CC BY
25
© А.П. Веселов, И.П. Бочаров,
Л.М. Гусельников, 2002
УДК 550.3
А.П. Веселов, И.П. Бочаров, Л.М. Гусельников
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ГЕОДИНАМИ-ЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ВОРКУТ-СКОГО
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
В оркутское месторождение обладает достаточным за-
I пасом уникальных углей содержащих редкоземель--1—^ ные элементы, обеспечивающих высокое качество кокса и, соответственно, выплавку с его использованием высококачественных сталей для внутреннего и экспортного рынков сбыта. Поэтому вопрос эффективной разработки месторождения является актуальной государственной проблемой.
В настоящее время запасы месторождения отработаны в северной части мульды и работы ведутся в основном в ее средней части четырьмя шахтами: "Комсомольская". "Северная", "Воркутинская" и "Заполярная", суммарные промышленные запасы которых составляют 282691 тыс. т. В зависимости от потребности рынка сбыта указанные шахты без снижения их общей производительности 7,3-7,9 млн.т/год будут находиться в работе 23-28 лет. Промышленные запасы строящейся шахты № 33, расположенной в южном замыкании мульды, составляют 116812 тыс. т. коксующегося угля.
Простое в геологическом отношении строение Воркут-ской мульды: пологое залегание, выдержанная мощность основных рабочих пластов, месторождение характеризуются сложными геодинамическими условиями [1, 2]. Крупными тектоническими разрывными нарушениями месторождение делится на блоки. Основные отрабатываемые пласты являются опасными по газодинамическим явлениям (ГДЯ). На глубине 900-1000 м газоносность пластов составляет 25-28 м3/ т.
Сложность геодинамической и горнотехнической обстановки, сложившейся при интенсификации технологических процессов, требует постоянного совершенствования способов предотвращения ГДЯ и схем развития горных работ, обеспечивающих геодинамическую безопасность в условиях месторождения. В качестве основных мероприятий по предотвращению ГДЯ на Воркутинских шахтах применяются первоочередная отработка защитных пластов в восходящем порядке и бесцели-ковая выемка, которые и определяют выбор схем развития горных работ.
С ростом глубины ведения горных работ и увеличения отработанных площадей шахтных полей на Воркутском месторождении существенно изменился характер и интенсивность перераспределения напряжений в горном массиве. По мере приближения горных работ к оси мульды, расположенной на глубине 1050-1100 м, возникают интенсивные динамические разрушения горного массива. Основными формами газодинамических проявлений на достигнутой глубине ведения горных работ являются: ГДЯ комбинированного типа с разрушением угля и породы в глубине массива, динамические разрушения почвы подготовительных выработок в зонах повышенных напряжений
и расслоений пласта, а также техногенные землетрясения при отработке выемочных столбов, окруженных выработанным пространством.
Нормативные профилактические работы, которые выполняются на шахта по предотвращению динамических явлений, не всегда эффективны ввиду одновременного взаимодействия значительного количества природных и техногенных факторов, формирующих ГДЯ такого типа. Анализом обстоятельств возникновения динамических явлений установлено, что первостепенными являются техногенные факторы, определяемые планированием развития и ведения горных работ [2, 3].
В связи с изменением геомеханических и геодинамических факторов и увеличения значимости техногенных факторов, определяемых планированием горных работ, были выполнены исследования, направленные на количественную оценку воздействия указанных факторов на перераспределение НДС в массиве и использовании полученных результатов при разработке мероприятий по предотвращению ГДЯ и совершенствованию схем развития горных работ, обеспечивающих геодина-мическую безопасность.
На основании анализа возникновения ГДЯ и замеров напряжений для условий Воркутского месторождения разработана геомеханическая модель перераспределения напряжений в горном массиве под влиянием техногенных факторов, получены параметры распределения напряжений в определенный промежуток времени, установлены размеры зон разгрузки, пригрузки и закономерности изменения коэффициента концентрации напряжений в зонах ведения горных работ, рассмотрены условия формирования и реализации ГДЯ в зонах пригрузки.
Ведение горных работ вызывает нарушение равновесного состояния как подрабатываемых, так и надрабатываемых слоев пород. Развитие процесса деформации разгрузки глубинных слоев в надработанной толще до уровня, близкого к начальному, и сопровождается пригрузкой массива, нетронутого горными работами.
Таким образом, выемка угля приводит к созданию повышенных напряжений, обусловленных не только весом зависших подработанных пород, опирающихся на нетронутый горными работами массив, но и пригрузкой краевых частей массива за счет перераспределения напряжений в надрабо-танной толще. В этом случае протяженность зон повышенных напряжений значительно превышает протяженность зон опорного давления, образованных влиянием подработанных пород. Установлено, что ГДЯ происходят в основном в зоне пригрузки, то есть на участках примыкания горного массива к общему фронту работ протяженностью 290350 м по падению. В критически напряженном состоянии горный массив находится при формировании зон пригрузки в тектонически напряженных зонах (ТНЗ). На таких участках при проведении нормативных профилактических мероприятий возможно проявление глубинных или горнотектонических ударов.
Рис. 2. Схема перераспределений напряжений при обработке угольных _ пластов на Воркутском месторождении:
1 - диаграмма напряжений в зоне техногенной разгрузки; 2 - в зоне при грузки; 3 - в зоне опреного давленияот обрушенных и зависш:
Рис, 1
Условные обозначения : 32/1,6
= 32 МПа - величина напряжений 1,6 уН - коэффициент концентрации Результаты замеров напряженно-деформированного состояния горного массива по Воркутскому месторождению ,
Формирование зон разгрузки и пригрузки характеризуется цикличностью, глубиной ведения работ и временем отработки. Для формирования зон разгрузки необходим период времени для рассматриваемых условий 11-14 лет, для формирования зон пригрузки на полную протяженность необходимо 4-5 лет. При более быстрых темпах отработки. При более быстрых темпах отработке и высоких естественных напряжениях в массиве время формирования зон уменьшается.
При статистической обработке материалов по натурным замерам напряжений и распределения ГДЯ относительно фронта горных работ и тектонических нарушений, получены экспериментально-аналитические выражения для определения параметров зон разгрузки и пригрузки:
( _ Л1/3
51
а—
V &2^
ел/ТТ2 ,м
Л1/3 51
(
0,6
"Л 51
е
1/3
//г; -
(1)
(2)
(3)
где
1
I
а
V 52)
п - протяженность зон разгрузки, пригрузки, м;
п - протяженность участка пригрузки с преобладающими
^ пр
величинами горизонтальных напряжений, м; н - глубина ведения работ, м; а1, 52 - напряжения в массиве в долях уН; а'1, о”1- напряжения в зоне пригрузки, в долях уН; Тр, Тпр -
время формирования зон разгрузки и пригрузки, год; а, Р, 5 -коэффициенты пропорциональности: а = 0,02; Р = 0,9; 5 = 0,53; п = 3,14.
Выражения (1), (2), (3) используются для обеспечения гео-динамической безопасности при прогнозной оценке НДС участков, определения параметров зон разгрузки и пригрузки при разработке мероприятий по предотвращению ГДЯ, для снижения затрат на профилактические работы при планировании, со-
вершенствовании схем развития горных работ в пределах шахтных полей и месторождения.
Выполненные замеры НДС массива в зонах пригрузки, вне влияния нормативных значений опорного давления как при отработке вышележащих горизонтов, так и при современном положении фронта горных работ приведены на рис. 1. Представленные данные являются обобщенными значениями напряжений и коэффициентов концентрации массовых замеров на участках шахтных полей.
Согласно выполненным замерам на достигнутых глубинах напряжения в массиве вне влияния ведения горных работ составляют 1,0-1,8 уН и более. Коэффициенты концентрации напряжений в зонах пригрузки, расположенных на расстоянии 0,2-0,3 Нм от фронта очистных работ, возрастают на 1,6-2,0 уН, в зонах тектонических нарушений (ТНЗ) - от 2,4 до 4,8 уН. При ведении очистных и подготовительных работ коэффициент концентрации напряжений возрастает в 2-3 раза и в угольном массиве может достигать значений от 5-6 до 7-8, а в породном 8-10 уН. Такие коэффициенты напряжений обычно характеризуют неустойчивое равновесное состояние горного массива и стремление к перераспределению напряжений, которое может сопровождаться при ведении горных работ ГДЯ. Распределение напряжений в зонах пригрузки и ТНЗ приведены на рис. 2.
При исследовании обстоятельств возникновения и реализации ГДЯ были исследованы условия "перетока упругой энергии", возможность его использования для оценки устойчивого состояния массива, получена количественная оценка условий начала процесса "перетока". Разработаны линейные параметры "перетока упругой энергии" на геодинамически опасных участках, позволяющие определять безопасные размеры целиков, принимать решения об экономической целесообразности сохранения магистральных наклонных выработок при охране их целиками, особенно в ТНЗ.
Радиус перемещения потока упругой энергии в массиве при толчкообразном перераспределении напряжений от участка с максимальными значениями (ом) в сторону участков с меньшими напряжениями (оо) определяется зависимостью:
R = 0Д05Ш
5 м-5С
= 0Д05Щ
Км - К
(4)
Км
м
р
м
м
где 5м , 50 - напряжения, МПа; Км, К0 - коэффициенты концентрации напряжений, в долях уН.
Согласно результатов исследований зон разрушения при ГДЯ и расчетов по выражению (4) при значениях 5м= 4,8-9 уН и ст0= 1,8-3,5уН радиус перемещения потока упругой энергии составляет 70-100 м. Поэтому для предотвращения ГДЯ ширина целиков. оставляемых между параллельными выработками и между выработкой и отработанным пространством на удароопасных пластах месторождения должна превышать эти значения. С учетом установленных закономерностей не рекомендуется планировать проведение магистральных наклонных выработок по тектоническому нарушению или вблизи его при ведении отработки выемочных полей на эту выработку. Охрана этих выработок возможна на достигнутых глубинах при оставлении целиков не менее 0,2Н, м. Целик шириной до 100 м, разрезанный вдоль одиночной выработкой является потенциально опасным, ГДЯ может возникнуть при разгрузке его скважинами большого диаметра.
Пластовые (наклонные) выработки большой протяженности, примыкающие к отработанному пространству и охраняемые целиками различного размера, а также полевые выработки, к которым примыкают вышерасположенные целики, при их протяженности более 1500-2000 м и сроках службы более 11-15 лет подвергаются влиянию процесса по-участковой волновой разгрузки-пригрузки, циклично сопровождающихся деформациями крепи и максимальной конвергенцией боковых пород. Процесс волновой разгрузки-пригрузки также возникает в наклонной выработке при определенной величине пролета и площади отработки шахтного поля или части его и протекает при формировании больших отработанных пространств. Поэтому в зависимости от срока отработки запасов планируется заменять магистральными общешахтными выработками. Магистральные выработки в этих случаях предусматривается располагать в надработанной толще на участках, которые не будут находиться в зонах влияния очистных работ.
Таким образом, исследования по количественной оценке взаимовлияния техногенных и геодинамических факторов показали, что перераспределение напряжений в массиве является сложным процессом и планирование горных работ без учета взаимодействия этих факторов приводит к возникновению ГДЯ различных форм и дополнительным затратам на выполнение профработ по предотвращению ГДЯ. Поэтому для обеспечения геодинамической безопасности при разработке проектов отработки шахтного поля или планировании горных работ на конкретном его участке необходимо, чтобы с учетом установленных закономерностей были определены прогнозные или фактические напряжения (естественные и техногенные), параметры зон повышенных напряжений, размеры целиков около наклонных выработок, целиков около выработок, расположенных в ТНЗ, направления движения очистных работ и фронта горных работ в целом, а также оптимальное расположение магистральных выработок.
При планировании горных работ следует использовать гео-динамическую характеристику участка и критерий геодинами-ческой безопасности.
Основными показателями геодинамической характеристики является суммарная величина естественных и техногенных напряжений, параметры их перераспределения и изменения по мере отработки рассматриваемого участка шахтного поля [3].
В качестве критерия геодинамической безопасности принимается значение коэффициента концентрации напряжений, ис-
ключающее формирование условий и реализацию ГДЯ при воздействии техногенных факторов.
Анализом фактического состояния горных работ и проектных решений отработки шахтных полей установлено, что без учета ряда технологических факторов, определяемых способом и порядком ведения горных работ, решение вопросов только геодинамической безопасности не обеспечит требований по созданию безопасных и экономически эффективных условий отработки приосевой части мульды.
Поэтому на основании исследований по оценке влияния природных и техногенных факторов на создание условий гео-динамической безопасности отработки Воркутского месторождения разработана концепция комплексного подхода к развитию и планированию горных работ в пределах оставшегося участка месторождения и выбора оптимальных вариантов ведения работ в шахтных полях. Концепция комплексного подхода планирования развития горных работ, кроме требований по обеспечению геодинамической безопасности, включает положения по совершенствованию способов подготовки блоков шахтных полей, технологических схем подготовки и отработки выемочных столбов, совершенствованию схем расположения магистральных вентиляционных и транспортных выработок в отработанной части шахтных полей при сокращении их протяженности и обеспечении безопасных условий при максимальной концентрации очистных и подготовительных работ по шахте, по блоку.
На основании комплексного подхода к планированию развития горных работ и анализа их состояния установлено, что главным элементом, определяющим эффективное безопасное использование, современного высокопроизводительного оборудования на рассматриваемый период являются технологические схемы подготовки отработки выемочных столбов.
При существующих способах подготовки шахтных полей и значительной газообильности шахт, применяемые технологические схемы, обусловленные бесцеликовой отработкой выемочных столбов, являются сдерживающим фактором повышения нагрузки на очистные забои, увеличения скоростей подвигания и, соответственно, снижение сроков и трудоемкости поддержания выработок. Поэтому одним из основных направлений планирования развития горных работ при выемке запасов приосе-вого участка было принято совершенствование технологических схем подготовки и отработки выемочных столбов.
Применяемые схемы подготовки одинарными выработками при бесцеликовой отработке выемочных участков на достигнутых глубинах практически исчерпали свои возможности по увеличению нагрузок на очистные забои. При газообильности выемочных участков, достигающей 70-100 м3/мин, и эффективности дегазации 60-70% нагрузки на очистные забои пласта Четвертого по фактору вентиляции ограничиваются 10001300 т/сутки, пласта Мощного - 2000-3000 т/сутки.
Поэтому на шахта ОАО "Воркутауголь" после апробации ведутся работы по переходу на технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков парными выработками с оставлением между ними податливых целиков. Выработки крепятся сталеполимерными анкерами. В технологических схемах с парными выработками сохраняется главное преимущество применяемых схем при бесцеликовой отработке с одинарными выработками — прямоточная схема проветривания и обеспечивается возможность увеличения нагрузки на очистные забои в 2-3 раза без дополнительных затрат на вентиляцию.
Так как в результате прирезки к шахтным полям резервных участках приосевой части месторождения размеры уклонных полей шахт возросли на 2-2,5 км, то одновременно с переходом на подготовку и отработку выемочных столбов парными выработками выполняются работы по оптимальному расположению главных шахтных транспортных и вентиляционных выработок. Обоснование и выбор схем расположения главных транспортных и вентиляционных выработок произведено с учетом использования их для развития горных работ при доработке при-осевого участка, а также перехода на технологические схемы с
парными выработками. Планирование развития горных работ на приосевом участке выполнено на основе указанных изменений и обеспечивает геодинамическую безопасность его доработки путем выбора вариантов рационального перераспределения напряжения в ТНЗ в шахтных полях и исключения вредного влияния взаимодействия горных работ соседних шахт.
Комплексный подход к совершенствованию схем развития горных работ, обеспечивающих геодинамическую безопасность, использован в ОАО "Воркута-уголь" для разработки генеральной схемы доработки приосевой части Воркутского месторождения.
Разработанная генеральная схема трансформирована на электронные планы горных работ и предложена ВНИМИ для построения прогнозных карт напряженного состояния массива для планируемых этапов ведения очистных работ с последующим использованием для разработки вариантов развития горных работ и осуществления динамической корректировки проектов отработки шахтных полей. Календарные планы отработки шахтных полей, разработанные проектной частью Печорни-ипроекта, представлены в виде электронных карт.
Таким образом, выполненные исследовательские и горноэкспериментальные работы позволили на основе геодинамиче-ского районирования и изучения напряженно-деформированного состояния массива разработать количественные значения критериев геодинамической безопасности, положения по рациональному планированию горных работ и создать основной вариант генеральной схемы доработки приосевой части мульды Воркутского месторождения.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Бочаров И.П., Гусельников ЛМ. Об основных принципах концепции безопасной отработки Воркутского месторождения. Сб. докладов республиканской научнопрактической конференции. -Воркута. -2001, с. 36- 42.
1. Шабаров А.Н. Концепция геодина-мического моделирования месторождений -Горный информационно-аналитический
бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, 2001, № 6, с. 55-65.
2. Веселов А. П., Гусельников ЛМ., Со-грин Б.А. Исследование эффективности спо-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
собов создания безопасных условий отработки Воркутского месторождения путем изменения влияния техногенных факторов -Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, 2000, № 1, с. 155-157.
Веселов А.П. — кандидат технических наук, ОАО "Воркутауголь". Бочаров И.П. — инженер, ОАО "Воркутауголь".
Гусельников Л.М. — инженер, Печорниипроект.
