могут свободно перемещаться (размеры массива в км. 5x5x1). Упругость зон сместителей на порядок меньше упругости вмещающих пород.
Из рассмотрения результатов моделирования видно, что блочное строение массива существенно искажает поле напряжений, особенно это сказывается вблизи сместите-лей. Проведенные расчеты отражают качественную сторону затронутого аспекта и свидетельствуют о необходимости в случаях выраженного блочного строения его учета при прогнозе горных ударов. При этом следует опираться на данные геодинамического районирования рассматриваемого месторождения (шахты) [13].
Проведение очистной выработки существенным образом перераспределяет напряжения в породном мас-
сиве. Поэтому важно оценивать эти изменения применительно к случаям заложения подготовительных выработок в зонах влияния очистных выработок. Известны плоские и пространственные в плане решения задачи о напряжениях в окрестности очистной выработки [3]. Вместе с тем большой практический интерес не только для рассматриваемой проблемы представляет решение объемной задачи о распределении напряжений в породах у очистной выработки заданных размеров. На рис. 12 показана объемная структурная модель, а также обобщение результатов моделирования напряженного состояния пород у очистной выработки с длиной забоя 100 м при ее отходе от разрезной печи на различные расстояния. Геометрические параметры и этапы моделирования понятны из рассмотрения рис. 12, а. Частный результат
моделирования напряженного состояния пород при отходе лавы от разрезной печи на 200 м иллюстрирует рис. 12, б (распределение напряжений, действующих в вертикальном направлении, изолинии в МПа).
Как видно из рассмотрения гистограммы (рис. 12, в) при равенстве сторон очистной выработки размеры зоны опорного давления с боков и впереди лавы также одинаковы. При отходе лавы меньшем, чем длина очистного забоя, размер зоны опорного давления впереди лавы превышает боковой, но при отходе лавы большем, чем длина очистного забоя, уже зона опорного давления с боков выработки превышает ту, которая формируется впереди забоя.
Энергия, участвующая в процессе разрушения, складывается из энергий: запасаемой в прочном слое
^пр.сл.) и вмещающих породах (^вмещ. п.). Идея применения такого подхода при изучении горных ударов впервые высказана И.М. Петуховым [2]. В данной работе этот принцип конкретизирован для одного из видов горных ударов.
Представленные результаты в большей мере отражают качественные зависимости влияющих факторов, но позволяют ориентироваться специалисту при практических расчетах, определяя опасность той или иной ситуации относительно горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках. В то же время настоящие исследования представляют собой основу для дальнейших исследований, которые связаны с решением вопросов запредельного деформирования пород и направлены на изучение механизма разрушения прочного слоя.
1. Авершин С.Г. Горные удары. - М., Углетехиздат, 1955.
2. Петухов. И.М. Горные удары на угольных шахтах. - М.: Недра, 1972.
3. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие /И.М. Петухов, А М. Линьков, В.С. Сидоров и др. - М.: Недра, 1992. - 256 с.
4. Каталог динамических разломов почвы горных выработок на угольных шахтах - Л.: ВНИМИ, 1983. - 120 с.
5. Каталог динамических разломов почвы горных выработок на угольных шахтах (дополнение к каталогу 1983 г.) - Л.: ВНИМИ, 1986. - 88 с.
6. Мустафин М.Г., Сидоров В.С., Филиппов Н.А. Опережающая отработка защитных пластов как эффективный способ предотвращения динамических разломов почвы выработок. - В кн.: Совершенствование способов разработки удароопасных месторождений. Л., ВНИМИ, 1986, с. 25-29.
7. Мустафин М.Г. Разработка способов прогноза и предупреждения динамических разломов почвы выработок на основе изучения напряженного состояния горного массива. Автореф. дисс. ... канд. техн. наук, - Л., 1989. (ВНИМИ).
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Внезапные разрушения почвы и прорывы метана в выработки угольных шахт. / А.М Морев, Л А. Скляров И.М Большинский С.М. Клойзнер, В.Т. Водолазский, В.В. Шерсткин - М.: «Недра», 1992. 174 с.
9. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М. Недра, 1987.
10. Zienkiewicz O.C. The Finite Element Method in Engineering Science. London, Mc. Graw-Hill, 1971.
11. Мустафин М.Г. К созданию экспертной системы прогноза устойчивости горных выработок // Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики / Международная конференция. - СПб.: ВНИМИ, 1996.
12. Мустафин М.Г. Геомеханическая модель системы «выработка - вмещающие породы» и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. С. - Петербург, ВНИМИ, 1999.
13. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. -М.: Недра, 1988.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Мустафин Мурат Газизевич — кандидат технических наук, ВНИМИ.
Петухов Игнатий Макарович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
