Управление состоянием горного массива при отработке Мощного пологого удароопасного пласта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Г.И. Коршунов, В.Д. Зуев, 2007

УДК 622.831

Г.И. Коршунов, В.А. Зуев

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ГОРНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНОГО ПОЛОГОГО УДАРООПАСНОГО ПЛАСТА

Семинар № 11

Изучение механических свойств горного массива Воркутского месторождения показало, что с ростом глубины разработки от 300 до 1000 м прочность горных пород независимо от литологического состава возросла более чем в 2 раза, достигнув 60-120 МПа. Мульдовая часть месторождения находится в настоящее время в сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС) [1]. В окрестности очистных и подготовительных выработок, наряду с вертикальными напряжениями, породы находятся под воздействием горизонтальных напряжений. Впереди опорной зоны лав формируются зоны повышенных напряжений, в которых горизонтальные и вертикальные напряжения составляют соответственно 0,6-2,0 и 1,0-1,8уН, а в зонах влияния тектонических нарушений - 2,4-4,8уН. Зона опорного давления на пласте Мощном или зона пригрузки впереди очистного забоя состоит из двух участков: один из них характеризуется проявлением преобладающих по величине горизонтальных напряжений (до 6-7уН), второй, примыкающий к очистному забою - проявлением преобладающих вертикальных напряжений (до 4-5уН).

Анализ известных публикаций о влиянии повышенной скорости под-вигания очистных забоев (до 29-30 м/сут) на динамику проявления гор-

ного давления свидетельствует об уменьшении в этом случае зоны отжима (защитной зоны), об увеличении шага обрушения основной кровли и возможном проявлении динамического характера вторичных осадок.

Одним из направлений по предупреждению удароопасности краевой части очистного забоя является повышение деформационных свойств пласта. В Воркутинском филиале СПГГИ (ТУ) была разработана технология борьбы с динамическими явлениями (горными ударами), основывающаяся на направленном изменении физико-механических свойств горного массива через предварительно пробуренные скважины с расположенными в них зарядами ВВ на контакте крепких пород почвы со слабыми прослойками (рис. 1). Взрывание зарядов осуществляется в водонаполненных скважинах вне опорной зоны, после чего следует низконапорное увлажнение пород почвы, переходя на высоконапорное в зоне максимума опорного давления. В результате влияния высокого коэффициента концентрации напряжений, достигающего в зоне максимума 4-5 уН, веса покрывающих пород, приходящих в сдвижение над пластом, а также давления нагнетаемой воды создаются условия для вытеснения в сторону выработанного пространства разупрочненных прослойков почвы.

Рис. 1. Схема расположения скважин и вытеснения углистых пропластков пород почвы в сторону выработанного пространства

Экспериментально-промышленная проверка технологии проведена при отработке удароопасного пласта Мощного мощностью 4,1 м [2]. Угол падения пласта 8-100. Глубина разработки - 750 м. Непосредственная кровля - алевролиты мощностью 2-5 м ( ссж = 33 — 62МПа ). Основная кровля - песчаники мощностью 20-40 м (ссж = 80 — 120МПа). Непосредственная почва - песчаники мощностью 2-7 м ( стсж = 70 — 110МПа ). Ниже

пласта залегают пропластки угля пю, п9, п8 толщиной соответственно 0,2; 0,03 и 0,4 м, переслаивающиеся аргиллитами мощностью 2-3 м.

Лава 434-з длиной 120 м была оборудована механизированным комплексом 2УКП. Пласт отрабатывали длинными столбами по простиранию. Порядок отработки - обратный при бесцеликовой подготовке. Режим работы забоя - две смены по добыче угля, одна профилактическая и одна ремонтно-подготовительная. В качестве профилактического мероприятия по борьбе с горными ударами ежесуточно

проводилось гидрорыхление краевой части пласта на глубину до 8 м.

Наблюдения проводили на экспериментальном участке длиной 240 м, который включал четыре зоны с различными вариантами обработки вмещающих пород. В первой зоне осуществляли гидромикроторпедирование основной кровли (ГМТ) и региональное увлажнение пласта, во второй зоне - только ГМТ кровли, в третьей -ГМТ кровли и почвы, в четвертой зоне - ГМТ вмещающих пород и взры-вогидрообработку пород почвы. Гидрорыхление выполняли во всех зонах. Воду в породы почвы нагнетали по скважинам, пробуренным с вентиляционного и конвейерного штреков пласта Пятого (рис. 2). В процессе подвигания забоя определяли: количество случаев I и II категории ударо-опасности, в том числе распределение их по длине лавы; расстояние от забоя до зоны максимума опорного давления; характер проявления горного давления; изменение влажности угля в защитной зоне. Исходными данными являлись результаты ежесу-

Рис. 2. Схема обуривания углепородного массива скважинами на экспериментальном участке выемочного столба 434-з пласта Мощного

точного прогноза удароопасности (по журналу участка ВТБ шахты), а также результаты инструментальных геофизических наблюдений [2].

Наблюдения показали, что в первой зоне количество случаев в месяц I и II категории удароопасности распределилось как 40 и 25. Во второй зоне - соответственно 65 и 33. В третьей и четвертой зонах количество случае I и II категории удароопасно-сти снизилось по сравнению со вто-

рой соответственно в 1,8 и 2,0 раза, по сравнению с первой - в 1,7 и 2,5 раза.

Расстояние от забоя до зоны максимума опорного давления (/тах) по длине лавы не было постоянным. Минимальная величина 1тах в базовой зоне составляла 7,8 м, средняя - 8,5 м, во второй зоне оно выравнилось до 9,0 и 9,1 м. Величина 1тах в третьей зоне увеличилась до 9,2 - 9,5 м, а в четвертой зоне до 10 м.

Отмеченный характер проявления максимальных напряжений в краевой части пласта обусловливался эффективностью разупрочнения и высоконапорного увлажнения непосредственной почвы. В четвертой зоне было опробировано по существу два варианта разупрочнения почвы. Первый состоял в высоконапорном увлажнении предварительно разупрочненных пропластков п10, п9, п8 с последующим их выдавливанием в сторону выработанного пространства. При этом имело место упругое восстановление непосредственной почвы в краевой части пласта, обуславливающее случаи I категории удароопасности в результате недобура скважин до контакта непосредственной почвы с пластом Мощным. Второй вариант отличался от первого наличием нарушенного взрывом контакта непосредственной почвы с пластом. Там, где скважины были добурены до контакта с пластом (заштрихованный участок, рис. 2) случаи I и II категории удароопасности отсутствовали, зона максимума, по данным тензодатчиков [2], была растянута по форме, имела два экстремума и располагалась в 12-17 м впереди забоя. Величина коэффициента концентрации напряжений была в 1,4 раза меньше по сравнению с уровнем концентрации напряжений, составляющим 3,5-4,3уН в третьей и базовой зонах наблюдений.

Гидростойки крепи 2УКП работали в режиме нарастающего сопротивления. Их рабочее сопротивление на экспериментальном участке подчинялось определенным закономерностям. Как видно по данным табл.1, по мере перехода очистного забоя из базовой в четвертую зону рабочее сопротивление крепи в периоды между вторичными осадкам основной кровли уменьшалось в 1,1-2 раза. Максимальное уменьшение сопротивления

прослеживалось в верхней и средней частях очистного забоя.

Численные значения шага обрушения основной кровли (при скорости подвигания забоя лавы 1,8-2,1 м/сут) приведены в табл. 2.

Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что шаг обрушения основной кровли по мере подвигания забоя лавы уменьшается. Применение ГМТ вмещающих пород в комплексе с высоконапорным увлажнением почвы позволило уменьшить шаг обрушения основной кровли в верхней, средней и нижней частях лавы соответственно в 1,6; 1,7 и 2,0 раза по сравнению с базовой зоной наблюдения.

В табл. 3 представлены численные значения максимального сопротивления гидростоек по длине лавы в периоды вторичных осадок кровли. Анализ данных табл. 3 показывает, что изменение физико-механических свойств углепородного массива, выполненное в четвертой зоне, повлияло на снижение максимального сопротивления гидростоек крепи 2 УКП в верхней, средней и нижней частях лавы соответственно в 1,9; 3,0 и 1,6 раза по сравнению с базовой зоной. Причем уровень максимального рабочего сопротивления гидростоек крепи 2 УКП составлял 50-55 % от номинального.

Вторичные осадки кровли сопровождались отжимом верхней части пласта высотой до 0,6 м на глубину до 1,2 м в верхней зоне и до 1,5 м в четвертой зоне наблюдения. В отдельных случаях вместе с пачкой об-рушалась ложная кровля на высоту 0,4-0,5 м. Обрушение забоя происходило, как правило, в верхней и средней частях лавы, а при выемке в нижней части лавы забой нередко обру-шался в 3-4 м впереди комбайна. Обрушение имело характер осыпания на глубину до 1,5 м.

Номер секции

Рабочее сопротивление крепи, МН

крепи Первая (базовая) зона Вторая (переходная) зона Третья зона Четвертая зона

71 0,7-0,72 1,08-1,0 0,8-0,68 0,39-0,34

51 0,91-0,82 0,45-0,42 0,8-0,63 0,53-0,55

13 0,9-0,85 0,9-0,8 0,8-0,85 0,76-0,8

Таблица 2

Номер секции

Шаг обрушения основной кровли, м

крепи Первая (базовая) зона Вторая (переходная) зона Третья зона Четвертая зона

71 6-5 7-6 5-4 4-3

51 8-4 5-4 6-4 5-4

13 15-13 17-15 10-6 7-6

Таблица 3

Номер секции Максимальное сопротивление крепи, МН

крепи Первая (базовая) зона Вторая (переходная) зона Третья зона Четвертая зона

71 1,74-0,85 1,09-1,71 1,68-1,1 0,94-0,90

51 1,74-1,56 1,69-1,71 1,65-0,47 0,54-0,50

13 1,77-1,85 1,6-1,4 1,33-1,58 1,14-1,1

При изучении качества гидрорыхления было установлено, что влажность угля в краевой части пласта в нижней части лавы (до 22 секции) в четвертой зоне наблюдения оказывалась в 1,2-1,25 раза выше, чем в средней и верхней частях лавы, несмотря на то, что объем воды, закаченной в пласт во многих случаях, по данным расходомера, был меньше нормативной величины. Причиной данного обстоятельства, по нашему мнению, являлось оттеснение нагнетаемой при гидрорыхлении воды волной противодавления, которую создавали из глубины защитной зоны со стороны почвы в зоне максимума опорного давления. В результате увлажнения, выполняемого в высоконапорном режиме, увлажнялись не только породы почвы, но частично и сам пласт, что достигалось благодаря

дополнительному трещинообразова-нию и возникающим в породах почвы на границе с пластом растягивающим напряжениям.

Опробация комплексного способа борьбы с динамическими явлениями выявила возможность управления НДС углепородного массива. В этой связи отработка удароопасного пласта с повышенной скоростью расширяет технологические возможности очистных работ, не противореча одному из главных требований производственников - безопасности работ, что обеспечивается за счет создаваемой в углепородном массиве технологической мощности, превышающей вынимаемую мощность на 60-80 %, вследствие чего зона максимума опорного давления перемещается на такую же величину в глубину защитной зоны.

1. Зуев В.А., Гусельников Л.М. К вопросу о раскройке и отработке донной части Воркутской мульды в условиях напряженно-деформированного состояния углепородного массива. //Материалы 3-ей межрегиональной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», Ворку-тинский горный институт, филиал СПГГИ (ТУ). 13-15 апреля 2005, Народное хозяй-

ство Республики Коми, научно-технический журнал, Т. 14, № 1, Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2005.

2. Коршунов Г.И., Зуев В.А., Меньшиков Л.А. Экспериментально-промышленная проверка эффективности способа борьбы с динамическими явлениями.//Уголь. - 1991. - №9. - С. 43-45. ЕШЗ

— Коротко об авторах----------------------------------------------------------

Коршунов Г. И. - доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет),

Зуев В.А. - кандидат технических наук, (филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт»).

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛЕГОТИН Федор Яковлевич Развитие механизмов и методов принятия решений в системе управления затратами 08.00.05 д.э.н.