CC BY
47
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.241.54:539.3
Н.В. Черданцев, В.А. Федорин, В.Т. Преслер
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ЦЕЛИКОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПО ГЕОТЕХНОЛОГИИ HIGHWALL
Применяемые в мировой практике комбинированные (открыто-подземные) геотехнологии освоения недр исходят из того, что границы открытых горных работ определяются на основе экономических или энергетических критериев, а они не всегда могут совпадать с природными особенностями - естественными границами месторождений, пространственным распределением угле-насыщенности, характером выхода угольных пластов на поверхность и т.д. В Кузбассе такие технологии начали применяться в последнее время (угольные разрезы «Сибиргинский», «Мохов-
ский», «Распадский»). Выбор варианта открытоподземной разработки угольных месторождений является комплексной задачей. Он включает анализ природных условий месторождения, геомеха-ническое состояние массива (изучение геомехани-ческих особенностей выбранной технологии) и сущность технологии вскрытия и отработки месторождений.
Применение геотехнологии HIGHWALL позволяет отрабатывать угольные пласты в прикон-турной части карьера путём применения для проведения выработок роторных агрегатов. Эффективность и перспективы использования HIGHWALL на угольных предприятиях, а также геомеханическое обоснование устойчивости породных обнажений в окрестности выработок приведены в статьях [1-4].
Одной из основных проблем при разработке пласта является проблема устойчивости выработок. Выработка не устойчива, если за контуром выработки образуются зоны нарушения сплошности (ЗНС) некоторой области, в которой не выполняются условия прочности Кулона-Мора либо Мора-Кузнецова. В этих условиях в качестве параметров входят характеристики прочности горной породы - угол внутреннего трения ф и коэффициент сцепления К. Известно также, что массив горных пород, вмещающий систему выработок, при определённых условиях их взаимного расположения и значениях параметров среды теряет устойчивость. Этим условиям соответствует объединение зон нарушения сплошности (ЗНС) массива от каждой выработки. Единые ЗНС будем называть областями неустойчивости массива. Ис-
ходная система нескольких выработок перестаёт существовать. В результате образуется один вырез больших размеров, что приводит к дальнейшему разрастанию ЗНС. Поэтому важно установить условия образования областей неустойчивости и определить их положение и размеры.
Существующие модели достаточно полно учитывают такие свойства массива как упругость, пластичность, ползучесть. Однако одно из его основных свойств - прочностная анизотропия, обусловленная наличием регулярных поверхностей ослабления (слоистость, кливаж, тектонические нарушения), практически не используется в анализе его геомеханического состояния, хотя разрушение массива, в первую очередь, происходит по этим поверхностям. Учёт прочностной анизотропии позволяет получить обоснованные оценки нарушенности массива и в соответствии с ними дать достоверную картину устойчивости выработок. Решение этой задачи основывается на подходе Грина, в котором массив рассматривается как бесконечная среда с полостями произвольных очертаний, нагруженная около них со стороны массива естественным полем напряжений, а изнутри - фиктивной нагрузкой. В математической постановке это приводит к интегральному уравнению краевой задачи теории упругости, для решения которой наиболее эффективен метод граничных элементов, обеспечивающий построение непрерывной картины нарушенности массива с регулярными системами поверхностей ослабления согласно критерию разрушения Мора - Кузнецова. Ориентация поверхности ослабления в пространстве задаётся углом падения а (угол между нормалью V к поверхности и вертикальной осью поперечного сечения х) и простирания Р (угол между проекцией нормали на горизонтальную плоскость хОу и осью выработки х).
На основе отмеченного подхода создана объёмная модель, описывающая геомеханическое состояние (напряжённое, нарушенное™, устойчивости) массива горных пород, вмещающего систему выработок, и разработаны методы её компьютерной реализации [5]. Созданная модель является универсальной. Она определяет непрерывное поле напряжений в окрестности выработок произ-
Геотехнология
15
а)
К/уИ=0, а=0°
К/Н=0, а=0°
К/уН=°, ос=100
г)
К/Н=0, а=220
ь)
К/уИ=0,25, а=220
е)
К/уИ=0,25, а=320
ж)
К/уИ=0,25; две системы поверхностей а1=500, /3=900; а2=300, ¡51=00, е=1,25Ъ
К/уИ=0, две системы поверхностей а1=450, р1=90°; а2=300, ¡51=00, с=2Ъ
К/уН=0; две системы поверхностей а1=500, ¡31=900; а2=300, р1=00, с=2,5Ъ
Рис. 1. ЗНС массива в окрестности системы двух и трёх выработок
вольного очертания, а также их систем, учитывает любые системы поверхностей ослабления с различными характеристиками среды, а также опорное давление в области ведения горных работ и на базе вычислительного эксперимента обеспечивает комплексное изучение различных модельных сред. Изучение проводится путём построения ЗНС и посредством количественной оценки нарушенное™, представленной показателем нарушенное™ - коэффициентом, который определяет общую площадь нарушенное™ массива, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения выработки, а также границей смыкания отдельных ЗНС выработок.
Исследование устойчивости выработок при некоторых параметрах среды (коэффициент бокового давления, угол наклона поверхностей ослабления), в рамках созданной модели проводилось ранее в [6]. В этой статье не проводились расчёты с различными размерами целиков, и поэтому устойчивый размер целика не определён.
Поскольку горные породы в окрестности про-
тяжённой выработки (системы выработок) находятся в условиях плоского деформированного состояния, то расчётной схемой массива, вмещающего эти выработки, является плоскость, пронизанная системой поверхностей ослабления и нагруженная в окрестности выработок нормальными и касательными напряжениями естественного гравитационного и, возможно, тектонического полей напряжений.
В дальнейших расчётах ограничимся учётом лишь гравитационного поля напряжений. В приведённых выражениях Л - коэффициент бокового давления, и - коэффициент Пуассона, у - объёмный вес налегающих пород, Н - глубина заложения выработок.
На основе проведенных расчётов напряжённого состояния построены ЗНС в окрестности выработок, используемые для оценки состояния нарушенное™ и устойчивости угольного массива в окрестности комплекса выработок квадратного сечения, проходимых на одном горизонте по этой геотехнологии на Кузбасском угольном разрезе
«Распадский». В расчётах принимались следующие параметры среды и размеры выработок: Ь^=4м,у=25Ш/м3, H=100м, и=0,25. Размер целика c в расчётах принимал следующие значения: c=(1; 1,25; 2; 2,5)Ь.
Картины ЗНС в приконтурном массиве приведены на рис. 1. В большинстве примеров целик между выработками равен их пролёту ^=Ь) а угол простирания поверхностей ослабления Р=90°.
Из рисунка можно заметить следуюшее.
1. В окрестности системы из двух и трёх выработок (рис. 1 (а, б)) размеры и характер ЗНС незначительно отличается друг от друга. Увеличение числа выработок не изменяет характера гео-механического состояния массива в окрестности выработки - параметры ЗНС отдельных выработок остаются практически неизменными.
2. При малых углах наклона поверхностей ослабления (рис. 1 (а - в)) не происходит разрушения целиков между выработками.
3. Разрушение целиков начинается с угла а=220 (рис. 1 (г)).
4. Увеличение коэффициента сцепления уменьшает размеры ЗНС и повышает устойчивость целиков (рис. 1 (д)), при а>320 снова начинается их разрушение (рис. 1 (е)).
5. Размер устойчивого целика с двумя системами поверхностей ослабления, одна из которых имеет угол наклона 45°, превышает пролёт выработки даже при сравнительно прочном массиве (рис. 1 (ж)).
6. Две системы поверхностей ослабления приводят к потере устойчивости целика, размер которого в два раза превышает пролёт выработок и это должно учитываться при их сооружении (рис. 1 (^)).
7. Минимальный размер устойчивого целика с двумя системами поверхностей ослабления сос тавляет 2,5 пролёта (рис. 1 (м)).
Анализ этих результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. Применение модели обеспечивает наиболее полное исследование устойчивости и целиков массива с регулярной прочностной анизотропией, вмещающего систему протяжённых горизонтальных параллельных горных выработок.
2. При проведении системы выработок в углепородном массиве необходим учёт ориентации поверхностей ослабления, которая играет решающую роль в оценке устойчивости целиков.
3. Моделирование нарушенности и устойчивости массива в окрестности системы выработок, проводимых по геотехнологии HIGHWALL, показало, что одна система пологих поверхностей ослабления не приводит к разрушению целиков, размер которых не превышает полпролёта выработки. В массиве с двумя системами поверхностей ослабления, на которых коэффициент сцепления равен нулю и одна из систем имеет угол падения более 30°, минимальный размер устойчивого целика составляет 2,5 пролёта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Walker S. Highwall Miners Keep the Coal Flowing. / World Coal. December 2001 - v. 10, № 12. p. 20-27.
2. Обоснование геомеханических параметров выемки угля с применением комплексов глубокой разработки пластов (КГРП) /А.Г. Нецветаев, Л.Н. Репин, A.B. Соколовский, A.B. Кучеренко // «Уголь».-2005.-№ 5.-С. 66-68.
3. Первый российский опыт применения технологии глубокой разработки угольных пластов: устойчивость массива и потери угля в недрах / А.Г. Нецветаев, Л.Н. Репин, A.B. Соколовский, A.B. Юткин // «Уголь».-2004.-№ 12.-С. 10-12.
4. Применение системы HIGHWALL для выемки угля с уступа разреза (краткий обзор работ в США и Австралии) //0ГР.-2000,-№ 2.-С. 54-56.
5. Черданцев Н.В., Изаксон В. Ю. Некоторые трёхмерные и плоские задачи геомеханики. - Кемерово: КузГТУ, 2004.-190 с.
6. Черданцев Н.В. Геомеханическое состояние массива горных пород с поверхностями ослабления в окрестности комплекса протяжённых горизонтальных выработок / Н.В. Черданцев, В.А. Федорин //Вест. КузГТУ.-2006.-№ 1.-С. 17-19.
□ Авторы статьи:
Черданцев Николай Васильевич
- канд.техн.наук, старший научный сотрудник Института угля и углехи-мии РАН
Федорин Валерий Александрович
- докт.техн.наук, зав. лаб. геотехнологии освоения угольных месторождений Института угля и углехимии СО РАН
Преслер
Вильгельм Теобальдович
- докт.техн.наук, ведущий научный сотрудник Института угля и углехимии СО отделения РАН
