Прогноз состояния и поддержание подготовительных выработок в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов – часть 1

Угольная промышленность      Постоянная ссылка | Все категории

На правах рукописи

Белов Владимир Адольфович

ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ ЦЕЛИКОВ И КРАЕВЫХ ЧАСТЕЙ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет” и Уральском филиале межотраслевого научного центра ФГУП “Государственный научно–исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ” (ВНИМИ)

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Корнилков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Славиковский Олег Валерьянович

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Фоминых Владимир Иванович

Ведущая организация – Институт горного дела УрО РАН

Защита диссертации состоится “28“ сентября 2006 г. в ч. мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет” по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ауд. 2142

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского

государственного горного университета.

Автореферат разослан “10 ” августа 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение экономичной и безопасной добычи угля на шахтах требует совершенствования технологии горных работ на основе научно-обоснованных рекомендаций, учитывающих многообразие геомеханических процессов, протекающих в горном массиве.

Одной из важных задач подземной добычи угля является повышение эффективности выемки запасов в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях. С увеличением глубины горных работ, как правило, ухудшаются условия поддержания выработок. При расположении же выработок под целиками или краевыми частями угольных пластов трудности их поддержания могут возрастать многократно: сильно деформируется контур выработки, осложняя работу транспорта, возникают разрушения крепи и обрушения пород, повышается вероятность динамических явлений. Такие ситуации возникают и в основных подготовительных выработках (этажные, панельные и блоковые штреки, бремсберги и уклоны) к состоянию которых предъявляются особые требования, поскольку это связано со стабильной и безопасной работой целого крыла, а порой и всей шахты.

К настоящему времени разработаны методики и рекомендации по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок, находящихся в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов. Однако анализ показал, что прогноз проявлений горного давления, выполненный согласно действующим отраслевым документам, в ряде случаев значительно отличался от фактических проявлений в Челябинском и других бассейнах, а рекомендации по управлению горным давлением были недостаточно эффективными. Причиной сложившейся ситуации явилось несовершенство методик прогноза состояния выработок и технических решений по их поддержанию.

В частности, в ныне действующих отраслевых “Указаниях по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах” (Л.:ВНИМИ,1986 г.), состояние выработок в зонах влияния целиков определяется независимо от их ширины и без учёта фактора времени.

В связи с этим вопросы установления закономерностей влияния целиков и краевых частей пластов на состояние основных подготовительных выработок, разработка более полных методик прогноза проявлений горного давления и рекомендаций по управлению горным давлением являются актуальными.

В основу диссертации положены результаты исследований лаборатории горного давления Уральского филиала ВНИМИ, выполненных по темам НИР отраслевых планов института, НИИОГР, Уральского государственного горного университета и договорных работ с ОАО «Челябинскуголь» за период с 1986 по 2005 гг. В проведенных исследованиях автор принимал участие в качестве исполнителя.

Объект исследования – основные выработки, расположенные вблизи целиков и краевых частей угольных пластов.

Предмет исследования - состояние выработок в зависимости от поля напряжений в зоне влияния целиков и краевых частей угольных пластов.

Цель исследования – усовершенствование методики прогноза проявлений горного давления в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов и технических решений по рациональному расположению, охране и поддержанию основных подготовительных выработок.

Идея работы заключается в комплексной оценке состояния горных выработок, расположенных в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов, на основе определения величин и направлений главных напряжений.

Основные задачи исследований:

- разработка методики определения величин и направлений главных напряжений в зоне влияния целиков и краевых частей пластов угля, в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов (глубины залегания горных пород, их прочности, вынимаемой мощности пласта, размеров целиков и отработанных участков, прилегающих к ним), а также фактора времени;

- установление закономерностей влияния повышенного и пониженного поля напряжений вблизи целиков и краевых частей на состояние горных выработок;

- разработка рекомендаций по выбору рационального места расположения и поддержания подготовительных выработок на основе оценки поля напряжений, возникающего под целиками и краевыми частями угольных пластов.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий шахтные инструментальные наблюдения, лабораторные испытания на моделях из эквивалентных материалов, аналитические исследования;

научное обобщение экспериментальных и теоретических работ на основе положений механики горных пород.

Обоснованность и достоверность научных положений и рекомендаций подтверждается:

представительным объемом натурных, лабораторных и аналитических исследований; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов прогноза по предложенной методике за проявлениями горного давления с результатами шахтных наблюдений; производственным опытом положительного внедрения рекомендаций по подержанию подготовительных выработок в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов.

Научные положения, защищаемые в диссертационной работе, и их новизна:

-методика оценки параметров напряжённо–деформированного состояния массива пород в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов на основе экспериментально–аналитического подхода, отличающаяся тем, что граничные условия на уровне влияющего пласта определяются экспериментально и установлена зависимость углов давления от основных горно-геологических и горнотехнических факторов;

-основой методики оценки состояния выработок, расположенных вблизи целиков и краевых частей угольных пластов являются величины и направления главных напряжений;

-рекомендации по рациональному расположению, охране и поддержанию подготовительных выработок в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов, отличающиеся тем, что в качестве показателя влияния зон повышенного горного давления принят коэффициент увеличения давления, определяемый отношением эффективных разностей главных напряжений в возмущенном поле и в геостатическом.

Личный вклад автора в получении научных результатов заключается:

в проведении натурных, лабораторных и аналитических исследований; анализе и обобщении результатов исследований; разработке методики прогноза и рекомендаций по управлению состоянием подготовительных выработок, расположенных в зонах влияния целиков и краевых частей пластов угля, с учетом ряда основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

Практическая ценность работы заключается в достоверном выборе рациональных мест заложения подготовительных выработок и усовершенствовании рекомендаций по их поддержанию вблизи целиков и краевых частей угольных пластов.

Реализация работы. Результаты исследований, полученные автором, доведены до практического использования на шахтах Уральского региона. Часть результатов вошла в проект нормативного отраслевого документа ”Указания по управлению горным давлением в очистных забоях угольных шахт” (Л.:ВНИМИ,1987 г.). Отдельные, более поздние результаты исследований были внедрены для решения вопросов управления горным давлением в подготовительных выработках на шахтах ОАО ”Челябинскуголь”, “Вахрушевуголь”, ”Кизелуголь”.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены:

на Всесоюзном научно-техническом совещании «Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны» (г. Свердловск, 1987 г.); научно-технических конференциях СГИ (г. Свердловск, 1987 г.); ПО ”Кизелуголь”

(г. Кизел, 1987 г.), ПО ”Челябинскуголь” (г. Челябинск, 1988 г.); в отделе горных работ ОАО ”Уралгипрошахт” (1996 г.); на научном семинаре кафедры разработки пластовых месторождений Уральского государственного горного университета (г. Екатеринбург

2005 г.); на заседаниях НТС Уральского филиала ВНИМИ

(г. Екатеринбург, 1986-2005 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения. Содержит 123 страницы машинописного текста, 44 рисунка и 8 таблиц. Список использованных источников включает 146 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса, постановка задач,

объекты и методы исследований

Характерной особенностью угленосных отложений Челябинского бассейна является их большая изменчивость по элементам залегания пластов и по составу пород. Прочность пород составляет 9 …15 МПа на глубине производства горных работ 50 … 100 м, 30 … 75 МПа на глубине 600 … 700 м, угля соответственно от 8 … 10 до 17 … 22 МПа. Продуктивная толща содержит от 5 до 30 пластов бурого угля мощностью от 0,8 … 1,0 до 60 … 80 м.

Практически на всех шахтах принят нисходящий порядок отработки пластов длинными столбами по простиранию с полным обрушением. Глубина горных работ составляет 300 … 650 м. В настоящее время протяженность ежегодно поддерживаемых выработок составляет порядка 100 тыс. м. Основной причиной ухудшения состояния подготовительных выработок является снижение отношения прочности пород к геостатическому давлению с ростом глубины горных работ. Дополнительным фактором вредного влияния является наличие целиков и краевых частей угольных пластов, расположенных над выработками. В зоны влияния повышенного горного давления (далее по тексту – ПГД), попадает ежегодно от 20 … 30 % всех поддерживаемых выработок, их состояние оценивается от удовлетворительного до весьма плохого. Аналогичным образом обстоит дело на многих шахтах России и за рубежом.

Влияние целиков и краевых частей угольных пластов исследовалось для обоснования рациональных способов расположения, охраны и поддержания горных выработок, прогноза и профилактики динамических явлений, управления горным давлением в очистных забоях.

Значительный вклад в исследования данного направления внесли учёные С. Г. Авершин, А. А. Борисов, Н. П. Бажин, Ю. И. Бурчаков, В. И. Дорошенко, В. П. Зубов, А. М. Ильштейн, Г. Н. Кузнецов, В. Н. Корнилков,

С. Н. Комиссаров, С. А. Летов, А. М. Линьков, Н. Т. Лысенко, О. И. Мельников, И. М. Петухов, И. А. Петухов, В. В. Ржевский, И. А. Турчанинов, И. Л. Черняк, В. И. Чернов, Я. Фармер, Г. Эверлинг, О. Якоби и др.

На первых этапах исследований вопросов влияния целиков и краевых частей угольных пластов на горные выработки давалась лишь качественная оценка. Очертания зон определяли зону ПГД как таковую, но насколько сильно проявляется давление в той или иной точке зоны, чётких рекомендаций не было. Установлено, что степень вредного влияния во многом определяется расстоянием от влияющего пласта и глубиной горных работ, прочностью пород междупластья, взаимным расположением выработки относительно неотработанных участков и их размерами в плане, вынимаемой мощностью пластов.

В 1986 году ВНИМИ совместно с рядом других организаций разработали и издали «Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах». В данном нормативном документе уже содержалась методика определения параметров зон ПГД, включающая и количественную оценку влияния целиков и краевых частей угольных пластов в зависимости от места расположения выработки. При этом относительные дальности распространения определялись в долях от ширины зоны опорного давления по влияющему пласту.

Наряду со значительной прогрессивностью этих «Указаний…», они имели и недостатки. В частности, дальность и степень влияния целиков на подготовительные выработки приняты без достаточного учета их ширины и фактора времени. Анализ рассчитанных параметров влияния целиков и краевых частей пластов, выполненный согласно этому документу, показал, что для условий шахт Челябинского бассейна размеры зон влияния, как правило, были существенно завышены, а рекомендации по расположению, охране и поддержанию подготавливающих горных выработок адекватны не во всех случаях.

Причиной сложившейся ситуации явилась недостаточная изученность закономерностей влияния целиков и краевых частей пластов на состояние подготовительных выработок вообще и, в частности, для условий шахт Челябинского бассейна, где ранее такие систематические исследования были проведены только в 1970-х годах. При этом обобщение материала основывалось на упрощенных инженерных решениях. Поэтому перенос полученных результатов на более широкий спектр горно-геологических и горнотехнических условий был малообоснованным. В более поздние периоды такие исследования были фрагментарными. За это время глубина горных работ изменилась от 100…300 м. до 300…600 м.

На основе выполненного анализа состояния изученности вопросов были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка методики определения величин и направлений главных напряжений в зонах влияния целиков и краевых частей пластов угля, в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов (глубины расположения выработок, прочности пород, размеров целиков и отработанных участков, прилегающих к ним, вынимаемой мощности пласта, фактора времени).

2. Установление закономерностей влияния повышенного и пониженного поля напряжений вблизи целиков и краевых частей на состояние горных выработок.

3. Разработка рекомендаций по выбору рационального места расположения и поддержанию подготовительных выработок на основе оценки поля напряжений в зонах влияния целиков и краевых частей угольных пластов.

2. Экспериментальные исследования влияния целиков и краевых частей угольных пластов на подготовительные выработки

Приведены результаты шахтных наблюдений за состоянием подготовительных выработок. Выполнена оценка влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на размеры зон ПГД в зависимости от ширины зоны опорного давления на влияющем пласте. Выполнены исследования прочностных свойств горных пород на различных глубинах. Для решения поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включающий:

- натурные исследования: обследование шахт, визуальные наблюдения, инструментальные наблюдения, специальные шахтные эксперименты, отбор проб пород для лабораторных исследований;

- лабораторные исследования, в которые входят: моделирование, изучение физико-механических свойств горных пород;

- экспериментально–аналитическая оценка состояния напряжённо-деформированного состояния горных пород в зоне влияния целиков и краевых частей угольных пластов.

На основании анализа, обобщения инструментальных наблюдений и математической обработки результатов установлено, что между размером зоны временного опорного давления впереди очистной выработки Lод, глубиной разработки Н и вынимаемой мощностью пласта mв существует зависимость, приведенная в таблице. В результате аналитических решений определён коэффициент концентрации давления у груди забоя лавы Kmax при глубине разработки Н = 200…600 м, вынимаемой мощности пласта mв = 1,5…3,5м, который составил: Kmax = (2,2…2,6) γН; на границе зоны опорного давления Kmax = (1,1…1,15) γН (см. таблицу).

Размер зоны влияния ПГД (далее по тексту – дальность влияния) под краевую часть пласта по нормали к напластованию составлял (0,6 … 1,1) Lод, на уровне влияющего пласта, в сторону массива (0,5…1,0) Lод, в сторону выработанного пространства (0,1…0,2) Lод. Сильное влияние под кромку краевой части проявляется на глубину (0,3…0,5) Lод, в плоскости пласта, в сторону массива (0,3…0,5) Lод, в сторону выработанного пространства до 0,1Lод.

Дальность влияния по глубине под целиком шириной (0,5…1,25) Lод составляла до 1,5 Lод, в сторону выработанного пространства до 0,25 Lод. При ширине целика менее 0,05 Lод влияние его было либо слабым, либо совсем не отмечалось.

Дополнительно к результатам шахтных исследований были выполнены исследования на моделях из эквивалентных материалов по общеизвестной методике Г. Н. Кузнецова.

Отработано 5 моделей: глубина составляла 50…170 см, мощность междупластий 0…60 см, вынимаемые мощности пластов 3 см, прочность материала моделей бсж. м. = 0,04…0,05 МПа, удельный вес γ = 0,015 МН/м3.

Зависимость параметров опорного давления от основных горно-геологических и горнотехнических факторов

Н, м

mв, м

Lод

Н

b

Kmax

d

KLц

KLш

1

200

1

29

64

12

2,28

1,6

1,15

±0,05

1,10

±0,05

2

2

37

81

15

2,26

3,0

3

≥3,5

43

92

17

2,23

4,4

4

300

1

41

96

16

2,41

2,1

5

2

52

121

20

2,39

3,6

6

≥3,5

60

139

23

2,35

5,2

7

400

1

52

128

20

2,54

2,3

8

2

67

161

25

2,52

4,2

9

≥3,5

76

185

29

2,46

6,0

10

500

1

62

160

24

2,56

2,3

11

2

77

202

30

2,47

4,3

12

≥3,5

88

231

35

2,39

6,0

13

600

1

71

192

28

2,59

2,4

14

2

87

242

35

2,42

4,4

15

≥3,5

100

277

40

2,31

6,1

Примечание

Lод – размер зоны временного опорного давления впереди лавы, м;

LγН – размер выработанного пространства, при котором давление вблизи

его центра достигает первоначального, м;

b – параметр, характеризующий снижение давления в упругой части зоны временного опорного давления, м;

Kmax – максимальный коэффициент концентрации у груди забоя лавы, в

долях от γН;

d – расстояние от груди забоя до местоположения максимума опорного

давления, м;

KLц – уровень давления на расстоянии равном Lод по центру лавы в долях

от γН;

KLш – уровень давления на расстоянии равном Lод по конвейерному штреку лавы в долях от γН.

При моделировании установлено:

- результаты моделирования согласуются с результатами шахтных наблюдений;

- подтверждаются известные результаты исследований о том, что негативные проявления горного давления под целиками и краевыми частями обусловлены более высоким напряженным состоянием горных пород;

- если зона ПГД по уровню нормальных напряжений и по дальности влияния в сторону массива и под кромку краевой части согласуется с результатами шахтных исследований, то в сторону выработанного пространства конфигурация зоны с повышенными напряжениями по моделированию не удаляется дальше, чем линия проведённая по нормали к напластованию от створа кромки краевой части пласта;

Угольная промышленность      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника