Влияние очистных работ на геомеханическое состояние массива в зоне подготовительных выработок Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

lO

Е.А. Плотников, В.В. Дырдин, В.П. Тациенко, И.С. Елкин

УДК 622.002.5: 622.831 Е.А. Плотников, В.В. Дырдин, В.П. Тациенко, И.С. Елкин ВЛИЯНИЕ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА В ЗОНЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

1 - диагональная печь;

2 - вентиляционный штрек

лавы № 124;

3 - конвейерный штрек

лавы № 123;

4 - конвейерный штрек лавы № 124;

5 - вентиляционный штрек лавы № 122;

6 - монтажная камера;

Я - отработанные участки.

Рис.1. Схема плана горных работ

Концентрация напряжений в массиве впереди очистного забоя напрямую зависит от длины зависающей консоли пород основной кровли [1]. Основные закономерности формирования её длины и последующего обрушения связаны с прочностью пород, слагающих основную кровлю, и возможностью её подбучивания непосредственной кровлей, а также с особенностями ведения очистных работ. Например, на некоторых шахтах принято отрабатывать лавы через одну при общем нисходящем порядке. Тогда, в большинстве случаев, к лаве со стороны конвейерного и вентиляционного штреков примыкает выработанное пространство. При чистом нисходящем порядке выработанное пространство примыкает только со стороны вентиляционного штрека. Очевидно, что условия формирования консолий пород основной кровли в обоих случаях будут разными. Следовательно, разны и шаг вторичных осадок и максимальная концентрация напряжений, а также и удароопас-ность.

Для изучения особенностей геомеханического состояния массива, примыкающего к подготовительным выработкам, нами были проведены исследования в конвейерном штреке впереди очистного забоя. У которого со стороны вентиляционного и конвейерного штреков примыкало выработанное пространство. Исследования проведены впереди лавы № 17124, отработавшей пласт Бреевский в условиях шахты им. Кирова. Схема плана горных работ представлена на рис. 1, а схема расположения измерительной станции на рис. 2.

Измерения осуществлялись с помощью реперов, забитых в кровлю и борта выработки, а

также по потенциалу естественного электрического поля (ЕСП).

Датчики были установлены в скважинах, пробуренных в угольный пласт (Датчик 1) и кровлю (Датчик 2). Потенциал измерялся относительно нуле-

вого датчика расположенного от датчиков 1 и 2 на расстоянии 50 м в скважине на глубине 3 м.

На рис. 3 представлены

кривые, показывающие скорость схождения бортов штрека в мм/сут (кривые АБ, ВГ), а также скорость уменьшения

А-А

верт.шпчр в кровлю

Д2

А | ^ ч

124 вент.штрек j /' Д

Е V

Рис. 2. Схема расположения измерительной станции

1 #»

/ ' \ - 2 /# V * # X / / \ " * У \ / ^4

1 ^ / / /\ Л. V +* / \ \ # * / і / * \ \ \ « \ '/ \ \ \у

___ JT ^ 3 / \7\ & / '\\/ \“ ✓ А У **4.

б а ок

О

31,5 28 26 23 17 15 1 1

I, м Расстояние от очистного забоя до датчиков

-1 - ДБ -л-2 - ДГ Д 3 - ВГ х 4 - АБ

Рис. 3. Скорость изменения расстояний между реперами при движении очистного забоя

2о

о

Геомеханика

11

Рис. 4. Изменение потенциала ЕЭП в массиве (кривая 1) и в кровле по мере приближения очистного забоя (кривая 2)

расстояния между устьем вертикальной скважины (точка Д) и точками Б и Г, являющимися устьем горизонтальных шпуров, пробуренных в массив угля (кривые ДГ и Д), на расстояниях 31,5 ^ 10 м от забоя лавы при его подвигании.

На рис. 4 представлены

кривые изменения потенциала естественного электрического поля в угольном массиве (датчик Д1) и кровле (датчик Д2). Датчики были установлены на расстоянии 46 м от очистного забоя. Возрастание величины потенциала ф однозначно в данном случае связано с возрастанием механических напряжений, а уменьшение ф отражает уменьшение напряжений.

Скачки потенциала на расстояниях 46, 43, 40, 38, 36 м и т.д. отражают разгрузку массива при частичном обрушении пород основной кровли. На расстоянии 31,5 м от очистного забоя резкое увеличение ф нужно понимать как критический момент, когда напряжения в кровле и угольном пласте достигли своих максимальных значений. После чего массив угля не выдержал нагрузки и стал интенсивно деформироваться в сторону вентиляционного

штрека, что привело к резкому уменьшению напряжений в пласте при подвигании очистного забоя до отметки 22 м. Кровля по данным датчика Д2 также при этом испытала интенсивное деформирование. Скорость схождения бортов (кривая АБ) на отметке 24 м возросла от 0,4 до 4,2 мм/сут. Дальнейшее уменьшение скорости на отметке 15 м (кривые АБ, ДГ, ВГ) связано со вторичными осадками. Максимум напряжений сформировался на расстоянии 11 м от очистного забоя. После

частичного обрушения кровли напряжения в кровле стали падать до отметки 4,5 м, а угольный пласт стал пригружаться на этом участке, по-видимому, за счет расслоения кровли. Обратный характер изменения напряжений в кровле и пласте наблюдается и в ряде других случаев (отметки 40,0 - 38; 34,0 - 33,0 м; 20,0 - 18,0 м; 17 - 15 м).

Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему.

1. Если к очистному забою со стороны конвейерного и вентиляционного штреков примыкает выработанное пространство, а основная кровля сложена породами крепостью не выше 8,0 по М.М. Протодьяконову, то значительных зависаний кровли, в областях массива, примыкающих к подготовительным

выработкам, не возникает. Шаг обрушений в большинстве случаев составляет 2-3 м.

2. Локальные концентрации напряжений в массиве могут наблюдаться на расстояниях до 32 м от очистного забоя, но удароопасных ситуаций при этом не возникает.

3. На расстоянии около 15 м от очистного забоя скорость схождения бортов штрека может достигать 20 мм/сут и более, что вызывает необходимость наблюдений за поведением крепи, которую может выдавливать в сторону штрека.

В заключение, выражаем благодарность инженернотехническим работникам шахты им. “Кирова” за помощь в проведении исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дырдин В. В. Влияние очистных работ на напряженное состояние массива и его контроль / Дыр-дин В.В., Шиканов А.И., Плотников Е.А. // Вопросы безопасности труда на горных предприятиях: материалы конф. посвященные 100-летию со дня рождения П.И. Кокорина. - Кемерово, 2002. - С. 43 - 49.

12

А.В. Бирюков

□ Авторы статьи:

Плотников Евгений Анатольевич

- аспирант КузГТУ

Дырдин Валерий Васильевич

- докт.техн.наук, проф.зав.

каф. физики

Тациенко Елкин

Виктор Прокопьевич Иван Сергеевич

- докт.техн.наук, зам. ген. дирек- - канд.техн.наук, доц. каф.

тора «Кузбассшахтстрой» физики

УДК 519. 21

А.В. Бирюков О ДРОБЛЕНИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

При дроблении твердого тела образуется Щ(Т) частиц с суммарной площадью поверхности Е(Т). С увеличением времени дробления Т функции Щ(Т) и Е(Т) монотонно возрастают.

Обозначим через Е расход энергии на процесс дробления в единицу времени, а через А -энергоемкость дробления, равную количеству энергии, затрачиваемой на образование единицы площади новой поверхности. Тогда имеет место соотношение

Н Е Т = А Е(Т), где величина Н выступает в роли коэффициента полезного действия процесса дробления.

Пусть X, Б, V - соответственно диаметр (наибольший линейный размер), площадь поверхности и объем частицы, а С - мера ее сферичности, которую определим как

С =ХБ / V.

Наименьшее значение этой величины, равное шести, соответствует частицам, являющимся шарами. Для продуктов дробления твердых тел, как показывают результаты измерений, мера сферичности частиц обладает незначительной вариацией с центром рассеяния С = 9.

Диаметр случайно выбранной частицы есть случайная величина с неким законом распределения (обозначим первые его моменты как М1, М2, М3).

□ Автор статьи:

Бирюков Альберт Васидьевич

- докт.техн.наук, проф., зав.каф высшей математики

Площадь поверхности и объем частицы в среднем пропорциональны квадрату и кубу ее диаметра, т. е.

Б=РХ2, V=QX3 .

Из определения меры сферичности частицы Р^ = С. Пусть О - суммарный объем частиц, т. е. объем исходного тела, подвергающегося дроблению. Тогда имеем уравнения

О=ОМ3 Щ(Т) ,

¥(Т)= РМ2 Щ(Т), из которых непосредственно следует, что

¥(Т)=С О М2/М3.

Для диаметра частиц постулируем равномерное распределение на отрезке от нуля до Х(Т), где правая граница крупности частиц Х/(Т) является монотонно убывающей функцией времени дробления. В этом случае

М1=Х(Т)/2,

М2=Х2(Т)/3,

Мз=Х(Т)/4 .

Отсюда при С = 9 находим суммарную площадь поверхности частиц :

Е(Т)=12О/Х(Т).

Таким образом, модель

процесса дробления принимает вид:

Н Е Т =12 АО/Х(Т).

Убывающую функцию Х(Т) аппроксимируем гиперболической зависимостью

Х(Т)=Х(0)/(1+Т), где Х(0) - диаметр исходного тела. Следовательно,

НЕ Т =12 А О(1+Т)/Х(О).

Как видим, обе части этого равенства являются линейными функциями времени. Следует отметить, что приведенная модель процесса оказывается правомерной лишь до некоторой степени измельчения частиц, начиная с которой энергоемкость дробления и коэффициент полезного действия процесса становятся зависящими от времени. Однако такая ситуация соответствует размерам частиц, сопоставимым с размерами кристаллов, и практически не достигается.

Как частный случай, рассмотрим взрывное дробление породного массива. В этом случае уравнение баланса энергии представим в виде

Н В Я=А Е, где Н - коэффициент полезного (дробящего) действия взрыва; В

- удельный расход взрывчатых веществ, кг/м3; Я - энергетический потенциал взрывчатых веществ, КДж/кг; А - энергоемкость дробления, КДж/м2; Е -удельная (в единицах объема) площадь поверхности частиц, м2/м3.

Для промышленных взрывов среднее значение приведенных характеристик составляют: В=0.8; Я=1000; А=10; Е=5. При этом среднее значение коэффициента полезного действия взрыва равно 6%.