CC BY
2ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№4 (85) / 2023.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.831.322(03)
doi:10.24412/0136-4545-2023-4-81-88
EDN:MRZFAR
©2023. В.А. Канин1, Ю.А. Пивень2, В.В. Васютина3
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СВИТЫ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Представлена усовершенствованная методика построения зон повышенного горного давления при разработке свиты угольных пластов в условиях подработки или надработки источников их формирования смежными угольными пластами.
Ключевые слова: горные породы, призабойная часть пласта, выработки, замеры.
Введение. Опережающая отработка защитных пластов в многопластовом угольном месторождении является наиболее эффективной мерой предотвращения динамических и газодинамических явлений в угольных шахтах. При опережающей отработке не опасного защитного пласта снижаются горное и газовое давления на участках породного массива опасных пластов, подверженных разгружающему действию выработанного пространства защитного пласта. Одновременно с формированием зон разгрузки в массиве формируются зоны повышенного горного давления (ЗПГД), приуроченные к целикам угля и краевым
1 Канин Владимир Алексеевич - доктор техн. наук, вед. науч. сотр. отд. горного давления РАНИМИ, Донецк, e-mail: vlkanin2@yandex.com.
Kanin Vladimir Alekseevich - Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Rocks Pressure Department.
2Пивень Юрий Анатольевич - канд. техн. наук, вед. науч. сотр. отд. горного давления РАНИМИ, Донецк, e-mail: pivenyura5432@gmail.ru.
Piven Yuri Anatolyevich - Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Rocks Pressure Department.
3Васютина Виктория Владимирована - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. отд. горного давления РАНИМИ, Донецк, e-mail: vasyutina.vika@yandex.ru.
Vasiutina Victoriya Valerievna - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Rocks Pressure Department.
частям угольных пластов. Ведение горных работ в таких зонах характеризуется повышенными опасностями проявлений горных ударов, внезапных выбросов угля, газа и других газодинамических явлений.
При разработке свит угольных пластов часто возникают ситуации, при которых на смежных пластах происходит пространственное совмещение зон разгрузки и зон ПГД (рис. 1).
Рис. 1. Пример построения на разрезе вкрест простирания пластов зон ПГД с учетом скорректированных их размеров при подработке или надработке соседними сближенными пластами
Над- и подработка целиков и краевых частей пластов в таких ситуациях может приводить к значительному сокращению размеров образуемых зон ПГД. Однако, согласно требованиям всех предыдущих и последних «Правил...» и «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа» [1, 2], их негативное влияние устраняется лишь при расположении опасного пласта в пределах зон эффективной защиты от влияния выработок смежных пластов. Во всех остальных случаях, независимо от количества смежных пластов и конфигурации выработанных пространств на них, размеры зон ПГД не корректируются, что приводит к необоснованному завышению протяженности опасных участков.
Целью данных исследований является совершенствование инженерных методов расчета дальности защитного действия и влияния повышенного горного
давления при разработке смежных угольных пластов путем уточнения геомеханических особенностей, закономерностей и степени влияния ряда факторов, обеспечивающих эффективную разработку смежных пластов для предотвращения динамических и газодинамических явлений.
1. Изложение основного материала исследований. Исследования зон ПГД при их под- и надработке включали математическое моделирование напряженного состояния толщи пород с использованием метода граничных интегральных уравнений, экспериментальные наблюдения в шахтных условиях и обобщение опыта разработки выбросоопасных пластов в различных геологических и горно-технических условиях [3, 4, 5]. Результатом выполненных исследований являются методические положения по учету совместного влияния выработок нескольких пластов при пространственном наложении зон разгрузки и зон повышенного торного давления.
Базовыми параметрами для определения размеров зон ПГД в кровлю и почву при подработке или надработке источника ПГД являются параметры и (рис. 2), которые для случая формирования ЗПГД от краевой части пласта определяются по таблице 1 в зависимости от ширины выработанного пространства, глубины Н расположения источника ПГД (м).
Рис. 2. Схемы к построению зон ПГД на угольных пластах
Значения и ^2 при а < 100 м принимаются равными значениям и ^2 при а = 100 м, при а > 250 м - равными значениям с1\ и ^2 при а = 250 м. Значения углов ¿1, ¿2, ¿э, ¿4 и ^>2, принимаются согласно [1].
Размеры зон ПГД от целика рассчитываются путем умножения соответствующих для краевых частей угольных пластов значений и ^2 (табл. 1) на коэф-
фициент К, определяемый по таблице 2, в зависимости от соотношения ширины целика (Ь) и ширины зоны опорного давления согласно [1].
Таблица 1.
Размеры зон ПГД от краевых частей пласта в его кровлю ) и почву )
Глубина расположения источника ПГД Н, м Значения d\, м при ширине а, м Значения ¿2, м при ширине а, м
100 125 150 175 200 225 250 100 125 150 175 200 225 250
300 75 84 93 98 102 108 115 68 79 90 95 100 103 106
400 82 92 102 106 110 115 120 75 86 96 101 105 108 112
500 88 98 108 112 117 121 126 82 92 102 107 111 115 119
600 92 102 112 116 121 126 130 87 97 106 111 116 120 123
700 96 106 116 120 127 131 135 90 100 109 115 120 124 127
800 100 110 120 126 133 134 140 93 103 112 118 124 127 130
900 104 114 125 131 136 141 145 96 106 117 122 127 130 133
1000 108 118 129 136 140 145 150 100 110 121 126 130 134 137
1100 112 123 135 140 145 149 154 103 114 125 130 134 137 141
1200 116 128 140 145 150 154 158 106 118 130 134 138 141 145
1300 120 131 142 148 154 158 152 109 122 135 137 142 145 148
1400 124 135 146 152 158 162 166 112 126 140 143 146 149 152
Таблица 2. Числовые значения коэффициента К для определения размеров зон ПГД от целика угля
L, м 0,20 0,25 0,35 0,5 1,0 1,5 >2,0
К 0 0,75 1,00 1,10 1,20 1,10 1,0
В случае наложения зон ПГД от нескольких краевых частей или угольных целиков соседних пластов на один и тот же участок данного пласта, построение зон ПГД необходимо выполнять отдельно от каждого источника ПГД.
При подработке или надработке источника ПГД параметры й\ и <12 корректируются при условии, если эффективная мощность т защитных пластов, согласно [1], не меньше 0,7 их критических мощностей то. При этом границы выработанного пространства защитного пласта, в соответствии с рисунками 3 а, 3 б и 4 а, 4 б, должны перекрывать нормальные проекции на этот пласт границ целика на величину не менее 20 м. Подработка или надработка краевой части пласта (источника ПГД) являются достаточными, когда граница выработанного пространства отдалена от нормальной проекции створа с краевой частью в сторону выработанного пространства на величину не менее 20 м, а в сторону массива - на величину не менее 0.7 х I, где I - ширина источника формирования зоны повышенного горного давления.
Рис. 3. Схемы для оценки условий достаточности подработки или надработки угольного целика для корректировки параметров зон ПГД: а - по простиранию пласта, б - по падению
пласта
Рис. 4. Схемы для оценки условий достаточности подработки или надработки краевой части пласта для корректировки параметров зон ПГД: а - по простиранию пласта, б - по падению
пласта
При выполнении рассмотренных выше условий, параметры под- или над-работки соседними сближенными пластами зон ПГД в кровлю и почву пласта (источники ПГД) рассчитываются по формулам: - при подработке:
йП = Км х ¿1, (1)
41 = Кв х й2; (2)
при надработке
= Кв х й\,
¿2 = Км х ¿2,
(4)
где и - размеры зон ПГД соответственно в кровлю и почву при их подработке соседними сближенными пластами; и ¿2 - то же при надработке зон ПГД; К в - коэффициент, корректирующий расчетные значения , ¿2 в сторону выработанного пространства защитного пласта; Км - то же, при расчетах и ¿2 в сторону нетронутого углепородного массива; й\, ¿2 - значения размеров зон ПГД от краевой части пласта в его кровлю (¿1) и почву (с12), представленные в таблице 1.
Значения коэффициентов Кв и Км определяются по номограмме рисунка 5 в зависимости от расстояния И по нормали между пластом-источником ПГД и ближайшим защитным пластом. Остальные пласты не принимаются к учету.
Рис. 5. Номограмма для определения коэффициентов Кв и Км
Скорректированные значения ^ (с^) и й2 (й2) - принимаются вместо значений ¿1 и С2 при выборе комплекса мер борьбы с газодинамическими явлениями в зонах ПГД, а также используются при графических построениях зон ПГД по схеме рисунка 2.
В случае невыполнения перечисленных выше условий достаточности подработки или надработки краевой части пласта, для корректировки параметров зон ПГД, но при попадании нормальных проекций границ источника ПГД в пределах границ выработанного пространства над- или подрабатывающего защитного пласта параметры зон ПГД могут быть скорректированы по результатам экспериментальных работ.
На рисунке 1 хорошо видно, как на пласте 2 (при подработке) и на пластах 3 и 6 (при надработке) дальность влияния зон ПГД сокращается в 2-3 раза по сравнению с дальностью влияния зон ПГД на этих же пластах на участках, где предварительная отработка защитных пластов отсутствовала.
Выводы и перспективы дальнейших исследований.
1. По результатам выполненных исследований уточнены геомеханические особенности, закономерности и степень влияния ряда факторов, обеспечивающих эффективную разработку смежных пластов для предотвращения динамических и газодинамических явлений.
2. Практические результаты исследований, обеспечивающие повышение эффективности разработки угольных пластов в опасных зонах за счет сокращения объемов выполнения профилактических мероприятий, увеличения объемов добычи угля и скорости проведения подготовительных выработок на защищаемых пластах, включены в раздел использования защитных пластов «Правил ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям», обеспечивающих предотвращение аварий в угольных шахтах, связанных с динамическими и газодинамическими явлениями.
3. Социальная значимость работы заключается в повышении безопасности горных работ за счет предотвращения аварий в угольных шахтах, связанных с динамическими и газодинамическими явлениями. Экономическая значимость работы заключается в сокращении объемов выполнения профилактических мероприятий, увеличении объемов добычи угля и скорости проведения подготовительных выработок на защищаемых пластах.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5)
1. СОУ 10.1.00174088.011-2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям - Киев: Минуглепром Украины, 2005. - 222 с.
2. РД 05-350-00. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа - Москва: Федеральный горный и промышленный надзор России (Госгортехнадзор России), 2000. - 162 с.
3. Методические указания по расчету напряжений в зонах влияния очистных выработок. -Л., 1989. - 56 с.
4. Смирнов С.Н. Влияние разгружающего действия надработок на изменение размеров зон повышенного горного давления / С.Н. Смирнов, В.В. Зубков // Сб. науч. тр. ВНИМИ. -Л., 1990. - С. 57-59.
5. Петухов И.М. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М.Линьков, В.С. Сидоров. - М.: Недра, - 1992. - 256 с.
V.A. Kanin, Y.A. Piven, V.V. Vasyutina
Improving the engineering method for constructing zones of high rock pressure when developing a suite of coal seams.
An improved technique for constructing zones of increased rock pressure during the development of a formation of coal seams in the conditions of side work or overworking of sources of their formation by adjacent coal seams is presented.
Keywords: rocks, bottom-hole part of the formation, workings, measurements..
Получено 01.11.2023
