CC BY
34
© В.В. Мельник, И.С. Кириченко, 2010
УДК 622.272
В.В. Мельник, И.С. Кириченко
ВЫБОР СПОСОБА ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ПОДКРОВЕЛЬНОЙ ТОЛЩИ МОЩНОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Дано научное обоснование выбора способа скважинной разгрузки для дезинтеграции угольного массива подкровельного слоя при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной толщи с учетом закономерностей геомеханики. Ключевые слова: угольный массив, дезинтеграция, напряженное состояние, очистной забой, подсечной слой, подкровельная толща.
Семинар 16
~ИЪ настоящее время на основании
Л.З исследований технологии отработки мощных пологих пластов, выполненных в РФ и за рубежом, считается эффективной технологическая схема с одним подсечным слоем, отрабатываемым длинным комплексно-
механизированным очистным забоем с выпуском угля подрабатываемой под-кровельной толщи в призабойное пространство.
Анализ результатов научных исследование и практики отработки пологих мощных угольных пластов показал, что недостаточно изучены закономерности дезинтеграции угольного массива подкро-вельной толщи за счет энергии горного давления, что подтверждается осложени-ем ведения добычных работ в забое в условиях интенсивного отжима, обусловленного не столько интенсивностью горного давления, а, главным образом, деформированием массива вблизи обнажения забоя и над ним в подкровельной толще.
Одним из перспективных направлений разработки и научного обоснования технологии является использование закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния и прочности угля подрабатываемой подкровельной
толщи под влиянием горного давления и разгрузочных скважин, обеспечивающих управление дезинтеграцией угля в забое подсечного слоя и в подкровельной толще.
В отечественной и зарубежной горной науке уделено значительное внимание проблеме управления горным давлением [1, 2]. Скважинной разгрузке, как эффективному способу борьбы с внезапными выбросами в угольных шахтах посвящены исследования В.В. Ходота, И.В. Боброва, Н.М. Проскурякова и др. [3-7]. Для управления состоянием кровли в длинных очистных забоях этот способ исследовали А.А. Борисов, С.Г. Андрушкевич, В.П. Зубов, Б.П. Овчаренко и др. [8-14]. Возможность охраны подготовительных выработок гидрошахт, управления кровлей и рыхлением пласта для гидромониторной выемки бурением скважин изучали К.И. Иванов и А.Д. Игнатьев и др. [15-17]. Исследования М.М. Комиссарова, А.М. Симановича, М.А .Сребного и др. были посвящены разработке способов охраны подготовительных выработок путем бурения разгрузочных скважин [18-24]. Для практической реализации скважинной разгрузки в могут использоваться серийно выпускаемые и вновь разрабатываемые
Рис. 1. Вертикальные напряжения (а, МПа) в углепородном массиве в зоне влияния очистного забоя без управления дезинтеграцией при распоре секций крепи 12000 КН
буровые установки и гидромониторы [25 -28].
Как показали расчеты (рис. 1) вокруг очистной выработки формируется напряженное состояние, в котором участвуют не только сжимающие, но и растягивающие напряжения. Учитывая тот факт, что трещиноватый угольный массив имеет низкую прочность на разрыв, то можно с уверенностью считать, что он будет разрушаться (дезинтегрироваться). Визуальные наблюдения отжима и вывалов в забоях являются фактическим подтверждением закономерности дезинтеграции массива под действием горного давления. Таким образом, управление процессом дезинтеграции угольного массива мощного пласта при его отработке по технологии с выпуском должно обеспечить с одной стороны ус-
тойчивость (целостность) массива впереди забоя, а с другой интенсивную его дезинтеграцию (дробление) для обеспечения движения, как сыпучего материала, под действием собственного веса или с при-грузкой от веса обрушенных пород через выпускные отверстия на конвейер.
Для решения задачи управления состоянием угольного массива в забое - профилактики отжима, одновременно с управлением дезинтеграцией угольного массива под-кровельной толщи способ скважинной разгрузки предложен впервые (рис. 2).
Сущность способа управления дезинтеграцией угольного массива разгрузочными скважинами (см. рис. 2) состоит в том, что в верхней части забоя производят бурение параллельных скважин диаметром 150-250 мм между ними оставляют целики шириной, равной диаметру. Как показали исследования дезинтеграция массива вокруг скважин имеет явно выраженный зональный характер и гарантированное разрушение межскважинных целиков горным давлением происходит при условии, что их ширина близка к величине диаметра скважины. Глубина скважин принимается равной ширине зоны возможного отжима Изменение распределения вертикальных напряжений при скважинной разгрузке представлено на рис. 3.
Представляется важным выделить два варианта способа скважинной разгрузки, когда мощность подкровельной пачки меньше мощности подсечного
Рис. 2. Способ управления дезинтеграцией угольного массива в забое разгрузочными скважинами: а - мощность подкровельной пачки меньше мощности подсечного слоя; б - мощность под-кровельной пачки больше мощности подсечного слоя
1р Шп.
с.
Рис. 3. Вертикальные напряжения (а, МПа) в углепородном массиве в зоне влияния очистного забоя при управления дезинтеграцией разгрузочными скважинами при распоре секций крепи 12000 КН
слоя (см. рис. 2, а) и, когда мощность под-кровельной пачки больше мощности подсечного слоя (см. рис. 2, б).
Геомеханические закономерности, положенные в основу скважинной разгрузки состоят в том, что упругие напряжения в массиве (графики су) де-
формируют угольный массив. В результате при отсутствии скважин происходит развитие не только пластических деформаций, но и дезинтегрирование массива, разрушение его на части, отжим и обрушение. Характер распределения вертикальных напряжений после реализации пластических деформаций и дезинтеграции имеет вид графика оуп. Применение скважинной разгрузки позволяет локализовать пластические деформации в слое вокруг скважин, поскольку перфорирование пласта скважинами вызывает концентрацию напряжений в междускважинных целиках. Таким образом, угольный массив впереди забоя разгружается от вертикальных напряжений и сохраняет целостность, т.е. не дезинтегрируется, не отжимается. Максимум опорного давления смещается вглубь массива (график ор). Массив, расположенный выше скважин под действием собственного веса и горного давления, а также вследствие наличия перекрытия серий скважин дезинтегрируется более интенсивно, чем без скважин.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Катков Г.А. Современные аспекты управления горным давлением. - Научн. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского.- Вып. 224.- Вопросы управления состоянием горного массива. - М.
1984. - С. 7-11.
2. Мельников Е.А., Савельева Н.Г. Развитие и достижение в области управления горным давлением. - В кн.: Технология разработки месторождений твердых полезных ископаемых, т.12. - М.: ВИНИТИ.- С. 5-59.
3. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа.
- М.: Госгортехиздат.- 1961. - 363 с.
4. Бобров И.В. Способы безопасного проведения подготовительных выработок на пластах
опасных по выбросам. - М.: Г осгортехиздат, 1961.
- 263 с.
5. Проскуряков Н.М. Влияние передовых скважин большого диаметра на деформации угольного пологопадающего пласта. - 3ап. ЛГИ.-т.51. Вып. 1.- 1966.- С. 64-69.
6. Проскуряков НМ., Янишевский А.А. Напряжения в массиве нарушенном скважинами большого диаметра. - Зап. ЛГИ, т.51. Вып. 1.166.- С. 70-77.
7. Павлов А.В. Система разработки пологого пласта с использованием опорного давления для предотвращения выбросов угля и газа при помощи скважин большого диаметра. - В сб.: Борьба с вне-
запными выбросами в угольных шахтах. - М.: Гос-гортехиздат, 1962.- С.421-426.
8. Зубов В.П. Способ управления кровлей в лавах при разработке угольных пластов на больших глубинах. - Изв. вузов. Горный журнал, 1980, № 4.- С. 20-25.
9. Зубов В.П. Влияние разгрузки краевой зоны пласта на состояние кровли в призабойном пространстве лав. - Зап. ЛГИ. Механика горных пород. 1980.- т.82.- С. 40-46.
10. Зубов В. П. Влияние ослабления краевой зоны пласта на характер распределения напряжений впереди забоя лавы. - Изв. вузов. Горный журнал, 1984, № 3. -С. 21-28.
11. А.с. 825960 СССР, МКИ Е 21 С 41/04. Способ управления кровлей /В.П. Зубов, С.Г. Ан-друшкевич, А. А. Иванов (СССР). - 2760236/22-03; Заявлено 26.04.79; Опубл. 30.04.81, Бюл. № 16. -163 с.
12. А.с. 949180 СССР, МКИ Е 21 С 41/04. Способ управления основной кровлей при разработке угольных пластов длинными очистными забоями /А.А. Борисов, Б.П. Овчаренко, Г.В. Ов-чаренко и др. (СССР). - 3212625/22-03; Заявлено 4.12.80; Опубл. 7.08.82, Бюл. 29. - 137 с.
13. А.с. 688624 СССР, МКИ Е 21 С 41/04. Способ управления кровлей /А.А. Борисов, С.Г. Анд-рушкевич, В.П. Зубов, Б.П. Овчаренко (СССР). -2550364/22-03; Заявлено 1.12.77; Опубл. 30.09.79, Бюл. 36. - 107 с.
14. А.с. 787656 СССР, МКИ Е 21 С 41/04. Способ управления труднообрушаемой кровлей ДИСморчков, М.Н.Богданов, Н.М.Лопухов (СССР). - 1992161/22-03; Заявлено 29.01.74; Опубл. 15.12.80, Бюл. № 46. - 147 с.
15. Игнатьев АД., Иванов К.И. Подземная добыча угля гидравлическим способом на пластах тонких и средней мощности. - М.: Углетехиздат, 1957. - 325 с.
16. Временная инструкция по применению систем разработки пологих и наклонных пластов короткими забоями с расположением их в зоне частичной разгрузки на гидрошахтах Кузбасса /ВНИИгидроуголь. -Новокузнецк, 1975. - 14 с.
17. Кайдо И.И., Златицкий А.Н., Любогощев В.И. Управление напряженным состоянием пласта в зоне влияния очистных работ. -Тр. ВНИИ-гидроуголь.- Повышение эффективности гидро-
добычи на шахтах Кузбасса. - Новокузнецк,
1985.- С. 26-35.
18. Ефремов Э.И., Харитонов В.Н., Семенюк И.А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глубоких шахтах. - М.: Недра,1979. - 253 с.
19. Комиссаров М.А., Андриенко В.М., Фролов
Э.К. Параметры охраны горных выработок разгрузкой вмещающего породного массива скважинами по углю. - Тр. ДонУГИ № 48 « Вопросы управления кровлей, охраны и крепления горных выработок». - Донецк: Донбасс.- 1961.- С. 105113.
20. Кошелев К.В. Охрана подготовительных выработок на больших глубинах. - в сб. Разработка угольных пластов на больших глубинах. - М.: Недра, 1965, с. 130-132.
21. Кошелев К.В., Трумбачев В.Ф. Повышение устойчивости капитальных выработок на больших глубинах. - М.: Недра, 1972. -128с.
22. Положение по охране и креплению подготовительных выработок при разработке пологих пластов Донбасса на малых и средних глубинах разработки / ДонУГИ. - Донецк, 1966. - 35 с.
23. Симанович A.M., Сребный М.А. Охрана выработок на глубоких горизонтах, м.: Недра, 1976. - 143 с.
24. А.с. 386141 СССР, МКИ Е 21 9/00. Способ проведения горной выработки /А.М. Симанович, М.А. Сребный, И.Л. Белинский (СССР). -I60I733/22-3.- Заявлено 16.12.70; Опубл. 14.06.73, Бюл. №26. - 119 с.
25. Перечень оборудования, изготавливаемого серийно предприятиями всесоюзного промышленного объединения угольного машиностроения «Союзуглемаш». - М.: ЦНИЭИуголь, 1980. - 93 с.
26. Кариман С.А. Создание высокопроизводительной гидрорезной технологии и оборудования для разработки мощных крутых пластов / С.А. Ка-риман//Уголь. - 1999. - № 7. - с. 59-61.
27. Кариман С.А. Гидрорезная очистная машина «ГРОМ-1» / С.А. Кариман // Уголь. - 1999. -№ 5. - с. 30-33.
28. Ворожищев А.И. Разработка способов и средств опережающей щелевой разгрузки краевых частей отрабатываемого короткими забоями угольного пласта: Автореферат канд. дисс. - Кемерово: ИУУ СО РАИ 1999. -21 с. ЕШ
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Мельник В.В. - доктор технических наук, профессор кафедры ПРПМ, Кириченко И.С. - аспирант кафедры ПРПМ,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected]_______________
