Параметры опорного давления в краевой зоне угольного пласта очистного забоя при полной подработке легкоИ среднеобрушаемых кровель Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 622.831

В.Е. Ануфриев, Ю.Ю. Самолетов, В.А. Пинаев

ПАРАМЕТРЫ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В КРАЕВОЙ ЗОНЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ ПРИ ПОЛНОЙ ПОДРАБОТКЕ ЛЕГКО- И СРЕДНЕОБРУШАЕМЫХ КРОВЕЛЬ

Решение этой задачи необходимо при оценке суммарных действующих напряжений в приконтурном массиве примыкающих к пласту выработках и сопряжений. При аппроксимации кривой опорного давления используется уравнение баланса нагрузки* [1, 2] . Закон нарастания нагрузки в зоне опор-

а0 = апл*с - сопротивление угля на краю, равное сопротивлению на одноосное сжатие куба, вырезанного из пласта (остаточная прочность);

Спл - условно-мгновенная (кубиковая) прочность пласта по данным лабораторных испытаний образцов угля до проведения выработок [3];

- эмпирические коэффициенты, t - время длительности нагрузки, мес.;

ka=0.336f +0.16 - коэффициент структурного ослабления пласта [4].

По мере увеличения глубины от поверхности прочность пород увеличивается. По дан-

У

B

■уН

О

си :

|_ а

Ь I

Рис. 1. Схема к расчету параметров опорного давления в краевой зоне угольного пласта

ного давления в соответствие с [1, 2] и расчетной схемой (рис. 1) можно аппроксимировать прямой

а=-уИ +ao+kxX (1)

где а - нормальная к пласту компонента напряжений;

Создаваемые основной кровлей моменты не учитываются вследствие того, что по мере смещения пород кровли и уплотнения обрушенных пород в режиме заданных деформаций, в последних возникает компенсирующий реакционный момент противоположного направления.

kx - коэффициент пропорциональности; согласно [1]

1,3С0

=

h

kc=k(t)■ka - обобщенный коэффициент снижения прочности пласта на его обнажении;

*(1) -коэффициент снижения прочности от длительности действия нагрузки, в соответствие с методикой [3]

*(')=“ЧтЬ) ,

а=0.3 -+0.6, /3=0.4 ^0.6, т=0.6

ным [4] до глубины 40 м прочность пород снижена в 4 - 6 раз вследствие процессов выветривания. С глубины от 40 м до 250 - 300 м прочность пород возрастает в 1,2 - 1,4 раза. Поэтому данный фактор должен учитываться в исходных данных для расчета.

2И =тв - вынимаемая

мощность пласта;

X - расстояние от краевой зоны угольного пласта;

Убывание нагрузки от амакс до уровня }И можно аппроксимировать выражением [2, 6]:

С

Ф

а

о

нк

100 200 300 400 500 600 700 800 100 200 300 400 500 600 700 800

а= С / х , (2)

где С - размерный коэффициент аппроксимации.

Параметр с определится из условия непрерывности напряжений на границе предельнонапряженной зоны с упругой.

При х=а , вследствие непрерывности напряжений а(а - 0) = а(а + 0),

с

-уИ + а0 + кхх = ~2 (3)

Уравнение баланса нагрузки в соответствии с [1] и графическими представлениями (рис. 1) имеет вид :

$ + $ 2 = $ + $4 (4)

где

g - удельное сопротивление крепи на м2 поддерживаемой кровли;

Фг - углы давлений.

$2 = 1 (уИБ -С0) ГИ к-С0

2 кх

= (уИ -С0)2 . 2 к ;

S3 _ |( -уИ + ст0 + kxx)dx

И -gp

kx

к 2

_ -уИа + a 0a + a

+ 1 (77 - aо)2 .

2 к_ ’

1 тг2

-Y ctgV: +

+ (b +1 + AB) -ABmxxy- gl

S f dd} d S4 _ \—dx _ —

J x2 a

(7)

Подставляя в (4) полученные выражения $1, $2, $3, $4 и учитывая уравнения (2) и (3), получим квадратное уравнение относительно а 3 .

2*ха + 2(уИ - а0)а = с (8) где

с _

уИ ctgpt +

+ (b +1 + AB)yH --ABmnr7- gl

cosa

Решая (8), получим а _ {2(И -Сто) +

I

(9)

(10)

4(И -С0) + 6кхс}/3кх Максимальное дополни-

тельное напряжение по нормали

к пласту в системе х101а1

АСмакс =-И +С0 + кха =

= кха-С0 )

(11)

Максимальное напряжение в системе х0а

а макс =а0 + кха (12)

Коэффициент концентрации напряжений

уИ

(13)

Коэффициент d при x=a в системе xüa

cosa

(5)

ЛБ=Б-Б-1 , (6)

где Б - шаг посадки основной кровли;

Ь - ширина призабойного пространства, не поддерживаемого мех. крепью;

I - длина мех. крепи; тнк - мощность непосредственной кровли;

Рис. 3. Зависимость к от шага посадки Б основной кровли и первоначальной прочности пласта ;

С = а2 (а0 + кх а) (14)

При 2% - превышении

уровня уИ протяженность зоны опорного давления амакс равна Г П~\

Ь0 = Ь1 + а = а 1 +

к

1,02

(15)

V ' /

При оценке суммарного действия напряжений от выработок в какой-то точке к сумме напряжений добавляется уИ

Ха =ХЛа + И • (16)

Параметр а из (10) характеризует ширину предельно напряженной зоны. В краевой зоне угольного пласта при х=0 напряжения равны остаточной прочности пласта а0 . С увеличением х наблюдается рост напряжений. В некоторой точке А напряжения достигнут величины, равной начальному сопротивлению апл пласта до

проведения выработки. Эта точка характеризует границу зоны, от которой породы кровли при приближении к краю от точки х получают всё меньшую реакцию отпора. Таким образом параметр х характеризует ширину зоны с пониженной прочностью относительно первоначальной и породы кровли в этой зоне не получают первоначальной реакции отпора.

Координата точки А, где а =апл определится из соотно-

шения

а -а

макс пл

а - а,

а - а0

макс 0

а

откуда определится значение

а1 при а пл <амакс

а1 = а

а - а „

макс 0

(17)

При апл >амакс по кривой спада напряжений, возникающих в боку выработки сразу после выемки пласта в забое на одну заходку, а1 определяется из выражения:

а1 = а .

70

1-65

60

55

а

1“ 50 | 45 1 1-40 "

I-

35 м 30 1-25

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

т,м

При а пл >амакс а1=а .

Значения углов давлений зависят от крепости пород f и угла залегания а. Построенные по данным [1] зависимости ф$,а) имеют вид:

Ф = -0,016/1 -1,16/1 -- 0,02/1а - 0,3а + 70

Ф2 = -0,016/1 -1,16/, +

+ 0,03/1а + 0,4а + 70

Ф3 = -0,016/1 -1,16/, + 70

(18)

Определяемые параметры

а, амакс, к, Ь опорного давления от выработанного пространства лавы зависят, прежде

всего, от глубины работ (рис. 2).

Судя по изменению коэффициента концентрации напряжений (рис.3.), на параметры опорного давления влияет шаг посадки Б основной кровли и первоначальная прочность пласта.

Графики рис. 4, 5, 6 иллюстрируют зависимости параметров а, амакс , к, Ь от изменения мощности пласта, коэффициента к^) снижения прочности пласта от длительности действия нагрузки, от первоначальной прочности пласта апл.

Представление о

координате точки А в виде (17) создает возможность её оценки в краевых частях выработок

ш

К()

Рис.5. Зависимость а, атах, к, Ь от коэффициента к(V) снижения прочности пласта от длительности действия нагрузки при апл=10, МПа, И=300 м, Б=10 м, ф3=67.6°

апл~а 0

ZI

Q)

а ,МПа

пл’

Рис. 6. Зависимость а, атах, к, Ь пласта апл на краю при К(^=0.9

ф3=67.

различного назначения в зоне влияния очистных работ, в частности при вскрытии лавой разрезных печей, сопряжений выработок в зависимости от суммарно действующих напряжений от опорного давления лавы и подготовительной выработки или их сопряжений.

Знание координаты точки А необходимо при проектировании крепления анкерами бортов выработки, при определении параметров свода давлений, например на границе

от первоначальной прочности , И=300 м, т=3 м, Б=5 м,

.6°

с выработанным пространством, когда одной опорой свода являются уплотненные обрушенные породы.

Вышеизложенная аналитическая оценка параметров опорного давления проведена для сечений пласта, приуроченных к серединной части выработанного пространства, где подработанная кровля имеет одностороннее защемление над краевой зоной угольного пласта. В краевых частях пласта, примыкающих к угловым

частям выработанного

пространства, максимальное напряжение ау сжатия на пласт вследствие двухстороннего защемления слоев пород

основной кровли ниже, чем для срединной части лавы.

Проведенная оценка амакс по методике [1] для срединной и угловой части лавы показывает на снижение Ламакс на »13%, Ла» 17%. Поэтому при

определении суммарного

проявления опорного давления от подработки кровли пласта лавой и подготовительной выработкой на их сопряжении возникает необходимость в учете этого снижения.

Таким образом, получены оценки параметров опорного давления от подработки пород кровли легкой и средней обрушаемости длинных

очистных забоев на пластах пологого залегания в зависимости от глубины работ, мощности пласта, шага посадки основной кровли, ширины призабойного пространства, первоначальной прочности пласта, снижения прочности пласта от длительности действия нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров, Н.А. Фельдман. Теория защитных пластов. М., «Недра», 1976, 226с.

2. В.А. Гоголин, Т.Н. Кургузкина. Аналитическая оценка распределения опорного давления при полной подработке поверхности. Вестник КузГТУ, 2-04, С.8-13.

3. Методическое руководство по расчету геомеханических параметров технологии отработки угольных пластов короткими забоями. Санкт-Петербург - 2001

4. А.П. Широков, Б.Г. Писляков. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. М., «Недра», 1978, 304с.

5. Г.Г. Штумпф, Ю.А. Рыжков, В.А. Шаламов, А.И. Петров. Физико-технические свойства пород и углей Кузнецкого бассейна. Справочник. М.:Недра, 1994, 447 с.

6. С.Г. Лехницкий. Теоретическое исследование напряжений в упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения. -Л. ВНИМИ, 1962.

□ Авторы статьи

Ануфриев Виктор Евгеньевич -с.н.с., канд.техн.наук, ИУУ СО РАН

Самолетов Юрий Юрьевич -нач.технологического Управления ЗАО «Распадская угольная компания»

Пинаев Виктор Алексеевич - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. высшей и прикладной математики (Кемеровский институт РГТЭУ)