CC BY
9ISSN 0136-4545 ^Курнал теоретической и прикладной механики.
№2 (75) / 2021.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.284.74
©2021. В.А. Канин, Е.Д. Ходырев, В.В. Васютина
ПРЕДЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ЦЕЛИКОВ УГЛЯ, ПОДЛЕЖАЩИХ УЧЕТУ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЗОН ПГД
В статье изложены результаты аналитических и горно-экспериментальных исследований по определению предельных размеров целиков угля (Ьп) и оценке их несущей способности, а также обобщен опыт отработки крутых пластов в зонах под и над межэтажными ленточными целиками. Установлено, что при размерах целиков Ь < 0, 7Ь„ они пластически деформируются и не являются источниками формирования зон повышенного горного давления. Ключевые слова: угольные целики, горные породы, деформирование и разрушение пород, охрана горной выработки
Введение и общая характеристика подходов к решению рассматриваемой проблемы. При разработке крутых угольных пластов в условиях Центрального района Донбасса (ЦРД) для охраны откаточных и вентиляционных штреков часто оставляют ленточные угольные целики высотой 6-8 м, которые прорезаются углеспускными печами шириной 2,0 м через интервалы 4-5 м. Как правило, эти целики превышают размер 0,11 (где I - ширина зоны опорного давления) и поэтому в соответствии с требованиями [1] они рассматриваются как источники формирования в горном массиве зон повышенного горного давления (ПГД).
После отработки выше и нижерасположенных этажей построенные от этих целиков зоны ПГД (при многочисленности разрабатываемых в ЦРД сближенных пластов) иногда полностью перекрывают подготовленные к отработке этажи на смежных пластах. В этих условиях горные работы ведутся с постоянным применением текущего прогноза выбросо- и удароопасности, что значительно снижает их эффективность.
В то же время известно [2], что устойчивость целиков, а, следовательно, и проявление их влияния, определяются целым рядом факторов, таких как глубина горных работ, размеры целиков, ширина примыкающего к ним выработанного пространства, прочностные и упругие свойства угля и другие. Существует понятие о предельном размере целика, когда он по всей своей площади находится в предельно-напряженном состоянии. Этот размер (Ьп) определяется по формуле:
Ln = е • хо, (1)
где хо - общий пролет выработки, разделенный целиком, включая и ширину целика, м, при хо > 270 м принимается хо = 270 м; е - множитель, значения которого определяются по графику на рисунке 1 как функция показателей D и т
D = (2)
ay m
где k* - комплексный показатель прочностных свойств угля, МПа. Для углей ЦРД по данным [3] k* = 1, 75 • ac; m - мощность угольного пласта, м; S2 - размер большей прилегающей к целику выработки, м; Si - размер меньшей прилегающей к целику выработки, м; ay - напряжения, действующие по нормали к напластованию на уровне разрабатываемого пласта, МПа, определяются выражением:
ay = -y • H(Л sin2 a + cos2 a), (4)
где y - плотность горных пород, т/м3, в среднем для горного массива в условиях Донецкого бассейна y = 2, 5 т/м3; Л - коэффициент бокового распора, равный 0,65; a - угол падения пласта, градус; H - глубина разработки пласта, м.
1. Анализ результатов исследований. Расчет т осуществляется последовательным приближением. На первом шаге вычислений принимается е = 0. При этом значении е по выражению (3) рассчитывается величина Т(£=о) и по графикам (рис.1) находится ориентировочная величина е.
На втором и последующих шагах вычислений данная процедура повторяется до тех пор, пока два последующих значения е не будут отличаться на величину более 0,005.
В ЦРД каждая шахта имеет практически постоянную высоту этажей, равную 100-20 м по вертикали, и тогда, приняв Si = S2 можно считать т = 0, при этом хо=250-270 м. Прочность угля по результатам исследований [3] составляет 3-6 МПа. В расчетах можно принять в среднем ac = 5 МПа и тогда k* = 1, 75 • ac = 8, 7 МПа. Средний угол падения пластов в ЦРД составляет примерно a ~ 57 ± 3o.
На основании этих данных были рассчитаны предельные значения ширины межэтажных целиков угля (Ln) в зависимости от глубины их залегания (Н) и мощности угольного пласта (m). Результаты этих расчетов представлены в таблице 1. В случаях изменения хотя бы одного из показателей a, Si,S2,хо от приведенных выше значений величину Ln необходимо рассчитывать по формуле (1).
0.18 0,16 0,14 0Д2 ОД 0,08 0,06 0,04 0,02
\
1
1
\\ \\
\ % / II Н \ 0
; \ / 1 = vT = -0,5 -0,7
_____
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 \т = 1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1 1
0 40 80 120 160 200 240 280 320
Рис. 1. Определение значений £ в зависимости от Б и т, вычисленных по формулам (2) и (3) Таблица 1. Предельные зна чения ширины межэтажных целиков угля
Глубина залегания целика., м Предельный размер* ширины целика угля, (Ь„) при мощности угольного пласта, м
0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,3 1,5 1,7 2,0
630 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21
750 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22
860 13 14 15 16 17 18 20 21 22 24
970 14 15 16 17 18 20 21 22 23 25
1080 15 16 17 18 19 21 22 23 25 27
1190 16 17 18 19 20 22 23 24 26 29
Для оценки напряженно - деформированного состояния межэтажных целиков угля РАНИМИ на ряде шахт ЦРД были проведены специальные горно-экспериментальные исследования.
В качестве примера на рисунке 2 представлены результаты наблюдений, выполненные на пласте шахты им. Н.А. Изотова. При отработке этого пласта мощностью 0,7 м на восточном крыле горизонта 630 м межэтажный ленточный целик высотой 8 м был оконтурен выработанным пространством вышележащего этажа гор. 630 м и вентиляционным штреком отрабатываемой лавы гор. 870 м. Деформации целика измерялись с помощью глубинных и контурных реперов, заложенных соответственно в угольном пласте и боковых породах. Наблюдения велись до подхода лавы гор. 870 м к реперным станциям с расстояния 70 м и заканчивались после ее отхода от этих станций на такое же расстояние 70 м.
Как видно из рисунке 2, относительные деформации сжатия пласта по нормали к напластованию составили ен = 200-260 мм/м, а деформации растяже-
ния по напластованию - еп > 6 мм/м. По результатам этих наблюдений можно сделать вывод, что рассматриваемый целик угля высотой 8 м после отработки смежных этажей теряет свою несущую способность и деформируется в пластическом режиме.
е, мм/м
о 1
-20
- 40
-60
-ВО
Рис. 2. Результаты наблюдений за деформациями угольного целика пласта ml гор. 630 м на шахте им. Н.А. Изотова: R 1-2 - глубинные реперы; Ст. 1, 2 - станции с контурными реперами
Расчетный размер предельной ширины этого целика, согласно приведенной выше таблицы, составляет 12 м, ширина зоны опорного давления (l) для условий пласта по данным [1] равняется 40 м. В этом случае контрольные соотношения для оценки размеров целиков угля, подлежащих учету при построении зон ПГД, составят L/Ln = 0, 67 и L/l = 0, 2.
На шахте им. Н.А. Изотова была выполнена также горно-экспериментальная оценка влияния межэтажного ленточного целика, оставленного на пласте kj, на состояние нижерасположенного пласта k
Целик высотой 18 м был оставлен на гор. 870 м, мощность пласта kj - 0,9 м, величина междупластья равна 55 м. Оценка этого влияния осуществлялась в очистном забое пласта k5 с использованием нормативной методики [1] по выходу буровой мелочи (p) и изменению начальной скорости газовыделения (qH) при бурении контрольных шпуров диаметром 42-45 мм.
В результате выполненных исследований было установлено, что и в надра-ботанной зоне пласта k2, и непосредственно в зоне, расположенной под целиком угля, оставленного на пласте kj, показатели p и qH соответствовали значениям, характеризующим защищенную (разгруженную) зону, то есть зона ПГД на пласте k5 от межэтажного целика на пласте kj фактически отсутствовала.
Согласно выполненным расчетам (табл. 1) предельный размер целика угля в условиях отработки пласта kj на шахте им. Н.А. Изотова составляет Ln=16 м, l = 50 м. Отсюда, L/Ln = 1,12 и L/l = 0, 36.
В рассмотренных выше горнотехнических условиях лава пласта k5 на шахте им. Н.А. Изотова работала на протяжении более 300 м без проявления каких либо признаков газодинамических и динамических явлений.
На шахтах ЦРД имеется достаточно большой опыт безопасной разработки выбросо - и удароопасных пластов под и над межэтажными угольными целиками, оставленными на смежных пластах.
Так, на шахте им. Ф.Э. Дзержинского в течение последних трех лет, начиная с 1995 г., пласт 1з на горизонте 1026 м разрабатывался под ленточным межэтажным целиком шириной L=6 м, оставленным на горизонте 916 м при отработке пласта I5 мощностью 0,6 м (величина междупластья 68 м). На этом же горизонте пласт Ijb отрабатывался под целиком шириной 10 м, оставленным на горизонте 916 м при отработке пласта тз мощностью 1,8 м (величина междупластья 106 м).
Интересующие нас параметры и их соотношения в рассмотренных условиях шахты им. Ф.Э. Дзержинского составляют:
- для пласта l5: l = 40 м, Ln = 13 м, L/Ln = 0, 46, L/l = 0,15;
- для пласта m3: l = 65 м, Ln = 22 м, L/Ln = 0, 45, L/l = 0,15.
Разработка этих пластов осуществляется с текущим прогнозом выбросоопас-
ности, но опасные значения его показателей, характеризующие повышенную напряженность и газодинамическую активность пласта на участках, расположенных под указанными целиками угля, не зарегистрированы.
Выполненными ранее исследованиями ВНИМИ [2] было установлено, что при ширине угольного целика L < 0, 7Ln происходит его раздавливание с потерей несущей способности, и он перестает играть роль штампа, передающего дополнительную нагрузку на окружающий горный массив. К этому следует добавить, что на пластах крутого падения несущая способность целика может дополнительно снижаться за счет наблюдаемых подвижек боковых пород по на-
пластованию со стороны висячего бока пласта [4], которые происходят по наиболее ослабленным контактам.
Выводы. Исходя из вышеизложенных результатов исследований и учитывая опыт ведения горных работ над и под целиками смежных пластов на шахтах ЦРД, можно заключить, что межэтажные ленточные целики угля размером Ь < 0, 7ЬП теряют свою несущую способность и, пластически деформируясь, не создают существенных концентраций напряжений. Следовательно, такие целики, а также идентичные им по размерам и условиям разработки, не являются источниками формирования повышенных напряжений и их можно не учитывать при построении зон ПГД.
1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разра-батывающих пласты, склонные к горным ударам. - Л.: ВНИМИ, 1988. - 87 с.
2. Расчет и экспериментальная оценка напряжений в целиках и краевых частях пласта угля (методические указания). - Л.: ВНИМИ, 1979. - 130 с.
3. Ходырев Д.И. Обоснование и разработка комплекса мер борьбы с гор-ными ударами на весьма тонких крутых пластах (применительно к условиям Центрального района Донбасса): автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.02. - ВНИМИ, 1981. - 25 с.
4. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влия-ния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - М.: Недра, - 1981. - 288 с.
V.A. Kanin, Y.D. Khodyrev, V.V. Vasyutina
The maximum size of the coal pillars to be taken into account when calculating of increased rock pressure zones.
The article presents the results of analytical and mining-experimental studies to determine the maximum size of coal pillars (Lp) and assess their bearing capacity, as well as summarizes the experience of working steep layers in the areas below and above the interfloor strip pillars. It is established that at the sizes of pillars L < 0, 7Lp they are plastically deformed and are not sources of formation of zones of the increased rock pressure.
Keywords: coal pillars, rocks, deformation and destruction of rocks, protection of mining.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 30.06.2021
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
Republican Academic Research and Design Institute of
Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying
(RANIMI), Donetsk
ranimi@ranimi.org
