Геомеханічне обгрунтування способу управління станом гірничого масиву при щитовій відробці крутих вугільних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ ім.О.О.ГАЛКІНА

05.15.11.-"Фізичні процеси гірничого виробництва"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Геомеханічне обгрунтування способу управління станом гірничого масиву при щитовій відробці крутих вугільних пластів

Житльонок Дмитро Моісейович

Донецьк-1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ ім. О.О.Галкіна

Науковий керівник:

доктор технічних наук, директор Донецького науково-дослідного вугільного інституту ДонВУГІ Грядущий Ю.Б.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, заступник дирек-тора СКТБ Інституту геотех-нічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Софійський К.К.

кандидат технічних наук, ведучий науковий співробіт-ник Макіївського державного науково-дослідного інституту з безпеки робіт в гірничій промисловості (МакНДІ) Костиря В.Я.

Провідна установа - державне підприємство “Комплексний науково-дослідний і проектно-конструк-торський інститут з проблем Центрального району Донбасу” (ДонНДІ), м. Горлівка

Захист відбудеться "22" квітня 1999 р. у 12 годин на засіданні спеціалізованої ради К11.1184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ ім.О.О.Галкіна за адресою: 340114, вул.Р.Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення ФТГП ДонФТІ НАНУ ім. О.О.Галкіна за адресою: 340114, вул. Р.Люксембург, 72.

Автореферат розіслано "19" березня1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради, канд. техн. наук

Є.І.Піталенко

ВСТУП

Актуальність теми дисертації.

На шахтах Центрального району Донбасу, на яких розробляється коксівне вугілля, комплексно-механізовані вибої в основному обладнані щитовими агрегатами 1АНЩ і 2АНЩ, що забезпечує навантаження на КМВ в 1,3-1,5 рази більше, ніж на молоткову лаву. На шахтах ВО “Артемвугілля” об`єм видобутку з таких вибоїв складає біля 32%. Разом з тим, в останні роки зменшилось середньодобове навантаження на щитивий вибій до 100 т. Причина в ускладнених гірничогеологічних умовах відробки вугільних пластів, в першу чергу у підвищених величинах тиску на кріплення виробок, а також у зменшенні стійкості бокових порід. В зв'язку з цим великою проблемою залишається забезпечення експлуатаційної здатності кріплення вуглеспускних та вентиляційних печей на весь час їх служби, оскільки саме не відповідність їх парметрів ускладненим геомеханічним умовам приводе до передчасного руйнування та ремонту. Засоби кріплення печей, які зараз застосовуються, не забезпечують необхідної експлуатаційної якості. Іде інтенсивний пошук нових матеріалів для кріплення печей та конструктивних рішень, що забеспечують необхідні параметри піддатливості та несучої здатності кріплення і відповідають умовам їх навантаження. Великий об'єм наукових досліджень в цьому напрямку виконаний такими відомими колективами, як ДонНДІ, ІГТМ НАНУ, ВНДМІ, ДДТУ та інш., які запропонували для кріплення печей як спеціальні механізовані секції, так і індивідуальні металеві стояки та конструкції з бетону. Перспективними є також способи активної дії на гірничий масив, які забезпечують благоприємний для кріплення виробки режим навантаження, тому що дозволяють змінити напруженно-деформований стан оточуючого виробку гірничий масив. Широкий розвиток отримав спосіб управління станом масиву за рахунок попереднього зволоження вугільного пласта водяними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР), який застосовується як для запобігання газодінамічним явищам, так і як спосіб управління гірничим тиском у підготовчих та очисних виробках. Для удосконалення цього методу та розширення області його застосування для підтримання вентиляційних і вуглеспускних виробок необхідно вивчення фізико-механічних властивостей вугільного пласта, особливо в умовах відробки зближених пластів, та визначення параметрів геоміханічних процесів у навколишньому масиві.

Тому тема десартаційної роботи, яка спрямована на вирішення підвищення стійкості підготовчих виробок при щитовій відробці крутих пластів, є актуальною.

Зв'язок теми дисертації з планом науково-дослідних робіт інституту. Матеріали дисертації зв'язані з планами науково-дослідних робіт Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ (№ держреєстрації теми 0197У008905) та з роботою “Дослідження змішаних пружно-пластичних задач деформування анізотропних середовищ та їх використання в механіці гірничих порід” (№ держреєстрації 0194У022566).

Метою роботи є обгрунтування способу управління напружено-деформованим станом гірничого масиву навколо вентиляційних та вуглеспускних печей щитових агрегатів, який забезпечує їх підтримання на весь період експлуатації.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

Дослідження геомеханічних процесів навколо вентиляційних та вуглеспускних печей при традиційних способах їх кріплення і охорони з метою встановлення їх основних закономірностей.

Дослідження зміни газонасиченості крутого вугільного пласта та тиску газу в ньому при його дегазації гірничими роботами уздовж близьколежачих пластів і проведенні власних пластових виробок.

Розробка аналітичних методів вивчення напружено-деформованого стану та газонасиченості крутого вугільного пласта, які дозволяють визначити параметри способу активного управління ним.

Розробка способу активного управління напружено-деформованим станом крутого пласта навколо підготовчих виробок, який базується на його попередньому зволоженні водяними розчинами ПАР та враховує зміни газового тиску у вугільному пласті в умовах під- і надробки.

Експериментальна перевірка розробленої технології з метою визначення відповідності прийнятих параметрів гірничогеологічним та гірничо-технічним умовам і визначення її економічної ефективності.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених особливостей зміни напружено-деформованого стану вуглепородного масиву навколо щитового вибою та зміни тиску газа у розробляємому вугільному пласті при відробці його у світі пластів для обгрунтування парметрів способу охорони вентиляційних печей, який базується на фізико-хімічній дії на вугільний пласт.

Методи досліджень. В дисертації був використований комплексний метод, який включає в себе: аналіз та узагальнення досвіду підтримання печей при щитовій відробці крутих пластів, попередній надробці та підробці пласта з метою зміни його напружено-деформованого стану, аналітичні дослідження, лабораторні та шахтні експерименти, обробку результатів вимірювань за допомогою методів математичної статистики, розробку та експериментальну перевірку методу фізико-хімічної дії на вугільний пласт з метою створення умов охорони печей і визначення його економічної ефективності.

Наукові положення, які винесено на захист, їх новизна:

При відході щитового агрегату від монтажної печі на крок обвалення основної покрівлі встановлено, що в найбільш деформованій частині вугільного пласта (сполучення вуглепускної печі з вибоєм) тріщинуватість вугілля зростає в 2,0-2,5 рази.

Встановлено, що при управлінні станом вугільного пласта біля печі за допомогою його зволоження розчинами ПАР відносні зміщення бокових порід в площині напластування зменшуються в 1,4 рази, а уздовж нормалі в 1,1 рази.

Аналогічно встановлено та експеріментально оцінено ефект перерозподілу напружень в масиві біля вентиляційної печі, який забезпечується гідрообробкою пласта. При цьому, максимум компонент напружень переміщується в глибину масиву на відстань з 1,4 до 2,8 м.

Обгрунтування та вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи підтверджується збігом результатів аналітичних досліджень напружено-деформованого стану вуглепородного масиву навколо щитового вибою з експериментальними даними замірів на представницьких дільницях спостережень; застосуванням апробованих методів досліджень, приладів та апаратури і підтвердженням результатів досліджень дослідною перевіркою на шахтах.

Наукове значення роботи міститься у встановленні особливостей напружено-деформованого стану гірничого масиву біля щитового вибою, які дозволяють визначити механізм деформування кріплення вентеляційних та вуглеспускних печей, а також у визначенні газонасиченості вугільного пласта при його підробці біля підготовчих виробок.

Практичне значення роботи міститься в розробці способу охорони пластових підготовчих виробок при щитовій відробці крутих пластів, який базується на попередньому розвантаженні вуглепородного масиву за рахунок зволоження його водяними розчинами ПАР.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи. Основні результати досліджень увійшли в керівництво “Компьютерні варіанти паспортів управління покрівлею та кріплення лав пластів з кутами падіння більше 35”, яке затверджене Мінвуглепромом України та узгоджене Держнаглядохоронпраці (1998р.)

Апробація роботи. Основні положення та окремі результати роботи доповідались та обговорювались на науково-практичних радах ВО “Артемвугілля”, ДонНДІ, Вчених радах ІПКОН РАН, ІПММ НАНУ, ВФТГП ДонФТІ НАНУ (1981-1998рр.), Всесоюзній науково-технічній конференції молодих вчених та фахівців вугільної промисловості (1983р.).

Публікації. З теми дисертації опубліковано 9 наукових робіт, в тому числі 2 книги, 2 брошури, 5 статей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку літератури із 100 найменувань та містить: 81 сторінок машинописного тексту, 54 рисунків, 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В результаті великого об'єму експериментальних та конструкторських робіт, які виконані колективами вчених та фахівців ЛГІ, ДонДІПровуглемаша, ДГІ, ДПІ, ВНДМІ, ДонВУГІ, ІГД ім. О.О.Скочинського та інш., була створена ефективна техніка для розробки крутих та крутопохилих вугільних пластів Центрального району Донбасу - механізоване кріплення та агрегати (“Днепр“, КГД, МКТ, КГУ, АКД та інш.), а також щитові агрегати (АЩ, АНЩ, АКД, КЩ та інш.), що призначались для відробки пластів широкими смугами уздовж падіння. Дослідженнями Ф.М.Воскобоєва, А.Ф.Булата, А.Г.Лаптєва, Ю.О.Мельнічука, Г.Г.Васильєва, М.О.Алишева, А.Т.Курносова, Є.І.Питаленка, І.Ф.Іванова, В.Г.Гриньова, С.С.Гребьонкіна, М.О.Шаповала, І.А.Южаніна обгрунтовані основні параметри кріплення цих виробок та раціональні способи охорони, а також запропонований ряд перспективних засобів їх кріплення. Це дозволило у 70-80-і роки забезпечити високий рівень механізації відробки крутих пластів Донбасу, коли в рік працювало до 60-70 щитових вибоїв. Разом з тим, із збільшенням глибини гірничих робіт, яка вже перевершує відмітку 1000 м, ускладнились також гірничогеологічні умови розробляємих пластів, різко погіршав стан кріплення підготовчих виробок, що стало причиною аварій та зниження темпів посування лав. Тому були запропоновані нові матеріали для кріплення виробок - плити з бетону та підтримуючі конструкції з них, металеві стояки та спеціальні секції, а також суцільні литі смуги фосфогіпсу та інші замінники цементу. На жаль, через технологічні та економічні (подорожчання металу, цементу та дефіцит фосфогіпсу) проблеми ці перспективні рішення далі стадії шахтного експерименту не пішли.

Разом з тим, як показує аналіз робіт А.Д.Алексєєва І.М.Петухова, А.Ф.Булата, А.С.Бурчакова, А.Т.Айруні, В.В.Виноградова, К.Ф.Сапицького, А.М.Зоріна, К.К.Софійського, Ю.В.Бондаренка, М.П.Зборщика, О.О.Левшина, В.В.Назимко, В.М.Артамонова, М.С.Кузьменка, В.Я.Костирі, В.П.Зубова та інш., рішення проблеми підтримання гірничих виробок на великих глибинах можливо за рахунок направленої зміни напружено-деформованого стану вуглепородного масиву. Це можливо здійснити як за допомогою регіональних методів - попередні під- та надробки наміченої до відробки дільниці вугільного пласта, а також локальних методів, які базуються на дії на приконтурну дільницю гірничого масиву. У сучасних умовах найбільш прийнятими для випровадження є локальні методи управління станом гірничого масиву, особливо способи його попереднього зволоження.

Виконаний аналіз дозволив сформулювати мету та задачі досліджень.

Для виконання експеріментальних досліджень були використані як апробовані методи для визначення величин та швидкостей зближення бокових порід в гірничих виробках за допомогою контурних реперів, так і оригінальна методика, яка дозволила визначити не тільки зміщення порід на контурі та в глибині масиву, але і швидкість газовіддачі вугільного пласта на різному віддаленні від виробки.

Для визначення напружено-деформованого стану вугільного пласта були використані методи ДонФТІ та МакНДІ сейсмоакустичного зондування, а також методика ДДТУ, яка базується на радіозондуванні шпурів.

Експеріментальні дослідження параметрів гірничого тиску у підготовчих виробках, які оточують щитову дільницю, а також напружено-деформованого стану крайової частини вугільного масиву здійснювались на щитових дільницях на шахтах ім. Ю.О.Гагаріна, ім. В.І.Леніна, “Комсомолець”, ім. А.К.Румянцева ВО “Артемвугілля”.

Глибина гірничих робіт складала 800-1000 м, кут падіння від 46 до 68, покрівля ІІ-ІІІ класу з класіфікації ДонНДІ - ВНДМІ, товщина пласта - від 1,1 до 2,0 м. Пласти відроблялись щитовими агрегатами типу АНЩ 1 і 2 типорозмірів.

Особливістю технології щитової відробки крутих пластів є те, що одна виробка - вентиляційна пічь проводиться одночасно з видобутком вугілля у вибої і кріплення здійснюється з невеликим запізненням від нього, а друга виробка - вуглеспускна пічь погашується відразу після проходження вибою. Таким чином, одна і таж виробка знаходиться під дією зони впливу очисного вибою, а також зони ПГТ, яка формується гірничими роботами на верхньому етажі цьогож пласта, та зон ПГТ від сусідніх пластів. В результаті виконаних замірів величин та швидкостей зближення порід покрівлі та підошви в печах найбільші швидкості деформації у вентиляційних печах (4,6 мм/добу) зафіксовані на верхній та нижній частинах вийомочного стовпа, які знаходяться під дією зон ПГТ. Відзначено підвищені швидкості зближення на відстані 5-10 м за щитовим вибоєм, які швидко згасають з його віддаленням.

У вуглеспускній печі найбільші швидкості зближення (до 4,30-4,65 мм/добу) зафіксовані в зоні опорного тиску попереду очисного вибою, яка в залежності від товщини пласта та властивостей порід покрівлі складає 15-25 м. З розвитком гірничих робіт уздовж пласта, коли розміри виробленого простору уздовж простягання складають більше 100-150 м та з відходом щитового агрегату від вентиляційного горизонту на 50-60 м, що відповідає кроку обвалення основної покрівлі уздовж падіння, зафіксовані найбільші швидкості зближення. Причому, у вуглеспускній печі вони в 1,4-3,3 рази вищі, ніж у вентиляційній.

За допомогою методики ВНДМІ були виконані заміри величин відносного зміщення порід покрівлі та підошви у печах. На рис. 1 представлені графіки зміщень покрівлі відносно підошви у вентиляційній печі в процесі відходу щитового агрегату. Встановлено, що крім зміщення уздовж нормалі бокові породи зміщуються одна відносно одної уздовж падіння пласта та уздовж простягання у напрямку виробленого простору. Кути зміщення покрівлі відносно підошви досягають значень 4,5-5,0, що порушує режим роботи кріплення та умови підтримання печей.

Рис. 1. Графіки відносного зміщення бокових порід в площині напластування ш. ім. Гагаріна, m3, 950 м;

За допомогою методу сейсмозондування було проведено дослідження напружно-деформованого стану крайової частини вугільного пласта попереду щитового вибою та на межі з вентиляційною піч'ю. Встановлено, що у монтажній ніші через тривалу дію зони опорного тиску зона віджиму складає 1,0-1,5 м, а її максимум знаходиться на відстані від вибою понад 4,0-4,5 м.

З початком очисних робіт та виході агрегату з верхньої зони ПГТ віджим різко зменшується (до 0,5-0,7 м), а максимум зони опорного тиску переміщується ближче до вибою і вентиляційної печі (до 2,5-3,0 м). Відразу після виїмки вугілля зона віджиму практично не спостерігається, а максимум опорного тиску розташовується на відстані 2,5 м.

Заміри тріщинуватості вугільного пласта в крайовій частині за допомогою радіозонду конструкції ДПІ дозволили встановити наявність зони тріщин з інтенсивністю 10-12 м-1 в монтажній ніші, яка просліджується на глибині до 3,5 м та має тенденцію до згасання. Разом з тим, на сполученні вуглеспускної печі з щитовим вибоєм зберігається більша тріщинуватість у зрівнянні з серединою щитового вибою і, особливо, з кутком. При відході вибою на 50-60 м від вентиляційного горизонту вона складає 8,0-10,0 м-1. Вугільний пласт був схильний до висипання, що в свою чергу стало причиною обвалення нижніх шарів покрівлі та завалів печі.

Для визначення характеру напружено-деформованого стану гірничого масиву при щитовій виємці та його еволюції зміни розмірів виробленого простору було виконане математичне моделювання з використанням пружнопластичної моделі анізотронного масиву, яка була запропонована акад. О.С.Комодаміанським та О.О.Левшиним.

На рис. 2 представлені результати розрахунків напружно-деформованого стану гірничого масиву біля вентиляційної печі, як з попередньо зволоженим пластом водяними розчинами ПАР, так і без зволоження. З наведених графіків слідує, що зволоження приводить до переміщення максимумів нормальних та дотичних напружень на 0,5-1,0 м в глибину масиву та в верх покрівлі. Це сприяє підвищенню стійкості нижніх шарів покрівлі та перешкоджує їх руйнуванню, що підвищує експлуатаційний стан виробки.

В результаті аналізу експерементальних та аналітичних досліджень запропонована розрахункова схема (рис. 3), яка пояснює характер геомеханічних процесів, що протікають в гірничому масиві при щитовій виємці на межі з вентиляційною піч'ю.

а)

б)

Рис. 2. Розподіл компоненти напруження xye/H:

а) до зволоження; б) після зволоження.

Рис. 3. Геоміханічна схема.

Як слідує з схеми, зміна напружено-деформованого стану біля печі можлива, або за рахунок збільшення жорсткості повалених порід, або за рахунок збільшення пластичних властивостей вугільного пласта. Якщо першу умову виконати для вибою, що постійно переміщується, неможливо, то надання вугільному пласту пластичних властивостей цілком можливо здійснитиВідомий метод охорони підготовчих виробок (ДонФТІ НАНУ, ВНДМІ та ДДТУ), який базується на попередньому зволоженні вугільного пласта водяними розчинами ПАР. Пропонується застосування його і для створення пластичної зони у вугільному пласті біля вентиляційної печі з метою її охорони.

Основними параметрами способу нагнітання розчинів ПАР у вугільний пласт є: довжина нагнітальної свердловини та довжина її герметизації, тиск нагнітання, об'єм та темп подачі розчину. Для забезпечення ефективного зволоження пласта та запобігання його розриву тиск нагнітання повинен бути достатнім, щоб розчин розповсюджувався через мікротріщини та потрапляв у мікропори, які складають до 80% порового об'єму вугілля. Це можливо при виконанні деяких умов, в тому числі: величина тиску розчина повинна перевищувати тиск газу у поровому просторі та забезпечити розвиток тріщин.

Обробка крутих пластів здійснюється у нисхідному порядку (рідше у висхідному), причому, першими відробляються захисні пласти. При цьому здійснюється розвантаження суміжного пласта від напружень та відбувається його дегазація.

Для визначення закономірності зміни газодинамічного стану вугільного пласта після відробки захисного пласта в залежності від величини товщини порід міжпластя та кількості їх шарів була складена кореляційна багатофакторна модель, в якій були враховані структура порід, як кількості площин розшарувння nсл масиву на 1 м товщини (М). З цієї моделі було виведено рівняння регресії для деформацій розширення породного масиву після його надробки в залежності від кількості площин розшарування та товщини міжпластя у вигляді:

(1)

де - деформації розширення масиву на відстані М (м) від підошви надробленого пласта при можливій кількості шарів розшарування породної товщини nсл на цій дільниці.

Для умов ЦРД коефіцієнти рівняються а=1,4; =0,8.

В результаті сумісного аналізу експеріментальних даних про залишковий тиск газу в пласті (Ро) в залежності від товщини порід міжпластя отримана залежність у вигляді

(2)

де А=31,5 - статистичний коефіцієнт;

(сл, М) - деформації розширення при даній кількості площин розшарування та фіксованій товщині (%).

З формули (2) були виконані розрахунки для залишкового тиску газу у пласті після його надробки, як з дільниць досліджень, так і для інших пластів ЦРД. Розрахункові величини достатньо близькі до фактичних, що дозволяє використовувати формулу (2) для розрахунків.

Проведення виробки уздовж пласта приводе до додаткової дегазації вугільного пласта в об'ємі біля контура виробки. Дослідженнями, які виконані по нашій методиці, встановлено, що зміщення вугільного пласта та газовиділення з ньго біля контура виробки згасає з ступенем віддалення в глибину масиву (рис. 3).

Для визначення величини тиску нагнітання розчинів в пласт отримана формула, в якій урахована зміна тиску газа в пласті при відробці зближених пластів та зміни фізико-механічних властивостей масиву. Довжина герметизації свердловини повинна бути не меншою довжини зони тріщинуватусті вугілля біля контура виробки, тобто не менше 3,5 м.

На щитових дільницях пластів l3 та m3 на шахті ім. Ю.О.Гагаріна була здійснена експеріментальна перевірка способу. Була оброблена крайова частина вугільного масиву з боку вентиляційної печі. Свердловини бурилися довжиною 6 м через 6 м уздовж падіння. Ефективність способу перевірювалась з велечин та швидкостей зближення бокових порід, а також з зміщень вугільного пласта на контурі та інтенсивності газовиділення.

У зрівнянні з попередньою смугою величини та швидкості зближення порід зменшились у 1,4 рази, інтенсивність газовиділення стала більш рівномірною та зменшилась у 2 рази. За час експлуатації перекріплення печі зменшилось з 45% до 8%.

Економічна ефективність при цьому склала 15082,6 грн. на одну пічь.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі надано нове рішення актуальної наукової задачі, яке міститься у встановленні особливостей зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву біля щитового вибою та оточуючих його виробок в залежності від ступеню відробленності пласта уздовж простягання та падіння, впливу гірничих робіт з сусідніх пластів з метою обгрунтування способу охорони вентиляційних та вуглеспускних печей, який базується на управлінні напружено-деформованим станом гірничого масиву за допомогою попереднього зволоження водяними розчинами ПАР.

Встановлено, що через особливий характер деформування порід покрівлі при відробці крутих вугільних пластів щитовими агрегатами, кріплення оточуючих щитовий вибій виробок знаходиться в екстремальних умовах навантаження вже при відході очистних робіт на 50-60 м від вентиляційного горизонту. Аналіз досвіду робіт шахт Центрального району Донбасу та досліджень ведучих наукових установ дозволив визначити перспективи вирішення проблеми - створення способів управління напружено-деформованим станом гірничого масиву на межі з виробкою, які дозволять знизити імовірність руйнування нижніх шарів порід покрівлі та вугільного пласта на межі з кріпленням виробки.

Шахтні дослідження, що виконані на 6 експериментальних дільницях, дозволили встановити особливості прояву гірничого тиску в печах, які містяться в наступному. Найбільше інтенсивне зближення бокових порід в печах відбувається в зонах ПГТ та опорного тиску попереду вибою: швидкості зближення збільшуються до 4,0 мм/годину або в 2,4 рази у порівнянні з іншими дільницями. Причому, в площині напластування породи покрівлі відносно підошви уздовж падіння та простягання у бік виробленого простору на кут до 5.

Розміри зони опорного тиску попереду щитового вибою та з боку вугільного пласта визначаються швидкістю обробки та розмірами виробленого простору. Якщо в монтажній ніші, яка знаходиться у зоні ПГТ та при тривалому монтажі максимум опорного тиску знаходиться на відстані до 6,0 м від межі пласта, то при працюючому агрегаті максимум наближається на відстань до 2,5-2,8 м. З боку вентиляційної печі максимум розташовується на відстані до 3,5 м. Найбільшого значення зона опорного тиску досягає на сполученні вибою з вуглеспускною піччю при відході вибою на 50-60 м від монтажної печі, тобто при досягненні кроку обвалення основної покрівлі. Тут крайова частина пласта найбільш тріщинувата - 8,0-12,0 одиниць на 1 м, що в 2,0-2,5 рази більше, чим у вентиляційній печі.

Встановлено, що очисні роботи уздовж суміжних пластів приводять до розшарування порід міжпластя, зміни їх фізико-механічних властивостей, а також фізико-механічних властивостей вугільного пласта та знижують тиск газу в пласті до рівня 0,5 МПа. Запропонована розрахункова формула для його визначення та виконано зрівняння розрахункових та фактичних даних з кількох шахтопластів. Дослідженнями, які виконані за методикою автора, встановлена залежність між геомеханічними процесами навколо виробки та газовіддачею вугільного пласта.

В результаті аналізу результатів досліджень розроблена геомеханічна схема для оцінки напружено-деформованого стану гірничого масиву біля вентиляційної печі, на підставі якої розроблений та експеріментально апробований в шахтних умовах спосіб охорони печей, що базується на попередньому зволоженні пласта водяними розчинами ПАР.

Запропонований спосіб охорони печей, який базуєтся на зміні фізико-механічних властивостей вугільного пласта на межі з виробкою за рахунок його зволоження водяними розчинами ПАР. Розрахунки, що виконані за розробленою геомеханічною схемою з застосуванням пружно-пластичної моделі, дозволили визначити особливості зміни напружень в гірничому масиві на контурі - зволоження крайової частини на протязі 6-8 м переміщує максимальні дотичні та нормальні напруження в глибину масиву.

В результаті експеріментальної перевірки способу встановлено, що зміщення бокових порід в печі зменшились у зрівнянні з раніш заміряними, що дозволило відробити щитову смугу без ремонту кріплення. Економічний ефект складає понад 15 тисяч гривен на одну піч. Результати роботи ввійшли в галузевий нормативно-методичний документ: “Керівництво з складання паспортів…”

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В РОБОТАХ

Вопросы управления горным давлением на тонких крутых пластах Донбасса /В.Г.Александров, А.В.Аксенов, Н.А.Алышев, Н.А.Шаповал, Е.И.Питаленко, Ю.А.Пивень, Б.И.Курицын, Ю.Г.Литвинов, Э.В.Борисенко, Д.М.Житленок,- Донецк: Лебедь, 1998. - 288 с.

Разработка паспортов управления горным давлением с использоваием компьютерной техники. / Н.А.Шаповал, Н.А.Алышев, Э.В.Борисенко, Д.М.Житленок, Б.И.Курицын, А.А.Левшин, Ю.Г.Литвинов, Ю.А.Пивень, Е.И.Питаленко / Под ред. Н.А.Шаповала. Донецк. - 1998. -118 с.

Житленок Д.М. О газодинамическом состоянии крутого пласта при проведении одиночной выработки. // Уголь Украины. -1984. -№7. -С. 34.

Алексеев А.Д., Питаленко Е.И., Борисенко Э.В., Житленок Д.М. Управление состоянием горного массива при щитовой отработке угольных пластов // Уголь Украины. -1999. -№2. -С. 13-14.

Новые методы борьбы с газом при проведении подготовительных выработок. / Айруни А.Т., Большинский М.И., Большинский И.М., Доморников Ф.Е., Житленок Д.М., Иофис И.М., Лазарев В.Т., Николин В.И., Рубинский А.А., Шестопалов А.В. -М.: ЦНИЭИуголь, 1981. -40 с.

Совершенствование способов и средств борьбы с внезапными выбросами газа, угля и породы. / Айруни А.Т., Большинский И.М., Долгова М.О., Зверев И.В., Зенкович Л.М., Иофис И.М., Шестопалов А.В., Большинский М.И., Николин В.В., Яблоков Е.С., Житленок Д.М. -М.: ЦНИЭИуголь, 1981. -41 с.

Житленок Д.М Гемеханические процессы при отработке крутых пластов щитовыми агрегатами / Физико-технические проблемы горного производства. -Донецк: ОФТГП, -1998. -С. 38-43.

Шмелев А.И., Житленок Д.М. Газостатическое состояние надработанной толщи горных пород, вмещающей газоносный угольный пласт, с учетом ее литолого-мощностной характеристики // Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. -М.: Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР, 1985. -С. 32-41.

Житленок Д.М., Борисенко Э.В., Федотов С.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности призабойного пространства щитового агрегата / Физико-технические проблемы горного производства. -Донецк: ОФТГП, -1998. -С. 20-31.

АНОТАЦІЯ

Жітльонок Д. М. Геомеханічне обгрунтування способу управління станом гірничого масиву при щитовій відробці крутих вугільних пластів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробнцтва. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ ім. О.О.Галкіна. Донецьк, 1999.

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача - обгрунтований та розроблений спосіб охорони печей щитових агрегатів, який базується на урахуванні процесів, що відбуваються біля виробки при відробці пласта, а також зміні властивостей пласта та тиску газу в ньому при відробці суміжних пластів. В основі способу полягає активне управління станом гірничого масиву при відробці вугільного пласта водяними розчинами ПАР. Експеріментальна перевірка способу дозволила підтвердити його ефективність та відповідність його параметрів гірничогіологічним умовам.

Ключові слова: щитові агрегати, печі,управління станом гірничого масиву.

АННОТАЦИЯ

Житленок Д.М. “Геомеханическое обоснование способа управления состоянием горного массива при щитовой отработке крутых угольных пластов” - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - Физические процессы горного производства.- Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ НАНУ им. А.А.Галкина. Донецк, 1999.

Диссертация посвящена совершенствованию способов управления состоянием горного массива в окрестности печей при щитовой выемке крутых угольных пластов. В работе развивается способ изменения напряженно-деформированного состояния массива в окрестности пластовой выработки, основанных на нагнетании водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Идея работы заключается в использовании установленных особенностей изменения напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности щитового забоя и изменения давления газа в разрабатываемом угольном пласте при его надработке для обоснования параметров способа охраны вентиляционных печей, основанного на физико-химическом воздействии на угольный пласт.

Целью работы является обоснование основных параметров управления напряженно-деформированным состоянием горного массива в окрестности вентиляционных и углеспускных печей щитовых агрегатов, обеспечивающих их поддержание на весь период эксплуатации.

Для достижения цели работы были решены следующие научные и практические задачи:

выполнено исследование геомеханических процессов в окрестности печей при щитовой выемке и установлены их основные закономерности;

выполнено исследование изменения свойств краевой части крутого газонасыщенного пласта в условиях влияния горных работ по смежным пластам;

исследована с применением аналитических методов возможность управления напряженно-деформированным состоянием горного массива в окрестности печей при обработке угля растворами ПАВ;

разработан и экспериментально проверен на шахтах способ обработки угольного пласта растворами ПАВ для охраны печей и определена его экономическая эффективность.

Для экспериментов было отобрано 6 участков на шахтах ПО “Артемуголь”, оборудованных щитовыми агрегатами и отрабатывающие угольные пласты мощностью от 1,15 до 1,8 м на глубинах до 1000 м с кровлями І-ІV класса по классификации ДонНИИ, т.е. в наиболее представительных условиях.

В вентиляционных печах оборудовались наблюдательные станции для замеров величин сближения боковых пород, а также по специально разработанной методике закладывались газореперные станции.

Исследованиями установлено, что наиболее интенсивно деформируется крепь печей в верхней и нижней частях отрабатываемой полосы, где скорости в 1,5-2,2 раза выше, чем на остальном протяжении печи. Причина заключается в том, что в условиях отработки сближенных пластов от краевых частей формируются зоны повышенного горного давления. Кроме того, сказывается и влияние горных работ по собственному пласту: на протяжении длительного периода (более 10 лет) угольный пласт под вентиляционным горизонтом находится в ЗПГД от краевой части верхнего горизонта.

В углеспускной печи скорости и величины сближений выше в 1,5-2,0 раза по сравнению с вентиляционной, причем установлено при достаточном развитии работ по простиранию (обычно 2-3 полосы) происходит резкое увеличение сближения при отходе забоя на 50-60 м от вентиляционного горизонта, т.е. на шаг обрушения основной кровли.

Смещение боковых пород в плоскости пласта характеризуется смещением кровли относительно почвы, как по падению пласта, так и в сторону выработанного пространства со скоростями примерно в 2,0-2,5 раза меньше, чем по нормали.

Зоны ПГД влияют и на состоянии краевой части угольного пласта. Так в монтажной нише, уголь разбит трещинами - до 10-12 на 1 м, зона отжима распространяется на 1,5 м, а максимум опорного давления находится на удалении около 6,0 м от забоя. С началом отработки полосы и выходе щита из зоны ПГД изменяется и состояние угольного пласта на границе с забоем и печью: зона отжима уменьшается до 0,5-0,7 м при одновременном приближении максимума напряжений на расстояние до 3,0 м от кромки пласта. По ширине щитового забоя наиболее отжат уголь на сопряжении с углеспускной печью: здесь и отжим угля и трещиноватость выше в 2,0-2,5 раза, чем со стороны вентиляционной.

От состояния угольного пласта зависят также деформация его краевой части и величина газоотдачи. Если в монтажной печи смещения краевой части угольного пласта были порядка 11-16 мм, то при отходе щитового агрегата на 23 м смещения уменьшились до 10 мм. При этом уровень газовыделения остался порядка 1,2-1,4 л/мин с наметившейся тенденцией к затуханию во времени.

Поскольку давление газа в угольном пласте влияет на выбор величины давления нагнетания растворов ПАВ, были выполнены аналитические исследования газостатического состояния угольного пласта в условиях его под- и надработки.

В результате анализа результатов экспериментальных и аналитических исследований разработана геомеханическая схема для определения параметров проявлений горного давления в окрестности печи и определены параметры способа охраны, обоснованного на предварительном увлажнении пласта растворами ПАВ.

Экспериментальная проверка способа охраны печей проведена на 2 щитовых участках и подтвердила эффективность - состояние печей улучшилось, уменьшился объем их перекрепления, что позволило получить экономический эффект в расчете на одну печь более 15 тыс. гривен.

SUMMARY

Zhitlyonok D. M. Geomechanical study of the method for rock mass codition control under tonnel shield working of steep coal seams. - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.11 - Physical processes in mining - The Department of Physico-Technical mining problems DonPTI, Ukrainian National Academy of sciences. Donetsk, 1999. щитова відробка вугільний пласт

An urgent scientific and technical problem is solved in the dissertation: the way of protection of tonnel-shield cut-through based on the account of geomechanical processes occurring in a vicinity of working under seam mining as well as modification of the seam features and gas pressure therein due to neighboring seam mining has been argued and developed. A principle of the way consists in intense control of the rock mass condition using treatment of the coal seam with surfactants water solution. Experimental testing of the way has allowed to confirm its efficiency and compliance of its parameters with mining and geological conditions.

Key words: tonnel shields, cut-throwing, rock mass condition control.

Размещено на Allbest.ru

...