Управління геомеханічними процесами при відпрацюванні крутих вугільних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики гірничих процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

05.15.11. - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Управління геомеханічними процесами при відпрацюванні крутих вугільних пластів

Піталенко Євгеній Іванович

Донецьк - 2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк)

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, Алексєєв Анатолій Дмитрович, директор Інституту фізики гірничих процесів НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кузьменко Олександр Михайлович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

доктор технічних наук, професор Софійський Костянтин Костянтинович, зав. відділом проблем технології підземної розробки вугільних родовищ Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ).

доктор технічних наук, професор Борзих Анатолій Пилипович, професор кафедри розробки пластових родовищ Донбаського гірничо-металургійного інституту, (м. Алчевськ).

Провідна установа:

Український державний науково - дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк).

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.184.02 канд. техн. наук В.М. Ревва

Аннотация

геомеханічний гірський виробка вугільний

Питаленко Е.И. Управление геомеханическими процессами при отработке крутых угольных пластов”. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени доктора технических наук по специальности 05.15.11.-Физические процессы горного производства. Институт физики горных процессов НАН Украины, г. Донецк 2003 г.

Диссертация посвящена проблемам управления геомеханическими процессами при отработке крутых угольных пластов в Центральном районе Донбасса на основе использования полученных закономерностей проявлений горного давления при щитовой отработке механизированными агрегатами, а так же при традиционной (лавами по простиранию) системе отработки.

В работе на основе результатов экспериментальных исследований в 46 забоях шахт ПО “Артемуголь”, ПО “Дзержинскуголь” и ПО “Орджоникидзеуголь”, получены данные о параметрах проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках, а так же данные о геомеханических процессах в окружающем выработку горном массиве при его отработке широкими полосами по падению с применением механизированных щитовых агрегатов в сложных горногеологических условиях, характеризующихся мелкоамплитудными тектоническими нарушениями и зонами повышенного горного давления (ЗПГД). Это позволило разработать новый способ охраны подготовительных пластов выработок (штреки, печи при щитовой отработке) основанный на предварительной разгрузке окружающего горного массива с помощью предварительного увлажнения угольного пласта водными растворами ПАВ (поверхностно - активных веществ). Разработаны технологические схемы применения этого способа для различных горно-геологических условий.

Впервые были выполнены экспериментальные исследования геомеханических процессов в окрестности щитового забоя (забоев), как в непосредственной, так и основной кровле, а так же на уровне подрабатываемого вентиляционного горизонта. Это позволило получить новые закономерности проявлений процесса сдвижения горного массива в окрестности щитового забоя, которые характеризуются аномальным характером деформирования горного массива в лежачем и висячем боку и принципиальном отличающемся от ранее установленного при традиционном способе отработке - лавы по простиранию. При этом максимум деформаций реализуется под местом встречи пласта с вентиляционным горизонтом и по величине вертикальные деформации в 1,3-1,5 раза выше, чем при лавах по простиранию. Так же впервые отмечены деформации в лежачем боку отрабатываемого пласта (на расстоянии до 70м по вентиляционному горизонту). В результате анализа полученных данных и выполненного математического моделирования и моделирования на эквивалентных материалах получены новые зависимости для расчета деформаций подрабатываемого горного массива при щитовой отработке крутых пластов, что явилось основой для создания нового способа отработки крутых пластов щитовыми агрегатами, обеспечивающего уменьшение до 30 - 40% деформаций земной поверхности. При этом крепление печей и их охрана осуществляется с применением конструкций из БЖБТ с заданной податливостью и сопротивлением, определяемыми по разработанной в работе методике.

Этот способ был использован при разработке группой институтов под руководством Днепргипрошахта и ВНИМИ проектов защиты земной поверхности для всех шахт г.г. Горловка и Дзержинск.

Внедрение результатов работы позволит получить годовой экономический эффект до 2187,06 тыс. грн. для одной шахты.

Ключевые слова: угольный пласт, крутое падение, геомеханические процессы, щитовая отработка, управление состоянием горного массива, защита поверхности от подработки.

Анотація

Піталенко Є.І. Управління геомеханічними процесами при відпрацюванні крутих вугільних пластів”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11.-Фізичні процеси гірничого виробництва. - Інститут фізики гірничих процесів НАН України, м. Донецьк 2003 р.

Дисертація присвячена проблемам управління геомеханічними процесами при відпрацюванні крутих вугільних пластів у Центральному районі Донбасу на основі використання отриманих закономірностей проявів гірничого тиску при щитовому відпрацюванні механізованими агрегатами, і також при традиційній (лавами по простяганню) системі відпрацювання.

У роботі на основі результатів експериментальних досліджень у 46 вибоях шахт ВО “Артемвугілля”, ВО “Дзержинськвугілля” і ВО “Орджонікідзевугілля”, отримані дані про параметри проявів гірничого тиску в очисних і підготовчих виробках, і також дані про геомеханічні процеси навколо виробок гірничого масиву. Це дозволило розробити новий спосіб охорони підготовчих пластів виробок (штреки, печі при щитовому відпрацюванні) заснований на попередньому розвантаженні навколишнього гірничого масиву за допомогою попереднього зволоження вугільного пласта водяними розчинами ПАР. Вперше були виконані експериментальні дослідження геомеханічних процесів навколо щитового вибою (вибоїв), як у безпосередній, так і основній покрівлі, а також на рівні підроблюваного вентиляційного горизонту. В результаті аналізу отриманих даних і виконаного моделювання створений новий спосіб відпрацювання крутих пластів щитовими агрегатами, що забезпечує зменшення до 30-40 % деформацій земної поверхні.

Цей спосіб був використаний групою інститутів під керівництвом Дніпргіпрошахта і ВНДМІ при розробці проектів захисту земної поверхні для всіх шахт м.м. Горлівка і Дзержинськ.

Впровадження результатів роботи дозволить одержати річний економічний ефект до 2187,06 тис. грн. для однієї шахти.

Ключові слова: вугільний пласт, круте падіння, геомеханічні процеси, щитове відпрацювання, управління станом гірничого масиву, захист поверхні від підробки.

Summari

Pitalenko Y.J. "Management of geomechanical processes at improvement of abrupt coal layers". - Manuscript.

The dissertation on competition of a degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.15.11. - "Physical processes of mountain manufacture" -Institute of physics of mountain processes of Ukrainian National Academy of Science, Donetsk 2003.

The dissertation is devoted to problems of management of geomechanical processes at improvement of abrupt coal layers in the Central area of Donbass on the basis of use of the received laws of displays of mountain pressure at panelboard improvement by the mechanized units, and as at traditional (lavas on spread) system of improvement.

In work on the basis of results of experimental researches in 46 mine longwalls of Industrial Associacion (IA) "Artiomugol", 1A "Dserdjinskugol", and IA "Ordjonikidseugol", the data on parameters of displays of mountain pressure in clearing and preparatory manufactures, and as the data on geomechanical processes in a mountain file, environmental manufacture are received. It has allowed to develop a new way of protection of preparatory layers of manufactures (drifts, furnace at panelboard improvement) based on preliminary unloading of an environmental mountain file with the help of preliminary humidifying of a coal layer by SAS . Experimental researches of geomechanical processes in a vicinity panelboard of longwalls, as in direct, and basic roof, and as at a level which is worked of ventilating horizon, for the first time were executed. As a result of the analysis of the received data and executed modeling the new way of improvement of abrupt layers by panelboard units ensuring reduction up to 30 - 40 % of deformations of a terrestrial surface is created.

This way was used, by development by group of institutes under a management of Dneprogiproshahta and HEED of the projects of protection of a terrestrial surface for all mines of cities Gorlovka and Dserdjinsk.

The introduction of results of work will allow to receive annual economic benefit up to 2 187,06 thousand UA grh for one mine.

Key words: a coal layer, abrupt fall, geomechanical processes, panelboard improvement, management of a condition of a mountain file, surface protection from undermining.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. В процесі багаторічного відпрацювання світ крутих пластів у Центральному районі Донбасу (ЦРД) в зону впливу гірничих робіт потрапила велика за площею територія, густина забудови якої одна з найбільших у регіоні, оскільки там розташовані великі міста і велика кількість селищ. Крім того, тут знаходяться найбільші промислові спорудження і найважливіші комунікації такі, як залізниці, продуктопроводи, від стану яких залежить не тільки безперебійна робота промислових об'єктів, але і безпека населення. У результаті виїмки вугільних пластів земна поверхня осіла на 4-5 м, але найбільш небезпечним є утворення на цій поверхні уступів висотою до десятків сантиметрів, що і призводить (особливо при динамічному їхньому утворенні) до аварійних ситуацій з житловими і виробничими об'єктами.

Дотепер питання управління деформаціями земної поверхні в ЦРД не знайшли свого рішення, за винятком випадків залишення охоронних ціликів під шахтні стволи і відповідальні спорудження. Не вивчено у достатній мері і питання впливу технології відпрацювання пластів на геомеханічні процеси, які відбуваються у налягаючому гірничому масиві, а також взаємозв'язок цих процесів з деформаціями земної поверхні. Важливим це питання стає також і при процесі затоплення виробленого простору вугільних шахт, що закриваються по мокрій консервації, коли внаслідок підвищеного обводнювання гірничих порід і вугільних пластів можлива активізація геомеханічних процесів у масиві, а також процесів осідання земної поверхні. Актуальною науковою проблемою в цих умовах є створення комплексу гірничих засобів, що забезпечують найменші величини осідання земної поверхні над виробленим простором. Це можливо здійснити лише в результаті вивчення геомеханічних процесів, що відбуваються в гірничому масиві і гірничих виробках пластів крутого падіння при різних технологіях їхнього відпрацювання і створення науково обґрунтованих технологічних способів управління станом гірського масиву.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Тема дисертації і дослідження відповідають планам НДДКР Мінвуглепрому СРСР, Мінпаливенерго України, Національної академії наук України (№ Д.Р. 01890009525, 01889070355, 01900009353, 019100211407, 01900009350, 0193У039781, УА01001247Р, УА01001626Р).

Метою роботи є створення комплексу способів управління станом гірничого масиву при відпрацюванні крутих пластів, які забезпечують охорону і підтримку пластових виробок, котрі перешкоджають розвитку підвищених деформацій гірничого масиву і земної поверхні.

Ідея роботи полягає у використанні отриманих закономірностей і залежностей проявів геомеханічних процесів для розрахунку параметрів управління гірським тиском в підготовчих і очисних виробках при відпрацюванні крутих вугільних пластів.

Задачі досліджень:

- розробити способи активного управління станом гірничого масиву в місцевості виробок, які засновані на зміні механічних характеристик вугільного пласта при обробці його водяними розчинами ПАР;

- встановити особливості і закономірності деформування гірничого масиву як безпосередньо поблизу пласта, що відпрацьовується щитовими агрегатами, так і у вище розташованому масиві;

- встановити особливості відпрацювання крутих пластів в умовах впливу на підготовчі виробки зон ПГТ й геологічних порушень і розробити способи їхньої підтримки;

- виконати дослідження параметрів гірського тиску в підготовчих виробках при застосуванні різних типів кріплення з метою встановлення раціональних паспортів кріплення;

- розробити й апробувати спосіб управління гірничим масивом при щитовій виїмці крутих пластів, що дозволяє знизити деформацію земної поверхні;

- виконати аналіз впливу можливого закриття шахт і подальшого затоплення виробленого простору, на активізацію геомеханічних процесів і осідань земної поверхні.

Об'єктом досліджень - є геомеханічні процеси, що протікають при відпрацюванні крутих вугільних пластів у Центральному районі Донбасу.

Предметом досліджень - є способи управління геомеханічними процесами на крутих пластах Донбасу.

Методи досліджень. В роботі застосовані комплексні методи, що включають до себе аналіз і узагальнення раніше виконаних досліджень по проблематиці; лабораторні дослідження фізико - механічних властивостей гірських порід і їх зміни під впливом розчинів ПАР; теоретичні дослідження, що включають в себе методи математичного моделювання і моделювання на еквівалентних матеріалах; експериментальні дослідження геомеханічних процесів у підготовчих і очисних виробках в зонах геологічних порушень і ЗПГТ із використанням як стандартних, так і оригінальних методик і апаратури; обробку і аналіз отриманих результатів.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Вперше встановлений механізм деформування гірничого масиву над виробленим простором при відпрацюванні пластів щитовими агрегатами широкими смугами за падінням, відмінність якого від аналогічного процесу при відпрацюванні пластів лавами за простяганням, полягає в залученні у процес деформування порід лежачого боку на відстані до 70 м від зустрічі пластів з горизонтом, яскраво вираженому асиметричному характері кривої осідань гірничого масиву на рівні вентиляційного горизонту, утворенням уступів у підошві квершлагу на вентиляційному горизонті і реалізації більшої (у 1,5 рази) величини максимуму вертикальних осідань.

2. Вперше встановлені особливості механізму підвищення параметрів проявів гірського тиску в гірничих виробках в умовах впливу зон ПГТ і розривних тектонічних порушень, які обумовлені особливостями протікання геомеханічних процесів.

3. Вперше обґрунтований і впроваджений спосіб підвищення стійкості пластових підготовчих виробок (патент РФ № 506452), в основі якого лежить ефект розвантаження приконтурної частини пласта у виробках при її зволоженні водяними розчинами ПАР.

4.Теоретично обґрунтований і перевірений на практиці спосіб управління гірничим масивом при відпрацюванні крутих пластів широкими смугами за падінням, що виймаються щитовими агрегатами (патент СРСР № 5033049), заснований на чергуванні смуг вугілля з закладкою виробленого простору і без закладки, із кріпленням печей кріпленнями підвищеної несучої здатності і необхідної піддатливості з установкою кріплення механізованим способом (патент РФ 4770632), що дозволяє зменшити деформації земної поверхні над очисними виробками в 3-4 рази, у тому числі і при затопленні виробленого простору і викликаному при цьому процесі активізації зсуву гірничого масиву.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше створені теоретичні і практичні основи розробки крутих вугільних пластів, що забезпечують захист наземних будинків і споруджень від шкідливого впливу гірничих робіт на великих (понад 800м) глибинах, на базі використання сучасних методів математичного і еквівалентного моделювання геомеханічних процесів, що супроводжують відпрацювання з крутих вугільних пластів, експериментальних методів досліджень параметрів проявів гірського тиску в підготовчих і очисних виробках у складних гірничо - геологічних умовах, що характеризуються наявністю зон ПГТ і дрібноамплітудних диз'юнктивних порушень, дослідженням процесу деформування гірничого масиву в місцевості очисних вибоїв. Це дозволило розробити для шахт ВО “Артемвугілля” і ВО “Дзержинськвугілля” перспективний порядок і способи відпрацювання пластів до нижньої технічної межі.

При цьому:

- вперше встановлені закономірності в деформуванні гірничого масиву навколо очисних вибоїв, що відпрацьовують круті вугільні пласти з застосуванням щитових агрегатів широкими смугами за падінням, які залучають в процес деформування порід лежачого боку, формування уступів у кривій осідань вже на рівні вентиляційного горизонту і її асиметрії;

- вперше встановлений механізм взаємодії зони опорного тиску від рухомого очисного вибою і зон підвищених напруг у диз'юнктива, який полягає в суперпозиції цих напруг, і пояснюється підвищеними параметрами проявів гірського тиску навколо гірничих виробок і наступному різкому зменшенні після проходження очисного вибою порушення внаслідок зменшення напруг у зоні опорного тиску, викликаного зменшенням консолі основної покрівлі;

- вперше встановлені особливості механізму формування параметрів проявів гірського тиску в гірничих виробках, по пластах, що відпрацьовуються в зонах ПГТ, сформованих від очисних вибоїв у суміжних пластах і дане пояснення перевищення величини параметрів проявів гірського тиску над величинами напруг у пласті, в зонах ПГТ;

- вперше встановлений механізм зниження напруг біля підготовчої, пластової й очисної виробки при обробці пласта водяними розчинами ПАР через свердловини, які пробурені з випередженням, або при оформленні вибою;

- розроблений і практично реалізований метод розрахунку кріплення й охорони печей при щитовій виїмці крутих вугільних пластів із застосуванням конструкції на основі ВЗБТ, що забезпечує деформації до 20 %, який дозволить підтримувати основну покрівлю в щитовій смузі, що відпрацьовується, на весь період її експлуатації;

- розроблений і реалізований на шахтах спосіб відпрацювання крутих пластів із застосуванням щитових агрегатів, заснований на закладці виробленого простору в частині відпрацьованих смуг, і застосуванні при цьому кріплення печей з високим питомим опором, (до 22000 кН / м ), що аналогічно частковій виїмці запасів і дозволяє зменшити деформації поверхні в 3-4 рази.

Наукове значення роботи полягає в розвитку наукових основ управління гірничим масивом при відпрацюванні крутих вугільних пластів, у тому числі при застосуванні механізованих щитових агрегатів на базі використання сучасних методів вивчення геомеханічних процесів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:

- застосуванням апробованих у вітчизняній і світовій практиці методів математичного моделювання і моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів;

- схожістю отриманих результатів, як теоретичних, так і практичних досліджень, а також з результатами досліджень інших авторів;

- великим обсягом експериментальних досліджень, виконаних в період з 1987 по 2003 роки на 46 ділянках шахт ВО “Артемвугілля”, “Дзержинськвугілля” і “Орджонікідзевугілля”.

Практичне значення отриманих результатів.

Основні наукові результати роботи використані при розробці техніко - економічних обґрунтувань гірничих засобів захисту міст Дзержинська і Горлівки від шкідливого впливу підробки і ввійшли в такі галузеві нормативно - методичні документи:

Руководство по управлению горным давлением при отработке крутых и крутонаклонных пластов в условиях многократных пригрузок зон опорного давления: МУП УССР. Донецк: - 1987. - 45 с.

Методические указания по совершенствованию способов управления горным давлением при разработке свит угольных пластов Донбасса с углами падения свыше 35⁰: Л: ВНИМИ. - 1987. - 38 с.

Инструкция по управлению горным давлением в очистных и подготовительных выработках при разработке угольных пластов с углами падения свыше 35⁰: Донецк: 1988. - 286 с.

Крутые и крутонаклонные угольные пласты. Управление горным давлением и крепление в очистных и подготовительных выработках на больших глубинах: Инструкция, МУП Украины, 1997. - 312 с.

Компьютерный вариант составления паспортов управления кровлей и крепления лав пластов с углами падения свыше 35⁰ . Руководство, МУП Украины, Донецк, 1998. - 123 с.

Очікуваний економічний ефект по одній шахті складе 2187,07 тис. грн./рік.

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані ідея, мета і задачі досліджень; виконаний аналіз досліджень інших авторів геомеханічних процесів в підготовчих, очисних виробках і гірничому масиві при розробці крутих вугільних пластів у Центральному районі Донбасу (ЦРД), розроблена методика виконання експериментальних і лабораторних досліджень геомеханічних процесів при відпрацюванні крутих пластів, зроблений вибір ділянок спостережень на шахтах регіону, складена програма досліджень, організовані й проведені при особистій участі автора шахтні і лабораторні дослідження, виконаний аналіз експериментальних і теоретичних досліджень, розроблені геомеханічні схеми для пояснення отриманих явищ при підтриманні виробок в умовах впливу зон ПГТ і дрібноамплітудних геологічних порушень, обґрунтована схема деформування гірничого масиву при щитовій виїмці крутих пластів, обґрунтовані нові способи управління гірським тиском при виїмці крутих пластів щитовими агрегатами і спосіб охорони підготовчої виробки за допомогою розвантаження гірничого масиву водяними розчинами ПАР. При особистій участі автора розроблені техніко-економічні обґрунтування по захисту міст і селищ у Центральному районі Донбасу.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення роботи доповідалися на вчених радах інститутів ІФГП НАН України, ВНДМІ (м. Ленінград) і Дніпргіпрошахт (м. Дніпропетровськ), а також були представлені на наукових конгресах по шахтній геофізиці в м. Пермь (СНД) і на міжнародних симпозіумах у м. Ніцца й у Польщі, на міжнародних наукових школах з геомеханіки в Сімферополі, Дніпропетровську і Москві (1989-2003 рр.).

Публікації. Основні результати опубліковані в 53 наукових роботах, 27 з який опубліковані в спеціалізованих наукових виданнях, 8 монографій, 3 патенти, видано при участі автора 5 нормативно - методичних документів.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шістьох розділів і висновку. Дисертація викладена на 297 сторінках, включаючи 80 рисунків, 46 таблиць, списку використаних джерел з 261 найменувань і додатків.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі “Вплив способів управління гірським тиском на геомеханічні процеси, що протікають у гірничому масиві при крутому падінні”, дається огляд робіт, присвячених проблемам управління станом гірничого масиву навколо гірничих виробок на крутих пластах Донбасу, включаючи очисні виробки. Особливістю розробки крутих пластів є одночасне відпрацювання до 16-18 пластів на горизонті. Внаслідок цього процес деформації гірничого масиву, що вміщує пласти, охоплює великий обсяг гірничих порід і відбувається протягом тривалого періоду часу. З упровадженням механізованих щитових агрегатів на крутих пластах були відзначені особливості в прояві деформацій земної поверхні - вони стали більш інтенсивні за величиною горизонтальних і вертикальних деформацій і локалізовані за площею. Вперше на це звернули увагу В.И. Черняєв і М.Ф. Малюга. Незважаючи на те, що геомеханічні процеси при відпрацюванні крутих пластів досить повно досліджувалися колективами вчених НГУ, ВНДМІ, ДНТУ, ДонВУГІ, ДонНДІ, ІГТМ НАНУ, ІФГП НАНУ й ін., особливості деформування гірничого масиву навколо щитового вибою були вивчені недостатньо. Виявилося не дослідженим питання поширення деформацій у вищележачому гірничому масиві, аж до земної поверхні. Відомі дослідження процесу деформування гірничого масиву над виробленим простором очисних вибоїв, відпрацьованих за простяганням, виконані ВНДМІ із застосуванням методу глибинних реперів на ряді шахт ЦРД. Отримані закономірності були використані при удосконалюванні способів управління гірським тиском при відпрацюванні крутих пластів механізованими комплексами й удосконалюванні паспортів управління покрівлею з застосуванням індивідуального кріплення. Разом з тим використовувати ці дані для щитових вибоїв неправомірно внаслідок істотних відмінностей у проявах гірського тиску і деформаціях гірничого масиву, що було відзначено Ф.М. Воскобоєвим, І.Ф. Івановим, А.Ф. Булатом, А.Т. Курносовим та іншими дослідниками. Ефективність роботи щитового агрегату значною мірою залежить від стану виробок, що оконтурюють щитовий вибій. За більш ніж 30 річний досвід роботи були створені досить ефективні паспорти кріплення охорони виробок. Разом з тим як матеріал для кріплення використовується дерево, що призводить до його витрати до 60 м³ / 1000т. Відомі пропозиції використовувалися як кріплення конструкції з залізобетонних тумб, металевих стояків, а також із замінників цементу (фосфогіпс і газобетон). Однак за рамки експерименту ці роботи не вийшли. Виявилися не дослідженими питання забезпечення необхідної піддатливості кріплення з одночасно високою несучою здатністю. Також не використовувалися способи активного управління гірничим масивом навколо підтримуваної виробки, хоча і був створений ряд способів впливу на вугільний пласт і гірськи породи. Це одержало своє визначення в роботах вчених ІГТМ НАНУ, НГУ, ВНДМІ, ДНТУ, МГУ, С-П ГУ і ін. Отже було необхідно продовжити дослідження в цьому перспективному напрямку. Відпрацювання крутих вугільних пластів ускладнене наявністю великої кількості розривних тектонічних порушень, навколо яких гірничий масив і вугільні пласти так само порушені інтенсивною тріщинуватістю, яка створює великі труднощі при роботі очисних вибоїв і при підтримці гірничих виробок у цих зонах. Також дослідженнями як в ЦРД, так і в інших басейнах (ВНДМІ, НГУ, ДонНДІ) встановлено, що в зонах розривних порушень відзначається підвищення напруженого стану гірничого масиву. Досвід роботи шахт показав, що для прогнозування зон впливу диз'юнктивних дрібноамплітудних порушень досить надійних методик немає для умов ЦРД, і так само не зовсім ясний механізм впливу порушень на діючі очисні вибої і виробки, що примикають до них, а це не дозволяє створити надійні способи їхньої охорони і підтримки. При відпрацьовуванні світи крутих пластів ведення гірничих робіт відбувається в умовах впливу зон підвищеного гірського тиску (ЗПГТ), які формуються на пласті, що відпрацьовується, від ціликів, лав і крайових частин, залишених на суміжних пластах. Дослідження параметрів проявів гірського тиску в умовах ЗПГТ проводилися рядом колективів, але на момент початку наших досліджень цих результатів не вистачало для розробки науково - обґрунтованих рекомендацій з ведення гірничих робіт у цих умовах. Як показав аналіз виконаних досліджень, при відпрацюванні крутих пластів процес осідання земної поверхні над виробленим простором відбувається з утворенням своєрідних уступів на земній поверхні, що є однією з основних причин порушення, аварійного стану будинків і споруджень. Найбільше цього зазнають забудови в м.м. Горлівка, Дзержинськ і Єнакієве. Є досвід ведення очисних робіт із закладкою виробленого простору, але при технології щитової виїмки пластів такі роботи тільки починаються. Крім того не застосовувалися інші міри захисту поверхні від підробки, як то часткова виїмка запасів. І зовсім були не досліджені питання активізації геомеханічних процесів у раніше підробленому гірничому масиві, які викликані затопленнями виробок при мокрій консервації закритих шахт.

В результаті виконаного аналізу робіт, присвячених дослідженню геомеханічних процесів при відпрацюванні крутих пластів Донбасу і способів активного управління навколишнім гірничим масивом, було встановлено наступне.

Не встановлені якісні і кількісні характеристики геомеханічних процесів у навколишньому гірничому масиві при відпрацюванні крутих пластів смугами по падінню із застосуванням щитових агрегатів.

Кріплення виробок, що оконтурюють щитовий агрегат, не повною мірою забезпечує необхідну піддатливість і несучу здатність, що призводить до аварійних ситуацій.

Не одержало широкого застосування сполучення активних способів управління навколишньої виробки гірничого масиву і перспективних конструкцій кріплення.

Недостатньо досліджені питання впливу зон ПГТ і розривних геологічних порушень на стан гірничих виробок і не створені способи їхньої охорони і підтримки.

Не створено надійних способів розробки крутих вугільних пластів із застосуванням щитових агрегатів, які могли б зменшити величини осідання земної поверхні над гірничими виробками і тим самим забезпечити захист будинків і споруджень від шкідливого впливу гірничих робіт.

Не досліджений механізм активізації геомеханічних процесів у виробленому просторі при їхньому затопленні у випадку мокрої консервації шахт і поновлення при цьому процесу осідання земної поверхні.

Це дозволило сформулювати мету і задачі досліджень.

В другому розділі “Методика виконання експериментальних досліджень параметрів проявів гірського тиску при відпрацьовуванні крутих пластів” наводяться дані про методики виконання експериментальних робіт.

Для вивчення геомеханічних процесів навколо підготовчих і очисних виробок були використані як стандартні методики, так і застосовувалися оригінальні методики, розроблені автором як особисто, так і разом зі співробітниками ВНДМІ і Відділенням фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна (зараз ІФГП НАНУ).

Одним із інформативних показників про параметри прояву гірського тиску у виробках - є зближення бокових порід. Для його вивчення застосовувалися як контурні репери, які закладали в боках підготовчих виробок, а також у покрівлі і підошві очисних виробок, так і метод глибинних реперів ВНДМІ, що дозволяє одержати інформацію про поводження масиву гірничих порід на значному видаленні від виробок. В залежності від вирішуваної задачі і гірничотехнічних умов проведення експерименту, глибина свердловин складала від 10 м до 70 м. Для дослідження процесу відносного зміщення бокових порід у площині напластування була використана методика, розроблена автором, що полягала в розміщенні трьох реперів у підошві виробки й одному - у покрівлі. В результаті вимірів і розрахунків визначалися одночасно компоненти вектора зміщення як по нормалі за напластуванням, так і за простяганням й падінням пласта. Спрямованість руху щитового агрегату в площині пласта, необхідна для рішення задачі ефективного кріплення підготовчих виробок. Для її вивчення була використана спеціально розроблена методика, яка заснована на використанні лазерних покажчиків напрямку (ЛПН) конструкції ВНДМІ, для створення базової лінії за допомогою лазерного променя.

Дослідження стану гірничого масиву навколо гірничих виробок здійснювалося із застосуванням методів шахтної геофізики: електропрофілювання, електропросвічування і сейсмопросвічування за методикою ВНДМІ, а також резонансними методами (метод С - П ГУ).

Усього досліджень було виконано на 46 ділянках 12 шахт у всіх виробничих об'єднаннях Центрального району Донбасу, що дозволяє стверджувати про достовірність отриманих даних.

У третьому розділі “Дослідження параметрів проявів гірського тиску у вентиляційних і вуглеспускних виробках при щитовому відпрацюванні в умовах впливу зон ПГТ і геологічних порушень” приводяться дані експериментальних досліджень поводження бокових порід в очисних і підготовчих виробках при щитовому відпрацюванні крутих пластів. Викладено результати досліджень на 12 шахтах ЦРД.

Відпрацювання світ вугільних пластів у Центральному районі Донбасу ускладнено наявністю зон підвищеного гірського тиску, що утворюються внаслідок впливу на розроблювальний пласт як одного об'єкта - концентратора напруг від суміжних зближених пластів, так і декількох. Зона (зони) підвищеного гірничого тиску характеризується рівнем нормальних до площини напластування напруг, що перевищують напруги недоторканого масиву. Наслідком впливу ЗПГТ є погіршення умов керування гірським тиском в очисних і підготовчих виробках внаслідок підвищення тиску на кріплення і зменшення стійкості порід покрівлі і підошви через її розшарування і зруйнування під дією підвищених навантажень. В умовах підвищених напруг збільшується схильність вугільних пластів до раптових викидів вугілля, породи, газу, а також обрушення нависаючого вугільного масиву.

В очисних вибоях і підготовчих виробках виявляється вплив ЗПГТ, причому внаслідок тривалого часу експлуатації підготовчих виробок вони знаходяться увесь цей термін під впливом підвищених напруг. Заходи щодо зменшення шкідливого впливу розробляються дуже ретельно. До таких виробок відносяться вугілляспускні і вентиляційні скати при щитовому відпрацюванні крутих пластів. Крім ЗПГТ від суміжних пластів на ці виробки впливають і роботи по власному пласту.

Дослідження параметрів проявів гірського тиску були виконані на шахтах ім. Ю.О. Гагаріна, ім. В.І. Леніна, ім. К. Румянцева і ш. “Кочегарка” ВО “Артемвугілля” (агрегати І АНЩ і 2 АНЩ) і ш/у “Олександрійське” (агрегат 2КЩ). Для цього в підготовчих виробка (вентиляційних і вугілляспускних печах) були закладені спеціальні спостережні станції контурних реперів за методикою, викладеною в розділі 2. При цьому досліджувалися процеси зближення бокових порід на контурі виробок як у площині напластування, так і по нормалі за напластуванням.

У вентиляційних печах обладнувалися спостережні станції, що складалися з пари контурних реперів, які закладаються в підошву і покрівлю. Відстань між спостережними станціями складала 10 м і вони обладнувалися в міру посування вибою агрегату й оформлення кріплення печі.

Періодичність вимірів складала 1-2 рази на тиждень і визначалася швидкістю посування очисного вибою.

Додатково до цих станцій у верхній частині печі (у 20 м нижче рівня вентиляційного горизонту) і на відстані 60 м від цього рівня виконувалися дослідження відносного зміщення бокових порід у скатах за нормаллю і за напластуванням та у площині напластування за нашою методикою. Оскільки вентиляційна піч після відпрацювання смуги служить для наступної смуги вже в якості вугілляспускної, то виміри продовжувалися аж до погашення печі після проходження щитового агрегату. Результати шахтних досліджень дозволили встановити наступне.

У вугілляспускних печах величини і швидкості зближення бокових порід відрізняються від цих же параметрів у вентиляційних. Це викликано тим, що бокові породи на контурі ската були деформовані більш інтенсивно, ніж у початковий момент, коли виробка тільки проходилася і була як вентиляційна, а також наявністю зони опорного тиску, що сформувалася перед рухомим щитовим вибоєм. Швидкості зближення бокових порід збільшуються в 2,0-2,2 рази в порівнянні з вентиляційним скатом, особливо це стає помітно після 50-60 м, відходячи з монтажної камери - тоді під дією осідання основної покрівлі зміщення в 2,24 рази вище.

В таблиці 3 представлені дані про максимальні зміщення покрівлі і підошви по нормалі за напластуванням у вуггілляспускних печах на кінцевих періодах відпрацювання (чи на момент перекріплення), приведені до виймальної потужності пласта.

Дослідження параметрів проявів гірничого тиску в очисних і підготовчих виробках в умовах зон ПГТ були виконані на 10 експериментальних ділянках.

Аналіз результатів виконується із застосуванням методів математичної статистики з метою забезпечення достовірності отриманих результатів. У таблиці 4 представлені отримані дані.

Відпрацьовується свита пластів, причому пласт 1 відпрацьований і вибій зупинений. При цьому сформувалися зони опорного тиску по власному пласту і зони підвищеного гірського тиску по сусідніх пластах. Розробка пласта 1 привела також до формування зон розвантаження в оточуваному пласт гірничому масиві (зони ІІ) і зон опорного тиску (зона І). При відпрацьовуванні пластів 2 і 3 сформовані зони опорного тиску перед очисними вибоями з величинами максимумів напруг

К₃гН⁰₃, і К₂гН⁰₂,

де г - середня об'ємна вага порід г/м³;

К_2, К₃ - відповідно коефіцієнти концентрації напруг;

Н₂⁰ і Н₃⁰ - глибини залягання пластів з урахуванням їх розташування в зонах розвантаження.

Цілком природно, що Н₂⁰< Н₂ ; Н₃⁰< Н₃ .

При підході до зони ПГТ, внаслідок накладення напруг від ЗПГТ і зони опорного тиску від власного пласта, величини напруг в зоні максимуму досягнуть значень, відповідно: К₃^' г Н_3. і К₂^'' г Н₂, що вище раніш існуючих напруг у зоні опорного тиску. Оскільки параметри проявів гірського тиску в гірничих виробках визначаються в привибійному просторі, де вже був відсутній вплив зони опорного тиску, але породи піддавалися її впливу, безсумнівно, що їхній стан у зоні ПГТ (а також на деякій відстані до неї) буде гірший, ніж поза зоною. Тому в результаті порівняльного аналізу параметрів проявів гірського тиску (величин і швидкостей зближення порід покрівлі і підошви в гірничих виробках) до зони ПГТ (тобто в зоні розвантаження, де породи піддавалися впливу тільки зони опорного тиску по власному пласту) і на межі зони ПГТ (де підсумовуються напруги від ЗПГТ і зони опорного тиску) виходять величини приросту параметрів гірського тиску в кілька разів більші, ніж просто приріст напруг.

Встановлено, що відмінність у параметрах проявів гірського тиску в гірничих виробках поза зоною ПГТ і при підході до ЗПГТ пояснюється в першому випадку в розташуванні виробки в зоні розвантаження, а в другому випадку - у впливі на породи покрівлі і підошви напруг від ЗПГТ (стаціонарна) і зони опорного гірського тиску від робіт по власному пласту (динамічна).

Виконані дослідження дозволили розробити рекомендації по керуванню гірським тиском в очисних і підготовчих виробках, що працюють у зонах ПГТ, які ввійшли в ряд галузевих нормативно - методичних документів.

Дослідження впливу зон дрібноамплітудних розривних порушень на параметри гірського тиску в підготовчих виробках виконувалися на шахтах ВО “Дзержинськвугілля” і ВО “Артемвугілля” із застосуванням методів геомеханіки і шахтної геофізики по галузевим методикам.

Встановлено, що зона віджиму за період 10-15 доби з моменту проведення виробки збільшується в 3-4 рази і може складати 2 м для пласта потужністю 1,5 м. Зона максимуму опорного тиску переміщається за цей же період у глиб масиву з відстані 3-4 м на 7-8 м. Руйнування порід на контурі гірничої виробки призводить до погіршення умов її підтримки, що супроводжується підвищеними деформаціями кріплення і її аварійним станом.

Є відомі способи активного управління напруженим станом гірничих порід навколо виробки, але як показав аналіз досвіду їхнього застосування, вони досить трудомісткі і багато коштують. Тому нами був запропонований принципово новий спосіб охорони гірничої виробки рис.3. (патент РФ № 2055216), заснований на попередньому розвантаженні навколишнього гірничого масиву за допомогою нагнітання розчинів поверхово-активних речовин у вугільний пласт в боках виробки.

Глибина і діаметр нагнітальних свердловин, напрямок їх щодо елементів вибою і схема їхнього розташування залежить від гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів: фізико-механічних властивостей гірських порід і вугілля, їхнього напруженого стану, а також технічних можливостей на конкретній шахті.

Методом сейсмоакустичного зондування встановлено, що при зволоженні вугільного пласта напруги навколо виробки вирівнюються і зменшуються за величиною, що створює більш сприятливі умови її підтримки. Створено технологічну схему застосування цього способу як для горизонтальних пластових виробок, так і для щитової виїмки, а також для умов зон дрібноамплітудних тектонічних порушень. Метод пройшов перевірку на шахтах “Торецька”, ім. Ф.Е. Дзержинського, ш. “Північна” ВО “Дзержинськвугілля”, а також на шахтах ім. Ю.О. Гагаріна та ім. В.І. Леніна ВО “Артемвугілля” і показав високу технічну ефективність, а економічний ефект від його застосування складає до 50 грн. на 1 п.м. виробки.

У четвертому розділі “Дослідження процесу деформування порід над виробленим простором і обґрунтування нового способу відпрацювання крутих вугільних пластів”. Дослідження проводилися із застосуванням методу глибинних реперів за методикою ВНДМІ. Виконані дослідження процесів деформування безпосередньої і основної покрівлі над виробленим простором щитових вибоїв за допомогою глибинних реперів, дозволили встановити особливості їх відмінності від процесів, отриманих для умов відпрацювання пластів лавами за простяганням. Так, найбільшим деформаціям піддаються пласти порід у верхній частині виймальній смуги, - приблизно на 20-30 м від вентиляційного горизонту. На іншій частині, деформації значно нижче, ніж при лавах за простяганням, за рахунок постійно переміщуваної породної подушки за огородженням щитового агрегату. Ряд авторів до початку 80-х років висловив припущення, що при розвитку відпрацювання пластів за щитовою технологією варто очікувати збільшення деформацій земної поверхні, що може призвести до аварійних ситуацій на промислових і цивільних об'єктах. Оскільки проведення спостережень за зрушенням поверхні з метою виділення із сумарних деформацій, від усіх відпрацьованих лав, деформації тільки від щитів, методично неможливо, внаслідок накладення процесів деформування від вище відпрацьованих пластів, а також від інших пластів, що відпрацьовані за традиційною технологією - було прийняте рішення провести спостереження в гірничих виробках, розташованих на вентиляційному горизонті ділянки, що відпрацьовується. Метою експериментальних досліджень було визначення параметрів проявів гірського тиску і зрушення масиву гірських порід при різному напрямку виїмки і способу керування гірничим тиском в очисному вибої. При цьому визначалися параметри зсуву гірничого масиву на рівні вентиляційного горизонту під впливом очисної виїмки.

Дослідження зрушення гірничого масиву проводилися за допомогою нівелювання підошви підроблювання проміжних квершлагів і вентиляційних штреків по реперах підошви, виконуваних маркшейдерами шахт.

Для експериментів були обрані ділянки на шахтах ім. В.І. Леніна, (пл. “Дев'ятка”) ім. К. Румянцева і ш. “Кочегарка” (пл. “Подп'яток”) ВО ”Артемвугілля”. Розробка методики, закладення спостережливих станцій і проведення експериментів виконувалася спільно, із співробітниками ВНДМІ і об'єднання. Обробка й аналіз отриманих результатів досліджень виконані автором. Для порівняння дані криві очікуваних деформацій, обчислені за нормативними галузевими документами. Як уже було відзначено, процес осідання підошви а, отже, усього масиву гірських порід над щитовим агрегатом характеризується великою неоднорідністю. Просліджується несиметричність у розвитку деформацій. Їхній максимум реалізується в районі перетинання квершлагу пластом і кут (кут максимальних деформацій) може досягати значень до 105⁰, тобто більш ніж в два рази вище величини, яка рекомендується нормативними документами - 48-50⁰ (при кутах падіння понад 50⁰).

Цікавими є дані, отримані на шахті “Кочегарка”, де щитовою лавою був підроблений квершлаг довжиною більше 370 м. Це дозволило вперше одержати дані по деформаціях гірничого масиву на рівні вентиляційного горизонту при щитовій виїмці не тільки у висячому боці, але й у лежачому боці пласта.

В міру відробки вугілля і пересування щитового агрегату за падінням, утвориться вироблений незакріплений простір. При відході 10-15 м від монтажної ніші відбувається відпластування й обрушення порід безпосередньої покрівлі і руйнування вугільного цілика. Скочуючись вниз під дією власної ваги, вони додатково дробляться й утворюють своєрідну подушку за огородженням щитового агрегату. Надалі процес обрушення порід буде розвиватися і захоплювати усе більший простір і пласти, що лежать вище покрівлі. У покрівлі утворяться системи тріщин, що поділяють пласти покрівлі на блоки, розмірами 17-25 м. При досягненні граничного прольоту порід основної покрівлі 150-250 м за простяганням, відбувається їхнє крихке руйнування, часто в динамічному режимі. Найбільш інтенсивно деформуються і руйнуються породи у верхній частині панелі, тому що відбувається постійне переміщення завалених порід за мірою посування щитового агрегату, де над монтажною нішею утвориться зона обвалень порід у виді куполів висотою до 6 потужностей вугільного пласта, що виймається. Також розвивається процес розшарування і сповзання порід підошви пласта. Для порівняння наведені криві очікуваних деформацій, обчислені за нормативними галузевими документами. Як уже було відзначено, процес осідання підошви а, отже всього масиву гірських порід над щитовим агрегатом характеризується великою неоднорідністю. Просліджується несиметричність у розвитку деформацій.

Їхній максимум реалізується в районі перетинання квершлагу пластом і кут (кут максимальних деформацій) може досягати значень до 100, тобто більш ніж у два рази вище рекомендованої величини - 48-50⁰ (при кутах падіння понад 50⁰). Граничний кут _о, визначений за даними наших досліджень знаходиться в межах 27-28, це відповідає рекомендованим цифрам. Отримані в результаті наших досліджень параметри процесу зрушення бокових порід навколо щитового вибою дозволили створити узагальнену геомеханічну схему.

Встановлена нашими дослідженнями аномальність в процесі деформування гірничого масиву при щитовій виїмці і спонукала цим аномальність в процесі осідання земної поверхні викликала необхідність розробки нового способу відпрацювання крутих пластів.

В основу способу був покладений метод часткової виїмки запасів, коли частина щитових вибоїв працювала з повним обваленням, а інша із закладкою і посиленим кріпленням печей конструкціями з плит ВЗБТ із розрахунковими параметрами опору і податливості.

Для обґрунтування його параметрів були виконане моделювання на еквівалентних матеріалах і математичне моделювання методом кінцевих різностей. На моделях з еквівалентних матеріалів досліджувався вплив схем відпрацювання з коефіцієнтом збільшення запасів (К) від 0,2 до 0,8. В усіх схемах сума ширини смуги (D) і ширини цілика (d) залишалася постійною - 0,5 Н (Н - глибина розробки) при цьому D і (d) показник варіації був в межах від 0,1 Н до 0,4 Н і від 0,4 Н до 0,1 Н відповідно. На рис. 8 представлені отримані залежності.

Для перевірки обраних параметрів нового способу було проведено математичне моделювання на ПОМ для деякого можливого варіанта розвитку робіт за даною схемою.

У моделі були закладені представлені для ЦРД гірничо-геологічні, гірничотехнічні умови і фізико-механічні характеристики вугілля і бокових порід.

Також у ній враховані отримані в результаті наших досліджень дані про твердість закладки і ВЗБ тумб при щитовій виїмці. Основна покрівля пласта розглядалася як тонка плита, що спирається на основу з неоднорідною твердістю, яка залежить від форми виробленого простору і способу управління покрівлею.

Нормальні за напластуванням опускання визначалися за рішенням диференціального рівняння.

Як видно, опускання покрівлі мають локальний характер, причому над смугами із закладками вони не перевищують 0,11 м (для потужності пласта, що виймається, 1,2 м), а над ціликом - 0,09м. Максимальні опускання 0,3м реалізуються над виробленим простором, де щитові лави працювали з повним обрушуванням, і в 4 рази менш потужності, пласта, який виймається. Це підтверджує дані моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів про те, що новий спосіб забезпечує суттєве (в 4 рази) зменшення деформацій гірничого масиву над виробленим простором а, отже і земної поверхні.

У п'ятому розділі “Практичне застосування розроблених способів управління геомеханічними процесами при розробці крутих пластів щитовими агрегатами”. Розроблений спосіб відпрацьовування крутих пластів із застосуванням щитових агрегатів ліг в основу розробки рекомендацій по зменшенню деформацій земної поверхні. Для кожної шахти в ВО “Дзержинськвугілля”, були розроблені інститутами Донгіпрошахт, ВНДМІ, МакНДІ і ДонВУГІ проекти захисту земної поверхні з урахуванням пластів які відпрацьовуються до нижньої межі.

У кожному проекті був виконаний вибір оптимальних варіантів свит пластів і пласти в кожній свиті, виходячи не тільки з умов мінімізації деформацій, але із урахуванням забезпечення відпрацьовування захисних пластів. Були відпрацьовані пласти під закладку, виходячи з умов забезпечення технології управління покрівлею і визначені обсяги породи під закладку по роках. Усі ці заходи дозволять зменшити деформації земної поверхні на 30 - 40%. В останні роки на Україні проводиться реструктуризація вугільної промисловості, у ході якої закриваються шахти, у тому числі й у Центральному районі Донбасу. На початок реструктуризації не було даних про можливий розвиток геомеханічних процесів в підробленому гірничому масиві при мокрій консервації шахти і затопленні виробки. Тому нами був виконаний аналіз цієї ситуації, стосовно до шахт крутого падіння. При мокрій консервації шахт, рівень води при затопленні буде поступово - зі швидкістю декілька см на добу - підніматися нагору по виробленому просторі. При цьому буде відбуватися намокання обрушуваних порід і їхнє переміщення вниз з додатковим ущільненням. З огляду на літологічні особливості будівлі покрівлі вугільних пластів, коли безпосередньо над пластом в основному залягає глинистий чи піщано-глинистий сланець, а пісковик, що знаходиться в покрівлі, утворить, як правило, основну покрівлю, варто припускати, що в нижній частині відпрацьованого стовпа завалені породи представлені нижніми пластами безпосередньої покрівлі, тобто глинистими сланцями з коефіцієнтом розпушення 1,15-1,25. В іншій частині виробленого простору породи більш розпушені - коефіцієнт розпушення складає 1,30-1,50 в залежності від складу порід покрівлі і потужності складаючих її пластів. Внаслідок цього, переміщення та ущільнення обрушуваних порід по висоті відпрацьованої смуги буде неоднорідним, якщо в нижній частині за рахунок намокання глинистого сланцю і його ущільнення додаткові деформації.

...