Геомеханическое обеспечение отработки выемочных участков угольных шахт механизированными очистными комплексами в условиях Кузбасса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат наук Риб Сергей Валерьевич

• Риб Сергей Валерьевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Риб Сергей Валерьевич

Введение

1 Обоснование актуальности исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при отработке выемочных участков угольных шахт механизированными очистными комплексами в условиях Кузбасса

1.1 Анализ горно-геологических условий подземной разработки угольных месторождений Кузбасса

1.2 Производственный опыт управления горным давлением при отработке выемочных участков механизированными очистными комплексами на пластах сложного строения

1.3 Методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

1.4 Обоснование актуальности. Цель и задачи исследований

2 Разработка и реализация методики количественного прогнозирования параметров геомеханических процессов в неоднородном массиве горных пород

2.1 Характеристика неоднородного массива горных пород с системой подготовительных горных выработок

2.2 Алгоритм исследований напряженно-деформированного состояния неоднородного массива горных пород при подземной отработки угольных пластов сложного строения

2.3 Программное обеспечение для численного моделирования методом конечных элементов геомеханических процессов в окрестности горных выработок

2.3.1 Комплекс компьютерных программ CoalPillar для численного моделирования геомеханических процессов

2.3.2 Обоснование критерия разрушения угля и пород в окрестности горных выработок

2.4 Физическое моделирование геомеханических процессов в окрестности горной выработки

2.4.1 Подбор эквивалентных материалов

2.4.2 Создание лабораторного стенда и проведение физического моделирования

2.4.3 Обработка результатов физического моделирования и выявление зависимостей деформаций эквивалентного материала от строения пласта

2.5 Тестирование программного обеспечения для численного моделирования деформирования массива горных пород по результатам физического моделирования

2.6 Выводы по главе

3 Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния

неоднородного массива горных пород при отработке выемочных участков по результатам математического моделирования

3.1 Выявление закономерности изменения напряженно-деформированного состояния неоднородного массива горных пород в окрестности подготовительных выработок с учетом пространственного расположения породного прослойка

3.1.1 Влияние наличия породного прослойка в пласте на напряженно-деформированного состояния массива горных пород

3.1.2 Влияние расположения породного прослойка в пласте на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземной выработки

3.2 Выявление закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угольных целиков при переходе очистным механизированным комплексом зоны геологического нарушения

3.3 Влияние ширины целика на характер распределения напряжений и деформаций в массиве в окрестности подготовительных выработок

3.4 Закономерности формирования зон повышенного горного давления под влиянием угольного целика-штампа при отработке свиты пластов

3.5 Выводы по главе

4 Разработка рекомендаций по геомеханическому обеспечению подземной

отработки выемочных участков на пластах сложного строения

4.1 Разработка рекомендаций по использованию методики количественного прогнозирования геомеханических процессов в неоднородном массиве горных пород

4.2 Шахтные исследования смещений пород кровли в передовой выработке выемочного участка по данным замерных станций

4.3 Геомеханическое обоснование параметров технологии отработки угольных пластов в зоне взаимовлияния очистного пространства и передовой выработки

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Свидетельство о регистрации комплекса программ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Апробация работы на специализированной выставке

«Уголь России и Майнинг»

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Справка об использовании результатов исследований

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Справка о рекомендациях к использованию результатов на шахтах

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обеспечение отработки выемочных участков угольных шахт механизированными очистными комплексами в условиях Кузбасса»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современные угольные шахты характеризуются технологическими схемами, включающими 1-2 высокопроизводительных очистных и 3-4 подготовительных забоев. В этой связи даже незначительное отклонение фактических параметров геотехнологии от плановых приводит к ухудшению технико-экономических показателей шахты.

Основными причинами неритмичной работы забоев в пределах выемочных участков угольных месторождений Кузбасса являются: изменчивость мощности, угла падения, глубины разработки; неоднородности пласта (наличие породных прослойков) и вмещающих пород; геологические нарушения, а также техногенные факторы в виде зон повышенного горного давления и взаимного влияния очистных и подготовительных выработок.

Одним из направлений исследований, обеспечивающих снижение негативного влияния указанных факторов, является разработка и реализация методики количественного прогнозирования геомеханических параметров, характеризующейся высокой адаптивностью к геотехнологии отработки выемочных участков угольных шахт с изменчивыми горно-геологическими и горнотехническими условиями.

Геомеханическому обоснованию способов и схем интенсивной подготовки и отработки выемочных участков угольных шахт в сложных условиях посвятили свои работы ведущие ученые НИТУ МИСиС, СПГУ, ЗабГУ, КузГТУ, ТулГУ, ИГД СО РАН и др. Существенный вклад в решение этой задачи внесли:

A.А. Борисов, В.А. Гоголин, П.В. Егоров, О.И. Казанин, В.М. Калинченко, Г.Н. Кузнецов, М.В. Курленя, В.М. Лизункин, В.В. Мельник, Н.М. Проскуряков,

B.Д. Слесарев, В.Н. Фрянов, Н.В. Черданцев, Я. Фармер, Г. Эверлинг, О. Якоби и др.

На основании результатов исследований для типичных горно-геологических условий разработаны схемы подготовки и отработки угольных пластов по интенсивной технологии с применением средств комплексной механизации. Эффективность этих схем подтверждена на практике на ведущих предприятиях

Кузбасса: суточная добыча из очистного забоя — 15-30 тыс. т, темпы подвигания подготовительного забоя 20-30 м в сутки. Однако, в сложных горногеологических и геомеханических условиях эти показатели соответственно составляют 5-10 тыс. т и 8-12 м.

В связи с изложенным, геомеханическое обеспечение отработки угольных пластов сложного строения с изменчивыми в пределах выемочного участка горногеологическими и горнотехническими условиями является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в установлении закономерностей напряженно -деформированного состояния массива горных пород при отработке угольных пластов сложного строения Кузбасса механизированными очистными комплексами.

Основная идея работы состоит в использовании закономерностей изменения параметров геомеханических процессов в пределах отрабатываемых выемочных участков для обеспечения плановой работы очистных забоев.

Задачи исследования:

1. Разработать методику количественного прогнозирования параметров геомеханических процессов в неоднородном массиве горных пород при отработке угольных пластов сложного строения, основанную на математическом и физическом моделировании.

2. Установить по результатам физического и математического моделирования зависимости смещений пласта сложного строения и боковых пород в окрестности подземных горных выработок от расположения и механических характеристик породного прослойка.

3. Выявить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг выработок при отработки угольных пластов сложного строения с изменчивыми в пределах выемочного участка горногеологическими и горнотехническими условиями.

4. Разработать рекомендации по геомеханическому обеспечению подземной отработки выемочных участков на пластах сложного строения.

Методы исследования. Физическое и математическое моделирование геомеханических процессов; шахтные исследования деформаций неоднородного массива горных пород в окрестности выработок и целиков; статистическая и аналитическая обработка результатов исследований.

Объект исследования - массивы горных пород с изменчивыми в пределах выемочного участка горно-геологическими и горнотехническими условиями.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние неоднородного массива горных пород при подземной отработке пластов сложного строения.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Достоверность прогноза напряженно-деформированного состояния массива горных пород при отработке угольных пластов сложного строения обеспечивается применением методики количественного прогнозирования параметров геомеханических процессов, основанной на синтезе методов математического моделирования и результатов лабораторных экспериментов.

2. Оценку уровня и характера распределения напряжений и смещений в окрестности подготовительной выработки следует проводить с учетом наличия и расположения породного прослойка в пласте: наличие породного прослойка в середине пласта с прочностью в 3 раза большей по сравнению с прочностью угля приводит к уменьшению смещений пород почвы на 30 %, кровли на 60 %; при расположении прослойка в нижней части пласта величина коэффициента концентрации напряжений в нем увеличивается в 1,25 раза по сравнению с расположением в середине или в верхней части.

3. Влияние приближения фронта очистных работ к геологическому нарушению на напряженно-деформированное состояние углепородного массива следует учитывать при ширине целика Ь] между фронтом отработки и нарушением менее 0,07 Н (Н - глубина ведения очистных работ) по предельному состоянию угля и вмещающих пород на расстоянии от забоя, равном мощности пласта. При отходе фронта очистных работ от геологического нарушения при ширине целика, равной 0,5 Ь], впереди очистного забоя с увеличением глубины

горных работ коэффициент концентрации вертикальных напряжений определяется по линейной зависимости К=5,45-0,002Н.

4. Прогноз геомеханических параметров, необходимых для обеспечения устойчивости подготовительных выработок на пластах сложного строения при мощности пласта до 2,8м и породного прослойка до 0,7 м, должен основываться на установленных зависимостях смещений пород кровли от расстояния до очистного забоя по экспоненциальному закону и по длине передовой выработки по синусоидальному закону.

Научная новизна работы:

1. Методика математического и физического моделирования геомеханических процессов в массиве горных пород, отличающаяся учетом изменчивости свойств пород и напряженно-деформированного состояния неоднородного массива в окрестности подземных выработок выемочного участка и возможностью количественного прогнозирования геомеханических процессов при подземной отработке угольных пластов сложного строения.

2. Установлены уровень и характер напряженно-деформированного состояния угольного пласта сложного строения в окрестности подготовительной горной выработки при различном расположении породного прослойка в пласте.

3. Определены границы влияния геологического нарушения на напряженно -деформированное состояние углепородного массива при приближении к нему фронта очистных работ и линейная зависимость снижения коэффициента концентрации вертикальных напряжений от глубины разработки.

4. Установлено, что смещения пород кровли в передовой выработке подчиняются экспоненциальному закону распределения при приближении очистного забоя к ней, а по длине самой выработки распределение смещений синусоидальное.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается: представительным объемом экспериментальных и численных исследований; положительным опытом внедрения выводов и рекомендаций работы на угольных

шахтах; соответствием полученных на численных моделях величин смещений кровли выработки, показаниям глубинных реперов в натурных условиях; удовлетворительной сопоставимостью результатов численного моделирования и лабораторных исследований на моделях из эквивалентных материалов.

Личный вклад автора заключается в:

- создании лабораторного стенда для физического моделирования, изготовлении и отработке моделей из эквивалентных материалов;

- создании конечно-элементных моделей массива горных пород, вмещающего горные выработки и учитывающие структурную неоднородность пласта;

- разработке методики прогнозирования геомеханических процессов в массиве горных пород в окрестности подземных выработок выемочного участка на пластах сложного строения;

- в проведении натурных наблюдений в условиях шахт Кузбасса, анализе полученных данных и сопоставлении результатов численных экспериментов с данными натурных наблюдений;

- выявлении закономерностей деформирования массива горных пород в окрестности горных выработок выемочного участка.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при отработке угольных пластов Кузбасса сложного строения механизированными очистными комплексами с изменчивыми в пределах выемочного участка горно -геологическими и горнотехническими условиями.

Отличие от ранее выполненных работ состоит: в выявленных закономерностях распределения геомеханических параметров в меняющихся горно-геологических и горнотехнических условиях выемочных участков при отработке угольных пластов сложного строения.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов оценки напряженно-деформированного состояния неоднородного массива горных пород в пределах выемочных участков с учетом

структуры пласта, геологических нарушений и передовых выработок: на шахтах Кузбасса; в учебном процессе и при проведении научно-исследовательских работ в СибГИУ; при составлении документации по ведению горных работ в пределах выемочных участков и выборе параметров профилактических мероприятий.

Реализация результатов.

Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских и проектных работ на шахтах Кузбасса: филиал «Шахта «Ерунаковская VIII» (отчет по НИР, № 23-05/15 от 01.01.2015г); ООО «Шахта «Алардинская» (отчет по НИР, № 17-12/14 от 03.12.2014г), ООО «Шахта «Юбилейная» (отчет по НИР, № 3-15/П-Г от 16.09.2015г) и др; в учебном процессе СибГИУ при обучении студентов специальности 21.05.04 - Горное дело, специализации «Подземная разработка пластовых месторождений»; выводы и практические рекомендации вошли в учебное издание «Методика количественного прогнозирования геомеханических процессов в неоднородном массиве горных пород при подземной отработке угольных пластов сложного строения», 2019 г. и используются при проведении научных исследований аспирантами кафедры геотехнологии по направлению подготовки 21.06.01.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2008 г.), «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» в рамках выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг» (Новокузнецк, 2008, 2012, 2014-2019 гг.), Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (Кемерово, 2014 г.); Всероссийской научная конференции с международным участием «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2014 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2014-2019 гг.); Всероссийской научной конференции

«Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2017 г.), научных семинарах СибГИУ.

Публикации. Материалы по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых 16 статей, в том числе 7 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 свидетельство о регистрации разработки.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 120 наименований, и содержит 169 страниц машинописного текста, 74 рисунка, 23 таблицы, 4 приложения.

1 ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТРАБОТКЕ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ ОЧИСТНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ В УСЛОВИЯХ КУЗБАССА

Кузнецкий угольный бассейн характеризуется весьма сложными горногеологическими условиями [52, 56, 64, 103, 109, 110]. Среди факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние (НДС) горных пород в окрестности горных выработок выемочных участков выделяются: наличие в пласте породных прослойков; минерализованных включений; размывов; тектонических нарушений; наличие передовых выработок; зон повышенного горного давления (ПГД) от оставленных целиков на соседнем пласте свиты и др. Эти неоднородности, в виду своего уникального геологического генезиса в значительной степени влияют на характер деформирования массива. Влияние геологических нарушений на производительность и безопасность подземных горных работ вызвано формированием опасных зон, которые характеризуются неустойчивыми породами кровли и краевых частей пласта, снижением прочности угля и боковых пород, а также увеличением их трещиноватости [5]. Часто наблюдаются: отжим угля, пучение пород почвы подготовительной выработки, интенсивное образование «заколов» и «куполов» пород кровли и др. Безопасность ведения горных работ в зонах влияния геологических нарушений предусматривается разработкой специальных проектов или мероприятий, которые регламентируются «Положением о порядке и контроле безопасного ведения горных работ в опасных зонах» [66]. Известно, что формируемое техногенное поле напряжений в горных породах в окрестности подготовительных выработок на пластах сложного строения в рассматриваемый момент эксплуатации будет отличаться от поля напряжений на пластах однородного строения.

Современные технологии подземной угледобычи характеризуются интенсификацией процессов выемки угля в забоях, оснащенных механизированными очистными комплексами при отработке выемочных

участков, как правило, на пологих угольных пластах средней мощности и мощных. Широкое распространение нашла система разработки пластов длинными столбами с полным обрушением пород кровли [26, 40, 82]. Для подготовки выемочных столбов, кроме наклонных выработок, разрезной печи, конвейерного и вентиляционного штреков, проходятся диагональные печи (передовые выработки). Необходимость проведения таких выработок на стадии подготовки выемочного столба к отработке состоит в выполнении требований нормативных документов по обеспечению проветривания выработок за счет общешахтной депрессии и выхода людей в аварийных ситуациях в пределах времени действия самоспасателей. При переходе механизированным очистным комплексом диагональной печи, расположенной в выемочном столбе, зачастую происходит снижение объемов добычи.

Недостаточная изученность влияния неоднородностей различной природы на деформирование пород в окрестности выработок выемочного участка резко снижают безопасность и ритмичность работы забоев [1, 3, 8, 23, 25, 35, 37, 43, 51, 70, 102, 106, 112]. В связи с этим неотъемлемой частью этапов проектирования и эксплуатации угольных шахт является проведение комплекса исследований НДС массива горных пород при отработке выемочных участков на пластах сложного строения. Оценку напряженно-деформированного состояния массива горных пород в описанных условиях возможно провести с использованием методов математического и физического моделирования. Однако, эти методы исследований не в полной мере разработаны и адаптированы к изменчивым горно-геологическим и горнотехническим условиям угольных шахт.

1.1 Анализ горно-геологических условий подземной разработки угольных месторождений Кузбасса

Добыча угля в России за 2018 г. составила 439,3 млн т. Из угледобывающих регионов самым перспективным по запасам и качеству угля, состоянию инфраструктуры и горнотехническим возможностям является Кузбасс - здесь производится более половины (58 %) всего добываемого угля в стране и 75 %

углей коксующихся марок. В Кузнецком бассейне (функционирует 42 угольные шахты из 57 в России) добыто за 2018 год 255,3 млн. т угля, что на 14 млн. т больше или на 6%, чем за 2017 г. Удельный вес подземного способа в общей добыче составил 24,7%, а удельный вес объемов добычи угля из комплексно-механизированных очистных забоев (КМЗ) в общей подземной добыче в 2018 г. составил - 87,5 % [93].

Кузнецкий бассейн по угленосности занимает ведущее место в России. Рабочую мощность имеют 125 пластов угля. Присутствуют все марки углей. Продуктивные отложения бассейна представлены главным образом балахонской и кольчугинскими сериями [52]. Удельное содержание в них песчаников составляет около 50% общей мощности отложений, алевролитов - 40%, аргиллитов - 3 %, углей - 6%, других пород - 1 %.

В Кузбассе залегают угольные пласты всех классов мощности: весьма тонкие - до 0,7 м; тонкие - до 1,2 м; средней мощности - 1,21-3,5м; мощные -более 3,51 м. В тонких пластах содержится около 19 % всех запасов, в средних -42 % и в мощных - 38 % [109].

Мощности пластов изменяются постепенно, но в отдельных пластах эти изменения осложнены выклиниваниями, пережимами, размывами, и т.п. Степень изменчивости горно-геологических условий угольных пластов высокая. При этом пологие пласты составляют 28 %, наклонные 19 %, крутонаклонные 24 % и крутые 29 %.

В геологической и инженерной практике принято выделять пласты простого и сложного строения. К пластам простого строения относятся пласты, содержащие чистый уголь, т.е. весь разрез пласта состоит из угля, а к сложным -пласты, содержащие прослойки различного типа и включения - твердые минеральные образования (рисунок 1.1).

В силу условий формирования месторождений морфология и строение угольных пластов отличается большим разнообразием. По литолого-петрографическому составу и физико-механическим свойствам породные прослойки можно разделить на четыре основных типа: глинистые, глинисто-

алевролитовые, прослойки алевролита и песчаника. Породные прослойки неоднородны по составу и характеру контактов.

Рисунок 1.1 - Классификация угольных пластов по строению [47]

Более 50% угольных пластов в Кузбассе имеют сложное строение. Установлено, что в пределах одного шахтного поля строение угольных пластов изменяется [47].

Слои угля, расположенные над и под породным прослойком в пласте называют пачками пласта. Породные прослои и угольные пачки, характеризующие строение угольных пластов, показываются на структурных колонках [52], которые вычерчиваются (в масштабе 1:20 или 1:50). При этом отображение строения, состава и свойств отдельных прослойков и пачек на структурных колонках угольных пластов может быть более или менее детальным.

Изменчивость угла падения пластов, определяется среднеквадратическим отклонением Ба, % , получаемым по формуле

где £а2

а

—

I

2 —2 а - па

п -1

сумма квадратов значения углов падения пласта; среднеарифметическое значение углов

(1.1)

падения

пластов, град; п - число наблюдений.

Для пластов Кузбасса Sa составляет: по пологим пластам 0,8-11,0 %; по наклонным 1-14%; по крутонаклонным 4-15% и по крутым - 1-16% [109].

Изменчивость мощности разрабатываемых пластов, характеризуется коэффициентом вариации ут, определяемым по формуле

ут=^ -1оо, (1.2)

т

где Sm - среднеквадратическое отклонение мощности, м;

т - среднеарифметическое значение мощности пласта, м.

В условиях Кузбасса ут колеблется по пластам средней мощности и мощным от 3 до 35 %.

В настоящее время глубина ведения горных работ на шахтах Кузбасса колеблется от 150 до 750 м. При этом горное давление оказывает негативное влияние на ведение как подготовительных, так и очистных работ.

Прочность вмещающих угольный пласт горных пород на сжатие составляет: 60,5 % до 60 МПА, 30 % - от 50 до 80 МПа и 9,5 % - более 80 МПа. Подавляющее число угольных пластов имеет дизъюнктивную нарушенность и собрано в антиклинальные и синклинальные складки, а также осложнено размывами. В прилегающих к замкам крыльях складок, так же как и в зонах размывов и разрывных нарушений, прочность горных пород резко снижается и отрицательно сказывается на состоянии выработок [106]. Наличие пликативных и дизъюнктивных нарушений влияет на конфигурацию шахтного поля при делении последнего на выемочные участки.

Наличие изменчивости горно-геологических условий залегания угольных пластов требует от инженеров разработчиков знаний о характере поведения массива горных пород и принятия рациональных решений при выборе параметров технологии в конкретной геомеханической ситуации.

В тяжелых условиях находятся пластовые подготовительные выработки, оконтуривающие выемочные участки и попадающие в зону наложения опорного давления.

Приведенное описание разрабатываемых пластов дает достаточное представление о сложности и разнообразии горно-геологических условий их залегания. Разработка документации по ведению очистных работ в пределах выемочных участков шахт в условиях повышенной изменчивости горногеологических факторов представляет весьма сложную задачу: во-первых, потому что недостаточно изучены закономерности характера влияния горногеологических факторов на изменения НДС массива горных пород в окрестности горных выработок выемочного участка; во-вторых, проводить подобные исследования по каждому пласту практически не представляется возможным и в-третьих, отсутствует методика прогнозирования параметров напряженно -деформированного состояния массива при отработке пластов сложного строения.

1.2 Производственный опыт управления горным давлением при отработке выемочных участков механизированными очистными комплексами на пластах сложного строения

Кроме традиционных выделяемых факторов, усложняющих условия ведения горных работ (глубина, газоносность, пожароопасность, обводненнсть, геологическая нарушенность) следует отметить истощение запасов угля, благоприятных для отработки по современным высокопроизводительным технологиям, что влечет необходимость разработки участков угольных месторождений в сложных природных и техногенных условиях.

Анализ разведанных запасов недр [108] показал, что проектирование новых шахт и доработка запасов угольных пластов на действующих шахтах осуществляются в горно-геологических и горнотехнических условиях, характеризующихся следующими негативными факторами:

- конфигурацией горных отводов неправильной геометрической формы, обусловленной наличием соседних угледобывающих предприятий,

отрабатывающих благоприятные для современных технологий участки месторождений (в пределах горных отводов действующих угледобывающих предприятий сформировались так называемые "остаточные" запасы) [107];

- временно законсервированными запасами угольных пластов в пределах участков, ограниченных действующими эндогенными пожарами, которые находятся под затопленным выработанным пространством и в зонах активного проявления газодинамических явлений;

- низким качеством и недостаточным объемом геологоразведочных работ [78].

В этих условиях инвесторы вынуждены приобретать лицензии на отработку запасов угля на резервных участках, характеризующихся указанными выше негативными факторами. Все эти участки характеризуются сложным строением пластов, что приводит при их отработке к формированию неоднородных полей напряжений и деформаций пород в массиве.

По результатам шахтных исследований установлено [30, 41, 100], что сложное строение пласта оказывает существенное влияние на устойчивость системы взаимодействующих горных выработок и угольных целиков. В качестве примера можно привести технологию поддержания горных выработок и угольных целиков при отработке пласта Полысаевского II в условиях шахты "Грамотеинская 3-4" [41], рисунки 1.2-1.4.

Рисунок 1.2 - Крепление блоковых печей и выемочных штреков по пласту Полысаевскому II

Рисунок 1.3 - Крепление выемочных штреков по пласту Полысаевскому II

Рисунок 1.4 - Крепление выемочных штреков по пласту Инскому 1-111

Пласт сложного строения Полысаевский II (шахта Грамотеинская 3-4) состоит из двух угольных пачек мощностью 5,2 и 1,45 м. Их разделяет породный прослоек 0,2-0,4 м. Угол падения пласта 21-25°. Коэффициент крепости угля по шкале проф. М.М. Протодьяконова - 0,8-1,2. Прочность угля пласта у кровли выше, чем у почвы. Породный прослоек представлен мягкими песчано-глинистыми породами, менее прочными, чем вмещающие его угольные пачки, поэтому при обнажении он легко разрушается и выдавливается в горную выработку. Породный прослоек склонен к размоканию. Выемка пласта велась с управлением кровлей технологическими целиками. Наличие породного прослойка

осложняло ведение горных работ, так как деформированные целики приводили подготовительные выработки в опасное для эксплуатации состояние [41].

На шахте «Энергетическая» при отработке пласта Полысаевский II произошло интенсивное разрушение целиков между выемочными печами. В ближайшей к выработанному пространству печи наблюдались вывалы угля с боков и кровли на расстоянии 43 м от забоя отрабатываемого столба. Величина смещения отжатых пород в боках выработки достигала 0,7 м. Подобные проявления горного давления наблюдались и при отработке верхней пачки пласта Полысаевского II, обладающей повышенной прочностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Риб Сергей Валерьевич, 2020 год

/ ч

/ N ч

/

* •

* *

>

о оо оо о оо оо оо о о о оо оо Расстояние от середины выработки, мм

Рисунок 2.22 - Зависимости изменения смещений марок в 9 ряду кровли выработки

По результатам обработки фотоданных установлено, что конструкция стенда, а также разработанная и реализованная методика физического моделирования позволяют выявлять закономерности распределения смещений при разных вариантах моделей, в том числе при однородном пласте и с включением в него породного прослойка. Установлено, что наличие породного прослойка приводит к уменьшению смещений пород почвы в кровли выработки.

6,0 ё 1 5,0 £ 4,0 з 1 з,° я 2,0 « 1,0 я Рч 0,0 -Модель 1---Модель 2

> \

ч

n ч

' 1 ъ *

* 1

эоооооооооооооооооо Расстояние от середины выработки, мм

Рисунок 2.23 - Зависимости изменения смещений марок в 4 ряду почвы выработки

Однако, в соответствии с методикой и программой исследований необходимо оценить адекватность результатов физического и численного моделирования.

2.5 Тестирование программного обеспечения для численного моделирования деформирования массива горных пород по результатам физического моделирования

Сопоставимость результатов физического эксперимента и численного моделирования позволит считать математическую модель адекватной реальной геомеханической обстановке и использовать ее для разработки способов обеспечения устойчивости выработок, а результаты моделирования считать достоверными.

Выполнено численное моделирование НДС массива горных пород в окрестности выработки с помощью Соа1РШаг с внесением в компьютерную программу геометрических и физико-механических параметров физических моделей 1 и 2 [78].

Для оценки характера распределения вертикальных смещений вокруг горной выработки решена двумерная задача теории упругости при поэтапном переходе горных пород из упругого состояния к упругопластическому деформированию [79].

Построена двумерная геометрическая модель размером по горизонтальной ОХ и вертикальной ОУ осям - 0,2 м.

Оптимальный вариант размера расчетной сетки (размер треугольника) выявлен на основе исследований сходимости численных решений посредством последовательного сгущения сетки. В качестве базового размера ячейки рассматривались следующие значения: 5, 4, 3, 2 и 1 мм. Для оценки погрешности результатов вычислительных экспериментов проводились сравнительные расчеты на 5 различных сетках. После того, как были получены максимальные значения смещений на мелкой сетке, они сравнивались со значениями, полученными на более крупной сетке. Величина погрешности Я, %, рассчитана по формуле

Я =

ип2

(2.26)

100%, 4 '

где ип1 и ип2 - максимальные значения вертикальных смещений на

расчетных сетках с размером ячеек п1 < п2.

На рисунке 2.24 представлен график изменения величины погрешности при сгущении сетки. Из графика видно, что полученные математическим моделированием численные решения приближаются к точному при постепенном сгущении сетки. В результате анализа полученных данных при проведении численного моделирования принято, что оптимальной для численного расчета является сетка с базовым размером 2 мм, так как при уменьшении размера решение существенно не изменялось [78].

0 12 5 4 5 6

Риппер сотки, мм

Рисунок 2.24 - Динамика уменьшения величины погрешности Я со сгущением сетки

На третьей стадии реализации комплексного метода исследований проведена сопоставительная оценка результатов численных расчетов и лабораторного эксперимента. На рисунке 2.25 представлена блок-схема тестирования комплекса программ Соа1РШаг по результатам физического эксперимента. После выбора расчетной схемы процесс тестирования расходится на две ветви. Левая ветвь относится к области математического моделирования, а правая - к области физического эксперимента.

Рисунке 2.25 - Блок-схема тестирования комплекса программ CoalPШar по результатам физического эксперимента

Изменение входных параметров осуществляется таким образом, чтобы при повторном расчете вычисленные и полученные на физической модели величины отличались в приемлемых для горного производства пределах [78].

Для количественного сравнения результатов двух методов исследований выбран ряд характерных точек, которые совпадали с реперными марками при лабораторном эксперименте (рисунок 2.26).

10 ряд т т

ш ш 9 ряд г-г-1 г-г-1 т т т т т гп пп

1 мм мм мм мм мм мм мм и кровля

горная выработка

породный прослоек

почва 4 РЯД шшшшшшшшш

и 3 рад п и ш шшшшш ш ш □ пп

и 2 d Ш 3 4*5 ** 6 7 8

Номер марки в ряду

л=-_= обозначение марки

— 5 (4 - номер ряда; 5 - номер марки в ряду)

Рисунок 2.26 - Схема расположения характерных реперных марок, по которым определялись величины вертикальных смещений

При численном и физическом исследовании влияния породного прослойка на НДС массива в окрестности выработки определены значения вертикальных смещений в характерных точках [78]. Сравнение полученных значений при расчете (математические модели 1 и 2) и эксперименте (физические модели 1 и 2) представлено в таблица 2.8 и рисунке 2.27.

Количественная оценка данных, приведенных в таблице 2.6, позволила определить относительную погрешность (Р, %) комплексного метода (сочетание физического и численного моделирования). Расчет выполнен по формуле:

£(_ (2.27)

\Р\ = ———1 ' ^ х 100, £

где ифм, ичм - вертикальные смещения, полученные соответственно

при физическом и численном моделировании, мм.

Таблица 2.8 - Величины смещений в 9 (кровля выработки) и 4 (почва

выработки) рядах марок при максимальном нагружении модели

№ ряда Номер марки

модель Смещения марок после максимального нагружения, мм

Ряд 9 9-2 9-3 9-4 9-* 9-5 9-** 9-6 9-7 9-8

Физ.мод. 1 7,38 9,31 10,64 11,13 11,12 10,96 10,8 9,6 8,2

Мат.мод.1 6,2 7,6 9,2 10,3 10,9 10,4 9,3 7,9 6,57

Физ.мод. 2 2,44 3,9 5 5,45 5,51 5,3 4,96 3,87 3,05

Мат.мод.2 2,92 4,6 5,8 6,26 6,36 6,24 5,9 4,5 3,1

Ряд 4 4-2 4-3 4-4 4-* 4-5 4-** 4-6 4-7 4-8

Физ.мод. 1 5,07 3,65 2,41 2,08 2,2 2,25 2,67 3,97 4,61

Мат.мод.1 5,4 4,37 2,9 2,51 2,38 2,53 3,16 4,4 5,29

Физ.мод. 2 2,09 1,51 0,87 0,79 0,69 0,91 1,05 1,7 2,08

Мат.мод.2 2,52 1,82 0,82 0,63 0,55 0,72 0,99 1,82 2,49

Применение. Физ.мод. - физическая модель; Мат.мод. - математическая модель.

Относительная погрешность численного расчета относительно данных лабораторного эксперимента вычислена по следующему алгоритму. В каждой обозначенной характерной точке определены вертикальные смещения, которые потом суммировались. Для каждого ряда характерных точек определялась относительная погрешность как отношение абсолютной величины погрешности между физическим и численным моделированием к сравниваемому методу [78].

Анализ результатов, полученных при численном и физическом эксперименте позволяет сделать вывод, что по количественным параметрам численное моделирование адекватно лабораторному эксперименту. Что подтверждается значениями относительной погрешности вертикальных смещений при численном моделировании в сравнении физическим моделированием на эквивалентных материалах, которая не превышает 16%.

Изменение смещений, мм '00000001:100000 физ.модель 1---числ.модель 1

*

>

* ч

эооооооооооооооооос чоо^иэьл^тгд^ч гчг^оп^ичиэ^оос Расстояние от середины выработки, мм э л

§ 2 7,0 « б,0 5 5,0 3 4,0 § 3,0 £ 2,0 § -физ.модель 2---числ.модель 2

4

4 |— N

/

х й оооооооооооооооооос 2 СЛООГ^ЧЗьП^ОЛГЧгН гНГЧОЛ^ьПЮГ-чООС м ......... в Расстояние от середины выработки, мм э л

в)

Изменение смещений, мм , , , 33 , , , о о о о о о о -физ.модель 1---числ.модель 1

>

. < ь /(

и л

эооооооооооооооооос Расстояние от середины выработки, мм э л

г)

физ.модель 2---числ.модель2

выработки, мм

Рисунок 2.27 - Зависимости изменения вертикальных смещений в характерных точках в 9 ряду кровли выработки а), б) и в 4 ряду почвы выработки в), г)

2.6 Выводы по главе 2

1. Установлено, что конструкция стенда, разработанная и реализованная методика физического моделирования позволяют выявлять закономерности распределения смещений при разных вариантах моделей, в том числе при однородном пласте и с включением в него породного прослойка.

2. Применение для решения геомеханических задач комплексного метода (математическое моделирование с помощью комплекса программ Соа1РШаг и процедура проверки расчетных данных лабораторным экспериментом) позволяет получить обоснованные результаты.

3. Для выявления зон различного геомеханического состояния угольного пласта и пород в окрестности горных выработок, введен коэффициент снижения

прочности Ксн, который принимает следующие численные значения: при Ксн > 0,7 - уголь и порода находятся в устойчивом состоянии (первый тип деформаций пород); при изменении Ксн в пределах 0,5 < Ксн < 0,7 - уголь и порода на контуре выработки находятся в упруго-пластическом состоянии (второй тип деформаций пород); при Ксн < 0,5 уголь и порода частично разрушены (третий тип деформаций пород).

4. Сопоставимость результатов физического эксперимента и численного моделирования подтверждает, что математическая модель адекватна (относительная погрешность не превышает 16%). В дальнейших исследованиях основную ставку необходимо сделать на математическое моделирование:

- изучение НДС массива горных пород в окрестности подготовительных горных выработок и угольных целиков на пластах сложного строения в периоды усложнения горно-геологических и горнотехнических условий;

- моделирование горных выработок любой формы поперечного сечения, элементов крепления выработок, задания внешней нагрузки и т.д.

3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕОДНОРОДНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТРАБОТКЕ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В массиве горных пород вокруг взаимовлияющих выработок и целиков распределение напряжений имеет более сложный характер и протекает в значительно большей области по сравнению с одиночной выработкой.

В пределах отрабатываемых выемочных столбов согласно развития горных работ можно выделить пять участков (рисунок 3.1), которые соответствуют различным стадиям деформирования массива горных пород:

1) выработки проведены, целик сформирован;

2) целик находится под влиянием опорного давления лавы с одной стороны;

3) влияет выработанное пространство на целик с одной стороны;

4) целик находится под влиянием опорного давления второй лавы;

5) влияет выработанное пространство на целик с двух сторон.

Рисунок 3.1 - Последовательность деформирования (1-5) околоштрековых целиков и выработок с учетом их пространственного расположения

Картина распределения напряжений в окрестности взаимовлияющих выработок и целиков на выше выделенных участках зависит от комплекса горногеологических, горнотехнических и технологических факторов:

1) максимальных горизонтальных напряжений;

2) предельных напряжений внутри неоднородных целиков (краевые части становятся податливыми задолго до того, как на всей площади целика будут достигнуты максимальные нагрузки, рисунок 3.2);

3) размеров целика;

4) ширины выработанного пространства;

5) соотношения ширины и высоты выработки;

Рисунок 3.2 - Распределение напряжений в угольных целиках [120]

6) дополнительной нагрузки на целик со стороны зон ПГД, которые создаются от краевых частей и целиков при разработке свиты;

7) формы и площади поперечного сечения выработки;

8) чередования и мощности слабых и прочных слоев пород;

9) трещин отдельностей и кливажа;

10) геологических нарушений;

11) породных прослоев и минерализованных включений в пласте;

12) глубины залегания и угла падения разрабатываемого пласта;

13) типов связей целика с породами кровли и почвы (полное сцепление, неполное сцепление и сухое трение, связь через пластичные прослойки);

14) деформаций подготовительных выработок (пучение почвы, вывалы и, откольные явления в краевых частях), охраняемых целиками.

В третьей главе проведено математическое моделирование с помощью комплекса программ Соа1РШаг. Изучены участки наиболее сложной геомеханической обстановки: в межлавном целике, вблизи геологических нарушений, в ЗПГД с учетом структурной неоднородности пласта.

3.1 Выявление закономерности изменения напряженно-деформированного состояния неоднородного массива горных пород в окрестности подготовительных выработок с учетом пространственного расположения породного прослойка

3.1.1 Влияние наличия породного прослойка в пласте на напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Для вычислительного эксперимента при отработке угольного пласта сложного строения (рисунок 3.3) использованы горно-геологические условия шахты "Алардинская" в Кузбассе по пласту 3-3а выемочного участка 3-39. Вынимаемая мощность пласта составляла 4,5 м, полная мощность пласта 5,0 м. Угол падения пласта 12 град.

Угольный пласт сложного строения включает породный прослоек алевролита (мощность 0,3 м) с пределом прочности при сжатии 30 МПа, расстояние от земной поверхности до кровли пласта 310 м. По пласту проведена горная выработка шириной 4,5 м, высотой 4,5 м, которая охраняется угольным целиком шириной 30 м от влияния выработанного пространства длиной 210 м.

Для оценки характера распределения напряжений решена двумерная задача о распределении напряжений в целике и вокруг подготовительной горной выработки при поэтапном переходе горных пород из упругого состояния к нелинейному деформированию горных пород [79].

Расстояние от левого бока штрека, м

Рисунок 3.3 - Расчетная схема модели

Качественные отличия обнаружены в распределении полных горизонтальных напряжений при упругопластическом решении задачи (рисунок 3.4, а) и горизонтальных смещений (рисунок 3.4, б). Отличие выявлено в краевых участках целика (рисунок 3.5), т.е. в боках выработки и в краевой части пласта со стороны очистного выработанного пространства.

а)

б)

-2 0 2 4 6 8

Расстояние от левого бока штрека, м

.\ // без породного прослойка — — — с породным прослойком

-2 0 2 4 6

Расстояние от левого бока штрека, м

Рисунок 3.4 - Изолинии распределения полных горизонтальных напряжений (а) и горизонтальных смещений

(б) при упругопластическом решении

-10 -8 -6 -4 -2 0

2 4

Полные горизонтальные напряжения, МПа -я- без породного прослойка с породным прослойком

Рисунок 3.5 - Характер распределения полных горизонтальных напряжений

в целике в зависимости от наличия породного прослойка по сечению А-А

(рисунок 3.4, а)

Согласно рисунку 3.5 в зоне расположения породного прослойка горизонтальные напряжения переходят от сжимающих к растягивающим, что может привести к выдавливанию пород прослойка в горную выработку [79].

3.1.2 Влияние расположения породного прослойка в пласте на напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности подземной выработки

В пределах угленосных районов шахт юга Кузбасса наблюдается значительная изменчивость условий залегания пластов даже в пределах одного и того же выемочного участка шахтного поля. Резко меняются механические свойства угля и породных прослойков в пластах, трещиноватость,

деформационные и прочностные показатели пород непосредственной кровли и почвы пластов. Например, на шахте "Осинниковская" (Кузбасс) при разработке пласта Е5 наблюдается прочный породный прослоек, повышающий устойчивость краевой части пласта. Под влиянием очистных работ напряженные породы кровли, почвы и уголь в пласте подвергаются дополнительному деформированию, что может привести к негативному проявлению горного давления.

Наблюдения показали, что основными факторами, влияющими на изменение НДС пород в окрестности подготовительных горных выработок, охраняемых от выработанного пространства целиками угля на пологих и наклонных пластах сложного строения, являются мощность пласта, мощность породного прослойка, его расположение относительно кровли пласта, прочность прослойка, глубина залегания, угол падения пласта и др.

Особое значение имеет своевременность и точность оценок и прогнозов геологических условий разработки. Из-за сложности геологических условий и многофакторности процессов, возникающих при их взаимодействии с горными выработками, большая часть проблем, связанная с оценкой и прогнозом устойчивости горных выработок, решается в период их строительства и эксплуатации.

Для вычислительных экспериментов использованы горно-геологические условия шахты "Осинниковская" в Кузбассе по пласту Е5. Мощность пласта составляла 3,25 м. Залегание пласта горизонтальное. Предел прочности угля в пласте 11 МПа, прослоек алевролита мощностью 0,5 м с пределом прочности при сжатии 30 МПа. За начало координат принята точка пересечения от оси правого бока выработки с кровлей разрабатываемого пласта. Горная выработка шириной 5 м, высотой 3,25 м охраняется угольным целиком шириной 30 м от влияния выработанного пространства длиной 210 м [79]. Выполнялось моделирование НДС массива, при этом варьировалось расположение породного прослойка относительно кровли и почвы пласта.

Расчеты НДС массива горных пород в окрестности горной выработки выполнены в условиях плоской деформации. Размеры расчетной области по

ширине приняты равными 600 м, по высоте - 485 м; глубина разработки отрабатываемого пласта 350 м. Фрагмент расчетной схемы задачи представлен на рисунке 3.6.

Породы кровли

/ Угольный массив Горная выработка 1 1рпик Выработанное 0 4 Породный прослоек пространство

Породы почвы

Рисунок 3.6 - Фрагмент расчетной схемы

На контуре модели приняты следующие граничные условия:

- на боковых границах расчетной области горизонтальные смещения равны

нулю;

- на нижней границе модели вертикальные смещения равны нулю;

- верхняя граница расчетной области свободна от внешней нагрузки. Кроме того, на всех границах расчетной области касательные напряжения равны нулю. Рассматриваемая область деформируется под действием веса горных пород.

Рассмотрено четыре варианта модели (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Расчетные варианты моделирования

Номер варианта модели Наличие породного прослойка в пласте Расположение прослойка Расстояние от кровли пласта до породного прослойка, м

1 отсутствует - -

2 породный прослоек алевролита мощностью 0,5 м в верхней части пласта 0,5

Продолжение таблицы 3.1

Номер варианта модели Наличие породного прослойка в пласте Расположение прослойка Расстояние от кровли пласта до породного прослойка, м

3 породный прослоек алевролита мощностью 0,5 м в средней части пласта 1,5

4 породный прослоек алевролита мощностью 0,5 м в нижней части пласта 2,25

Для установления влияние породного прослойка на НДС массива пород в окрестности подготовительной выработки обозначены характерные точки 1-14 на рисунке 3.7, координаты которых указаны в таблице 3.2.

У

Угольный 9 I массив 10. 11. 12. 13. 14. Горная выработка • 1 •2 Целик • 3 • 4 • 5 .6 • 7 X

Рисунок 3.7 - Схема расположения характерных точек

Таблица 3.2 - Координаты характерных точек

Коорди- Номер характерной точки

наты

характер- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

ных

точек

X, м 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 -5,2 -5,2 -5,2 -5,2 -5,2 -5,2 -5,2

У, м -0,1 -0,6 -1,1 -1,6 -2,1 -2,6 -3,1 -0,1 -0,6 -1,1 -1,6 -2,1 -2,6 -3,1

Качественные отличия обнаружены в распределении горизонтальных напряжений при решении задачи в упругой постановке (рисунок 3.8, таблица 3.3)

в краевых участках целика, т.е. в боках выработки и в краевой части пласта со стороны очистного выработанного пространства. При расположении прослойка в нижней части пласта происходит увеличение коэффициента концентрации напряжений в нем в 1,25 раза по сравнению с расположением в центре или в верхней части.

а)

б)

--

-6 6-

( у

Пласт \ Целик

-- 6' - N

\ ч / 1 1

5 — 1

< 5ч; л / [ 1 V

6 Ш -V ■ С

\ орная г ) 1

Г1 А

Ш +-

/ / - \> —' — ) -

( ) / /

-Л ^ / ь

( •г

\ с

-15 -14 -13 -12 -И -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Расстояние от правого бока выработки, м

-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Расстояние от правого бока выработки, м

Рисунок 3.8 - Изолинии распределения горизонтальных напряжений, МПа: а - на пласте без породного прослойка; б - при расположении породного прослойка в средней части пласта

На рисунке 3.8 видно, что наличие породного прослойка в пласте отчетливо изменяет картину изолиний напряжений по сравнению с эксплуатацией выработки на пласте простого строения. Эти напряжения представляют большую опасность при ведении горных работ. В зоне расположения породного прослойка горизонтальные напряжения переходят от сжимающих к растягивающим, что, очевидно, приведет к выдавливанию пород прослойка в горную выработку [79].

Характер распределения полей напряжений в окрестности подготовительной выработки, охраняемой неоднородным целиком, устанавливает важное обстоятельство: расчет параметров анкерной крепи боков и кровли выработки следует производить с учетом ориентации этих полей.

Таблица 3.3 - Расчетные параметры напряженного состояния массива горных пород в окрестности горной выработки при различных расположениях

породного прослойка в пласте

Положение характерной точки расчета Наименование параметра Номер точки Номер варианта модели

1 (без прослойка) 2 (прослоек вверху) 3 (прослоек в центре) 4 (прослоек внизу)

в правом боку горной выработки горизонтальные напряжения, МПа №1 -4,8 -4,9 -4,7 -4,7

№2 -0,68 1,7 -0,68 -0,65

№3 -0,18 -1,5 -0,72 -0,19

№4 -0,13 -0,26 0,3 -0,22

№5 -0,28 -0,3 -0,79 1,2

№6 -1,3 -1,4 -1,4 -1,2

№7 -12 -11 -11 -12

в левом боку горной выработки горизонтальные напряжения, МПа №8 -7,5 -7,7 -7,5 -7,6

№9 -0,082 2,5 -0,26 -0,18

№10 -0,1 -1,8 -0,87 -0,11

№11 -0,037 -0,19 0,31 -0,21

№12 -0,19 -0,22 -0,35 0,72

№13 -0,85 -0,89 -0,93 -0,63

№14 -6,6 -6,5 -6,6 -6,8

Наличие породного прослойка в пласте с прочностью в 3 раза большей по сравнению с углем приводит к уменьшению смещений пород почвы в выработке на 30 %, а кровли на 60 %. При расположении прослойка в нижней части пласта происходит увеличение коэффициента концентрации напряжений в нем в 1,25 раза по сравнению с расположением в центре или в верхней части.

Предложенная методика оценки НДС массива горных пород в окрестности горной выработки, охраняемой целиком на пластах сложного строения с учетом влияния очистных работ, позволяет прогнозировать ожидаемую конвергенцию кровли и почвы, а также боков выработок в зависимости от горно-геологических условий их эксплуатации и дает возможность использовать результаты исследований НДС для геомеханического обоснования параметров систем разработки неосвоенных месторождений на стадии проектирования.

3.2 Выявление закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угольных целиков при переходе очистным механизированным комплексом зоны геологического нарушения

Применение на угольных шахтах системы разработки длинными столбами с выемкой угля высокопроизводительными КМЗ привело к выборочной отработке пологих угольных пластов мощностью 1,7-4,5 м на участках с относительно благоприятными горно-геологическими условиями [89]. В настоящее время извлечение одной тонны угля на шахтах приводит к консервации трех тонн балансовых запасов угля [16]. Одним из факторов, ограничивающих область рационального применения систем разработки длинными забоями, являются геологические нарушения, непереходимые механизированным очистным комплексом. Согласно нормативным документам и производственному опыту переход нарушений механизированным комплексом возможен по следующим схемам [15,39]:

- без разрыва процесса выемки угольного пласта с присечкой боковых пород;

- с перемонтажем механизированного комплекса в новую монтажную камеру, т.е. с разрывом процесса выемки угля и оставлением целика.

При перемонтаже механизированного комплекса в новую монтажную камеру сокращение потерь угля в целике между демонтажной камерой и новой монтажной камерой может быть достигнуто уменьшением его ширины. Однако при этом возникает задача обеспечения устойчивости целика рациональной ширины, для решения которой в первую очередь необходима оценка геомеханического состояния неоднородного угольного целика, включающего нарушение с частично разрушенными в его окрестности горными породами [89].

С использованием комплекса программ Соа1РШаг осуществлена оценка геомеханического состояния углепородного массива и обоснована ширина угольного целика между демонтажной и монтажной камерами, включающего геологическое нарушение.

Расчеты проведены для горно-геологических условий угольной шахты Осиновского геолого-экономического района Кузбасса, являющихся типичными для шахт, где ведется отработка пологопадающих угольных пластов сложного строения [89]. Отработка выемочного столба 8-2 намечена КМЗ. Геологическое нарушение Н8 является непереходимым для КМЗ (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Схема формирования в плане целика в окрестности геологического нарушения при приближении к нему комплексно -механизированного очистного забоя

Поэтому возникает необходимость перемонтажа механизированного комплекса: демонтаж его перед геологическим нарушением и монтаж механизированного комплекса в новой монтажной камере по другую сторону от нарушения.

Расчеты НДС вмещающего массива и угольных пластов проведены для вертикального сечения массива I-I (рисунок 3.9) в предположении выполнения условий плоской деформации горных пород в выбранном сечении. Размеры расчетной области по падению пласта приняты равными 600 м, по высоте - 850 м; глубина разработки отрабатываемого пласта 700 м. Расчетная схема задачи изображена на рисунке 3.10.

Льчй^пмю*т кпнврц 6ai модель / камера fiop 1

/ X wqpq fot 2

Kf>*>faíttpt<Pi)

Геологическое нарушение

Разрабаты ваем ы й пласт

Н

Демонтажи ая камера

Нижний пласт

- направление движения очистного забоя

Рисунок 3.10 - Расчетная схема задачи

Исходное напряженное состояние углепородного массива формировалось за счет осадочных процессов, обусловлено преимущественно весом налегающих пород и в целом соответствует гипотезе А.Н. Динника. Вследствие этого, на контуре области расчета приняты следующие граничные условия:

- на левой и правой границах расчетной области горизонтальные смещения и касательные напряжения равны нулю;

- на нижней границе расчетной области вертикальные смещения и касательные напряжения равны нулю;

- верхняя граница расчетной области свободна от внешней нагрузки [89].

Состав и механические свойства угленосной толщи приведены в

таблице 3.4. Физико-механические свойства вмещающих пород и угля выбраны в соответствии с данными соответствующих геологических материалов и имеющегося справочного материала [31, 110]. На границах пород с различными свойствами приняты условия жесткого контакта. Нарушение моделируется

нарушенными породами, модули упругости которых в пять раз меньше соответствующих значений для вмещающих пород.

Таблица 3.4 - Физико-механические свойства пород и угля

Состав угленосной толщи Количество слоев в модели Плотность, т/м3 Коэффициент крепост и Предел прочности, МПа, при одноосном Модуль упругости Ех10-4, МПа Коэффициент Пуассона

сжатии растяжен ии

Наносы 1 1,97 - - - - -

Алевролит 1 2,52 4 40 4,2 2,5 0,28

Пласт угля 1 1,27 1,1 9 1 0,3 0,24

Алевролит 1 2,52 3 32 3,2 2,5 0,28

Пласт угля 1 1,27 1,2 12 1,1 0,3 0,3

Алевролит 5 2,52 3 31 3,5 2,5 0,28

Песчаник 1 2,56 6 62 7,3 2,5 0,25

Аргиллит 6 2,52 3 31 3,2 1,8 0,3

Песчаник 2 2,56 8 81 9,3 3,5 0,21

Пласт угля 1 1,27 1,2 12 1,0 0,4 0,22

Алевролит 1 2,54 4 43 4,8 2,5 0,28

Пласт угля 1 1,26 1,3 13 1,2 0,3 0,24

Песчаник 2 2,54 7 72 8,1 2,5 0,25

Пласт угля 1 1,26 1,2 12 1,1 0,3 0,27

Аргиллит 2 2,54 3 31 3,2 1,8 0,3

Песчаник 1 2,6 8 82 9 3,1 0,24

Пласт угля 1 1,26 1,2 12 1,1 0,4 0,27

Алевролит 2 2,52 4 42,7 4,6 2,5 0,28

Пласт угля 1 1,26 1,2 12 1,1 0,3 0,22

Алевролит 2 2,54 4 40 4,6 2,5 0,28

Песчаник 1 2,6 8 81 8,2 2,8 0,25

Пласт угля 1 1,26 1,3 13 1,4 0,3 0,26

Алевролит 12 2,55 4 38 3,9 2,5 0,28

Аргиллит 2 2,54 3 32 3,2 1,8 0,3

Разрабатываемы й пласт угля (верхняя пачка) 6 1,29 1,1 11 1,0 0,3 0,26

Породный прослоек 2 2,56 4 40 4,4 2,5 0,28

Разрабатываемы й пласт угля (нижняя пачка) 5 1,29 1,1 11 1,0 0,3 0,26

Алевролит 6 2,56 4 43 5 2,5 0,28

Песчаник 1 2,56 7 71 8 2,5 0,25

Алевролит 2 2,55 4 44 5 2,5 0,28

Аргиллит 3 2,54 3 35 4 1,8 0,3

Пласт угля 7 1,25 1,2 12 1,3 0,3 0,24

Алевролит 4 2,54 4 42 5,6 2,5 0,28

Продолжение таблицы 3.4

Состав угленосной толщи Количество слоев в модели Плотность, т/м3 Коэффициент крепост и Предел прочности, МПа, при одноосном Модуль упругости Ех10-4, МПа Коэффициент Пуассона

сжатии растяжен ии

Пласт угля 1 1,25 1,3 13 1,2 0,3 0,25

Алевролит 1 2,53 4 43 5,2 2,5 0,28

Пласт угля 1 1,25 1,3 13 1,2 0,3 0,3

Алевролит 8 2,53 5 49 6 2,5 0,28

Пласт угля 1 1,25 1,4 14 1,3 0,3 0,24

Алевролит 2 2,52 5 48 4,9 2,5 0,28

Моделирование проведено поэтапно. На первом этапе изучено НДС вмещающих пород и угольных пластов в зоне нарушения при подходе КМЗ к демонтажной камере, а на втором - при отходе забоя от монтажной камеры по другу сторону от нарушения [89]. Рассмотрено три варианта расположения демонтажной камеры на расстояниях от разрывного нарушения соответственно 20, 40 и 60 м (рисунок 3.9). При отходе КМЗ от нарушения рассмотрены варианты расположения монтажной камеры на расстояниях 20 и 40 м от нарушения (таблица 3.5).

Сначала оценено влияние ширины угольного целика, формируемого при движении КМЗ в направлении геологического нарушения, на его механическое состояние, проведены расчеты полей напряжений и деформаций массива горных пород при ширине целика 20, 40 и 60 м.

Таблица 3.5 - Варианты моделирования

Вариант модели Глубина ведения горных работ, Н, м Расстояние от демонтажной камеры до нарушения (ширина целика, Ь1), м Расстояние от разрывного нарушения до монтажной камеры (ширина целика, Ь2), м Длина выработанного пространства, L, м

Базовая модель 700 20 - -

1 700 40 - -

2 700 60 - -

3 700 40 20 -

_Продолжение таблицы 3.5

4 700 40 40 -

5 700 40 20 40

6 700 40 20 80

7 350 40 20 80

8 1050 40 20 80

Для примера на рисунке 3.11 представлены изолинии вертикальных напряжений в окрестности очистного забоя, при ведении очистных работ в направлении геологического нарушения при ширине целика 40 м.

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Расстояние от центра геологического нарушения, м

Рисунок 3.11 - Распределение изолиний вертикальных напряжений при ширине целика 40 м, МПа

Наличие нарушения значительно повышает интенсивность разрушения краевой части пласта в очистном забое [89]. Так максимальная величина коэффициента концентрации вертикальных напряжений, при отсутствии нарушения составляет 3.40, а при его наличии 3.90.

Для каждого варианта расчета определены площади зон разрушенного состояния угля и вмещающих пород впереди очистного забоя. Для этой цели установлены зоны, где отношение остаточной прочности пород к исходной равно 0.5, что соответствует запредельному состоянию угля. Установлено, что на площадь разрушенного угля геологическое нарушение начинает оказывать

значительное влияние при ширине целика менее 50 м (риунок 3.12), т.е. при отношении ширины целика Ъ к глубине разработки Н, равному 0,07. При дальнейшем уменьшении ширины целика площадь разрушенных пород Spа3p, м2 впереди очистного забоя можно определить по полученной формуле

Зразр = 0,003Ь12 - 0,4БЬ1 + 28,2 (3.1)

где Ь1 - ширина целика, м.

3 20 40 60

г Ширина целика Ь^ м

Рисунок 3.12 - Зависимость площади разрушенных пород от ширины целика

При уменьшении ширины целика до 20 м зона разрушения пород распространяется не только на пласт, но и на породы кровли на высоту около 1м. В этих условиях возможен отжим угля и возникает риск обрушения пород кровли. Необходимо отметить, что ширина целика не оказывает существенного влияния на характер оседания пород кровли в выработанном пространстве вблизи забоя [89]. Горизонтальные же смещения в угольном пласте на линии очистного забоя при уменьшении угольного целика от 60 м до 20 м увеличиваются лишь в 1,4 раза. Таким образом, результаты моделирования показывают, что наиболее приемлемая с геомеханической точки зрения ширина целика между демонтажной камерой и геологическим нарушением равной 40 м.

Для анализа геомеханического состояния массива горных пород вокруг монтажной камеры, возводимой для перемонтажа механизированного комплекса по другую сторону от геологического нарушения, были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния массива при расположении демонтажной камеры на расстояниях 20 и 40 м от нарушения [89] (таблица 3.6, рисунок 3.13). Результаты расчетов показывают, что при ширине целика 40 м наибольшие вертикальные напряжения, около 30 МПа, наблюдаются в окрестности монтажной камеры со стороны массива и около 25 МПа, при ширине целика 20 м.

Таблица 3.6 - Параметры НДС массива горных пород в окрестности

геологического нарушения при различных расположениях монтажной камеры

Положение Ширина целика,

Описание модели точки Наименование параметра м

расчета 20 40

Слоистый массив в кровле монтажной Вертикальные смещения, мм -58 -50

горных пород с камеры

геологическим нарушением. Перед нарушением в левом боку монтажной камеры Горизонтальные смещения, мм Вертикальные напряжения, МПа -1 -24 3 -29

оставлен целик шириной 40м, за Горизонтальные напряжения, МПа -6,2 -8,4

нарушением пройдена Вертикальные напряжения. МПа -23 -25

монтажная камера шириной 8м на в правом боку Горизонтальные напряжения, МПа -5,1 -8,1

расстояниях от нарушения 20 и монтажной камеры Отношение площади эпюр

40 м дополнительных вертикальных напряжений, % 150 100

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Расстояние от центра геологического нарушения, м МК - монтажная камера

Рисунок 3.13 - Изолинии вертикальных напряжений при расположении монтажной камеры в 20 м от нарушения, МПа

Горизонтальные же напряжения в боках монтажной камеры при уменьшении ширины целика с 40 м до 20 м увеличиваются в 1,2-1,4 раза. Это позволяет сделать вывод, что напряженное состояние целика шириной 20 м незначительно отличается от напряженного состояния целика шириной 40 м. Это подтверждается отношением площадей эпюр дополнительных вертикальных напряжений. При ширине целика 20 м их площадь лишь в 1,6 раза больше, чем при целике 40 м. Хотя зона разрушения в целике меньшей ширины составляет 5 м, т.е. 25 % его площади, остальная часть целика находится в устойчивом состоянии. На основе вышеописанного, можно рекомендовать ширину целика между геологическим нарушением и монтажной камерой 20 м, что позволит увеличить коэффициент извлечения угля в выемочном столбе [89].

При удалении очистного забоя от целика шириной 20 м на расстояние равное 40 и 80 м вертикальные напряжения в окрестности забоя увеличиваются с 35 до 50 МПа (в 1,4 раза), а горизонтальные напряжения при таких же горнотехнических условиях тоже увеличиваются с 11 до 19 МПа (таблица 3.7, рисунок 3.14).

Таблица 3.7 - Расчетные параметры НДС массива горных пород при

развитии очистных работ после перемонтажа очистного комплекса

Описание модели Положение точки расчета Наименование параметра Ширина выработанного пространства, м

40 80

Слоистый массив, в кровле очистного забоя Вертикальные смещения, мм -38 -60

включающии геологическое впереди очистного забоя Горизонтальные смещения, мм -20 -45

нарушение, перед нарушением оставлен целик 40м, за нарушением Вертикальные напряжения, МПа Горизонтальные напряжения, МПа -35 -11 -50 -19

Вертикальные смещения, мм -60 -94

оставлен целик 20м, очистной забой отходит от целика в краевой части целика, оставленного у нарушения Горизонтальные смещения, мм Вертикальные напряжения. МПа Горизонтальные напряжения, МПа 40 -50 -13 80 -67 -17

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Расстояние от центра геологического нарушения, м

Рисунок 3.14 - Изолинии вертикальных напряжений при ширине целика 20 м и удалении очистного забоя от монтажной камеры на 80 м, МПа

С увеличением глубины ведения горных работ с 350 м до 1050 м происходит снижение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в

зонах опорного давления по линейной зависимости К=5,45-0,002Н, что показано на рисунок 3.15 и таблица 3.8.