CC BY
13
6. O'reilly M. P., New B. M. Settlement above tunnels in the United Kingdom -Their magnitude and prediction //Proc. the Tunneling 82 Conference-ence, Brighton. 1982. Pp. 173-181.
7. Karakus M., Fowell, R. J. Effects of different tunnel face advance excavation on the settlement by FEM //Tunnelling and Underground Space Technology. 2003. T. 18. no. 5. Pp. 513-523.
8. Minguez F., Gregory A., Guglielmetti V. Best practice in EPB man-Agency // Tunnels and Tunnelling International, November. 2005. Pp. 21-25.
9. Suwansawat S., Einstein H. H. Artificial neural networks for predict-ing the maximum surface settlement caused by EPB shield tunneling // Tunnel-ling and Underground Space Technology. 2006. T. 21. no. 2. Pp. 133-150.
10. S. G. Ercelebi, H. Copur, I. Ocak Surface settlement predictions for Istanbul Metro tunnels excavated by EPB-TBM //Environmental Earth Sciences. 2011. T. 62. no. 2. Pp. 357-365.
11. Herrenknecht M., Thewes, M., Budach, C. The development of earth pressure shields: from the beginning to the present. Entwicklung der Erddruckschilde: Von den Anfangenbiszur Gegenwart // Geomechanics and Tunnelling. 2011. Vol. no. 1. Pp. 11-35.
УДК 622.831.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШАГА ОБРУШЕНИЯ ОСНОВНОЙ КРОВЛИ
ПРИ РАБОТЕ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ ПО ПЛАСТУ «ТОЛМАЧЁВСКИЙ» В ГРАНИЦАХ УКЛОННОГО ПОЛЯ 18-2
В.О. Торро, А.В. Ремезов, Е.В. Кузнецов, В.В. Климов
Рассмотрены исследования по определению фактического шага обрушения основной кровли в ходе работы очистных забоев по пласту «Толмачёвский» на шахте «Полысаевская» как основного параметра, определяющего интенсивность воздействия опорного давления на выработки, прилегающие к очистному забою.
Ключевые слова: очистной забой, основная кровля, шаг обрушения, опорное давление, самопишущий манометр, зона ПГД, динамический процесс, сейсмическая активность, место заложения демонтажной камеры.
Необходимость обеспечения безопасности при ведении горных работ определяет актуальность решения вопроса эффективного поддержания демонтажной камеры и выработок, оконтуривающих выемочный столб, которые в процессе ведения очистных работ подвергаются интенсивному воздействию опорного давления. В этой связи на шахте Полысаевская были проведены исследования по определению шага обрушения основной кровли.
Инструментальные исследования проявлений горного давления проведены в 2011 году, в очистном забое № 18-10 пласта «Толмачевский», путём оценки изменения нагружения секций механизированной крепи ла-
вы по мере ее подвигания, для определения шага обрушения основной кровли.
Непосредственная кровля на протяжении выемочного столба 18-10 сложена мелко и среднезернистым трещиноватым алевролитом мощностью 2...12 м. На отдельных участках мощность её уменьшается до 0...0,5 м и замещается крепким песчаником.
Основная кровля исследуемого участка представлена мелкозернистыми алевролитами мощностью 0...14 м, с прочностью на сжатие осж = 30-5
40 МПа, на растяжение ор = 3,5 МПа, объёмной массой 2,55 т/м , выше которых залегают мелкозернистые песчаники мощностью 8...20 м с прочностью на сжатие осж = 60 МПа, на растяжение ор = 6,9 МПа и объёмной массой 2,56 т/м .
По обрушаемости кровля относится к среднеообрушаемой. Обрушение крупноблочное, осадки основной кровли прогнозируются резкими и динамичными по характеру. По нагрузочным свойствам основная кровля является тяжелой.
Для регистрации изменения давления в поршневой полости гидростоек во всё время наблюдений на секциях механизированной крепи № 76, 77, 78, 79, а в зоне ПГД дополнительно на секциях № 128, 129 были установлены тарированные самописцы-манометры типа М-81. Наблюдения проводились на протяжении 132 м подвигания лавы.
Для получения достоверной информации о нагружении гидростоек секций при работе лавы снятие показаний с манометров М-81 производилось не реже 1 раза в 3 суток. Полный период наблюдений регламентировался качеством полученных результатов (т.е. пригодностью их для дальнейшего использования) и скоростью подвигания лавы.
Обработанные результаты наблюдений сравнивались с данными работы лавы (количество стружек) зафиксированными маркшейдерской службой шахты. Как отдельный показатель выделялось приращение давления в поршневой полости гидростойки при передвижке соседних секций механизированной крепи. Определялись параметры динамических процессов (время, частота динамического процесса, максимум давления за цикл) по циклам. По результатам работы самописцев-манометров отстраивались графики зависимости нагружения гидростоек секций от времени наблюдений и подвигания лавы. После окончания наблюдений часовой механизм проверялся на точность хода. Значения давления сравнивались с первичными тарировочными графиками.
В процессе анализа периодичности изменения давления по результатам наблюдений сравнивались величины инструментально установленных данных. Для этого показания самописцев, установленных в зоне влияния ПГД, сопоставлялись с данными манометров на секциях, расположенных вне зоны ПГД. Определенный по данным исследований, фактический шаг обрушения пород основной кровли наносился на план
горных работ, для разработки рекомендаций по выбору рационального места заложения демонтажной камеры.
На участке выемочного столба лавы № 18-10 отмечены зоны ПГД от влияния оставленных целиков и краевых частей вышерасположенного пласта «Бреевский», параметры которых определялись согласно [1, 2]. Средняя мощность пород междупластья пластов «Толмачевский» и «Бреевский» составляет 60 м.
Прогнозный, расчётный вторичный и последующие шаги обрушения основной кровли составляют 17 м.
Анализ результатов работы очистного забоя № 18-10 за период инструментальных наблюдений дал следующие результаты:
- общее количество циклов работы очистного забоя за период с 10.08.11 - 24.08.11 составило 129, при среднем подвигании лавы за цикл 1 м;
- фактическое подвигание очистного забоя за 15 суток составило 132 м, а средняя скорость подвигания лавы 8,6 м/сут.
Общее количество циклов работы очистного забоя 18-10 за период инструментальных наблюдений приведено в табл. 1.
Таблица 1
Количество циклов работы лавы №18-10 за период наблюдений
Дата Количество циклов в смену, шт.
Номе] )смены
1 2 3 4
10.08.11 2 4 3 4
11.08.11 0 3 3 4
12.08.11 1 3 2 3
13.08.11 1 3 0,5 0,5
14.08.11 1 1,5 0 0
15.08.11 2 4 4 3
16.08.11 1 4 2 1
17.08.11 2 4 3 2
18.08.11 1 3 0 0
19.08.11 2 0 4 3
20.08.11 1 3 3 3,5
21.08.11 0 3 3,5 3
22.08.11 1 3 3 2
23.08.11 1 4 3 1
24.08.11 1 1 1,5 3
Обработанные результаты инструментальных наблюдений за периодичностью нагружения секций механизированной крепи в очистном забое 18-10 пласта «Толмачевский» отражены в табл. 2.
Анализ зависимостей, полученных по результатам работы самописцев, показал, что зависание и обрушение консолей пород кровли пласта
«Толмачевский», связанных с мощностью песчаников, слагающих основную кровлю на исследуемом выемочном участке шахтного поля, можно охарактеризовать как установившееся.
Таблица 2
Средневзвешенные значения нагружения гидростоек секций в лаве 18-10
за период наблюдений
Дата Давление в гидростойке секции, Р, кг/см
Номер секции, расположенной в середине Номер секции, расположенной
лавы (вне зоны ПГД) в зоне ПГД
76 77 78 79 среднее значение 128 129 среднее значение
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10.08.11 388 332 - 422 381 400 372 386
11.08.11 316 296 - 344 319 436 388 412
12.08.11 395 316 - 438 383 390 420 405
13.08.11 345 320 - 327 331 338 346 342
14.08.11 415 350 - - 382 380 360 370
15.08.11 346 371 341 346 351 366 275 320
16.08.11 424 347 322 359 363 389 354 371
17.08.11 433 325 319 349 356 371 399 385
18.08.11 346 - 423 428 399 457 350 403
19.08.11 446 - 445 416 436 394 331 362
20.08.11 365 - 396 415 392 382 314 348
21.08.11 416 - 340 371 375 285 350 317
22.08.11 331 - 386 272 329 390 374 382
23.08.11 348 - 404 300 350 339 412 375
24.08.11 408 - 353 283 348 291 361 326
Шаг формирования зависающей консоли пород кровли равен половине зафиксированной протяженности по длине выемочного столба участка роста нагрузки на секции механизированной крепи составляет 15.. .17 м. Такая зависимость справедлива при мощности песчаников в кровле пласта до 10 м и при мощности пород непосредственной кровли до 5 м. При увеличении мощности непосредственной кровли шаг обрушения основной кровли уменьшается, а на участках зон ПГД шаг обрушения, как правило, конкретизируется по длине и стабилизируется.
По данным горно-геологического прогноза на отработку выемочного столба № 18-10 на отрабатываемом участке возможна встреча локальных зон резкого уменьшения мощности непосредственной кровли от 0,5 до 1 м, зон частичных замещений и размывов пласта, представленных песчаником. Анализ данных, записей на лентах самописцев-манометров подтверждает эти предположения.
В результате выполненных исследований установлено:
1. Максимальные нагрузки на секции механизированной крепи, расположенные в зоне ПГД, проявляются на 10...13 м раньше, чем на секции, установленные в середине лавы.
2. По данным самописцев, расположенных в зоне ПГД, и по данным самописцев, расположенных в середине лавы, среднее максимальное значение изменения давления в поршневой полости гидростоек секций крепи повторяется через каждые 45.50 м.
3. Шаг обрушения пород основной кровли на участке влияния зоны ПГД составляет 13 м.
4. Среднее время протекания динамического процесса нагружения гидростоек секций механизированной крепи равно 60 мин.
5. Коэффициент вариации по полученным значениям составил 5 % (это подтверждает необходимую сходимость результатов исследований);
6. С учетом средней скорости подвигания лавы, которая на момент наблюдений составляла до 8,6 м/сут, периодичность максимума нагруже-ния секций будет повторяться примерно через каждые 95.100 м.
7. В течение всего периода инструментальных наблюдений максимальная скорость сближения кровли и почвы на замерных участках, расположенных в зоне ПГД была достигнута на расстоянии 30.40 м от очистного забоя и составляла до 2 мм/сут.
8. На замерных участках, расположенных вне зоны ПГД, на расстоянии до 500 м от лавы, средняя скорость конвергенции пород снижалась до 1 мм/сут.
9. Среднее максимальное значение общих смещений, выявленое по пяти замерным пунктам, на участке ЗУ № 3 составило 58 мм.
10. Усреднённое значение скорости конвергенции пород за полугодовой период наблюдений составило 0,46 мм/сут.
Это объясняется тем, что данная замерная станция была заложена перед очистным забоем вне влияния опорного давления и на ней последовательно зарегистрированы следующие значения смещений: в зоне опорного давления, в зоне динамического опережающего опорного давления, в зоне динамического опорного давления за лавой, в зоне стабилизации смещений (статическая составляющая опорного давления).
Аналогичные исследования проводились в западной части уклонного поля 18-2 пласта «Толмочёвский» в лавах 18-27 и 18-29, результаты которых приведены на рис. 1, 2 соответственно.
Из графика (рис. 2) видно, что обрушение непосредственной кровли, характеризуемые более частыми амплитудами, составляет около 10 м, расстояние между высокими амплитудами характеризует обрушение основной кровли порядка 20 м.
Рис. 1. График изменения давления в поршневой полости гидростойки секции крепи в очистном забое 18-27 в привязке к длине
исследуемого участка
Из графика (рис. 1), видно, что обрушение основной кровли составляет около 30 м.
Рис. 2. График изменения давления в поршневой полости гидростойки секции крепи в очистном забое 18-29 в привязке к протяженности
участка наблюдений
Дополнительно к вышеприведённым инструментальным исследованиям с 2012 г проводились исследования сейсмической активности на горном отводе шахты «Полысаевская», которые выполнялись с помощью системы ГИТС.
В ходе исследований, было установлено, что 37 зарегистрированных сейсмических событий протекали с низкой энергетикой, не превышавшей 3000 Дж [3]. В результате анализа сейсмической ситуации выявлено, что частота сейсмической активности имеет циклический характер изменения динамической и энергетической мощности, достигая определенного максимума, а затем снижаясь до минимума. Диаграмма изменения динамической и энергетической мощности, построенная по результатам исследования сейсмических исследований, адекватна диаграмме, построенной на базе результатов исследований изменения опорного давления в действующем очистном забое [3-5].
Исследования сейсмической активности на горном отводе шахты Полысаевская показали, что её изменения во времени и пространстве связаны с процессами обрушения основной кровли, происходящими в действующих очистных забоях.
Для сравнения шага обрушения, полученного в ходе инструментальных исследований, производился расчет шага обрушения основной кровли в уклонном поле 18-2, по методам Г.Н. Кузнецова [6] и А.А. Борисова [7, 8].
Шаг обрушения основной кровли по методу Г.Н. Кузнецова [6] определялся по формуле
L = 0,3 J2' R 'h , м, (1)
где Rm - временное сопротивление породы на изгиб, МПа; h - высота отламывающегося слоя пород основной кровли, м; у - объёмный вес пород, МН/м3.
Расчет шага обрушения основной кровли по методу А.А. Борисова [7, 8] определялся по формуле
L =
пч.из 1
h2-а
1_пч.из _
6 ■ q з
2
V 2 ß У
2 ß
м, (2)
где Ь1 - мощность слоя, м; апч.из - предел прочности породы на изгиб, МПа; qзак - величина закрепляющей нагрузки, дзак>усрН, МПа; q1 - нагрузка от слоя породы q1 = у МПа; в - коэффициент, учитывающий деформационные свойства кровли и пласта; ¥ - параметр, зависящий от угла внут-
3
реннего трения ф, ¥=tgф, м .
Обобщающая «оценка шагов» обрушения основной кровли в уклонном поле 18-2 пласта Толмачевский приведена в табл. 3.
Таблица 3
Оценка шагов обрушения основной кровли в уклонном поле 18-2 пласта
«Толмачевский»
Объект исследования Средняя глубина расположения участков исследования, м Средняя мощность активного слоя, м Расчетный шаг обрушения основной кровли, м Шаг обрушения основной кровли по инструментальным измерениям, м
по Г.Н. Кузнецову по А.А. Борисову по геоло-гическо-му прогнозу
18-27 436 13,38 15,3 14,53 35 20.. .22
18-29 422 13,23 15,2 14,01 35
18-31 451 14,36 15,9 12,3 40
18-6 366 17,75 17,7 13,1 15 15...17
18-8 411 15,17 16,3 12,0 22
18-10 443 13,95 15,7 6,8 17
Из табл. 3 видно, что ни одна рассмотренная методика расчёта шага обрушения основной кровли не позволяет учесть все факторы, влияющие на формирование консолей зависания.
Для установления места заложения демонтажной камеры в выемочном столбе при формировании ее очистным комбайном, выбора типа и расчёта параметров крепи выработок, подвергающихся воздействию опорного давления, определение величины опорного давления необходимо производить с учетом грузовых площадей зависания консолей основной кровли. Для определения критериев оптимального соотношения параметров опорного давления и прочности целика необходимо произвести дополнительные исследования, результаты которых позволят создать методику для определения оптимального местоположения демонтажной камеры.
Список литературы
1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (РД 05 -328-99) // Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: сборник документов. Сер. 05. Вып. 2. 3-е изд. М.: ФГУП «НТЦ ПБ Госгор-технадзора России, 2004. С. 4-119.
2. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях под (над) целиками и краевыми частями при разработке свиты угольных пластов мощностью до 3,5 м с углом падения до 35°. Л. ВНИМИ, 1984. 62с.
3. Горное давление. Его проявления при ведении горных работ в массиве горных пород / А. В. Ремезов [и др.] // Кемерово. 2013. 681 с.
4. Климов В.В., Ремезов А.В., Зайнулин Р.Р. Исследование влияния опорного давления очистного забоя 18-8 на конвейерный штрек 18-6 и его крепление на пласте «Толмачёвский» в границах шахтного поля шахты «Полысаевская» // Уголь. 2015. № 4. С. 38-41.
5. Климов В.В., Ремезов А.В. Исследование влияния опорного давления, формируемого очистным забоем на состояние прилегающих горных выработок в условиях отработки угольных пластов средней мощности на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» как в нисходящем, так и в восходящем порядке на примере отработки запасов угля в границах шахтного поля шахты «Полысаевская» // Вестник РАЕН ЗСО. 2013. №15. С. 30-38.
6. Механика горных пород и устойчивость выработок шахт Кузбасса / под ред. В.Г. Кожевина. Кемерово: Кемеровское книжное изд -во, 1973. 348 с.
7. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980. 360 с.
8. Борисов А.А. Расчёты горного давления в лавах пологих пластов. М: Недра, 1964. 280 с.
Торро Виктор Оскарович, ст. преподаватель, torrovo@,mail.ru, Россия, Кемеровская область, Междуреченск, Филиал Кузбасского государственного технического университета,
Ремезов Анатолий Владимирович, д-р техн. наук., проф., lion742@mail.ru, Россия, Кемеровская область, Междуреченск, Филиал Кузбасского государственного технического университета,
Кузнецов Евгений Владимирович, канд. техн. наук, зам. директора, kevlad@,mail.ru, Россия, Кемеровская область, Междуреченск, Филиал Кузбасского государственного технического университета,
Климов Виктор Викторович, нач. техн. управления, Klimov VV@suek. ru, Россия, Кемеровская область, Ленинск-Кузнецкий, ОАО «СУЭК - Кузбасс»
ASSESSMENT OF MAIN ROOF CA VING INCREMENTS IN WORKING FACE PROCESSING OF TOLMACHEVSKY COAL LAYER WITHIN THE DIP-WORKING
PANEL 18-2
V.O. Torro, A. V. Remezov, E, V. Kuznetsov, V. V. Klimov
This work reviews the study aimed to assess the actual increments of the main roof caving which appear in the course of working face processing of 'Tolmachevsky' coal layer in 'Polysayevskaya' coal mine as the main parameter defining the degree of abutment pressure influence on mine tunnels adjacent to working face.
Key words: working face, main roof, roof caving increment/caving step, abutment pressure, pressure recorder, abutment pressure zone, dynamic process, seismic activity, break-down chamber site.
Torro Victor Oskarovich, senior teacher, torrovoamail.ru, Russia, Kemerovo region, Mezhdurechensk, Branch of Kuzbass State Technical University,
Remezov Anatoly Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, li-on742@mail.ru, Russia, Kemerovo region, Mezhdurechensk, Branch of Kuzbass State Technical University,
Kuznetsov Evgeniy Vladimirovich, candidate of technical sciences, vice director, kevlada mail. ru, Russia, Kemerovo region, Mezhdurechensk, Branch of Kuzbass State Technical University,
Klimov Victor Victorovich, head of technical management, Klimov VVa suek. ru, Russia, Kemerovo region, Leninsk-Kuznetsky, JSC «SUEK - Kuzbass»
Reference
1. Instructions for safe conduct of mining operations at mines developing coal seams prone to rock impacts (RD 05-328-99) // Prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines: Collection of documents. Series 05. Vol. 2. - 3rd ed. Moscow: FSUE " STC PB Gosgortehnadzor of Russia, 2004. P. 4-119.
2. Instructions for the management of rock pressure in the treatment faces under (above) the pillars and edge parts in the development of coal formation formation with a capacity of up to 3.5 m with a drop angle of up to 35°. L: VNIMI, 1984. 62s.
3. Rock pressure. Its manifestations in the conduct of mining operations in the massif of rocks / A.V. Remezov [et al.] // Kemerovo. 2013. 681 PP.
4. Klimov V. V., Remezov, A. V., Zainulin, R. R. study of the effect of support pressure stope 18-8 on the conveyor drift 18-6 and its fitting on the reservoir Tolmachevskiy in borders of a mine field mine "Polysaevskaya" // Coal. 2015. No. 4. P. 38-41.
5. Klimov V. V., Remezov A.V. Study of the influence of the reference pressure formed by the treatment face on the state of adjacent mine workings in the conditions of mining coal seams of average capacity at the mines of JSC "SUEK-Kuzbass" both in descending and ascending order on the example of mining coal reserves within the boundaries of the mine field of the mine "Polysaevskaya" // Vestnik RAEN ZSO. 2013. No. 15. P. 30-38.
6. Mechanics of rocks and stability of mine workings of Kuzbass / ed. Kemerovo: Kemerovo book publishing house, 1973. 348 PP.
7. Borisov A. A. Mechanics of rocks and massifs. Moscow: Nedra, 1980. 360 PP.
8. Borisov A. A. Calculations of mountain pressure in lavas of flat layers. M: Nedra, 1964. 280 PP.
