Определение безопасного расположения очистных выработок относительно шахтных стволов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Л.Н. Шакина, Е.В. Беляев, 2002

УДК 622.26

Л.Н. Шакина, Е.В. Беляев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК ОТНОСИТЕЛЬНО ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

В

основу методов управления массивом положены следующие предпосылки:

1. Горный массив в окрестности очистной выработки моделируется слоистой сыпучей средой с трением и сцеплением, находящейся в предельном состоянии, которое при потере равновесия массивом характеризуется образованием поверхностей скольжения, направленных в сторону выработанного пространства. Величина перемещения пород по этим поверхностям под действием гравитации обусловливается:

а) компрессионным сжатием пористого слоя разрушенных пород непосредственной кровли или закладки; б) упругим восстановлением пород за счет их разгрузки в пределах свода обрушения; в) зазором (пустотой) между зависшей основной и обрушенной непосредственной кровлей. Перемещение пород в пределах свода обрушения в сторону выработанного пространства лишает распора прилегающий к своду массив, который под давлением покрывающей толщи и собственного веса теряет равновесие и сдвигается по поверхностям скольжения в сторону выработанного пространства до тех пор, пока не восстанавливается боковой распор пород.

2. Толща пород над зонами обрушения и сдвигов вследствие нарушения равновесия прогибается в сторону выработанного пространства подобно пачке плит, защемленных по контуру, под действием собственного веса до тех пор, пока вес ее не уравновесится либо отпором нижележащего разрушенного массива, либо собственным сопротивлением слоев изгибу (горизонтальным распором). Эти явления протекают циклами, согласующимися в основном с посадкой основной кровли. По мере увеличения площади выработанного пространства возрастает масса зависшей породы, которая периодически обрушается слоями по мере достижения массы слоя его сопротивления на отрыв и изгиб. Обрушение нижнего слоя приводит к зависанию и обрушению соседнего верхнего и так далее.

Достаточная точность, воспроизводимость и объективность этих предпосылок подтверждаются стандартными показателями сходимости измеренных и вычисленных величин перемещения массива. Для обоснования методики прогнозирования перемещений подработанного массива использовано 830 опытов в 39 сериях наблюдений. Адекватность рабочей гипотезы опыту установлена по критерию Пирсона.

В отличие от методов управления геомеханическими процессами, основанных на эмпирических функциях

распределения перемещений и деформаций подработанного массива и в отличие от массива, моделируемого сплошной средой или конечными элементами, предложены методы управления геомеханиче-скими процессами в массиве, трактуемом как многозональная дискретная среда из 5-ти взаимодействующих тел, механическое состояние которых описывается не одинаковыми ( как в моделях сплошной среды), а разными уравнениями состояния, их вид обусловлен взаимодействием на компрессионно-сжимаемом слое разрушенных пород непосредственной кровли или закладки при нестационарных граничных условиях в пространстве и во времени.

В отличие от известных способов учета дискретности подрабатываемого массива конечными элементами, количество, размеры и форма которых выбираются произвольно, причем только для симметричной расчетной схемы при горизонтальном залегании пласта и в одной плоскости, предложены новые решения, учитывающие реальные физические процессы в пространстве при формировании зон массива.

Объемный фактор учтен умножением функций распределения перемещений в главных сечениях подрабатываемого массива по простиранию и вкрест простирания пласта угля. В отличие от известных способов учета факторов времени путем введения реологических констант в сплошную среду при стационарных граничных условиях предложены новые решения в перемещающейся в пространстве и во времени системе координат, учитывающие скорости перемещения границ выработанного пространства, историю процесса, периодическую смену геомеханических зон, циклы посадки основной кровли. Результативный вектор перемещения на определенный момент устанавливается как векторная сумма его составляющих за время пребывания расчетной точки в пределах каждой из геомеханических зон.

Управлять процессами в заданной области (точке) породного массива можно регулируя: а) планировку очистных выработок, их расположение, размеры и форму; б) направление и скорость очистного забоя; в) обрушение непосредственной кровли и посадку основной; д) охрану выработок и сооружений от вредного влияния гравитационных процессов.

Регулированием, расположением очистных выработок относительно охраняемой области (точки) массива достигается возможность перемещения зоны активных гравитационных процессов в безопасный район. Несколько очистных выработок могут быть расположены таким образом, чтобы геомеханические процессы в охраняемой области компенсировались (гармоничная подработка).

Регулированием размера и формы выработанного пространства достигается возможность: изменять объем и форму области геомеханических процессов; изменять размещение в геологическом пространстве гравитационных зон, (см. рис. 1) снижать количественный уровень и

интенсивность процессов. Регулированием направления движения очистного забоя достигается возможность изменять размещение в геологическом пространстве гравитационных зон. Регулирование скорости очистного забоя позволяет изменять продолжительность активной стадии гравитационных процессов и скорость их протекания. Способ управления кровлей обусловливает количественный уровень гравитационных процессов. Различные типы закладки позволяют уменьшить его (по сравнению с уровнем при управлении кровлей полным обрушением) в 2-10 раз и обеспечить практически любой требуемый уровень процессов в различных горногеологических условиях. Управление кровлей частичной закладкой и частичным обрушением позволяет снизить лишь интенсивность гравитационных процессов при сохранении того же количественного уровня, что и при полном обрушении.

При управлении кровлей из слабых пород полным обрушением количественный уровень и интенсивность процессов будут меньшими, чем при других типах кровли. При прочих равных условиях

наиболее интенсивны процессы при труднообрушаемых кровлях, а наибольший количественный уровень - при плавно смыкающихся кровле и почве.

Применяя различные способы охраны, можно управлять взаимодействием породного (грунтового) массива с не-

Рис. 1. Расчетные схемы: а - вертикальный разрез подработанной толщи вкрест простирания пласта; б - разрез подработанной толщи по простиранию плоскостью нормальной к напластованию через точку 0; в - разрез толщи по напластованию: Д, Е, и Ж - прямоугольные участки зоны В по простиранию, падению и восстанию пласта соответственно., З и И - треугольные участки зоны В по падению и восстанию пласта соответственно, А, Б, В, Г и К - зоны полной подработки, сдвигов, погибов и опорного давления соответственно. 1, 2 - границы зоны Б; 3, 4 - границы зон А, В; 5 - граница участка БЕ; 6 - общая граница участков БЕ и БЖ на разрезе вкрест простирания; 7 -пласт; 8 - границы зоны Г; 9 - нейтральная плоскость прогиба; 10 - слой в выработанном

кровли и закладки; 11 - внешняя граница зоны опорного давления; 12 - граница, отделяющая верхнюю область от нижней; 13 - земная поверхность

сущими и ограждающими конструкциями подрабатываемых сооружений, уменьшить дополнительные нагрузки, деформации и перемещения их до безопасного уровня при выемке пологих тонких и средней мощности пластов в любом диапазоне горногеологических условий.

Управление геомеханическими процессами в целях полноты извлечения угля из околоствольных целиков заключается в выборе таких размеров, формы, расположения очистных выработок, направления и скорости забоя, способа управления

кровлей, при которых бы уровень

геомеханических процессов во время выемки запасов не превышал допустимого уровня. Наиболее эффективны управление массива закладкой выработанного пространства и применение гармоничного расположения очистных выработок относительно ствола.

Гармоничное расположение очистных выработок

требуется при отработке запасов угля в пределах около-ствольных целиков, где сосредоточено около 5 % балансовых запасов шахт, а с увеличением глубины разработки эта цифра еще увеличится. Запасы угля в пределах околоствольных целиков подготавливаются выработками, проходимыми в районе сопряжения ствола с пластом широким ходом и гармонично отрабатываются одновременно несколькими лавами.

Сохранение вертикальности ствола при бесцеликовой технологии разработки пологих тонких пластов обеспечивается при таком формировании выработанной площади, при котором ее ось симметрии совпадает с осью ствола или с ее проекцией на пласт. При этом направление отработки выемочных полей на обводненных месторождениях должно быть от границ целика к стволу, а не на обводненных - от ствола к границам.

Сохранение герметичности ствола в месте сопряжения его с пластом обеспечивается компенсатором шахтной крепи с податливостью, равной вынимаемой мощности пласта. Скорость очистного забоя определяет интен-

сивность развития перемещений подрабатываемого массива, чем выше скорость, тем интенсивней перемещения и наоборот. Плавное, медленное развитие перемещений чаще всего является благоприятным фактом. Роль скорости велика при гармоничной подработке, когда положение очистных забоев двух выработок в одном или двух пластах на любой заданный момент времени должно быть определенным относительно охраняемого объекта, что возможно лишь при заданном соотношении скоростей забоев. Регулирование скорости очистного забоя производится подбором соответствующего оборудования и организацией труда.

Схемы гармоничной подработки ствола приведены на рис. 2 и рис. 3.

Безопасные расстояния нижней и верхней очистной выработки при гармоничной подработке

ствола лавами, отрабатываемыми вкрест простирания (рис. 2) определяются по формуле :

ав = ан К

Рис. 2. Технология отработки околостволь-ного целика длинными столбами вкрест простирания встречно-расходящимися забоями: 1 - воздухопадающий бортовой ходок; 2-ствол; 3- кольцевая ниша; 4, 10 - бремсберги; 5 - граница целика; 6 -очистной забой; 7 - выработанное пространство; 8, 9 - вентиляционный и откаточный штреки

где ав , ан - расстояния в плане от ствола до забоя верхней и нижней лав (рис. 2); К = Q (sin СО - a ): [ Q (b + tg 0,5

О ) cos О + aj (tg 0,5 О - sin О ); aj - глубина ствола в месте пересечения его с пластом; a =ctg (45 0 + 0,5 р -О); b = ctg (45 0 + 0,5 р +О ); О - угол наклона пласта; р -осредненное значение угла внутреннего трения около-ствольного массива;

Q = min {Qu; Qt}; Qu = lu: (a+b) ^ H; Qt = h: 2c

< H; c = ctg(45 0 + 0,5 р );

H = 0,8 (Нн - Qu a sin О ) : cos О ; Нн - глубина нижней границы выработанного пространства; размеры вы-Рис. 3. Технология отработки околоствольного целика длинными столбами по простиранию встречно-расходящимися забоями: 1 - воздухопадающий штрек; 2- ствол; 3- кольцевая ниша; 4 - откаточный штрек; 5 -граница целика; 6, 7 - верхняя и нижняя лавы; 8 - дренажный штрек; 9 -вентиляционный штрек; 10,11 - людской и вентиляционный ходки; 12 -бремсберг

работок в направлении оси и или 1 (рис. 1)

Итак, предложен метод управления околоствольным массивом при отработке околоствольного целика встреч-но-расходящимися очистными забоями, обеспечивающий сохранение вертикальности оси подъема, заключающийся в сохранении во времени и пространстве предложенного соотношения расстояний от ствола до выработок.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шакина Л.Н. — горный инженер-маркшейдер, НТЦ «Промышленная безопасность». Беляев А.В. - доктор технических наук, НТЦ «Промышленная безопасность».