Материал: Геомеханическое обеспечение горных работ

Геомеханическое обеспечение горных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ДонГТУ)

Н.К. Клишин

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ГОРНЫХ РАБОТ

Конспект лекций по специальности 7.090301

"Разработка месторождений полезных ископаемых"

Рекомендовано

Ученым советом ДонГТУ

Протокол № 4 от 22.04.05 г.

Алчевск

ДонГТУ

УДК 622.831.023

Клишин Н.К. Геомеханическое обеспечение горных работ: Конспект лекций. - Алчевск: ДонГТУ, 2005. - 98 с.

В конспекте лекций приведен систематизированный материал по вопросам дисциплины "Геомеханическое обеспечение горных работ" для студентов по специальности 7.090301 "Разработка месторождений полезных ископаемых"

Табл. 4                          Ил. 38                  Библиогр. назв. 16

Лекция 1. Общая характеристика ГОГР

Горно-геологические условия отработки угольных пластов ухудшаются. Происходит качественное изменение условий работы очистных и поддержания подготовительных выработок. Это связано с увеличением глубины разработки угольных пластов.

В украинской части Донбасса на глубине до 300 м работают 14,4% лав; на глубине от 301 до 600 м - 35,6%; от 601 до 900 м - 18,8%; более 900 м - 31,2%.

Увеличиваются затраты на поддержание подготовительных выработок, главным образом из-за увеличения пучения почвы. Породы с прочностью 30-50 МПа под влиянием очистных работ, когда увеличивается напряжение в 2-3 раза по сравнению с напряжениями в нетронутом горными выработками массиве, теряют свою прочность. Такого явления не наблюдалось на малой глубине, то есть мы как бы работаем в условиях менее прочных пород.

С увеличением глубины разработки значительно осложняется отработка свиты пластов. Уже нельзя оставлять целики для охраны выработок не только на отрабатываемом пласте, но и следует учитывать их влияние на ниже и выше отрабатываемые пласты. В эксплуатации ежегодно находятся 11600 км выработок, 10,2 % которых не соответствуют требованиям правил безопасности. Из всех подземных рабочих 23,4 тыс. составляют крепильщики. Трудоёмкость ремонта выработок составляет 53 чел.-см./1000 т угля; "Луганскуголь", трудоёмкость ремонта 1 м выработки - 1,58 чел.-см. В связи с прогнозируемым ростом смещений пород в выработку в три раза на глубине 1000 м по сравнению с глубиной 500 м, следует ожидать значительный рост объёма ремонтных работ.

Уменьшение затрат на поддержание выработок может быть достигнуто геомеханическим обоснованием принимаемых решений, при котором предполагается тщательное изучение горно-геологических и горнотехнических условий, выбор наивыгоднейшего варианта проведения и охраны выработки с оптимальными параметрами, инструментальные наблюдения за проявлениями горного давления, разработка и осуществление мер воздействия на массив для обеспечения устойчивости выработок. Что из перечисленного выше мы знаем, что нового в курсе "Геомеханическое обеспечение горных работ"?

Известны закономерности механических процессов, происходящих в массиве горных пород (механика горных пород) методы расчета конструкций крепи подготовительных выработок (механика подземных сооружений), способы и средства регулирования параметров механических процессов для обеспечения устойчивого состояния очистных и подготовительных выработок (управление состоянием массива горных пород).

Нет решений для предотвращения пучения почвы, а если имеются для определенных условий, то они трудоемки, не технологичны и не применяются на практике. Известные решения разработаны для средних условий, но не учитывают особенности массивов в районах геологических нарушений, на большой глубине; недостаточно надежно определяются исходные данные, несвоевременно прогнозируются, измеряются проявления горного давления, несвоевременно применяются дополнительные меры. Применяемые способы управления горным давлением должны отвечать непрерывно изменяющимся горно-геологическим условиям, развитию техники и технологии горных работ, ужесточению требований к безопасности и экономичности горного производства. Все это предусмотрено в рассматриваемой ниже новой учебной дисциплине.

Геомеханическое обеспечение горных работ - научная дисциплина о проявлениях горного давления в выработках, способах и средствах изменения их параметров для обеспечения устойчивости выработок. Это прикладная механика горных пород или практическая геомеханика, она содержит систему знаний, основные элементы которой следующие:

сбор, хранение и обработка исходной информации;

определение и прогноз базовых характеристик массива по результатам измерений проявлений горного давления;

анализ и прогнозирование поведения массива и элементов крепи при изменении состояния природотехнической системы;

принятие мер.

Таким образом, необходима замкнутая система мониторинга (слежения) за изменением горного давления, принятие мер и снова наблюдения за их эффективностью, т.е. непрерывный процесс контроля, прогноза и целенаправленного изменения состояния природотехничеоких систем. Для выполнения этой работы на шахтах должны быть созданы группы горного давления или её выполнение поручено работникам технического отдела шахты.

Группа горного давления: специалист по вопросам геомеханики, геолог, два сотрудника. Согласно приказу 6. министра угольной промышленности № 315 от 24.06.1980 г. комплект приборов и оборудования для оснащения группы горного давления: рулетка измерительная; стойка измерительная универсальная СУИ-2м; стойки реостатные СР-2, СР-3; микрометрическая стойка СМ-1; реперы к стойкам, глубинные реперы; комплект аппаратуры на основе фотоупругих датчиков (датчик типа ФДО, эжектор, установочная штанга; динамометры ЭД-5, ЭД-10, ЭСД-15, ЭСД-20, ЗСД-25, ЭСД-50); фотоупругие датчики типа ФДО-2Е; самопишущий регистратор СРД-1; измеритель деформаций ИИД-3; переключатель ПДШ-15; полярископ ПШ-1м, ПШ-2м, ПШ-Зм; прибор БУ-39; индикатор давления в гидростойках.

Задачи, стоящие перед работниками групп горного давления:

детально на научной основе прогнозировать горно-геологические условия отработки пласта на конкретном участке шахтного поля;

заранее определять зоны повышенного давления, участки с отличными условиями (нарушения, ложная кровля, обводненные и др.) и возможные проявления горного давления;

обеспечить наименьшее воздействие горного давления на очистные и подготовительные выработки;

оптимизировать схемы подготовки выемочных участков;

количественно и качественно оценивать проявления горного давления в выработках.

Задачи необходимо рассматривать в единой системе.

Системный подход - методология нашего курса, т.е. как изучать (какими способами и средствами для решения одной большой задачи). Работниками угольных шахт основным для решения задач практической геомеханики принят метод производственных наблюдений.

Ниже приведена краткая характеристика состояния научных исследований по каждой задаче.

Для прогноза горно-геологических условий отработки используются данные геологической разведки, исследования и замеры при производстве горных работ. Свойства массива оцениваются параметрами, классификациями по устойчивости пород, обрушаемости кровли. Имеются статистические данные для прогноза места, формы и протяженности вывалов породы. Предложено несколько десятков критериев для оценки устойчивости кровли, классификаций. В последние годы нашли применение классификации и методы прогноза условий отработки по многим параметрам. Делаются попытки создания банка условий; машинной обработки исходной информации.

Разработана теория и рекомендации практикам для определения напряжений под и над целиками угля, размеров зон повышенных и пониженных напряжений.

Чтобы обеспечить наименьшее воздействие горного давления, выбирают крепь, способы охраны выработок, управления кровлей в лаве. Эти вопросы рассмотрены в специальных дисциплинах. Например, учитывая экономический фактор можно, допустив большие смещения в выработке, сделать дополнительные затраты на ремонт, но не проводить новую выработку, а использовать повторно отремонтированнную выработку. В нашем курсе практическую задачу решают более тонко, точно. Например, какие необходимы дополнительные меры, чтобы не только сохранить выработку для повторного использования, но и обеспечить такую деформацию крепи, чтобы её можно было извлечь и повторно использовать крепь после ремонта, и таким образом получить существенную экономию средств. То есть, к широко известным способам, средствам разрабатываются оригинальные, приспособленные к конкретным условиям.

Оптимизация схемы подготовки выемочных участков обусловлена сложностью структуры шахты, когда работы ведутся на больших площадях, отрабатываются одновременно несколько пластов, несколько лав с различной скоростью подвигания. В нашей дисциплине предусматривается рассмотреть новые, не вошедшие в нормативные документы решения, основанные на достижениях геомеханики и, особенно для больших глубин.

Каким образом, не только количественно, но и качественно оценить проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках будет изучено в учебной дисциплине Геомеханическое обеспечение горных работ, наряду с известными практическими рекомендациями по предотвращению вывалообразования, работы в сложных горно-геологических условиях, осложнения при ведении горных работ, которые нельзя предотвратить при соблюдении самой совершенной технологии.

После выявления недостатков конструкции крепи или, если установлена большая, чем по расчету скорость опускания пород, признаки деформирования крепи, необходимо разработать дополнительные меры или выбрать лучшие из имеющихся решений, предложить новые. Так, более детально, чем в дисциплине управление состоянием массива горных пород, необходимо разрабатывать конструкции крепи усиления.

Курс "Геомеханическое обеспечение горных работ" содержит четыре раздела, посвященные геомеханическому обеспечению подготовительных, очистных работ, подготовке шахтных полей, особенностям отработки пластов на больших глубинах.

Лекция 2. Смещения и деформации пород в окрестности выработки

Формы разрушения пород в кровле и в почве подготовительных выработок: смятие; прогиб породных слоёв.

Смятие - направленные параллельно напластованию пластические деформации сжатия. На рисунке 2.1 приведен характер деформирования приконтурного массива. В зоне шириной 2В (В - ширина выработки) с обеих сторон, штрека образуются вертикальные, наклонные трещины. Отделенные от массива блоки пород смещаются в полость выработки, сжимая породные слои, в кровле и в почве выработки.

В том случае, если породы слабые при малой ширине выработки образуются остроугольные складки (рис. 2.2 а). Прочные слои при продольном сжатии прогибаются с изломом (рис. 2.2 в). В том случае, если имеется наклонная трещина, образуется надвиг (рис. 2.2 б).

Рисунок 2.1 - Схема деформирования массива

а)                          б)                        в)

Рисунок 2.2 - Формы смятия слоёв

Прогиб породных слоев с разломом происходит под действием нагрузки от собственного веса или рядом расположенных слоев. Форма зависит от возможности бокового перемещения, мощности слоев. Различают семь форм разломов, из которых выделяются: А-, Х-, V- и клинообразный (см. рис. 2.3 а, б, в, и г, соответственно).

В разгруженных в горизонтальном направлении породных слоях, т.е. разрезанных подготовительной выработкой, разрушение пород вызывается исключительно вертикальной составляющей горного давления.

Рисунок 2.3 - Формы разломов слоёв

Виды трещин, разломов: по плоскостям сдвига (рис. 2.4 а), хрупкие (рис. 2.4 б), смешанного типа (рис. 2.4 в), которые дальше подразделяются на простые (1), клиновидные (2), ступенчатые (3), пересекающиеся (4).

Виды разрушения породных слоев с изломами

Стадии развития деформации пород в кровле штрека:

I - в разрезанных штреком слоях образуются трещины, приводящие к ослаблению прилегающего к бокам выработки массива;

II - смятие пород в кровле и в почве с одновременным образованием складок;

III - распространение трещин в выше и нижележащие слои; по плоскостям трещин сдвигается массив, что приводит к увеличению размеров складок, вплоть до полного заполнения выработки.

Рисунок 2.4 - Классификация трещин в боках выработки

I                  II               III

Рисунок 2.5 - Стадии развития деформаций пород в кровле штрека

Характер трещиноватости пород вокруг выемочного штрека, который используется повторно, перед второй лавой приведён на рисунке 2.6

Рисунок 2.6 - Состояние массива горных пород перед второй лавой

Наблюдаются следующие явления:

. Опережающее опорное давление создает систему разломов, распространяющуюся в обе стороны штрека на 15-20м. Разломы над пластом под углом 25-30° к оси штрека. В кровле и в почве наблюдается расслоение.

. При выемке угля в первой лаве монолитный блок опускается вертикально и поворачивается примерно на 20°. В кровле штрека разломы происходят под углом 70° (разлом от изгиба).

. Кровля над штреком раздавлена, имеются зоны S-образных вторичных разломов.

. Уголь выдавливается в полость штрека, в непосредственной кровле разломы, S-образные зоны вторичных разломов.

. В почве сбросовые трещины, по которым интенсивно почва выдавливается в выработку, особенно, если вблизи расположен угольный прослоек. Сбросовые трещины.

При отработке второй лавы появляются трещины в кровле на её сопряжении со штреком, происходят вывалы из непосредственной кровли на значительную длину вдоль лавы. В верхних слоях кровли, сложенной мощными слоями и шероховатыми стенками разломов, зона трещиноватости достигает большой высоты (до трёх диаметров выработки), но трещиноватые породы удерживаются от обрушения за счет бокового распора. По слоям трещины смещены.

Лекция 3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

.1 Влияние типа крепи и формы поперечного сечения выработки на характер разрушения пород