CC BY
13
УДК 622.831.31
B.И. Мурашев (доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
Д.В. Ботвенко (кандидат технических наук, заведующий лабораторией ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
C.И. Голоскоков (кандидат технических наук, заведующий лабораторией ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
Разработка аналитико-экспериментального метода для определения геомеханического состояния проходческих забоев угольных шахт на стадии проектирования
Разработан аналитико-экспериментальный метод, позволяющий на стадии проектирования прогнозировать геомеханическое состояние проходческих забоев угольных шахт.
Ключевые слова: ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ, ПОКАЗАТЕЛЬ ВЫБРОСООПАСНОСТИ, ДАВЛЕНИЕ ГАЗА
В угольных шахтах с переходом работ на более глубокие горизонты, увеличением темпов под-вигания забоев возрастает и метановыделение, что отрицательно сказывается на стабильности геомеханического состояния в проходческих забоях.
Для оценки геомеханического состояния в окрестности подготовительных выработок используется разработанный НЦ ВостНИИ аналитико-экспериментальный метод. Учитывая, что указанный метод является уникальной собственной разработкой института, состоит из нескольких десятков операторов, на базе которых составлена программа, позволяющая оперативно оценивать состояние горного массива в зависимости от комплекса природных и технологических факторов, для иллюстрации сложности и многообразия используемых для расчетов факторов приведем только фрагментарно ряд основных зависимостей и критериев.
Наиболее опасными в отношении внезапных выбросов угля и газа являются подготовительные выработки, проводимые по угольному массиву. С целью количественной оценки опасности возникновения газодинамических явлений в забоях подготовительных выработок определяются значения залегания активных ¥А и пассивных Еп сил (рисунок 1) и показатель выбросоопасности Я, равный:
Я=Рл-Рп; (1)
Гл=-
^(т0 + во,)2 • (Р2 -Р,2)• т„ -Я-Ах• 0,5
1 т0РНп
Р,(та +р- кор )(хгпоР + -■ I
-РхПо
то + РК
ГП=К+З3 -^р-АхО,
(2)
(3)
где Р1 - давление газа на кромке забоя; Р0 - пластовое давление газа;
Ипгор - величина отжима угля;
т0 - трещинная пористость массива в зоне влияния выработки; в - размерный коэффициент;
Ах - величина заходки;
Зз - напряжения на кромке забоя; р - угол внутреннего трения;
П - периметр выработки по угольному массиву.
На рисунке 1 схематично показан механизм развязывания внезапного выброса угля и газа в подготовительной выработке, а в таблице 1 результаты расчетов по определению выбросоопасности подготовительных забоев.
Программа расчета геомеханического состояния горного массива в окрестностях горных выработок и прогноза газодинамических явлений приведена на рисунке 2.
В качестве примера в таблице 1 приведены данные давления газа в угольном пласте, зоны разгрузки впереди забоя, активные и пассивные силы при входе в зону разрушения для различных горно-геологических условий проходческих забоев на шести шахтах («Есаульская», «Котинская», «Листвяжная», «Осинниковская», «Распадская», «Полосухинская»).
Как показывают расчеты, подготовительные забои на шахте «Есаульская» проходятся в условиях, близких к опасным по выбросам угля и газа. Следовательно, проведение выработок должно осуществляться с применением метода текущего прогноза выбросоопасности.
Как видно из данных таблицы 1, на шахте «Котинская» выбросоопасные ситуации в забоях подготовительных выработок не должны происходить даже при значительных скоростях подвигания. Это объясняется высокими прочностными свойствами угольного пласта и низким давлением газа в призабойных зонах. Нет оснований ожидать повышения опасности при пересечении забоями нарушенных участков пласта.
Проведенные на шахте «Листвяжная» расчеты показывают, что газодинамические явления не возникнут и при проведении подготовительных выработок на исследуемых и последующих глубинах разработки.
е
а - момент начала заходки;
б - начальный момент развязывания внезапного выброса; в - процесс внезапного выброса;
I, II, III - соответственно зоны интенсивного, блочного и крупноблочного разрушения; а, а', а" - напряжения и Рг, Р’г, Р"г - газовые давления в областях влияния выработки;
Рг, Р'г, Р''г - эпюры газовыделения соответственно в областях влияния выработки Хср, Х'ср,
Х"ср.
Рисунок 1 - Механизм развязывания внезапного выброса угля и газа в подготовительной выработке
Рисунок 2 - Программа расчета геомеханического состояния горного массива
Как видно из приведенных расчетов, на шахте «Осинниковская» выбросоопасная ситуация может возникнуть при определенных сочетаниях параметров, таких как крепость угля по простиранию пласта, среднесуточная скорость подвигания забоя и ширина захвата режущего органа комбайна. При прохождении забоя выработки участка пласта, при котором возможно возникновение выбросоопасных ситуаций, выемку угля необходимо производить минимальными величинами заходки и скоростью подвигания забоя. Поэтому, анализируя результаты расчетов, можно подобрать такие параметры проходки, при которых исключается возможность возникновения опасных по выбросам ситуаций даже без применения мероприятий для борьбы с этими явлениями.
Что же касается подготовительных забоев шахты «Распадская», то их проходка может осуществляться в достигнутых темпах и режимах, указанных в таблице 1.
Таблица 1 - Численные значения параметров зоны разрушения горного и угольного массивов
Глу- би- на Н, м Кре- пость пласта f Крепость пласта в зоне разрушения /.1 Сечение выработки по углю S, м2 Скорость подви-гания забоя v, м/с Ширина режущего органа проходческой машины, м Ак- тив- ная сила Fa Пассивная сила Fп Периметр угольного массива П, м Давление газа в угольном пласте Ро, кгс/см2 Напряжение на линии забоя, кг/см2 Напряжение на глубине разработки, кг/см2 Зона разгрузки впереди забоя х, м Активная сила Fa (при входе в зону разрушения) Пассивная сила Fn, (при входе в зону разрушения)
ш. «Есаульская», вентиляционный штрек 26-26
525 0,4 0,4 9,5 9 0,3 2,7 1,7 (0,9) 10,9 44,2 2,6 131,3 21,7 2,7 1,7 (0,9)
525 0,4 0,4 9,5 12 0,3 2,7 1,7(0,9)' 10,9 44,2 2,6 131,3 21,6 2,7 1,7 (0,9) '
525 0,4 0,4 9,5 15 0,3 2,7 1,7 (1,0)' 10,9 44,2 2,6 131,3 21,4 2,7 1,7 (1,0) '
ш. «Котинская», конвейерный штрек 5208
278 0,7 0,7 22,0 2,4 0,3 0,9 23,1 (-22,1) 16,6 21,4 14,8 69,5 22,8 0,9 23,1 (-22,1)
278 0,7 0,7 22,0 4 0,3 1,1 23,1(-22,0) 16,6 21,4 14,8 69,5 20,8 1,1 23,1(-22,0)
278 0,7 0,7 22,0 6 0,3 1,2 23,1(-21,9) 16,6 21,4 14,8 69,5 18,1 1,2 23,1(-21,9)
278 0,7 0,7 22,0 8 0,3 1,4 23,1 (-21,7) 16,6 21,4 14,8 69,5 15,7 1,4 23,1 (-21,7)
278 0,7 0,3 22,0 2,4 0,3 0,9 23,1(-22,1) 16,6 21,4 14,8 69,5 22,8 0,9 6,1(-5,1)
278 0,7 0,3 22,0 4 0,3 1,1 23,1(-22,0) 16,6 21,4 14,8 69,5 20,8 1,1 6,1(-5,1)
278 0,7 0,3 22,0 6 0,3 1,2 23,1(-21,9) 16,6 21,4 14,8 69,5 18,1 1,2 6,1(-4,9)
278 0,7 0,3 22,0 8 0,3 1,4 23,1 (-21,7) 16,6 21,4 14,8 69,5 15,7 1,4 6,1(-4,7)
ш. «Лисвяжная», конвейерный штрек 1114
180 1,0 1,0 17,5 7,5 0,3 0,8 46,7(-45,9) 14,8 12,4 30,9 45 5,0 0,8 46,7(-45,9)
180 1,0 1,0 17,5 10 0,3 1,1 46,7(-45,7) 14,8 12,4 30,9 45 4,0 1,1 46,7(-45,7)
180 1,0 1,0 17,5 14 0,3 1,4 46,7(-45,3) 14,8 12,4 30,9 45 3,0 1,4 46,7(-45,3)
180 1,0 1,0 17,5 16 0,3 1,6 46,7(-45,1) 14,8 12,4 30,9 45 2,7 1,6 46,7(-45,1)
ш. «Осинниковская», вентиляционный штрек 1-1-5-7бис
780 0,7 0,7 22,5 5,4 0,3 0,21 50,2(-50,0) 16,82 67,62 14,76 195 24,19 0,21 50,2(-50,0)
780 0,7 0,4 22,5 5,4 0,3 0,21 50,2(-50,0) 16,82 67,62 14,76 195 24,19 0,21 49,3(-49,1)
780 0,7 0,3 22,5 5,4 0,3 0,21 50,2(-50,0) 16,82 67,62 14,76 195 24,19 0,21 0,01(0,2) '
780 0,6 0,3 22,5 5,4 0,3 0,22 3,6(-3,4) ' 16,82 67,62 9,05 195 29,47 0,22 0,26(-0,04)
780 0,65 0,3 22,5 5,4 0,3 0,21 -16,8(16,9) 16,82 67,62 11,72 195 26,91 0,21 0,14(0,07)'
780 0,65 0,4 22,5 5,4 0,3 0,21 -16,8(16,9) 16,82 67,62 11,72 195 26,91 0,21 39,4(-39,2)
ш. «Распадская», конвейерный штрек 5а-6-22, вентиляционный штрек 5а-6-24
556 0,7 0,7 19,3 12 0,3 6,7 21,6(-14,9) 15,6 47,0 14,8 139 13,8 6,7 21,6(-14,9)
556 0,7 0,7 19,3 15 0,3 7,8 21,6(-13,8) 15,6 47,0 14,8 139 11,8 7,8 21,6(-13,8)
556 0,7 0,7 19,3 18 0,3 8,9 21,6(-12,6) 15,6 47,0 14,8 139 10,3 8,9 21,6(-12,6)
556 0,7 0,7 19,3 21 0,3 10,2 21,6(-11,5) 15,6 47,0 14,8 139 9,1 10,2 21,6(-11,5)
556 0,7 0,3 19,3 12 0,3 6,7 21,6(-14,9) 15,6 47,0 14,8 139 23,8 6,7 5,7(0,9) '
556 0,7 0,3 19,3 15 0,3 7,8 21,6(-13,8) 15,6 47,0 14,8 139 11,8 7,8 5,7(2,1) '
556 0,7 0,3 19,3 18 0,3 8,9 21,6(-12,6) 15,6 47,0 14,8 139 10,3 8,9 5,7(3,3) '
556 0,7 0,3 19,3 21 0,3 10,2 21,6(-11,5) 15,6 47,0 14,8 139 9,1 10,2 5,7(4,4) '
Глу- би- на Н, м Кре- пость пласта f Крепость пласта в зоне раз-рушения 1 Сечение выработки по углю S, м2 Скорость подви-гания забоя v, м/с Ширина режущего органа проходческой машины, м Ак- тив- ная сила Fa Пассивная сила Fп Периметр угольного массива П, м Давление газа в угольном пласте Ро, кгс/см2 Напряжение на линии забоя, кг/см2 Напряжение на глубине разработки, кг/см2 Зона разгрузки впереди забоя х, м Активная сила Fa (при входе в зону разрушения) Пассивная сила Fп, (при входе в зону разрушения)
ш. «Полосухинская», вентиляционный штрек 29-319
490 0,3 0,3 15,3 4,8 0,3 3,2 0,9 (2,2) 13,9 40,9 1,3 122,5 28,1 3,2 0,9(2,2)
490 0,3 0,3 15,3 10 0,3 3,2 0,9(2,2) * 13,9 40,9 1,3 122,5 28,1 3,2 0,9(2,2) *
490 0,3 0,3 15,3 15 0,3 3,2 0,9(2,2) * 13,9 40,9 1,3 122,5 28,1 3,2 0,9(2,2) *
490 0,35 0,35 15,3 4,8 0,3 3,1 1,4(1,6) ' 13,9 40,9 1,8 122,5 27,8 3,1 1,4(1,6) '
490 0,35 0,35 15,3 10 0,3 3,1 1,4(1,6) ' 13,9 40,9 1,8 122,5 27,8 3,1 1,4(1,6) '
490 0,35 0,35 15,3 15 0,3 3,1 1,4(1,6) ' 13,9 40,9 1,8 122,5 27,8 3,1 1,4(1,6) '
* Условия, при которых геомеханическое состояние в окрестности проходческого забоя является потенциально опасным с точки зрения возникновения внезапного выброса либо горного удара
Вполне логично предположить, что в подготовительных забоях на шахте «Полосухинская» устойчивость массива сохраняется за счет сцепления отдельных частиц угля. Поэтому в результате отжима призабойной части пласта будут возникать травмоопасные ситуации вследствие падения кусков горной массы с высоты 1,5 м и более (таблица 1). Проведение выработок по угольному массиву с низкими прочностными свойствами приведет к тому, что впереди подготовительных забоев формируются зоны разгрузки протяженностью 22-28 м, которые способствуют дегазации пласта и снижению давления газа.
На границах опасности возникновения выбросоопасных ситуаций проходят вентиляционный штрек 29-319. Поэтому для повышения безопасности в этом забое осуществляется текущий прогноз выбросоопасности, при выполнении которого необходимо производить обязательную перетяжку забоев плахами или щитами.
Отмеченные выше особенности оказывают негативное влияние на породы кровли. Резко возрастают области интенсивного разрушения пород, что влечет за собой потери их устойчивости и, следовательно, опасность возникновения травмоопасных ситуаций от падения кусков горной массы.
Полученные численные значения параметров зоны разрушения горного и угольного массивов позволяют оценить метановыделение в проходческих забоях.
Результаты расчетов показывают хорошую сходимость с фактическими данными, полученными при проведении проходческих забоев (таблица 1).
Таким образом, разработанный аналитико-экспериментальный метод дает возможность на стадии проектирования проходческого забоя спрогнозировать или предотвратить возникновение опасных геомеханических ситуаций.
DEVELOPMENT OF ANALYTIC-EXPERIMENTAL METHOD IN ORDER TO DETERMINE GEO-MECHANICAL CONDITION OF COAL MINE PREPARATION FACES AT THE STAGE OF PROJECT MAKING
V.I. Murashev, D.V. Botvenko, S.I. Goloskokov
Analytic-experimental method is developed which allows at the stage of project making to forecast geo-mechanical condition of coal mine preparation faces
Key words: GEO-MECHANICAL CONDITION, OUTBURST HAZARD FACTOR, GAS PRESSUER
Мурашев Вячеслав Иванович Tел.(3842) 64-26-51 Ботвенко Денис Вячеславович Тел. (3842) 64-29-35 Голоскоков Сергей Иванович Tел.(3842) 64-29-35
