CC BY
19
М.С. Сазонов
младший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
В.Г. Казанцев
д-р техн. наук, заведующий кафедрой Бийского технологического института (филиал) «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
Д.В. Ботвенко
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622. 413:622.831.31
ВЛИЯНИЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ГЕОДИНАМИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ
Рассмотрено влияние влажности пласта угля у очистного забоя на изменение удароопасности углепородного массива во времени при ведении очистных работ. Показано, что при управлении проветриванием необходимо вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, и не допускать снижения естественной влажности угольного пласта у бортов выработок до уровня его «критической влажности».
Ключевые слова: НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ, ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ, ВЛАЖНОСТЬ УГЛЯ, КРИТИЧЕСКАЯ ВЛАЖНОСТЬ, ПРОВЕТРИВАНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
ста и приводящих к последовательному увеличению потенциальной энергии деформации углепородного массива в короткие промежутки времени в его локальных областях. Исследования ВНИМИ и опыт ведения горных работ в шахтах показывают, что в зависимости от прочности угля, мощности пласта и условий проявления горного давления горные удары в различных бассейнах России отмечаются как в зонах опорного давления при ведении очистных работ, так и вдали от них при проходке различных подготовительных выработок в нетронутом массиве [1,2]. Влажность пласта угля является одним из горнотехнических показателей. Рассмотрим влияние влажности пласта угля у бортов выработок на изменение уровня безопасности ведения горных работ. С этой целью воспользуемся показателем удароопасности углепородного массива у очистного забоя. В практике оценки удароопасности при производстве горных работ широко используется критерий, предложенный ВНИМИ [3].
Показатель удароопасности основан на оценке градиента напряжений опорного давления у очистного забоя (рисунок 1) и представляется в виде:
сгтах"£7тт
Ду = ( ЁХ )> (1)
апя решения проблемы увеличения безопасности горного производства становится очевидной необходимость совершенствования методов и средств оценки текущего, егося во времени, механического состояния углепородного массива с последующим принятием необходимых решений по увеличению работоспособности горных выработок. В такой постановке управление состоянием массива означает, по сути, управление его напряженно-деформированным состоянием (НДС).
В складывающихся горно-геологических и технологических условиях на выемочных участках угольных шахт при производстве горных работ подтверждается вероятность возникновения аварийных ситуаций по признакам показателей удароопасности углепородного массива.
Анализ всех случаев горных ударов на шахтах Кузбасса [1, 2] показывает, что они возникают на участках пластов с крепким углем при высокой концентрации опорного давления, в результате чего возможно интенсивное разрушение крепких пачек угля и вмещающих пород. Одним из определяющих условий проявления и возникновения горного удара является реализация совокупности горнотехнических показателей, сложившихся к данному моменту отработки пла-
где о , о - максимальное и минимальное значе-
шах шт
ния напряжений у забоя, кг/см2 (рисунок 1);
Х - расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений, см;
£ - масштабный коэффициент (£=1).
В работе [2] критерий (1) проверен на практике и представляется в виде:
К^Н-ОпШ!
Ду = (-8Х-)• (2)
где К - коэффициент концентрации напряжений;
уЙ - напряжения на глубине Н разработки пласта, кг/см2 (рисунок 1).
Из соотношений (1) и (2) следует, что при выполнении условия
Ду > 1,
^шах ^шт „
то есть —— =-р^- > 1 , (в > 450), (3)
ситуация полагается удароопасной, возможны микроудары и появление их предупредительных признаков. Физический смысл критерия (3) указывает на увеличение геодинамической опасности ведения горных работ с увеличением угла в опорного давления (рисунок 1) и, стало быть, показателя Ду. Рассмотрим влияние влажности пласта угля у очист-
ного забоя на изменение показателя Д во времени при ведении очистных работ. Решение задачи проведем для случая плоской деформации углепородного массива (среднее сечение лавы), а также для случая изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) в краевых частях лавы - у сопряжений очистного забоя с подготовительными выработками в трехмерной постановке задачи упругости и пластичности [4].
Методика расчета НДС углепородного массива базируется на использовании метода конечных элементов (МКЭ) в постановке Лагранжа [4]. При решении нелинейных задач теории упругости функционал Лагранжа линеаризуется с использованием метода упругих параметров Биргера.
Распределение и изменение влажности в объеме массива и массива во времени для расчетных моделей получено из шахтных исследований [4]. На рисунке 2 показаны результаты расчетов опорного давления в различные промежутки времени проветривания как функции влажности массива угля у очистного забоя.
В соответствии с результатами расчетов вертикальных напряжений проведена количественная оценка геодинамической опасности ведения горных работ по критерию удароопасности (1). Результаты расчетов сведены в таблицы 1 и 2.
Результаты расчетов показывают (таблица 2), что снижение естественной влажности угольного массива до значений «критической влажности» во вре-
Рисунок 2 - Изменение вертикальных напряжений у очистного забоя для различного времени проветривания
мя проветривания выработки в период с 8 до 11 сут (с момента проходки) ведет к значительному (до 60 %) увеличению показателя удароопасности Ду «Критическая влажность» представляет собой область влажности угля, где происходят градиентные, локальные изменения физико-механических характеристик (ФМХ) углей, и определяется по специальной методике. При изменении естественной влажности угля во время сушки в области «критической влажности» фиксируется его объемное расширение на фоне объемного сжатия вне области «критической влажности» [5]. Все установленные закономерности были реализованы с помощью разработанных подпрограмм и алгоритмов на ПК. Из таблицы 2 следует, что на 8-11-е сутки проветривания (реализация «критической влажности» угля) удароопасность увеличивается в 1,6 раза
по сравнению с первыми сутками проветривания (естественная влажность угля). Анализ изменения показателя удароопасности (1) в зависимости от времени проветривания (рисунок 3) показывает, что на 8-е сутки проветривания показатель удароопасности Д достигает своего максимального значения. Значения влажности угля на поверхности выработки снижаются до области «критической влажности» в течение 16 сут проветривания, при этом показатель удароопасности возрастает.
Таким образом, процесс проветривания выработок, сопровождающийся изменением влажности угля, может являться одним из факторов, повышающих геодинамическую опасность, - вероятность возникновения динамических явлений (локальных горных ударов) при ведении очистных работ.
Расстояние от очнстчого займ. сы Блд*вость У. "с
нтялгнн« состояние
] С)1Й1
£ сут»1 ! 1 су™
14 сутан 16 сутки
|[^;ь.1ь,л1.л' н.|и<.111 лн оу, МПа
8.:
91.3 188,6 288.5 386.3 522,8 684,9 872.7 1067,5 1263,6
естественно« состояние 1 сутан 5 сутки 11 сутки 14 сутй!
16 (11141
4.11 1,87 1.73 3,73 3,73 3,73 З'З 3,73 3,73 з.-з
4.11 3,87 3.73 3.73 З.'З 3.73 3.73 3,73 3.73 3.73
3.50 3,54 3.73 3.73 3,73 3,73 3.73 3,73 3,73 ЗЛЗ
и: 3,35 3.73 3.^3 3,73 3.73 3.^3 3,73 3.73 3.73
з.п з.м 3.73 3.73 3.73 3,73 3.73 3,73 3.73 3.73
зло 3.20 3,73 3.73 зг? 3,73 3*3 3.73 3,73 }.73
8.79" 10.447 11.001 10,959 10,767 10,391 9,961 9,955 9,309 8.498
8,797 10,447 11.001 10,959 10,767 10,391 9.961 9,955 9,309 8,498
7,588 9,517 11.121 11,093 10,904 10,512; 10,011 9,983 9.403 8,568
3,103 9,094 11.061 11,055 10,8Т0 10.490 9,996 9,960 9.403 8,568
8,546 9,60' 10.958 10,962 10,-90 10.416 9,996 9 МО 9.403 8,568
8.ГМ 9,900 10.940 10,952 10, '51 9,930 9,990 9.330 8,510
научно-технический журнал № 1.2-2013 ^^^ ^^
вестник 25
Таблица 1 - Значения влажности угля и вертикальных напряжений впереди очистного забоя для различного времени проветривания
Таблица 2 - Параметры состояния и удароопасности массива у очистного забоя для различного времени проветривания
Время проветривания t, сут 1 8 11 14 16
Влажность W, % 4,11 3,50 3,22 3,11 3,10
Расстояние от забоя до зоны максимального напряжения X, см 188,6 188,6 188,6 288,5 288,5
Значения напряжений у забоя, кг/см2: минимальное о min 87,97 75,88 81,03 85,46 85,74
максимальное а min 110,01 111,12 110,61 85,46 85,74
Показатель удароопасности Ду 0,12 0,19 0,16 0,08 0,08
Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова f 1,14 1,21 1,40 1,22 1,10
Показатель изменения удароопасности S 1,0 1,6 1,34 0,72 0,71
Примечание: S = Ду (t) /Ду (t = 1 сут)
В этой связи оказывается важным учитывать изменение влажности углепородного массива при назначении режимов проветривания, особенно для горных выработок, склонных к горным ударам и возникновению газодинамических явлений. Перейдем к рассмотрению изменений НДС в краевой части угольного массива. В качестве примера на рисунке 4 в секущей плоскости 1 показано распределение влажности в угольном массиве в зависимости от расстояния до борта выработки для различного времени проветривания. Наблюдаемые особенности снижения естественной влажности в приконтурной части выработки
сопровождаются локальной усадкой массива и изменениями ФМХ угля и, следовательно, приводят к изменениям распределения вертикальных сжимающих напряжений. Рассчитанные значения вертикальных напряжений в краевой части лавы в зависимости от времени проветривания представлены в таблице 3.
Современные представления о механизме хрупкого разрушения материалов, в частности горных пород [1,2], основаны на закономерностях термоак-тивационного процесса накопления элементарных дефектов (микроразрывов и микросдвигов) под действием приложенных напряжений.
к
О.И
критическая . vrnorm
естест&гиная 4.чажн<ктк
1 4 « 3 10 12 14
lipinS П|>ивт|рнгя1111я выраооГк*. С>Г.
пГ
6,20 0,16 О* 12 0,ÜS 0.04
о
крнтнчгскл* t, rrj jN-Jim-infr
tcmtcmttHHQR s. илслт-мь
з ,г
1.4 Ч.Ь 3.5 4,0 И.мгл-Коггь TTJll W, Ч
Рисунок 3 - Зависимость показателя удароопасности Ду от времени проветривания
выработки (а) и влажности угля (б)
б
а
Рисунок 4 - План сопряжения горных выработок с указанием направления сечения в секущей плоскости 1 (а) и график зависимости влажности угля от расстояния до борта выработки для различного времени проветривания в секущей плоскости 1 (б)
В работе [5] показано, что в области «критической влажности» под действием внутренних напряжений происходит локальное волнообразное изменение ФМХ, т.е. материал подвергается охрупчиванию. Таким образом, переходные процессы в массиве угля, связанные с усадкой и охрупчиванием, приводят к изменениям в распределении НДС углепо-родного массива вокруг выработок во время осушения их приконтурных зон.
Результаты расчетов показателя удароопасности (3) в краевых частях угольных лав в зависимости от влажности угля представлены в таблице 4. Из таблицы 4 следует, что на 8-11-е сутки проветривания («критическая влажность» угля) удароо-пасность увеличивается в 1,96 раза по сравнению
с естественным состоянием угольного массива (естественная влажность угля), при этом не переходя в удароопасное состояние (Д <1). Тем не менее, изменение естественной влажности угля в результате проветривания выемочных участков атмосферным воздухом с низким значением относительной влажности [6] приводит к изменению общего баланса энергии углепородного массива и ведет к увеличению геодинамической опасности. Сопоставление показателей удароопасности в среднем сечении лавы (таблица 2) и в ее краевых частях (таблица 4) показывает, что наибольшую опасность представляют краевые части пласта -участки сопряжения очистного забоя с подготовительными выработками. В этой связи при назначе-
Таблица 3 - Значения влажности угля и вертикальных напряжений в борту выработки в секущей плоскости 1 для различного времени проветривания выработки
Расстояние от стенки выработки, сы Блд*вость У. "с
естественное состояние
1 С)1Й1
6 сут»1
€ су™
11 С>ТМ1 16 сутки
|[^;ь.1ь.л1.л' н.|и<.111 лн оу, МПа
26
150
31?
502
679
£35
1035
1303
1419
естественное состояние 1 сутки 6 сутки 5 сутки 11 сутки 16 СУТЮ1
4.11 3,87 3.73 3,73 3,73 3,73 3.73 3,73 3,73 3.73
4.02 3,87 3.73 3.73 З.'З 3.73 3.73 3,73 3.73 3.73
3.71 3.73 3.73 3.73 3,73 3.73 3.73 3,73 3.73 ЗЛЗ
3.48 з.я 3.73 3.^3 3.73 3.73 3.^3 3,73 3.73 3.73
3,21 3.73 3.73 3.73 3.73 3.73 3,73 3.73 3.73
3.1 3,14 3.73 3.73 3.73 3.73 3*3 3.73 3.73 }.73
12,63 13,22 12,9Т 12 55 12.2 11.51 11.28 11.2 11.19 10.84
15.18 15,64 14,98 14.22 13,72 13,24 12,39 12,39 12,37 12.08
15 15 15,64 14,95 14.22 13,72 13,24 12,39 12,39 12 37 12.08
13,46 13,69 15.85 14.85 14,25 13,66 12,706 12, "06 12,49 11.92
14.41 13,62 15,'6 14,86 14,23 13,61 12,6" 12,6' 12,5 11.85
15,15 15,15 15,35 14,63 14,02 13,45 12,55 12,55 12,6 11.92
научно-технический журнал № 1.2-2013 ^^^
вестник 27
б
а
Таблица 4 - Значения параметров, необходимых для расчета показателя удароопасности очистного забоя для различного времени проветривания
Время проветривания t, сут Естественное состояние 1 6 8 11 16
Влажность W, % 4,11 4,02 3,73 3,48 3,23 3,10
Расстояние от забоя до зоны максимального напряжения X, см 72 72 72 150 150 150
Значения напряжений у забоя, кг/см2: минимальное а min максимальное О max 126,30 132,2 151,80 156,4 151,80 156,4 134,60 158,5 144,10 157,6 151,50 153,5
Показатель удароопасности Ду 0,08 0,06 0,06 0,16 0,09 0,01
Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова f 1,09 1,15 1,21 1,40 1,22 1,10
Показатель изменения удароопасности <5 1,00 0,78 0,78 1,96 1,10 0,16
Примечание: Ô =Ду (t)/Ду (t = 1 сут)
нии режимов проветривания краевые части лавы требуют особого внимания.
Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера, связанных с распределением напряженного состояния углепородного массива при производстве горных работ и его изменением во времени, необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить
оценку геодинамической безопасности при помощи разработанного метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, и не допускать снижения естественной влажности угольного массива до области «критической влажности».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Вылегжанин, В.Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В.Н. Вылегжанин, П.В. Егоров, В.И. Мурашев. - Новосибирск: Наука, 1990. - 160 с.
2 Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследований геомеханических процессов: дис. ... д-ра техн. наук (05.25.01). - Кемерово, 1979. - 363 с.
3 Линьков, А.М. К теории разрушения пласта угля послойным отрывом / А.М. Линьков, И.М. Петухов // Горное давление и горные удары. -Сб. 88. -Ленинград: ВНИМИ, 1973.
4 Сазонов, М.С. Изменение энергетического состояния углепородного массива при проветривании горных выработок / М.С. Сазонов, Д.В. Ботвенко, Е.Я. Кулявцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2013. -№1.1. -С. 33-43.
5 Сазонов, М.С. Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажно-стях воздуха / М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2011. -№1. -С. 41-48.
6 Сазонов, М.С. Исследования изменения влажности угольного массива под воздействием шахтной атмосферы / М.С. Сазонов, С.И. Голоскоков, Д.А. Трубицына // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2012. -№2. -С. 73-77.
INFLUENCE OF MINE OPENING VENTILATION ON Сазонов Михаил Сергеевич
GEODYNAMIC SAFETY OF COAL EXTRACTION е-mail: [email protected]
SECTIONS Казанцев Владимир Гзоргиевич
M.S. Sazonov, V.G. Kazantsev, D.V. Botvenko е-mail: [email protected]
Influence of coal seam moisture content near the Ботвенко Денис Вячеславович
coal extraction face on changes in time of coal- е-mail: [email protected]
rock massive rock bump danger during extraction
works is reviewed. It is shown that in the process
of ventilation it is necessary to control constantly
relative moisture of the air supplied to the extraction
section and not to allow to reduce the natural coal
seam moisture at the opening walls to the level of
it's «critical moisture».
Key words: STRESSED-DEFORMED STATE, GEO-
DYNAMIC DANGER, COAL MOISTURE, CRITICAL
MOISTURE, MINE OPENING VENTILATION
29
