CC BY
35
Р 14
1ЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2000 >А.^МГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000^годая
"
М.И.
Л.М.
Смирнов, В.М. Вернигс
Гусельников,
2000
■ игор,
УЛК
М.И. Смирнов, В.М. Вернигор,
Л.М. Гусельников
ОБ УСЛОВИЯХ ФОРМИРОВАНИЯ ГЛУБИННЫХ ГАЗОЛИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Сростом глубины ведения горных работ и увеличения отработанных площадей шахтных полей на Воркутском месторождении существенно изменился характер и интенсивность перераспределения напряжений в горном массиве. Возникли новые формы газодинамических проявлений горного давления такие как газодинамические явления комбинированного типа с разрушением угля и породы в глубине массива, динамического разрушения почвы подготовительных выработок.
Прогноз динамической опасности, профилактические мероприятия, выполненные в соответствие с требованиями существующих нормативных документов в ряде случаев не обеспечивают надежных с точки зрения безопасности условий ведения горных работ.
Поэтому в связи с изменением геомеханиче-ских и геодинамических факторов, определяющих порядок отработки шахтных полей и месторождений, возникает необходимость выполнения горно-экспериментальных работ на глубине 800-1000 м и более.
Проведенными исследованиями влияния факторов, обуславливающих проявления газодинамических явлений (ГДЯ) на Воркутском месторождении, выполненные замеры напряжений на участках их возникновения, позволяют считать, что основными причинами внезапных выбросов и горных ударов являются повышенные естественные и техногенные напряжения. Согласно геоди-намическому районированию на месторождении отмечается наличие шести тектонически напря-
женных зон (ТНЗ), участки которых при наложении техно -генных напряжений приобретают признаки геодинамически опасных зон [1, 2]. Инструментальными исследованиями установлено, что формирование геодинамически опасных зон возможно и на участках, расположенных вне ТНЗ и зон опорного давления вследствие перераспределения напряжений в надработанной толще. При определенных размерах выработанного пространства развитие процесса разгрузки глубинных слоев надрабатываемой толщи сопровождается пригрузкой массива нетронутого горными работами. Протяженность зон пригрузки обычно превышают размеры зон опорного давления, образованных зависанием подработанных пород более, чем в 2-3 раза и в рассматриваемых условиях составляют 290-350 м.
На основании анализа условий возникновения ГДЯ и замеров напряжений разработана геомеха-ническая модель перераспределения напряжений в горном массиве в определенный промежуток времени, установлены параметры зон разгрузки, пригрузки и закономерности изменения коэффициента концентрации напряжений при ведении горных работ [3].
Инструментальные исследования показали, что напряженное состояние горного массива в зонах пригрузки характеризуются высоким коэффициентом концентрации напряжений, особенно при наличии технических нарушений. Выполненными замерами на глубинах 900-1040 м установлено, что на этих участках коэффициент концентрации напряжений достигает в угольном массиве от 5-6 до 7-8, а в породном 8-10. Такие величины коэффициента концентрации обычно характеризуют неустойчивое равновесное состояние горного массива и стремление к перераспределению напряжений. Перераспределение напряжений может иметь форму релаксации или носить толчкообразный характер и быть реализовано в виде глубинного горного удара в сторону горных работ или при проведении выработки в высоконапряженном массиве.
Для изучения природы и механизма газодина-
мических явлений с разрушением угля и породы в глубине массива при ведении горных работ в зонах повышенных напряжений были выполнены исследования, включавшие инструментальные наблюдения за изменением напряженно-
деформированного состояния массива и газопроявлений. Исследования велись при проведении горных выработок в зонах повышенных напряжений на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» в конвейерном штреке 212-с, рельсовом уклоне № 3 пласта Тройного и в людском ходке № 12-с на участке пласта Мощного.
Мощность пласта Тройного 2,3 м, природная газоносность 31,3 м3/т, мощность пласта Мощного 3,6-3,8 м, природная газоносность 25 м3/т. Пласты отнесены к опасным по внезапным выбросам угля и газа и горным ударам. Углы падения пластов 4-6о, глубина расположения выработок 980-1030 м. В кровле пластов залегают аргиллиты на высоту до 1,5-2 м, выше располагаются алевролиты, песчаники. Прочность на сжатие аргиллитов составляет 30-40, алевролитов 70-80 и песчаников 70-100 МПа. В почве расположены алевролиты и песчаники, прочность которых соответственно равна 50-60 и 75-90 МПа. Сечения выработок в свету 12,8 м2, выработки проходились комбайнами типа ГПКС, крепились арочной крепью КМП-А3.
Для предотвращения ГДЯ бурились разгрузочные скважины. В конвейерном штреке 212-с и рельсовом уклоне № 3 разгрузочные скважины бурились диаметром 300 мм станками «Старт», в людском ходке № 12-с скважины бурились диаметром 150 мм станком СБГ-1, приспособленным для бурения шнеками.
Выработки располагались в северном блоке шахты «Комсомольская», который является одним из сложнейших участков Воркутского месторождения как в геодинамическом, так и в техногенном отношениях.
Наличие естественных повышенных напряжений на различных участках блока подтверждается замерами выполненными вне зоны влияния опорного давления. Согласно замерам горизонтальные напряжения изменяются от 0,6 до 2,0 уН, вертикальные от 1,0 до 1,8 уН. На участках, прилегающих к местам горных ударов до их возникновения, или расположенных в зоне влияния тектонических нарушений, главные напряжения достигали 40-120 МПа или 2,0-4,8 уН. Массив, в котором проводились выработки, находился в зоне влияния тектонического нарушения Е2 и
частично в зоне влияния расслоения пласта Мощного.
Параметры бурения, схемы расположения прогнозных и разгрузочных скважин, допустимая величина подвигания забоя при выполнении разгрузочного цикла приняты в соответствии с нормативными документами и требованиями по созданию безопасных условий проведения выработок.
Горно-экспериментальными работами были уточнены схемы и параметры бурения разгрузочных скважин, соответствующие напряженно-деформирован-ному состоянию (НДС) массива при проведении выработок. Во всех проводимых выработках бурением прогнозных скважин в забой и бока выработок были установлены признаки удароопасности и предельное состояние угольного массива на глубине 3-5 м., что привело к зажатию бурового инструмента. Безаварийное бурение опережающих разгрузочных скважин можно было осуществить в забоях конвейерного штрека 212-с и рельсового уклона № 3 на глубину до 8-9 м, в людском ходке № 12-с при использовании скважин диаметром 150 мм на глубину 10 м. Бурение на большую глубину сопровождалось интенсивным разрушением угля, пород, выбросами штыба и зажимом инструмента.
С учетом необходимости разгрузки массива до 4 м за боковым контуром выработки, количество опережающих скважин в конвейерном штреке 212-с и уклоне № 3 принималось по 6, в людском ходке № 12-с — 8 штук. Ввиду неравномерности перераспределения напряжений по сечению выработки, после цикла разгрузки массива, периодически возникала необходимость бурения дополнительно 2-3-х скважин.
Согласно выполненным замерам максимальные напряжения в глубине массива впереди забоя по конвейерному штреку 212-с достигали на 3-5 м — 60^90 МПа, на 8-9 м —110-125 МПа, на глубине 10-12 м — 160^180 МПа. Неустойчивое равновесное состояние возникало при 4,5-5 уН. В рельсовом уклоне № 3 максимальные напряжения впереди забоя достигали на 3-4 м — 40^70 МПа, в интервале 5-7 м — 120 МПа, в 9-11—170 МПа, в ходке 12-с на 3-4 м — 60^80 МПа, 5-7 м
— 102^160 МПа и на 9-10 м достигали 174-180 МПа. Таким образом наибольшие напряжения в краевой части массива до глубины 5-6 м отмечаются в рельсовом уклоне, затем в ходке и наименьшие на конвейерном штреке.
Анализ газовыделений по диаграммам АГЗ показывает, что при выполнении основных операций (разгрузка массива, работа комбайна) объем выделяющегося газа пропорционален напряженному состоянию краевой части массива выработки. Так на 1 м проводимой выработки при выполнении основных операций в рельсовом штреке выделялось 140 м3 метана, в ходке — 98 м3, в конвейерном штреке — 34 м3.
Прослеживается зависимость распределения зон дезинтеграции массива впереди выработки от положения первой зоны. Так фактическая длина скважин в рассматриваемых условиях не превышает 1,4-1,7 раза расстояния от груди забоя до начала первой зоны предельного состояния. При наличии категории удароопасности на 4-5 м разгрузочная скважина при бурении в безаварийном режиме может иметь длину 7-8,5 м.
Статистическая обработка материалов бурения прогнозных разгрузочных скважин, замеров напряжений показала, что распределение напряжений вокруг и впереди забоя определяется закономерностями зональной дезинтеграции [4] (рис.).
Инструментальные наблюдения при проведении в зонах повышенных напряжений подготовительных выработок позволяют считать, что несмотря на различные горно-геологические и гео-динамические условия изменения НДС и газопроявлений в рассматриваемых забоях носят одинаковый характер.
Проведение выработок в зоне повышенных напряжений характеризуется тем, что напряжения в глубине массива обычно выше, чем в краевой части угольного массива, находящейся в предельном состоянии.
На исследуемых глубинах в зонах повышенных напряжений коэффициент концентрации напряжений в угольном массиве может достигать в краевой части до 5-6, в глубине до 7-8 уН, что обычно характеризует неустойчивое равновесное состояние массива и стремление к перераспределению напряжений в сторону выработки. Поэтому эффективность управления перераспределением НДС определяется возможностью создания условий для релаксации напряжений на участке с достаточной протяженностью, прилегающего к забою выработки.
На основании полученных результатов горноэкспериментальных работ, основных положений нелинейной геомеханики [4] разработана и апробирована модель условий формирования горного удара, параметров разгрузки при проведении вы-
работок в высоконапряженном угольном массиве.
В модели использованы результаты по определению несущей способности угля при трехосном напряженном состоянии Печорниипроекта, ВНИМИ [4]. Уголь и, соответственно, содержание в нем метана, рассматривается согласно последним концепциям «как твердый раствор» [6, 7].
Основные принципы модели базируются на следующих положениях:
1) напряжения в краевой части меньше, чем в глубине массива;
Рис. Рабочая модель механизма и условий формирования глубинного горного удара (ГДЯ) при проведении выработок в высоконапряженном массиве
Схема распределения напряжений и дезинтеграция массива вокруг выработки
2) уголь в краевой части находится в трехосном напряженном состоянии;
3) уголь рассматривается как твердорастворная газоугольная система, в которой газ находится в сорбированном, свободном и кристаллогидратном состоянии;
4) газовыделение из угля является сложным процессом, возникающем при динамическом деформировании в массиве, разрушении угля, включает механо-химические процессы и др.;
5) распределение напряжений вокруг выработки и впереди забоя определяется закономерностями нелинейной геомеханики и в соответствии с зональной дезинтеграцией горного массива около выработки (рис.).
Рекомендации по прогнозу НДС массива и его разгрузки, полученные на основании модели, в особо сложных условиях характеризуются следующими параметрами:
• величина прогнозного бурения должна быть не менее расстояния до II зоны дезинтегра-
ции;
• величина разгрузки массива должна производиться включительно на расстояние до III зоны дезинтеграции;
• изменение прочностных свойств, структуры вмещающих пород необходимо осуществлять на расстояние до III зоны дезинтеграции;
• методы разгрузки и изменение прочностных свойств углепородного массива должны исключать динамическое воздействие на массив мгновенными импульсами большой силы, приводящие к мгновенному перераспределению высоких напряжений (гидроотжим, камуфлетное взрывание и т.д.).
Рекомендуемые параметры по прогнозу НДС и его разгрузке соответствуют результатам, полученным при проведении горноэкспериментальных исследований, соответствуют закономерностям дезинтеграции массива и обеспечивают безопасные условия проведения выработок в зонах повышенных напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
июня 1997. - СПб.: ВНИМИ, 1997. - С. 19-32.
2. Субботин А.И., Вернигор
В.М. Влияние тектонических и
1. Шабаров А.Н. Геомеханиче-ские аспекты, опыт и перспектива решения проблем геодинамиче-ской безо-пасности на предпри-
ятиях топливно-энергетического комплекса//Проблемы геодинами-ческой безопасности. II международное рабочее совещание 24-27
горнотехнических условий на динамические и газодинамические явления //Безопасность труда в промышленности. - 1996. - № 6. -С. 27.
3. Исследование эффективно -сти управления влиянием техногенных факторов на создание безопасных условий в очистных забоях и прилегающих выработках / Экгардт В.И., Гусельников Л.М., Осипов А.Н., Согрин Б.А.,
Казанин О.И.// Народное хозяйство Республики Коми. - 1998.- т. 7.
- № 2. - С. 1-16.
4. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики// ФТПРПИ. - 1999. - № 3. -С. 12-26.
5. Федотов А.П. Горные удары при проходке подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ.// Сборник трудов по проблеме горных ударов. - Л.:
ВНИМИ. - 1962. - Вып. XI, IX. -
С. 106-117.
6. Одинцов В.Н. Внезапный
выброс угля и газа — разрушение природного угля как раствора метана в твердом веществе. //
ФТПРПИ, 1997. - № 6. - С. 18-28.
7. Эттингер И.Л. Необъятные запасы и непредсказуемые катастрофы. - М.: Наука, 1988. - 175 с.
Смирнов М.И. - кандидат технических наук. Печорниипроект.
Вернигор В.М. - кандидат технических наук, Печорский округ Госгортехнадзора России.
Гусельников Л.М. - инженер, Печорниипроект.
У
Файл: СМИР_В~1
Каталог: 0:\С диска по работе в униве-
ре\аіЛБ_20\аіЛБ12_0\МЛСЕТ Шаблон:
С :\и sers\Таня\ЛppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Nor
таї.^іт
Заголовок: _______ Смирнов М.И., канд.техн.наук
Содержание:
Автор: Гвоздицин Александр свет Геннадьевич
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 30.11.2000 10:39:00
Число сохранений: 4 Дата сохранения: 04.12.2000 11:23:00 Сохранил: Гитис Л .Х.
Полное время правки: 28 мин.
Дата печати: 11.12.2008 0:08:00
При последней печати страниц: 5
слов: 2 080 (прибл.)
знаков: 11 862 (прибл.)
