Оценка деформационного состояния ствола при его подработке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.А. Голодов, А.А. Богомазов, 2013

УДК 622.25 (06)

М.А. Голодов, А.А. Богомазов

ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ СТВОЛА ПРИ ЕГО ПОДРАБОТКЕ

Сформированы условия безопасной подработки шахтных стволов при отработке участков околоствольных целиков. Получены графики, позволяющие оценить деформационное состояние подрабатываемых стволов в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических факторов.

Ключевые слова: ствол, деформация, кривизна, наклон, уголь, участок искривления, шахта, сдвижения, подработка, массив, оседание..

•щ-* целях повышения экономи-Вм ческой эффективности угольной промышленности России целесообразно использование технологий отработки околоствольных целиков (как частного случая отработки ограниченных запасов неправильной формы). Максимальная эффективность при отработке околоствольных целиков может быть достигнута только в том случае, когда обеспечивается безаварийная эксплуатация шахтных стволов. Однако ведение очистных работ, даже при выемке весьма тонких и тонких пластов (мощность менее 1,2 м), всегда сопровождается деформациями и разрушениями вмещающих массивов, особенно пород кровли, что приводит к образованию мульд сдвижения и, как следствие, деформации подрабатываемого ствола.

Оценку деформационного состояния подрабатываемого вертикального ствола рассмотрим для условий Российского Донбасса. В процессе подработки вертикальных стволов шахт при отработке околоствольных целиков возможны три геотехнологических ситуации, при которых стволы могут находиться, по отношению к принимаемым участкам отработки, в разных условиях деформирования вмещающих массивов:

1) участок искривления ствола подвержен только деформациям пород, которые вызваны их полными сдвижениями;

2) участок искривления ствола подвержен деформациям пород, которые вызваны как полными, так и не полными деформациями массива;

3) участок искривления ствола подвержен только деформациям пород, которые вызваны неполной подработкой массива, при котором отсутствует полная подработка - промежуточный горизонт полной подработки находится ниже зоны влияния мульды сдвижения на стволы[2].

Анализ условий подработки, проведенный применительно к диапазону глубин 350—800 м и интервалу угла падения пласта 0-25°, показал, что подработка стволов может происходить только при двух условиях: при условии неполной подработки и при условии как полной, так и неполной подработки (одновременно) [1].

В качестве примера примем отработку участка околоствольного целика со стороны восстания от стволов и для околоствольного двора с конвейерным транспортированием и кругового околоствольного двора с параллельным расположением ветвей. Исследования проведем для

стволов с отметкой по глубине (до пересечения с пластом) 500 и 650 м при варьировании угла падения пласта 0, 5, 10, 15, 20 и 25°. Определим исходные параметры, характеризующие геомеханические ситуации подработки шахтных стволов, которые сведем в таблице.

Из таблицы видно, что в первой ситуации ствол всегда находится в условиях неполной подработки; во второй - при углах падения 15, 20 и 25° ствол находится как в условиях полной, так и неполной подработки. Другими словами, при угле падения пласта 15° ствол находится в условиях полной подработке в диапазоне глубин от -456,090 до - 438,352 м, при а = 20° — в диапазоне от -478,466 до -383,254 м, а при а = 25° — в диапазоне от -495,473 до -327,772 м. В границах данных диапазонов расчет сдвижений и деформаций ствола на участке искривления производится при коэффициенте подработанности, максимальном по величине и равном 1. Выше верхней отметки этих диапазонов искривление ствола рассчитывается исходя из реального коэффициента подработан-ности, равного отношению максимального размера участка отработки целика со стороны восстания к средней глубине разработки.

На рис. 1 и 2 приведены изменения вертикальных оседаний, деформаций сжатия, горизонтальных сдвижений, наклонов и кривизны по длине ствола на участке искривления.

Графики в полной мере отражают большую интенсивность изменения показателей деформаций с ростом вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений (см. рис. 1, а, ви 2, а, в) при увеличении угла падения пласта, вызывающего и возрастание длины участка искривления. Более

интенсивными являются изменения сдвижений и деформаций в пределах участка искривления до горизонта полной подработки, вызывая соответствующий рост сдвижений и деформаций на остальной части ствола.

Относительные деформации на участке искривления ствола при его подработке со стороны восстания (околоствольный двор - круговой с параллельным расположением ветвей, глубина ствола - 650 м): в - горизонтальные сдвижения; г - наклоны; д — кривизна.

Необходимо отметить, что все графики получены в относительных единицах - без учета мощности и коэффициентов перегрузки для соответствующих деформаций. Такая интерпретация результатов расчета обеспечивает возможность сравнительного анализа расчетных значений с предельно допустимыми, в основе которого лежат следующие неравенства, полученные при использовании выражений (1):

К < (1)

^ е],д°п

е. < ——

¡,р

пт

■ < 1'/,доп !,Р

пт

где е , — относительные деформации

сжатия-растяжения, ■

средний ук-

лон и Кj р — максимальная кривизна

на /м участке по длине ствола.

Выполнение данных условий говорит о безопасной подработке шахтных стволов при отработке участков околоствольных целиков на полную мощность т. Штриховые линии, полу-

ченные из отношений

/доп

пт

(см. рис.

1, ги рис. 2, г) и

К

(см. рис. 2,д,

характеризуют предельно возможные наклоны и кривизну при отработке пластов на полную мощность (варианты

Таблица 1

Параметры аля расчета сдвижений и деформаций подрабатываемого ствола

Тип двора, глубина ствола,м Угол падения пласта, град Размер участка отработки целика, м Средняя глубина разработки, м Длина полумульды, м Длина участка искривления ствола, м

до горизонта полной подработки до поверхности на горизонте полной подработки на поверхности полная подработка неполная подработка общая

С конвейерным транспортом, 500 м 0 1,975 - 500,000 - 134,962 - 7,369 7,369

5 35,767 - 486,937 - 151,968 - 106,598 106,598

10 68,504 - 471,131 - 170,027 - 170,830 170,830

15 100,066 - 452,886 - 189,420 - 215,599 215,599

20 130,339 - 432,564 - 210,507 - 248,417 248,417

25 159,212 - 410,571 - 233,754 - 273,361 273,361

Круговой с парал. ветвями, 650 м 0 84,167 - 650,000 - 216,250 - 314,115 314,115

5 128,098 - 636,574 - 240,404 - 381,772 381,772

10 170,656 - 619,555 - 266,234 - 425,566 425,566

15 211,686 160,960 599,312 164,527 294,172 17,738 438,352 456,090

20 251,041 193,034 576,288 205,008 324,766 95,212 383,254 478,466

25 288,576 233,213 550,986 249,104 358,729 167,701 327,772 495,473

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Г| 0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

[а =5°(

т = 10° ^

/ а =15°

/

/ а =25°

у

/ /

а 00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 |

-25 -50 -75 -100 -125 -150 -175 -200 -225 -250

1 а =5

/ а = 10 /

/ а 15°

/ /а =2 0°

/

/ у' =25°

0 -25 -50 -75 -100 -125 -150 -175 -200 -225 -250 h, м

0 -25 -50 -75 -100 -125 -150 -175 -200 -225 -250 h, м

'а =0° / А

а= 5°

' а = 1 0°

а= 15° /

" а = 20

°

а = 25°

б i0 -10 3 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1/м

.«.(!> -О.М -п.ю -олг .fl.ni ' «01 ш ли «.м им

тИ •i0

-IM

-Iii -150 -Iii

-2! Л Ii. hl

г

а а=5с \

( 1<Г -

\

1—

а =2Р J ?

—

д

1,0 и 2,0 м). Из рисунков видно, что расчетные значения наклонов (в большей степени) и кривизны во многих

Рис. 1. Относительные деформапии на участке искривления ствола при его подработке со стороны1 восстания (околоствольны1Й двор - для конвейерного транспортирования, глубина ствола - 500 м): а - оседания; б -сжатие-растяжение; в - горизонтальные сдвижения; г - наклоны; д - кривизна

ситуациях превышают допустимые величины даже при отработке пластов мощностью 1,0 м.

s„ -10

1/

в

г

0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450

0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 Ь, м

О ли

-10 о

-200

-100

-400 -450 Ь и

=5° /

/ /а =1 /

/ а =20

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

В

Ко Ю3. 1/м1

0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450

0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 1т, м

— а =0° 1

/ а = 5° /

1

/ у

а = 10° / а = 15°

а = 20°

25°-

а

0 1,0 б 2,0 3,0 4,0 5,0 ¡о -ю 1/м

\

\ т 2 (

\

П "1 м

а 15"

..) « -.V

_ ■ — ____ У) а 111" - -

-

Рис. 2. Относительные деформации на участке искривления ствола при его подработке со стороны1 восстания (околоствольнышй двор - круговой с параллельным расположением ветвей, глубина ствола - 650 м): а -оседания; б - сжатие-растяжение

Таким образом, получаемые графики позволяют оценить деформационное состояние подрабатываемых стволов в широком диапазоне горно-геологических и горнотехни-

ческих факторов, обеспечивая геомеханическое обоснование технологических решений по безопасной и эффективной отработке околоствольных целиков.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Страданченко С.Г., Сарычев В. И, Савин И. И. Технологии отработки околоствольных целиков. - Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев. — Кавк. регион», 2004. - 128 с.

2. Корнилков В.Н. Опыт выемки околоствольных целиков// Труды Свердловского горного института. Вопросы геологии и горного дела. Вып. XXXIII — Свердловск, 1959. — С. 152—170. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Голодов Максим Александрович— кандидат технических наук, доцент, sbog@rambler.ru, Богомазов Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

а

0

г

д