CC BY
20
УДК [622.831:622.273.3]:519.876.5
А.А. Черепов, С.Н. Ширяев, В.Ю. Кулак
ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАМЕРНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ МОЩНОГО ПОЛОГОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Рассмотрен вариант камерной послойной выемки мощного пологого угольного пласта, склонного к газодинамическим явлениям на глубине более 300 м. Для обоснования ширины камер, устойчивых угольных целиков между камерами и блоками проведено численное моделирование геомеханических процессов при разных вариантах пространственного положения объектов камерной системы разработки. Установлено, что в породах кровли над камерами двух соседних блоков формируется общий свод естественного равновесия, который разделен на два локальных свода между блоковым целиком, что подтверждает его устойчивость и возможность изоляции выработанных пространств соседних отработанные блоки, для обеспечения пожарной безопасности и предотвращения миграции флюидов. Рекомендуется при выборе ширины междукамерных целиков учитывать не полный вес пород, а лишь в пределах общего свода естественного равновесия, так как основная вертикальная нагрузка воспринимается целиками между блоками.
Ключевые слова: угольный пласт, геомеханические процессы, угольные целики, породы кровли.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-161-169
Введение
По результатам анализа запасов угля установлено [1], что по состоянию на 2013 г. в недрах Кузбасса до глубины 600 м сконцентрировано 218,5 млрд т угля. В горной практике принято все балансовые запасы делить на три группы [2]: высокотехнологичные, технологичные и низкотехнологичные. Отработка высокотехнологичных запасов подземным способом осуществляется, как правило, длинными столбами с обрушением (ДСО) с выемкой угля в лавах, оснащенных средствами комплексной механизации (88% от общего объема подземной добычи).
Монопольное применение этой системы разработки при длине выемочных столбов до 4 км и лавы до 400 м привело к выборочной отработке участков угольных пластов с углом падения до 15°, мощностью 1,7—4,5 м, резкому сокращению разведанных балансовых запасов угля в недрах. Значительная часть низкотехнологичных запасов полезных ископаемых в пределах горных отводов действующих шахт законсервирована из-за отсутствия эффективной и безопасной технологии отработки угольных пластов, склонных к газодинамическим явлениям, самовозгоранию, в зонах геологических нарушений, под затопленными
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 161-169. © А.А. Черепов, С.Н. Ширяев, В.Ю. Кулак. 2017.
Рис. 1. Проект отработки пласта III камерной системой разработки, выемочные блоки КСО1—1 и КСО 1—2, шахта ЗАО «Распадская-Коксовая»: вертикальное сечение по оси камеры (а); поперечные разрезы и план камер (б)
водой выработанными пространствами верхних пластов свиты и др. [3, 4].
В проектах строительства или технического перевооружения угледобывающих предприятий низкотехнологичные запасы рассматриваются как остаточные, которые планируется отрабатывать в будущие периоды при появлении новой технологии и технических средств, адаптивных к сложным горно-геологическим и горнотехническим условиям.
Однако, как показывают результаты анализа реальных планов горных работ, при выборочной отработке угольных пластов ДСО ликвидируются выработки, обеспечивающие доступ к законсервированным остаточным запасам угля.
Дальнейшее расширение области применения систем разработки с длинными комплексно-механизированными забоями приведет к интенсивному исчерпанию рентабельных для извлечения промышленных запасов в Кузбассе через 20—40 лет, так как при добыче 1 т угля ДСО списываются 3 т разведанных запасов [1].
Одной из причин нерационального недропользования и выборочной отработки участков угольных месторождений является повышенная опасность возникновения газодинамических явлений [4—7]. На пластах, склонных к горным ударам, в настоящее время работают 82% подготовительных забоев и 79% очистных забоев. Несмотря на монопольное применение системы разработки ДСО, которая в действующих нормативных документах рассматривается как наиболее адаптивная к экономическим и сложным горно-геологическим условиям, количество газодинамических проявлений горного давления существенно не снижается [6—8], то есть требуется создание новых безопасных и эффективных технологий добычи угля. Например, действующие нормативные документы по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к горным ударам
[8—9], запрещают применение камерной и камерно-столбовой систем разработки. Другие системы разработки на склонных к горным ударам пластах разрешается применять только после проведения специальных профилактических мероприятий.
В этой ситуации в ООО «Распадская угольная компания» начата отработка мощного пласта III в условиях шахты ЗАО «Распадская-Коксовая» по камерной системе разработки (рис. 1).
Объект исследования
Пласт III сложного строения, мощностью 7,86 до 13,03 м, в среднем 10,64 м. Ложная кровля представлена аргиллитами. Непосредственная кровля пласта мощностью 17,4 м представлена алевролитами крупно- и мелко зернистыми. Основная кровля представлена песчаниками светло-серыми, мелкозернистыми, характеризуется как труднооб-рушающаяся. Непосредственная почва представлена алевролитами мелкозернистыми с переслаиванием алевролитов с песчаниками, местами трещиноватая. Глубина горных работ на экспериментальном участке 300—370 м. Предел
прочности угля пласта III при сжатии а = 10 МПа.
сж
Общий вид камерной системы разработки приведен на рис. 1.
Для определения геомеханических параметров камерной системы разработки мощного пологого угольного пласта проведено численное моделирование методом конечных элементов с использованием программного комплекса, разработанный на кафедре геотехнологии СибГИУ [10]. По результатам моделирования вычислялись следующие геомеханические параметры полный вектор напряжений и деформаций, вертикальные и горизонтальные смещения угольного пласта и вмещающих пород, отношение остаточной прочности угля и пород к исходной прочности.
В соответствии с программой исследований рассмотрены следующие варианты пространственного расположения камер, междукамерных и междублоковых угольных целиков:
• две параллельные камеры;
• система камер в пределах отдельного блока;
• система камер в пределах двух соседних блоков.
Рис. 2. Изолинии распределения отношения остаточной прочности угля и пород к исходной прочности при взаимном влиянии двух соседних камер в выемочном блоке: ширина камер и целиков 7 м
Рис. 3. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений при взаимном влиянии двух соседних камер в выемочном блоке: ширина камер и целиков 7 м
Результаты и обсуждение
Распределение НДС в окрестности двух параллельных камер На рис. 2 показаны изолинии распределения коэффициента дезинтеграции угля и пород как отношение остаточной прочности к исходной прочности при взаимном влиянии двух соседних камер в выемочном блоке.
Из рис. 2 следует, что угольный целик между камерами 4 (на рисунке не показана) и 5 разрушен, а между камерами 5 и 6 уголь находится в запредель-
ном состоянии. В боку камеры 6, расположенного в краевой части пласта, уголь также деформирован и разделен трещинами с частичным отжимом угля. Породы кровли над каждой камерой частично разрушены и требуется их крепление или упрочнение.
Причинами разрушения угля в междукамерных целиках являются вертикальные напряжения, которые превышают в 1,3—1,4 напряжения в нетронутом массиве (рис. 3), а также горизонтальные растягивающие напряжения в средней
-70 -60 -50 -40 -30 -20
Расстояние от оси модели,
Рис. 4. Изолинии распределения отношения остаточной прочности угля и пород к исходной прочности после отработки шести камер первого блока: ширина камер и целиков 7 м
Рис. 5. Изолинии распределения коэффициента концентрации вертикальных напряжений после отработки шести камер первого блока: ширина камер и целиков 7 м
части целика. В породах кровли и почвы камер выявлены зоны разгрузки, где вертикальные и горизонтальные сжимающие напряжения переходят в растягивающие.
Распределение НДС в окрестности системы камер в пределах отдельного блока
Влияние системы параллельных камер в пределах отдельного выемочного блока проявляется в виде неравномерного разрушения угольных целиков: площади зон разрушения угля в целиках постепенно уменьшаются в направлении от середины к границам блока (рис. 4).
Несмотря на высокие концентрации вертикальных напряжений на междукамерные целики (рис. 5) над каждой камерой и отрабатываемым блоком в целом происходит разгрузка пород непосредственной кровли, а вес пород основной кровли передается на угольный пласт на границах блока. Следовательно, при расчете ширины целиков и камер следует учитывать вес непосредственной кровли, а вес пород основной кровли и налегающей породной толщи перераспределять на краевые участки пласта на границах блока.
Распределение НДС в окрестности системы камер в пределах двух соседних блоков, разделенных целиком между блоками На рис. 6 показано распределение коэффициента концентрации вертикальных напряжений при отработке 12 камер в двух соседних блоках, разделенных целиком между блоками. Из рис. 6 следует, что угольные целики между камерами находятся в запредельном состоянии, а целик между блоками сохраняет устойчивость, что подтверждается графиками рис. 7. Ожидается разрушение угля на сопряжении боков целика и пород кровли и почвы, где возможен отжим угля.
Характер распределения коэффициента концентрации вертикальных напряжений представлен на рис. 8.
Устойчивость межблокового целика шириной 21 м обеспечивается.
Как следует из графиков рис. 8 в породах кровли формируется общий свод естественного равновесия, который разделен на два локальных свода целиком между блоками. В пределах локальных сводов породы кровли частично разгружены. Зоны разгрузки выявлены и в породах почвы. Несущими элементами камерной системы разработки являются междукамер-
Рис. 6. Изолинии распределения отношения остаточной прочности угля и пород к исходной прочности после отработки 12 камер первого и второго блоков: ширина камер и междукамерных целиков 7 м, ширина целика между блоками 21 м
ные целики, целик между соседними блоками и краевые участки угольного пласта.
По результатам анализа графиков распределения вертикальных и горизонтальных напряжений проведена оценка риска возникновения горных ударов в угольном пласте. Наиболее вероятными концентраторами упругой энергии явля-
ются угольные целики между камерами, где вертикальные напряжения а2 = 11,0 МПа при коэффициенте концентрации вертикальных напряжений 1,4 и глубине разработки 370 м. При прочности угля асж = 10 МПа междукамерные целики в условиях одноосного сжатия (отношение ширины целика к высоте 0,7) разруша-
Расстояние от оси модели, м
Рис. 7. Изолинии распределения отношения остаточной прочности угля и пород к исходной прочности в межблоковом целике после отработки 12 камер первого и второго блоков: ширина камер и междукамерных целиков 7 м, ширина целика между блоками 21 м
100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Расстояние от центра модели, м 1 - пласт III; 2 - выемочная камера 1; 3 - целик 7 м; 4 - выемочная камера 2; 5 - целик 7 м; 6 - выемочная камера 3; 7 - целик 7 м; 8 - выемочная камера 4; 9 - целик 7 м; 10 - выемочная камера 5; 11 - целик 7 м; 12 - выемочная камера 6;
13 - пласт III, целик 21 м, вариант 11; 14 - выемочная камера 7; 15 - целик 7 м; 16 - выемочная камера 8; 17 - целик 7 м; 18 - выемочная камера 9; 19 - целик 7 м; 20 - выемочная камера 10; 21 - целик 7 м; 22 - выемочная камера 11; 23 - целик 7 м; 24 - выемочная камера 12; 25 - пласт III
Рис. 8. Изолинии распределения коэффициента концентрации вертикальных напряжений после отработки после отработки 12 камер первого и второго блоков: ширина камер и междукамерных целиков 7 м, ширина целика между блоками 21 м
ются, то есть риск возникновения горного удара минимальный.
Вероятность формирования концентраторов напряжений повышается в краевых участках пласта, где вследствие формирования объемного напряженно-деформированного состояния и увеличения объемной прочности угля возникает опорное горное давление. На этих участках рекомендуется проводить противоударные мероприятия.
Выводы
1. Основной причиной разрушения угольного целика между соседними камерами является переход угля в запредельное состояние под влиянием вертикальных сжимающих и горизонтальных растягивающих напряжений. Критерием устойчивости целика является отношение вертикальных напряжений к пределу прочности угля при сжатии не более 0,7.
2. Влияние системы параллельных камер в пределах отдельного выемочного блока проявляется в виде неравномерного разрушения угольных целиков: площади зон разрушения угля в целиках
постепенно уменьшаются в направлении от середины к границам блока.
3. Несмотря на высокие концентрации вертикальных напряжений на междукамерные целики над каждой камерой и отрабатываемым блоком в целом происходит разгрузка пород непосредственной кровли, а вес пород основной кровли передается на угольный пласт на границах блока. Рекомендуется при расчете ширины целиков и камер следует учитывать вес непосредственной кровли, а вес пород основной кровли и налегающей породной толщи перераспределять на краевые участки пласта на границах блока.
4. При отработке камер соседних блоков в породах кровли формируется общий свод естественного равновесия, который разделен на два локальных свода целиком между блоками. В пределах локальных сводов породы кровли частично разгружены. Зоны разгрузки выявлены и в породах почвы. Несущими элементами камерной системы разработки являются междукамерные целики, целик между соседними блоками и краевые участки угольного пласта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шаклеин С.В., Писарева М.В. Подходы к обоснованию концепции развития минерально-сырьевой базы Кузнецкого угольного бассейна // Рациональное освоение недр. — 2013. — № 2. — С. 38—40.
2. Коллектив авторов. Методическое руководство по выбору геомеханических параметров технологии разработки угольных пластов короткими забоями. — СПб.: ВНИМИ, 2003. — 30 с.
3. Рубан А. Д. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов: Справочное пособие / Под общ. ред. А.Д. Рубана. — М.: Горная книга, 2010. — 500 с.
4. Артемьев В. Б., Коршунов Г. И., Логинов А. К., Шик В. М. Динамические формы проявлений горного давления. — СПб.: Наука, 2009. — 347 с.
5. Гатинский Ю. Г., Малышев Ю. Н., Прохорова Т. В. Геодинамика и сейсмичность горнопромышленных регионов стран СНГ Центральной Азии // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2015. — № 2. — С. 78—84.
6. Лазаревич Т. И., Мазикин В. П., Малый И. А., Ковалев В. А., Поляков А. Н., Харкевич А. С., Шабаров А.Н. Геодинамическое районирование Южного Кузбасса. Монография. — Кемерово: Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела — Межотраслевой научный центр ВНИМИ Кемеровское Представительство; Редакционно-из-дательская фирма «Весть», 2006. — 184 с.
7. Лазаревич Т. И., Поляков А. Н. К проблеме сейсмобезопасности Кузбасса в условиях активного освоения его недр // ТЭК и ресурсы Кузбасса. — 2010. — № 2. — С. 28—30.
8. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам. Режим доступа: http://www.vnimi.ru/documents/ work/instrGornUdar.pdf
9. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». Серия 05. Вып. 40. — М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2014. — 200 с.
10. 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 ti^re
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. 161-169. UDC [622.831:622.273.3]:519.876.5
A.A. Cherepov, S.N. Shiryaev, V.Yu. Kulak
JUSTIFICATION OF GEOMECHANICAL PARAMETERS FOR ROOM-AND-PILLAR METHOD OF MINING FOR THICK GENTLY DIPPING COAL BEDS
The variant chamber layer-by-layer excavation of thick flat coal seam prone to gas-dynamic phenomena at depths greater than 300 m is considered. To justify the width of the chambers, stable
coal pillars between chambers and blocks of numerical modeling of geomechanical processes with different variants of the spatial position of the object chamber system of development is perfomed. It is established that in rocks of the roof over the chambers of the two neighboring blocks is formed the dome of natural equilibrium, which is divided into two local arch between the bloc pillar, which confirms its stability and the ability to isolate worked-out areas of the neighboring developed blocks to ensure fire safety and prevent the migration of fluids. It is recommended when choosing the width of between-chamber pillars to consider not the total weight of the rocks, but only within the overall dome of natural equilibrium, since the vertical load is taken by the pillars between blocks.
Key words: coal seam, geomechanical processes, coal pillars, rocks of the roof.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-161-169
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. Shaklein S. V., Pisareva M. V. Ratsional'noe osvoenie nedr. 2013, no 2, pp. 38-40.
2. Kollektiv avtorov. Metodicheskoe rukovodstvo po vyboru geomekhanicheskikh parametrov tekh-nologii razrabotki ugol'nykh plastov korotkimi zaboyami (Team of authors. Guidance on the selection of geomechanical parameters of technology of development of coal seams by short faces), Saint-Petersburg, VNIMI, 2003, 30 p.
3. Ruban A. D. Podgotovka i razrabotka vysokogazonosnykh ugol'nykh plastov: Spravochnoe poso-bie. Pod red. A.D. Rubana (Preparatory and development high-gas coal seams. Reference aid. Ruban A. D. (Ed.)), Moscow, Gornaya kniga, 2010, 500 p.
4. Artem'ev V. B., Korshunov G. I., Loginov A. K., Shik V. M. Dinamicheskie formyproyavleniygornogo davleniya (Dynamic forms of rock-pressure manifestations), Saint-Petersburg, Nauka, 2009, 347 p.
5. Gatinskiy Yu. G., Malyshev Yu. N., Prokhorova T. V. Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk. 2015, no 2, pp. 78-84.
6. Lazarevich T. I., Mazikin V. P., Malyy I. A., Kovalev V. A., Polyakov A. N., Kharkevich A. S., Shabarov A. N. Geodinamicheskoe rayonirovanie Yuzhnogo Kuzbassa. Monografiya (Geodynamic zoning of the southern Kuzbass. Monograph), Kemerovo, 2006, 184 p.
7. Lazarevich T. I., Polyakov A. N. TEKi resursy Kuzbassa. 2010, no 2, pp. 28-30.
8. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na shakhtakh, razrabatyvayushchikh ugol'nye plasty, sklonnye k gornym udaram, available at: http://www.vnimi.ru/documents/work/in-strGornUdar.pdf
9. Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Pravila bezopasnosti v ugol'nykh shakhtakh». Seriya 05. Vyp. 40 (Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules in coal mines" Series 05. Issue 40), Moscow, ZAO NTTs PB, 2014, 200 p.
10. Fryanov V. N., Petrova O. A., Petrova T. V. Khroniki ob"edinnogo fonda elektronnykh resursov «Nauka i obrazovanie», no 08—09 (75—76) August—September 2015, available at: http://ofernio.ru/ portal/newspaper05.php
A
