CC BY
0УДК 622.834:622.26
И. В. Антипов, В. А. Коструб
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ДЕФОРМАЦИЙ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
Рассмотрен механизм деформаций угольного пласта в зоне влияния очистного забоя. Дано аналитическое решение определения размера площади разрушенного угля для расчета параметров паспортов крепления и управления горным давлением в очистных забоях.
Ключевые слова: очистной забой, конвергенция вмещающих пород, геомеханические процессы, зона разрушенного угля, зона повышенной концентрации напряжений, зона геостатических напряжений.
Введение. При сдвижении пород горного массива впереди очистного забоя формируются три зоны напряженно-деформированного состояния: зона разрушенного угля, зона повышенной концентрации напряжений и зона геостатических напряжений в массиве вне области влияния очистных работ
[1]-[5].
В зоне повышенной концентрации напряжений создаются условия, предопределяющие поведение пород и их устойчивость.
В результате сдвижения пород кровли происходят отслаивание и зависание кровли на концевых участках лав и сопряжениях, а также опускание пород по плоскостям трещин, образовавшихся в результате выемки угля. По трещинам происходит опускание кровли отдельными призмами, которые могут удерживаться от обрушения силами трения на контактах боковых граней [6]-[9].
В необрушенных породах кровли, угольном пласте и его почве под влиянием оседания пород происходят изменения зон напряженного состояния, размеры которых зависят от строения и
свойств вмещающих пород, угольного пласта и горнотехнических факторов.
В угленосной толще пород прослеживается граница, разделяющая зоны упругих и неупругих деформаций [10]—[15]. Так, в зоне упругих деформаций свойства пород угленосной толщи сохраняются в исходном состоянии. Зона неупругих деформаций пород разбита системой взаимно пересекающихся трещин скольжения, вдоль которых происходит взаимное перемещение породных блоков. Вес пород, зависших над выработанным пространством на концевых участках лав и сопряжениях с подготовительными выработками в зоне упругих деформаций, передается на краевую часть угольного пласта и обуславливает повышенные концентрации напряжений впереди очистного забоя. В зоне повышенной концентрации напряжений, величина которых в несколько раз превышает геостатические напряжения, краевая часть пласта угля переходит постепенно в пластическое состояние и зону разрушенного угля.
Материалы исследования. Граница зоны раздела упругих и неупругих деформаций описывается уравнением:
z =1 h 2
' 2Х
1 - cos-
V a у
(1)
где а - величина пролета кровли, м; а = а1+23ру, а! - расстояние между задним целиком и забоем, м; - размер зоны разрушенного угля, м;
к - максимальная высота зоны неупругих деформаций:
«2
(2)
h = 2
cp
2 f
где /ср - среднее значение коэффициента крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова.
Границу раздела зон упругих и неупругих деформаций обуславливают зависшие над угольным забоем консоли. Причем, эта граница описываются уравнением:
z = H
с л
та
1 - cos-
V 2/min у
при {0 < а < /mm }, (3)
где Н - глубина разработки пласта, м;
1тт - минимальная длина консоли над выработанным пространством, м.
Длина зависших над выработанным пространством консолей определяется по формуле:
'ши = 0,5/с;, л/Я . (4)
При подвигании забоя размер зависания консоли увеличивается до величины:
'шах/ср^Н . (5)
Уравнение консоли, зависшей над выработанным пространством на концевых участках лав и сопряжениях с подготовительными выработками имеет вид:
н
с л
та
1 - cos-
21
V max у
ПРИ lmax ^ 0. (6)
Как только размер консоли, зависшей над забоем на концевых участках лав и сопряжениях с подготовительными выработками достигает максимальной величины, происходит разлом пород (посадка кровли) по кривой, определяемой уравнением (6). При этом, размер консоли становится минимальным и определяется по формуле (3). Осадки кровли происходят на расстояниях, описываемых формулой:
^ = (1 + п)/срлТи , (7)
где п - целое число.
Для определения границы раздела зон упругих и неупругих деформаций воспользуемся формулой:
z
(8)
8h2. f
2
cp
где к - безразмерный коэффициент, учитывающий местоположение очистного забоя.
Значение коэффициента h заключено в интервале 0,5<Ь<1Д В момент, предшествующий первичной осадке h = 1,0; в момент первичной осадки h=0,5.
z
Показатель прочности ьго слоя породы определяется выражением:
=
а
pi
Yi
(9)
где с - предел прочности 1-того слоя породы на растяжение, Па;
У - плотность 1-того слоя породы, кг/м3.
Прочность пород угольной толщи увеличивается с увеличением степени метаморфизма углей. Характер изменения прочности пород толщи в зависимости от степени метаморфизма угля и глубины разработки представлен на рисунке 1.
Величина повышенной концентрации напряжений определяется размерами зависшей над выработанным пространством консоли. Вес консоли передается на краевую часть угля впереди очистного забоя и сопряжение с подготовительной выработкой. Величина напряжений, создаваемых зависшей консолью определяется по формуле:
q = Yi
1 +1,4
l
И'
г
И
л
1.58— +1 v I
cos1,745— - sii 1,745— ИИ
-1,745-
И
. (10)
Наибольшие напряжения над пластом в точке х=0:
д0 =уН
( I 12 >
1 + 2,22— +1,40—;
И
И'
(11)
Краевая часть угольного пласта переходит в пластическое состояние, образуя зону разрушенного угля. Размер этой зоны определяется по формуле:
s =
m
ln
2Xtgp
где т - мощность пласта, м;
tgp- тангенс угла внутреннего трения угля, град;
(12)
Я - коэффициент бокового распора; X = tg2 с - сцепление угля, Па;
45 + * 2
е
д0 - максимальное давление на пласт.
Рис. 1 - График изменения среднего показателя прочности пород от степени метаморфизма угля
Рассчитанные по формуле (12) относительные (в долях от мощности пласта) размеры зон разрушенного угля, приведены на рисунке 2.
Таким образом, угольный пласт при сдвижении толщи пород горного массива впереди очистного забоя в зонах напряженно-деформированного состояния деформируется упруго, затем пластически и хрупко. Каждое из этих свойств в зависимости от внешних условий проявляется на различных стадиях нагружения.
При решении технических задач для анализа процесса деформирования и разрушения краевой части угольного пласта необходимо рассматривать все виды деформации.
Изменения механических свойств характеризуют систему, в которую превращается уголь, переходя из сплошного в дискретное состояние.
Рис. 2 - Графики изменения размеров зон разрушенного угля в зависимости от глубины разработки для различных марок
углей
Заключение. Результаты расчетов подтверждаются данными натурных наблюдений в шахтах, что позволяет использовать разработанный метод определения размеров зон разрушенного угля на практике для обоснования силовых и геометрических параметров механизированных крепей, а также для расчета параметров паспортов крепления и управления горным давлением в очистных забоях.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020600011-02.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипов, И. В. Аналитические и натурные исследования зоны повышенного горного давления впереди очистного забоя / И. В. Антипов, В. А. Дрибан, В. И. Домарев // Труды РАНИМИ : сборник научных трудов. - Донецк, 2019. - № 8 (23) (часть 1). -С. 109-124.
2. Антипов, И. В. Моделирование взаимодействия механизированной крепи с горным массивом / И. В. Антипов,
B. А. Коструб // Труды РАНИМИ : сборник научных трудов. -Донецк, 2021. - № 12-13 (27-28). - С. 101-111.
3. Антипов, И. В. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния горного массива в зоне выемки угля и крепления очистного забоя / И. В. Антипов // II Международная научно-практическая конференция Инновационные перспективы Донбасса, 25-26 мая 2016 г., т. 1 Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. - Донецк: ДонНТУ, 2016. -
C. 25-30.
4. Антипов, И. В. Деформации краевой части угольного пласта о очистном забое / И. В. Антипов, Р. В. Дегтярь, А. С. Гребенкина // Разработка рудных месторождений. - Выпуск 1(90). - Кривой рог, 2006. - С. 268-271.
5. Антипов, И. В. Шахтные исследования конвергенции вмещающих пород / И. В. Антипов, В. Е. Кравченко, Д. В. Щербинин // Уголь Украины. - 2000. - № 10. - С. 24-27.
6. Александров, С. Н. Принципы обеспечения устойчивости подготовительных выработок управлением эффектом саморасклинивания вмещающих пород // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: Лебедь. - 2001. - № 3. -С. 36-39.
7. Александров, С. Н. Геомеханические принципы обеспечения устойчивости выработки на основе применения эффекта саморасклинивания вмещающих пород // Известия Донецкого горного института. - 2002. - № 1. - С. 7-10.
8. Александров, С. Н. Исследование перераспределения напряжений в процессе саморасклинивания пород / С. Н. Александров, Н. И. Красько // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: Лебедь, - 2001. - № 4. -С. 29-34.
9. Alexandrov, S. N. Investigation of interface yield rock bolt-rock mass / S. N.Alexandrov // Proc. Szkola eksplotacji podziemnej. -Krakow: AGH, 2002. - Р. 12-13.
10.Хапилова, Н. С. Оценка протяженности призабойной пластической зоны разрабатываемого угольного пласта / Н.С. Хапилова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1974. - № 3. - С. 23-27.
11.Хапилова, Н. С. Определение границы пластической зоны в пласте полезного ископаемого, ослабленного трехмерной выработкой / Н. С. Хапилова // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1991. - Выпуск 22. - С. 6-10.
12.Khapilova, N. S. A study of the cavities that form in dynamic phenoma in coal mines / N. S. Khapilova // Journal of mathematical sciences, 1995, December. - Vol. 77. - № 6. - P. 3547-3550.
13.Хапилова, Н. С. Напряженно-деформированное состояние упругого полупространства на перфорированном упругом основании с учетом пластических зон / Н.С. Хапилова // Физика и техника высоких давлений. - 1997. - Том 7. - № 4. - С. 84-87.
14.Хапилова, Н. С. Пространственная задача о напряженно-деформированном состоянии массива скальных пород в окрестности выработки с учетом пластической зоны / Н. С. Хапилова // Напряженное состояние массивов горных пород и управление горным давлением. - Бишкек: Илим, 1990. - С. 327-330.
15.Хапилова, Н. С. Пластические зоны в пласте полезного ископаемого, ослабленном трехмерными выработками / Н. С. Хапилова // Тезисы докладов Х Международной конференции по механике горных пород. - Москва: Наука, 1993. - С. 43.
Антипов Игорь Владиславович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела управления геомеханическими и технологическими процессами, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, iantypov@yandex.ru.
Коструб Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой подъемно- транспортных механизмов, ФГБОУ ВО «Луганский государственный университет им. В. Даля», Россия, ЛНР, Луганск, dahl.univer@yandex.ru.
FEATURES OF THE MECHANISM OF COAL SEAM DEFORMATIONS IN THE ZONE OF INFLUENCE OF PRODUCTION OPERATIONS
The mechanism of deformations of the coal seam in the zone of influence of the treatment face is considered. An analytical solution is given for determining the size of the area of destroyed coal for calculating the parameters of fastening passports and controlling the rock pressure in the longwalls.
Keywords: longwall, convergence of rocks mass, geomechanical processes, zone of destroyed coal, zone of increased stress concentration, zone of geostatic stresses.
Antipov Igor Vladislavovich, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher of Geomechanical and Technological Processes Management Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, iantypov@yandex.ru.
Kostrub Vladimir Alekseevich, Ph. D. in Engineering Sciences, Head of the Department of Hoisting and Transport Mechanisms, Lugansk State University named after V. Dahl, Russia, LPR, Lugansk, dahl.univer@yandex.ru.
