Материал: Геомеханическое обеспечение горных работ

для предотвращения распространения вывалов породы из кровли предусматривать упрочнение пород химическими анкерами или нагнетанием составов.

Основой для выбора типа механизированной крепи является соответствие её характеристики горно-геологическим условиям эксплуатации, проверка механизированной крепи по фактору горного давления. Эти факторы рассмотрены в курсе УСМГП.

Лекция 9. Геомеханика надработки и подработки угольных пластов

В шахтном поле в большинстве случаев расположен не один, а несколько пластов, т.е. свита пластов. Если пласты расположены на значительных расстояниях один от другого (70-200 м), то порядок отработки пластов может быть как снизу вверх, так и сверху вниз. При небольшом расстоянии между пластами порядок отработки пластов играет большую роль. В связи с этим, сближенные пласты, при разработке которых надо учитывать их совместное залегание.

Нисходящий порядок выемки пластов имеет наибольшее распространение. Если выемка сближенных пластов начинается с верхнего пласта, то такой порядок называется надработкой пласта. Верхний пласт - надрабатывающий; нижний - надрабатываемый.

Надрабатываемый пласт подвергается сложному процессу нагружения и разгрузки на площади большей, чем отрабатываемая площадь верхнего пласта. Под влиянием оказываются очистные и подготовительные выработки надрабатываемого пласта (рис. 9.1)

Для безопасного ведения очистных работ на нижнем пласте необходимо знать расстояние, на которое должен отставать забой лавы на нижнем пласте, определяемое по формуле:

,                            (9.1)

где L1 - расстояние от забоя лавы до границы опорного давления верхней лавы (80-120 м);

,                      (9.2)

М - междупластье, м;

L3 - запас, учитывающий неравномерность подвигания лав, равен 30 - 40 м;

Рисунок 9.1 - Схема надработки пласта

Нижний пласт в результате надработки претерпевает попеременно сжатие и разгрузку от двух волн напряжений - передней и задней зон опорного давления надрабатывающего пласта. Это приводит к уменьшению мощности пласта, к его разрушению или утонению, создает благоприятные условия для газоотдачи, а в месте пониженных напряжений происходит расширение пласта.

Для того, чтобы нижний пласт не подработал верхний пласт, минимальное его отставание не должно быть меньше, определенного по формуле:

,                           (9.3)

где δ - угол сдвижения пород по простиранию (85 град.).

Характер и величина деформации пород в надрабатываемых выработках зависят от мощности, структуры и свойств пород междупластья, способа проведения выработки, её охраны. В подработанных и надработанных зонах выделяют три зоны (рисунок 3.1): I - зона сжатия пласта и пород; II - зона разгрузки пласта и пород; III - зона уплотнения надработанной толщи. В зоне сжатия надрабатываемого пласта при М = 50 м зафиксировано уменьшение мощности пласта на 0,3 %; в зоне разгрузки - расширение на 0,4 % за счет увеличения пористости надрабатываемых пород и пласта. Зона уплотнения протяженная; процесс уплотнения длительный; напряжения восстанавливаются до гидростатических. Общий характер вторично подрабатываемого массива аналогичен характеру деформаций пород толщи при первичной надработке. Однако, при вторичной надработке максимальные величины и скорости деформаций в зонах сжатия и разгрузки характеризуются меньшими величинами. Таким образом, первичная надработка сопровождается качественным изменением свойств пласта и пород, которые сохраняются длительное время (более 5 лет).

Подработка пласта - это влияние разработки нижнего пласта (подрабатывающего) на вышерасположенный (подрабатываемый) пласт. При подработке верхний пласт может попадать в различные зоны. Разрешается подрабатывать пласт, если он попадает во II зону сдвижения массива (зону последовательного, послойного прогиба пород с разрывом сплошности) и в верхние, но не в I зону обрушенных пород. При этом междупластье должно быть:

,                         (9.4)

где m - мощность пласта, м, (до 2,0 м).

Для Донбасса при мощности пласта до 1,5 м пригодна формула А.П. Килячкова.

,                             (9.5)

где α - угол падения пласта, град.

На рисунке 9.2 показано взаимное расположение лав при подработке пласта, где также, как и при надработке, выделены три зоны напряжений.

Рисунок 9.2 - Схема подработки пласта

В зоне сжатия на верхнем пласте (II зона) его мощность уменьшается на 0,2 % при междупластье 25 м, а в зоне разгрузки увеличивается на 0,4 %. Происходит дренаж газа, осушение верхнего пласта, предварительно разламывается основная кровля, что благоприятно сказывается при отработке верхнего пласта. Это приводит к тому, что опасные по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа пласты становятся не опасными. Подработка и надработка пластов - самое эффективное мероприятие для предотвращения динамических явлений.

,                          (9.6)

где L2 -шаг осадки основной кровли.

Лекция 10. Расположение полевых выработок

ВНИМИ рекомендует охранять основные выработки: целиками; в оболочке целиков (см. рис. 10.1).

Рисунок 10.1 - Охрана выработок целиками по ВНИМИ

Расположение целиков над целиками приводит к синергетическому эффекту, а взаимодействие зон опорного давления способствует его умножению и, поэтому целики должны быть шириной 300 м и более.

Назимко В.В. и др. (Дон ГТУ) предложили три способа охраны выработок (рис. 10.1): образование региональной зоны разгрузки (а) и сохранение её защитными полосами угля по собственному пласту и предохранительными целиками по смежным пластам; б - для повышения надежности сохранения разгрузочной зоны использовать закладочный массив; в - способ на использовании эффекта разгрузки, возникающего на участках наложения краевых частей выработанных пространств.

а)                          б)                        в)

Рисунок 10.2 - Способы охраны выработок ДонГТУ

Предложены также три механизма деформирования надрабатываемых выработок: разрушение под действием отжимающих напряжений в зоне I под угольным пластом (рис. 10.3);

а)        б)

Рисунок 10.3 - Смещение пород в выработках при надработке (а); распределение зон напряжений (б)

Разрушение пород происходит за счет разуплотнения в зоне I, под действием вращающегося тензора напряжений в зоне II, разрушение только под действием касательных максимальных напряжений (зона III).

Механизм стабилизации конвергенции на уровне насыщения заключается в том, что ранее разрушенные породы, примыкающие к контуру выработки перемещаются радиально, сжимаются, самозаклиниваются под действием растущей и разуплотняющейся зоны неупругих деформаций.

На рисунке 10.4 показано распределение напряжений и зон в массиве, окружающем выработку при её надработке, где 3 область разуплотнения; 4 - область относительного сжатия; 5 - кривая распределения напряжений.

Рисунок 10.4 - Распределение зон в окрестности выработки

Расклинивающий эффект неустойчив. Главная форма потери устойчивости - складкообразование в кровле, в почве выработки.

Таким образом, процесс деформирования пород в окрестности надрабатываемой выработки определяется сочетанием механизмов деформирования и уровнем конвергенции насыщения. При этом имеет место субординация механизмов деформирования. Если сочетание действующих напряжений в движущейся зоне опорного давления и прочности пород таково, что породы успевают разрушиться через 1-2 месяца, тогда включается первый механизм разрушения в зоне опорного давления. Дальнейшее включение второго и третьего механизмов зависит от соотношения накопленной конвергенции и уровня её насыщения.

Если разрушение по первому механизму исчерпано полностью, остальные механизмы не запускаются. Критическая зона устойчивости III, где действуют максимальные касательные напряжения и возникают соответствующие деформации, выработка может хорошо пройти зону I, но разрушиться в зоне III (кривая 5 на рис. 10.3).

На рассмотренных выше механизмах основаны способы обеспечения устойчивости выработок. Выбрав допустимый уровень конвергенции насыщения (учитываются горно-геологические и горно-технические факторы) надрабатывают выработку, а через 3 - 4 месяца после зоны активного сдвижения выработку ремонтируют. Второе направление - замораживание градиента деформации вокруг контура выработки, при котором сохраняется кольцевая зона сжатых пород у контура выработки и разуплотненная зона в глубине массива, способная быть компенсатором сдвижения. Управлять смещением пород на контуре выработки так, чтобы смещения были равномерными и радиальными, т.е. бороться с образованием складок в кровле и в почве, так как они снижают распор. Доля первичного трещинообразования 5-20% от общего смещения, 80-95% конвергенции реализуется после возникновения породных складок и в результате их развития.

Для предупреждения складкообразования рекомендуется способ локального анкерования (рисунок 10.5) другие виды усиления крепи направленного характера. Рекомендуемая схема расположения анкеров в 1,5 - 5 раз эффективнее традиционной.

Рисунок 10.5 - Схема локального анкерования

Лекция 11. ПОДГОТОВКА ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ

.1 Определение основных параметров зон повышенного горного давления (ПГД) от целиков, оставленных на соседних пластах

В зависимости от ширины целика, прочности угля, мощности пласта, степени нарушенности в предельном состоянии может находиться весь целик или только его краевые зоны. Обычно размеры целиков больше удвоенной ширины зоны предельного состояния угля, поэтому с достаточной точностью эти зоны не учитываются. На рисунке 11.1 показано расположение зоны ПГД и величины напряжений.

Рисунок 11.1 - Схема расположения зоны ПГД

Контур зоны ПГД замкнут, так как целик находится в окружении отработанного пространства двух лав. Зона ПГД строится так: откладываются значения l1 и l2 от нормали проведенной по центру целика. l1 и l2 определяются по формулам:

;                              (11.1)

,                              (11.2)

Δl1 и Δl2 определяются по таблицам и зависят от длины лавы, расстояния от целика вниз.

По таблице определяется значение максимального напряжения и напряжения на участке равном 0,1 половины длины лавы. Дальность зоны ПГД не превышает трех размеров зон опорного давления.

При этом используется приведённая расчётная мощность междупластья

,                         (11.3)

где h - фактическая мощность междупластья, м;

Кн - коэффициент, учитывающий влияние неоднородности пород междупластья

,                        (11.4)

η - процентное содержание песчаников, известняков в междупластье;

fП - коэффициент крепости песчаника;

fС - коэффициент крепости сланцев.

При определении параметров зон ПГД от краевых частей надрабатывающих и подрабатывающих пластов по таблицам следует определить параметры зоны при отношении ширины целика к половине длины лавы равном единице.

От степени опасности зон ПГД зависит выбор мер по управлению горным давлением. Для пластов с углом падения менее 35°: ПГД повышенной опасности на расстоянии от целика до 50 % от максимальной зоны ПГД; опасные при 50-75 % и прогнозные на глубине более 75 %. На пластах с углом падения более З5° значения для степеней опасности следующие: 1 до 45 %; II 45-70 %; III более 70 %.

В зонах повышенной опасности резко снижается устойчивость пород непосредственной кровли в очистных забоях, увеличивается отжим угля, наблюдается зажатие секций механизированных крепей, возможны завалы лав.

В опасных зонах снижается устойчивость непосредственной кровли, увеличивается количество и высота вывалов, возможны случаи завалов лав.

В прогнозных зонах устойчивость кровли снижается незначительно и не оказывает влияние на ведение работ.

Максимальна глубина распределения зоны ПГД составляет 0,9 длины лавы.

Для обеспечения безопасной работы в лавах на участках ПГД I, II зон опасности необходимо увеличить плотность крепи, предварительно упрочнять кровлю.

11.2 Основные правила подготовки выемочных полей

. Пласты отрабатывать в нисходящем порядке; выработки располагать в разгруженных от горного давления зонах, но следует учитывать и опасность, вызванную пониженным давлением.

. Не оставлять в выработанном пространстве одиночных или протяженных больших целиков.

. При проведении выработки параллельно геологическому нарушению её следует располагать на значительном расстоянии; не рекомендуется при этом располагать выработку в лежачем боку пологих надвигов.

. Полевые выработки располагать в устойчивых породах, лучше всего под нижним пластом.

. Расстояние между полевыми выработками, квершлагами, выработками околоствольного двора не менее трехкратной ширины или высоты выработки большего сечения.

. Этажные квершлаги необходимо располагать по вертикали один под другим.

. При работе лавы от квершлага монтажную камеру располагают в 20-40 м от него и работы ведут на квершлаг.

. Пластовые уклоны следует располагать за зоной опорного давления лав. Если отрабатывается несколько пластов, то целики для охраны уклонов нельзя применять, необходимо работать лавами от уклонов при односторонней работе лав.

. Рекомендуется выход лав на базовую выработку без оставления целиков.

. Можно использовать базовые выработки (основные) в качестве монтажных камер, применяя при этом дополнительные мероприятия: проведение выработки повышенного сечения; упрочнение боков выработки анкерами; возведение литой полосы со стороны выработанного пространства. На удароопасных пластах лавы располагают не перпендикулярно основной выработке, а под некоторым углом.

Лекция 12. РАСПОЛОЖЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ВЫРАБОТОК

.1 Условия разработки пластов на больших глубинах

Отличия разработки угольных пластов на больших глубинах обусловлены изменением горно-геологических условий залегания пластов. Распределение пластов по обрушаемости кровли следующее: категория А1 - 13,1 %; А2 - 65,5 %; А3 - 13,6 %; А4 - 1,1 %; А4 - 6,7 %, т.е. категории А1 меньше на 37 %, на 30 % больше для А2.

По устойчивости нижнего слоя: Б1 - 5,5 %; Б2 - 16,3 %; Б3 - 37 %; Б4 - 31,.5 % ; Б5 - 9,7 %.

Прогнозируется температура пород на глубине 901 - 1200 м: 26,8 - 52,7°С; на глубине 1201 - 1800 м: 35,6 - 74,.8°С. Геотермический градиент (1,3 -3,9°С)/100 м.

Опасные по выбросам угля и газа 20 % пластов; 11 % - по самовозгоранию. Ожидаемый приток воды менее 2 м3/т.

Увеличится выделение газа в выработки за счёт выделения из песчаников.

На глубине более 800 м сосредоточено 15 % всех запасов угля в Донбассе.

Имеются сведения о 100 крупных геологических участках, запасы угля которых превышают 5 млрд. т. Длина участков 5 - 18 км по простиранию; 9 - 9,5 км по падению. Количество пластов - от 1 до 20 при мощности 0,65 - 1,1 м. Угол падения 10 - 13°. Промышленные запасы шахтных полей 55 - 390 млн. т.