ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ВПЕРЕДИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.

№1 (70) / 2020.

УДК 622.831.24

©2020. Н.И. Лобков, А.А. Лобков, Л.А. Драган, В.С. Маевский

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ВПЕРЕДИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

Приведены результаты исследования формирования опорного давления. Установлено, что изменения величины опорного дпадения зависят от строения породного массива кровлю. Установлено, что опорное давление формируется изгибом породных слоев, которые составляют область полных сдвижений пород над выработанным пространством лавы. Впереди лавы форм-мруется зона разгрузки пласта.

Ключевые слова: очистной забой, лава, выработанное пространство, опорное давление, слои кровли, непосредственная кровля, основная кровля, обрушение, предел прочности.

Введение и постановка задачи. В результате выемки угля в очистном забое происходит увеличение площади выработанного пространства за счет по-двигания лавы. Породы кровли пласта зависают, изгибаются, обрушаются над выработанным пространством, формируя опорное давление на краевые части угольного пласта. Процесс формирования опорного давления начинается с увеличения пролета зависших слоев кровли. С увеличением пролета породных слоев величина давления на краевую часть угольного пласта увеличивается [1]. При величине опорного давления, превышающем предел прочности пласта на сжатие, происходит разрушение угольного пласта. В зоне восходящей ветви опорного давления (от забоя лавы до максимума), за счет разрушения, происходит движение разрушенной части угля в призабойное пространство, что снижает энергоемкость его выемки. Однако, при достижении предельного пролета кровли, происходит ее разрушение и обрушение. В результате обрушения мощных и прочных породных слоев скачкообразно увеличивается давление на приза-бойную крепь. В случаях, когда давление на секции механизированной крепи превышает их несущую способность, происходит посадка крепи на жесткую базу.

Опорное давление оказывает непосредственное влияние на разрушение и обрушение пород непосредственной и основной кровли, которые приводят к непредвиденным простоям очистных забоев, деформированию подготовительных выработок.

Особенности строения породного массива над пластом определяют характер обрушения кровли в призабойном пространстве под действием вертикальных и горизонтальных сжимающих напряжений.

Целью работы является установление особенностей формирования опорного давления в результате изгиба породных слоем над выработанным пространством.

В результате натурных и экспериментальных исследований установлено, что

в формировании опорного давления принимают участие породы, формирующие область интенсивных сдвижений над выработанным пространством [2,3]. В области сдвижения породные слои образуют группы слоев. Каждая группа состоит из прочного несущего и вышезалегающих, менее прочных породных слоев. Изгиб и обрушение всех слоев в группе происходит практически одновременно.

По строению, вмещающий массив может быть представлен тремя группами (рис. 1). В первой группе (а) непосредственно над пластом залегает мощный породный слой песчаника или алевролита, выше которых, залегают слои различной мощности и прочности. Во второй группе (б) непосредственно над пластом залегает маломощный слой алевролита или аргиллита, а выше него (основная кровля) мощный слой песчаника или алевролита. Остальная кровля представлена породными слоями различной мощности и прочности. В третьей группе (в) над пластом залегают маломощные породные слои различной прочности. Т.е. в кровле нет мощных и прочных слоев.

Рис. 1. Группы строения пород кровли.

1. Анализ результатов моделирования. В результате шахтных и лабораторных исследований на моделях из эквивалентных материалов установлен характер поведения пород при выемке пласта с тремя группами строения кровли.

На рисунке 2 показан характер развития области интенсивного сдвижения породных слоев при первой группе строения породного массива.

С отходом лавы от разрезной печи на 112 метров обрушилась первая группа слоев (1). Изгибающиеся породные группы слоев формируют опорное давление впереди лавы (рис.3). Нисходящая ветвь опорного давления опускается ниже условной линии 7И, что говорит о разгрузке пласта впереди лавы.

Разгрузка пласта происходит за счет поднятия первого слоя в первой группе слоев при его максимальном пролете. Аналогично ведут себя остальные группы слоев.

По такой же схеме формируется область интенсивных сдвижений кровли при

Рис. 2. Сдвижения пород первой группы строения: 1, 2, 3, 4 - группы слоев; ^ направление подвигания лавы.

Рис. 3. Изменения опорного давления в модели с первой группой строения пород:

1 - при отходе лавы от разрезной печи на 112 м;

2 - при отходе лавы от разрезной печи на 168 м;

3 - при отходе лавы от разрезной печи на 204 м;

4 - при отходе лавы от разрезной печи на 230 м.

наличии в кровле пласта второй группы слоев (рис. 1б). На рисунке 4 приведена область интенсивного сдвижения пород кровли второй группы строения, в процессе выемки пласта.

Из рисунка 4 видно, что породы первой группы слоев (слой непосредственной кровли) обрушаются при отходе лавы от разрезной печи на 120 метров. Породы второй группы слоев (2), общей мощностью 65,1 метра зависают, изгибаясь над выработанным пространством. При отходе лавы на 264 метра вторая группа слоев обрушается, а третья зависает, изгибаясь над выработанным пространством.

1 \>/Г 11

-е.

/ / / \ ТК

■А» Д/ чг • к ^Ттаи тгат

120 м м

Рис. 4. Сдвижение пород второй группы строения: 1, 2, 3 - группы слоев; ^ направление подвигания лавы.

* 100.0%

я ■

I 80.0%

3

г

£0,0% 40,0%

20т о,он -гсда -40,0%

1 \ 2

/ м VI 1

/ 1 А 120 м У 41

1 1

ч. > / 1, \ . -— 1 ' 1

-- — - / V

Ч V, V * ^ -

16 24 32 40 48

56 64 72 30 88 104 112 120 128 136 144

Длина мадвли, си

Рис. 5. Изменения показаний датчиков давления в модели №1:

1 - при отходе лавы от разрезной печи на 120 м;

2 - при отходе лавы от разрезной печи на 260 м.

Нисходящая ветвь опорного давления опускается ниже линии (0, 0), при отходе лавы на 260 метров, что говорит о разгрузке пласта впереди лавы. Разгрузка пласта происходит из-за поднятия второй группы слоев впереди лавы при ее изгибе над выработанным пространством.

Формирование области интенсивных сдвижений пород кровли над выработанным пространством показано на рисунке 6.

Из рисунка 6 видно, что высота области интенсивных сдвижений кровли над выработанным пространством возрастает при последовательном разрушении и

Особенности формирования опорного давления впереди очистного забоя обрушении групп породных слоев через каждые 23 - 25 метров подвигания лавы.

Рис. 6. Сдвижение третьей группы строения пород: 1, 2, 3, 4 - группы слоев; — направление подвигания лавы.

Рис. 7. Изменения показаний датчиков давления:

1 - при отходе лавы от разрезной печи на 84м;

2 - при отходе лавы от разрезной печи на 108м;

3 - при отходе лавы от разрезной печи на 133м;

4 - при отходе лавы от разрезной печи на 156м.

Из-за малых значений пролета групп слоев перед обрушением показания

датчиков давления в нисходящей ветви не опускались ниже линии (0,0%). Следовательно, разгрузка пласта впереди лавы не происходила.

Таким образом, результаты исследований характера сдвижения породного массива над выработанным пространством позволили установить следующее. Разгрузка пласта впереди лавы, для массивов первой и второй групп строения, формируется изгибом мощного породного слоя над выработанным пространством при его предельном пролете. Для определения величины максимального опорного давления, а также места расположения зоны разгрузки пласта впереди лавы, необходимо рассчитывать предельный пролет кровли (шаг посадки).

Величину предельного пролета группы слоев кровли будем определять из условия равенства освобожденной упругой энергии слоя при образовании трещины длиной А! и затраченной энергии на ее образование:

—Д^ = АГ (1)

где —Д^ - освобожденная упругая энергия при образовании трещины длиной Да;

ДГ - энергия, которую необходимо затратить на образование трещины длиной Да.

Условие для образования трещины [5] записывается:

27Г(С1тА1т = 4ГА/Т или а = МПа (2)

Е V п1т

где а - действующее напряжение, МПа; 1т - критическая длина трещины, м; Е - модуль упругости, МПа; Г - поверхностная энергия тела, Дж/м2.

Учитывая нарушенность вмещающего массива, разрушение породного слоя при изгибе начнется с роста существующей трещины, критическая длина которой определится из выражения:

7 2ЕСе , ,

<-кр = -М (б)

ПаР

где Ос - эффективная поверхностная энергия, Дж/м2; ар - предел прочности породы на растяжение, МПа.

Величина горизонтальных напряжений в породном слое может быть определена, как изогнутой балки, при ее жестком защемлении с двух сторон на опорах [6]

аР = ?^Г>М Па

при изгибе консольной балки с жестким защемлением

= МПа (5)

где q - распределенная нагрузка на породный слой, Мн/м2; ¿пр - предельный пролет слоя перед обрушением, м; Н - мощность несущего породного слоя, м.

Рис. 8. Модель образования и развития трещины в породном слое: а - длина трещины.

Величина распределенной нагрузки, образованная весом одного слоя

qi = Мн/м2 (6)

где 7 - объемный вес породы, Мн/м3;

величина распределенной нагрузки, образованной весом группы слоев

q = Ё иМн/м2 (7)

^ 1н, мн/м2

i=1

где £ q - суммарная нагрузка группы слоев, Мн/м2; п - количество слоев в группе.

Подставляя значения действующих напряжений (4,5,6,7) в (3) получаем выражения для определения предельного пролета кровли над выработанным пространством.

При первичном обрушении породного слоя:

2Кс 2ЕСс 2 з =-а / —;—, м

кр

где 1пр - предельный пролет породного слоя перед первичной посадкой, м; Кс - мощность расчитываемого слоя, м;

- объёмная масса породы, Н/м3; 1Кр - критическая длина трещины в слое, м.

При первичном обрушении группы слоев:

2ЕСс 2

= (9)

где X]Г=1 1скс - распределенная нагрузка группы слоев, МН/м2 При вторичном обрушении породного слоя:

V п1кр

При вторичном обрушении группы слоев:

кс 2ЕСс 2 /1ПЛ

¿пр2 = — —-, М (10)

к2 2 ЕС,

Определив значения предельного пролета кровли, величину максимального давления можно определить, как давление жестко защемленной балки на опору: При первичном обрушении породного слоя:

2кс 2 ЕС с 2

1пр2 =-\ —;—,м У12)

7с у П!кр

где 1пр- предельный пролет породного слоя перед первичной посадкой, м; кс - мощность расчитываемого слоя, м;

- объёмная масса породы, Н/м3; 1кр- критическая длина трещины в слое, м. При первичном обрушении группы слоев:

2к1 2 ЕСс 2

(13)

где ^7=1 7скс- распределенная нагрузка группы слоев, МН/м2. При вторичном обрушении породного слоя:

кс 2ЕСс 2

"р2 = з^У^Г' м (14)

При вторичном обрушении группы слоев:

_ /2ЕСс „2

7=11сЬ су п1кр

1пР2 = О ^п С . 7 4/-Г-^' м2 (15)

Величину максимального опорного давления можно определить как давление жестко защемленной балки на опору.

Рг = \l-h-lnp, МН (16)

где Pi - давление, передаваемое слоем на опору, МН;

Y - объёмный вес породы, МН/м3;

h - мощность слоя, м;

1пр - пролет слоя, м.

Опорное давление, формируемое группой слоев:

P max

р™= S + lh (17)

где Pimax - максимальное давление слоя на опору, кН;

S - единичная площадка, м2.

Выводы.

1. По своему строению породные массивы делятся на три основные группы. Каждая группа строения породного массива характеристикой породных слоев ее составляющих.

2. Породные слои в массиве делятся на группы слоев по несущей способности каждого слоя, входящего в группу.

3. При достижении мощным и прочным породным слоем, залегающим над пластом предельного пролета и при изгибе слоя над выработанным пространство, впереди лавы образуется область разгрузки пласта

1. Клочко И.И. Особенности изменения напряженного состояния впереди лавы в процессе выемки угля / И.И. Клочко, Н.И. Лобков // Вкт Донецького прничого 1нституту. - 2011.

- №2.- C. 135-141.

2. Лобков Н.И. Исследование сдвижения породных слоев над очистными выработками пологих пластов / Н.И. Лобков. // Сб. трудов международной научно-техн. конференции "Проблемы механики горно-металлургического комплекса". - Днепропетровск: НТУ, 2002.

- С. 175-176.

3. Канлыбаева Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыба-ева. - Алма-Ата: Наука, 1968. - 108 с.

4. Лобков Н.И. Моделирование характера поведения породного массива над выработанным пространством лав / Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко, Л.Г. Сергиенко // Зб. Наукових праць НГУ. - Дншропетровськ: РВК НГУ, 2006. - №26. - Том 1. - С. 56-65

5. Griffits A. The phenomenon of rupture and flow in solids / A. Griffits // Phil. Trans, Roy. Soc., 1920, - V. 220. - P. 150-160.

6. Варданян Г. С. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Учебник под. Ред Г.С. Варданяна / Г.С. Варданян - М.: Издательство АСВ, 1995. - 568 с.

N.I. Lobkov, А.А. Lobkov, L^. Dragan, V.S. Mayevsky

Specific features of support pressure formation in front of cleaning face.

The results of a study of the movement of the mountain massif are presented. It is established that the reference pressure is formed by the bending of the rock layers that enter the area of intense displacement above the developed space. Forward and lava formation discharge zone is formed.

Keywords: cleaning face, lava, developed .space, support pressure, roof layers, direct roof, main roof, collapse, ultimate strength.

Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 29.04.2020

проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк

ranimi@ranimi.org