CC BY
3ISSN G136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№2 (83) / 2G23.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.831.24
doi:10.24412/0136-4545-2023-2-67-73 EDN:WDWPRW
((2023. Н.И. Лобков1, В.С. Маевский2, А.А. Лобков3
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ОБЛАСТИ СДВИЖЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ВЫЕМКИ УГЛЯ
Приведены результаты исследования интенсивных сдвижений породных слоев над выработанным пространством. Установлено, что шаг посадки основной кровли зависит от величины предельного пролета и динамически изменяется в пределах выемочного поля лавы. Ключевые слова: лава, выработанное пространство, размер выработанного пространства, породные слои, основная кровля, разрушение слоя, обрушение слоя
Введение. Вмещающий угольные пласты массив в земной коре представлен слоями осадочных пород. Породные слои изначально находятся под давлением, сформированным весом вышележащих пород. Другими словами, каждый породный слой горного массива находится в напряженном состоянии. Ненарушенный угольный пласт в нетронутом породном массиве можно представить как твердое тело, содержащее твердые, жидкие и газообразные компоненты.
Равновесие нетронутого угольного пласта, как сложной физико-химической системы, определяется физико-химическими превращениями, зависящими от глубины залегания, давления газа, температуры, а также от величины действующих напряжений в рассматриваемой точке массива. Величина вертикальных
1 Лобков Николай Иванович - доктор техн. наук, зав. отд. управления геомеханическими и технологическими процессами РАНИМИ, Донецк, e-mail: nilobkov@mail.ru.
Lobkov Nikolay Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, Head of Department, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Geomechanical and Technological Processes Management.
2 Маевский Валерий Стефанович - доктор техн. наук, вед. науч. сотр. отд. управления геомеханическими и технологическими процессами РАНИМИ, Донецк, e-mail: ranimi@ranimi.org.
Mayevsky Valery Stefanovich - Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Geomechanical and Technological Processes Management.
3Лобков Артем Андреевич - канд. техн. наук, инженер ОГВГСО МЧС, Донецк, e-mail: Cyrizan@yandex.ru.
Lobkov Artem Andreevich - Candidate of Technical Sciences, Engineer, Operational State Paramilitary Mountain Rescue Squad of the Ministry of Emergency Situations.
сжимающих напряжений в каждой точке массива определяется, как произведение объемного веса пород и глубины залегания (7Н). В процессе ведения горных работ (проведения выработок, выемки угля) происходит перераспределение напряжений, под действием которых формируется горное давление, определяющее состояние угольного пласта [1].
В контексте изложенного, целью данной работы является определение геодинамических условий разрушения и обрушения слоя основной кровли над выработанным пространством.
1. Постановка задачи. При выемке угля происходит перераспределение напряжений и в породах кровли. Если представить породный слой в кровле пласта как плиту, жестко защемленную с двух, трех либо четырех сторон, то наибольшие изменения не только вертикальных, но и горизонтальных напряжений происходят в местах защемления. Перераспределения напряжений в изгибающихся над выработанным пространством слоях происходят с разной интенсивностью.
На интенсивность перераспределения напряжений влияют прочностные и механические свойства пород, а также удаление породного слоя от разрабатываемого пласта. Подобные перераспределения напряжений оказывают влияние на процессы разрушения и обрушения породных слоев, ведут к снижению безопасности ведения горных работ.
Для совершенствования технологии безопасного ведения горных работ необходимо изучить характер перераспределения напряжений, существующих в краевой зоне угольного пласта. При теоретическом рассмотрении этой проблемы к породным слоям до их разрушения могут быть применены законы линейных упругих деформаций сплошной среды. Это позволяет прогнозировать области пониженных механических напряжений, в которых возможно раскрытие трещин в породных слоях и обрушение породных слоев.
Аналитические исследования процесса изгиба породных слоев, проведенные с помощью компьютерного моделирования и использованием программы «Ашув», показывают характер распределения горизонтальных сжимающих и растягивающих напряжений в каждом слое [1]. На рисунке 1 показано распределение горизонтальных растягивающих и сжимающих напряжений при изгибе слоя 1 (основная кровля), как балки, жестко защемленной с двух сторон. Подобный изгиб характерен до первичной посадки основной кровли. Обрушение возможно при достижении слоем основной кровли предельного пролета. Изгибается, разрушается и обрушается мощный породный слой 1. Слои 2-4 являются слоями пригрузки и деформируются вместе со слоем 1.
Предельные перед обрушением пролеты кровли слоев 4-2, значительно меньшей величины, чем у слоя 1. Поэтому они обрушаются раньше слоя 1 и собственным весом пригружают слой 1. При предельном пролете слоя перед обрушением в точках а и б концентрируются горизонтальные растягивающие напряжения, под действием которых зарождаются магистральные трещины, пересекающие слой 1 по всей мощности. Распространение трещины от точки а по всей мощности слоя опережает распространение трещины из точки б за счет сжатия устья
Рис. 1. Распределение горизонтальных напряжений в слоях при их изгибе: 1. . .4 - породные слои; А, Б - растягивающие напряжения соответственно у верхней и нижней кромки слоя 1; В - горизонтальные сжимающие напряжение; а, б - точки зарождения трещины соответственно
на верхней и нижней кромках слоя.
трещины горизонтальными сжимающими напряжениями, сконцентрированными у верхней кромки слоя В. В пласте в зоне опорного давления за счет разрушения призабойной части пласта горизонтальные сжимающие напряжения ускоряют развитие трещины.
Особенности строения породного массива над пластом определяют характер разрушения и обрушения основной кровли в призабойном пространстве под действием горизонтальных растягивающих напряжений.
2. Экспериментальные исследования разрушения и обрушения породного слоя. В результате натурных и экспериментальных исследований установлено влияние подвигания очистного забоя на разрушение и обрушение основной кровли [2, 3]. При подвигании очистного забоя увеличивается длина предельного пролета.
На рисунке 2 показан характер изменения конвергенции боковых пород в призабойном пространстве лавы.
Из рисунка видно наростание конвергенции с увеличением предельного пролета и с увеличением отхода лавы от предыдущего обрушения основной кровли. На рисунке 3 приведен вид разрушения основной кровли при первичной посадке.
При пересечении магистральной трещиной слоя основной кровли происходит ее обрушение. Аналогичное разрушение основной кровли происходит в период вторичной посадки, представленной консолью.
Обрушение и разрушение, обусловленное практически мгновенным пересечением магистральной трещиной слоя по всей его мощности, также происходит практически мгновенно.
Л К мм
400
300
200
100
о 20 40 60 30 100 1рП1м
Рис. 2. Изменение конвергенции боковых пород пласта АН в зависимости от отхода лавы от
предыдущего обрушения 1Р.П.
Рис. 3. Образование магистральной трещины при изгибе и разрушении слоя основной кровли.
3. Аналитическое описание процесса разрушения породного слоя.
Величину предельного пролета группы слоев кровли можно определить из условия равенства высвобождающейся упругой энергии слоя при образовании трещины длиной А! и затраченной энергии на ее образование [5]:
-ДW = АГ, (1)
где АШ - высвобождающаяся упругая энергия при образовании трещины длиной Да; АГ - энергия, которую необходимо затратить на образование трещины длиной Да.
Условие для образования трещины [5] записывается в виде
2-^А1т = 4 Д£г> (2)
Е
или
12Е Г с = \1 ——,
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 начинается с роста существующей трещины, критическая длина которой £кр, м определяется из выражения
I -2ЕСс (3)
1КР 7Г (Г2 ' ^
где Сс - эффективная поверхностная энергия, Дж/м2; ар - предел прочности породы на растяжение, МПа.
Величина горизонтальных напряжений в породном слое может быть определена, как напряжение в изогнутой балке при ее жестком защемлении с двух сторон на опорах [6]
Ъ = 2Й2. (4)
либо как напряжение при изгибе консольной балки с жестким защемлением
(5)
р Н2 '
где д - распределенная нагрузка на породный слой, Мн/м2; 1пр - предельный пролет слоя перед обрушением, м; Н - мощность несущего породного слоя, м.
Величина распределенной нагрузки д%, Мн/м2, обусловленной весом одного 1-го слоя, определяется выражением
д% = Ъ Н, (6)
где 7%, Мн/м3 - объемный вес породы слоя.
Величина распределенной нагрузки д, Мн/м2, обусловленной весом группы слоев, записывается в виде
д = 5^ (7)
г=1
где п - количество слоев в группе.
Подставляя значения действующих напряжений (4)-(7) в (3), получаем выражения для определения предельного пролета кровли над выработанным пространством.
При первичном обрушении породного слоя
(8)
где 1пр - предельный пролет породного слоя перед посадкой, м; Ъс - мощность расчитываемого слоя, м; 7с - объёмная масса породы, н/м3; £кр - критическая длина трещины в слое, м.
При первичном обрушении группы слоев
= (9) ПР П У ТГ4 ' 1 ^
Е ъЬ
г=1
кр
где Е 7гЬг - распределенная нагрузка группы слоев, Мн/м2.
г=1
Учитывая зависимость предельного пролета изгибающейся группы породных слоев кровли от подвигания лавы и её изгиб, как балки с опорой в точке максимального опорного давления, подтвержденный результатами натурных и лабораторных исследований, можно утверждать, что впереди лавы образуется зона с уменьшенными сжимающими напряжениями над угольным пластом. Образование этих зон (зон разгрузки пласта) происходит периодически, расстояние между ними определяется величиной предельного пролета изгибающейся группы слоев.
Аналогично происходят обрушения каждого породного слоя во вмещающем породном массиве от пласта до поверхности.
Выводы. По итогам исследований установлены следующие закономерности. Во-первых, по мере подвигания лавы увеличивается число породных слоев, приходящих в сдвижение над выработанным пространством. Во-вторых, с ростом выработанного пространства, обусловленного количеством последовательно отработанных лав, зона сдвижения породных слоев достигает дневной поверхности.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020600011-0-2.7.5)
1. Клочко И.И. Особенности изменения напряженного состояния впереди лавы в процессе выемки угля / И.И. Клочко, Н.И. Лобков // В1ст1 Донецького прничого 1нституту. - 2011.
- № 2. - С. 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. - 2006. - Т. 1, № 26. - С. 56-65.
5. Griffits A. The phenomenon of rupture and flow in solids / A. Griffits // Phil. Trans. Roy. Soc. - 1920. - A. V. 220. - P. 150-160.
6. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности // Учебник под. ред. Г.С. Варданяна - М.: Изд-во АСВ, 1995. - 568 с.
N.I. Lobkov, V.S. Mayevsky, A.A. Lobkov
Features of the development of the field of rock massif displacement as a result of coal mining.
The results of the study of intensive displacements of rock layers over the developed space are presented. It is established that the landing pitch of the main roof depends on the size of the maximum span and dynamically changes within the excavation field of lava.
Keywords: face, worked-out space, limit span, roof layers, main roof, layer destruction, layer collapse.
Получено 12.04.2023
