Управление состоянием массива горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра РМПИ

Курсовой проект

по дисциплине ЅУправление состоянием массива горных породЅ

Выполнил:

ст. гр. ГИ-10-1

Олинкевич Д.Н.

Проверил:

Склепович К.З.

Алчевск 2012

Содержание

Введение угольный пласт почва

1. Оценка состояния массива горных пород

1.1 Горно-геологический прогноз

1.2 Типизация боковых пород угольного пласта

1.3 Параметры массива в пределах выемочного поля

1.4 Напряженно-деформационное состояние массива в окрестности лавы

Выводы по разделу 1

2. Управление напряженно-деформационным состоянием массива в окресности очистного забоя

2.1 Выбор типа и проверка механизированной крепи в лаве

2.2 Управление неустойчивой кровлей в лаве

2.3 Мероприятия до первичной осадки кровли в лаве

2.4 Выбор конструкции крепи концевых участков лавы

Выводы по разделу 2

3. Управление напряженно-деформационным состоянием массива вокруг подготовительных выработок

3.1 Выбор рациональных способов охраны примыкающих к лавам выработок

3.2 Выбор крепи сопряжения лавы с выработкой

3.3 Разработка мероприятий по предотвращению пучения почвы

3.4 Обоснование рационального способа охраны выработки

Выводы по разделу 3

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В программе “Уголь Украины” проанализированы современное состояние, проблемы угольной промышленности, цель и основные задания для повышения эффективности работы шахт, достижения необходимых объемов угледобычи. Применительно к дисциплине “Управление состоянием массива горных пород” важны задачи технического переоснащения шахт новым высокопроизводительным и надежным оборудованием, особенно очистных выработок, и повышения безопасности работ горняков. Для их решения необходимо перейти на малооперационную технологию, комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов с использованием микропроцессорной техники, обеспечить устойчивость подготовительных выработок, улучшить тепловые условия, дегазацию шахт, уменьшить пылеобразование.

Средой, в которой ведутся горные работы, является земная кора и познание ее также необходимо для работников горного дела, как для строителей самолетов знание аэромеханики и для кораблестроителей - гидромеханики. Между воздушной и водной средами, с одной, и земной корой, с другой стороны, есть, однако, весьма существенная разница. Во-первых, водная и воздушная среды относительно однородны по своим свойствам, тогда как горный массив представляет собой трехфазную среду, крайне переменчивую по всем направлениям в физико-механическом отношении, а также сильно деформированную тектоническими процессами и находящуюся в очень сложном напряженном состоянии. Во-вторых, изменения, производимые человеком в воздушных и водных средах при воздухоплавании и мореплавании, обратимы, в то время, как горные работы производят в земной коре невосстановимые нарушения. Эксплуатация месторождения меняет природные условия участка, а иногда целого района, вызывая как бы микротектонические процессы. Смещаются огромные массы пород, образуются сбросы, сдвиги, просадки, прочие виды деформаций, другим становится режим подземных вод. По трещинам разрывов происходит соединение изолированных до того времени водоносных горизонтов, освобождаются большие объемы газов, находившихся в свободном и сорбированном состоянии и проявляющиеся в виде “спокойных” выделений, суфляров и внезапных выбросов вместе с углем, породой.

Первопричиной возникновения и протекания механических процессов, динамических явлений при разработке угольных месторождений является горное давление, основная причина которого - вес горных пород. Горное давление - это напряжение в породах, окружающих горную выработку. Оно проявляется в разрушении пород, их опускании, просадке и поломке крепи, поднятии почвы выработки, сдвижении земной поверхности. Условия работы под землей ухудшаются в связи с увеличением глубины разработки, которая для 18,8% шахт украинской части Донбасса превышает 900 м, для 51% - 600 м.

В курсовой работе выполнены расчеты по выяснению размеров геологических нарушений в выемочном поле; напряженность на массив горных пород в пределах поля; выбрали, проверили, уточнили механизированную крепь в лаве; рассчитали параметры разупрочнения кровли; определили способ упрочнения неустойчивых участков кровли; выбрали крепь для сопряжения лавы со уклоном при помощи программы на ЭВМ выбрали и рассчитали рациональный способ.

1. Оценка состояния массива горных пород

1.1 Горно-геологический прогноз

Курсовой проект разработан на основании прогнозных данных горно-геологических условий отработки угольного пласта, указанного в задании на проект, представленных в горно-геологическом прогнозном паспорте.

Горно-геологические и горнотехнические условия:

1) Угольный бассейн - Донецкий;

2) Марка угля - А (антрацит);

3) Содержание в толще пород песчаников и известняков - С=38 %;

4) Мощность пласта - m=1,17-1,27 м;

- mср=1,22 м;

- mв=1,37м;

5) Глубина разработки - Н=990-1097 м;

6) Угол падения - = 0-6є;

7) Длина лавы - L = 230 м;

8) Тип пород непосредственной кровли:

Представлена породами основной кровли - сланец песчаный с прослойками песчаника.

9) Мощность слоев пород непосредственной кровли - m=3,0-5,0 м;

Мощность нижнего слоя непосредственной кровли - m=3,0-5,0м;

Предел прочности слоев непосредственной кровли на сжатие - ;

Коэффициент крепости пород непосредственной кровли - f=7-10;

Объемная масса пород слоев непосредственной кровли- 2,68 т/м3;

Тип пород основной кровли:

Песчаник среднезернистый полевошпатово-кварцевый, сланец песчаный тёмно-серый, с прослойками песчаника до 0,5 м.

Мощность основной кровли - m= 1,0-13,9м;

Предел прочности слоев основной кровли на одноосное сжатие:
;

Коэффициент крепости пород основной кровли по Протодъяконову - f= 7-12;

Объемная масса пород слоев основной кровли - 2,7 т/м3;

Коэффициент крепости угля - fуг.=1,8-2,0;

Тип пород основной почвы:

Сланец песчаный выраженный «кучерявчиком», песчаник крепкий водоносный.

Мощность основной почвы - m=1,0-18,0 м;

Предел прочности основной почвы на сжатие: ;

Коэффициент крепости слоев пород почвы:

1.- f=9; 2. - f=9; 3.- f=10;;

Обводненность кровли, почвы - 3-5 м3/час.

1.2 Типизация боковых пород угольного пласта

По данным горно-геологического прогнозного паспорта, определяем категории кровли по обрушаемости, устойчивости нижнего слоя, устойчивости почвы, пользуясь классификацией пород ДонУГИ для пластов с углами падения до 35 град.

Основная кровля неоднородная - песчаный сланец среднебрушаемый - категория А2.

Непосредственная кровля представлена глинистым сланцем средней крепости средней устойчивости Б3.

Категория пород почвы - П2.

Характеристика боковых пород представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Физико-механические свойства боковых пород

Литологи-ческая колонка	№ п/п	Тип пород	Мощ-ность, м.	Коэффи-циент крепости	Предел прочности	Кровля	Почва
					на сжа-тие	на растя-жение	обру-шае-мость	устой-чивость	устой-чивость
	1.	Сланец песчаный с прослойками песчаником	3,0-5,0	7-10	97	9,7	А2	Б3	П2
	2.	Сланец углисто глинистый с кальцитом	0,1-0,2	1	10,5	1,05
	3.	Уголь	1,17-1,27	1,8-2,0
	4.	Сланец кучерявчик	0,2-1,0	5	54,2	5,42
	5.	Сланец песчаный	1,0-4,0	7-9	85	8,5
	6.	Песчаник крепкий водоносный	13-18	10-11	112	11,2

1.3 Параметры массива в пределах выемочного поля

По горно-геологическому паспорту определяем основные параметры нарушений:

? угол падения плоскости сместителя - ;

? нормальная амплитуда нарушения - h=0,7 м;

? угол встречи нарушения с лавой - ;

? мощность ложной кровли - hл.к.=0,1-0,2м.

Так как амплитуда нарушения меньше мощности пласта, то геологическое нарушение считать переходимым.

Геологическое нарушение является переходимым, т.к. амплитуда нарушения меньше мощности пласта (h=0,7 м, mср.=1,22).

Ширину зоны обрушающихся пород, представленных аргиллитами, алевролитами в окрестности геологического нарушения определяем по формуле:

, м, (1.1)

где h - нормальная амплитуда нарушения, м;

- угол падения плоскости сместителя, град;

- угол встречи нарушения с лавой, град.

м

Высоту обрушения определяем по формуле:

, м, (1.2)

м

Объем пород, подлежащих упрочнению:

, м3, (1.3)

где Lн - длина нарушения в пределах выемочного участка, м.

Объем ложной кровли, подлежащей упрочнению, найдем по формуле:

, м3, (1.4)

где - протяженность участка ложной кровли вдоль лавы, м;

- протяженность участка ложной кровли перпендикулярно линии очистного забоя, м;

hл.к. - мощность ложной кровли в пределах выемочного участка:

м3

1.4 Напряженно-деформационное состояние массива в окрестности лавы

Определяем параметры зон повышенного напряжения (опорного давления), пониженных напряжений (отжим угля).

1) По классификации бассейнов (таблица 1.2) месторождений выбрана группа бассейнов.

По заданным условиям (марка угля - А, С = 28%) определены:

Группа бассейна - VIII;

Средневзвешенный коэффициент крепости всей толщи пород f=9;

Бассейн - Донецкий;

Таблица 1.2 Выписка из классификации бассейнов

Группа бассейна	Средневзвешенный коэффициент крепости толщи пород f	Бассейн	Марка угля; содержание песчаников и известняков в угленосной толще С, %
VI	4	Донецкий	Д, Г, ГЖО, ГЖ при С < 30 %
VII	5		Д, Г, ГЖО, ГЖ при C > 30 % Ж, К, КО, КСН, КС, ОС, СС, Т, А при С < 30%
VIII	7		Ж, К, КО, КСН, КС, ОС, СС, Т, А при С > 30%

2) На основании установленной группы бассейна и по таблице 1.3 определен угол полных сдвижений ш1=53 град.

Таблица 1.3 - Значение углов полных сдвижений

Группа бассейна	Значение при углах падения, указанных ниже
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
VI	58	57	56	55	54	53	52	54	54	55
VII	56	55	55	54	54	53	53	54	54	54
VIII	53	53	53	52	51	51	51	52	52	52

3) По таблице 1.4 найден дополнительный коэффициент , учитывающий группу бассейнов: .

Таблица 1.4 - Значение коэффициента

Группа бассейна	VI	VII	VIII
Значение коэффициента	1,12	1,13	1,15

4) Определим угол давления по формуле:

, град (1.5)

5) Коэффициент, учитывающий часть пород, которые передали свой вес на почву, рассчитан по формуле:

, (1.6)

где длина лавы, м;

глубина разработки, м.

6) Коэффициент интенсивности напряжений для одиночной лавы, МПа, находим исходя из условия:

(1.7)

где объемный вес пород, МН/м3; принимаем = 0,027 МН/м3.

7) Коэффициент линейной аппроксимации определяем по формуле:

, МПа, (1.8)

где - прочность кубика угля достаточных размеров, МПа;

, МПа, (1.9)

где fу - коэффициент крепости угля по шкале проф. Протодьяконова.

МПа

МПа

8) Напряжение на границе массива, МПа:

МПа (1.10)

9) Обобщенный коэффициент определяется по формуле

, (1.11)

где - вынимаемая мощность пласта, м.

Далее по таблице 1.5 с использованием метода интерполирования вычислена функция f(Р):

, (1.12)

.

Таблица 1.5 Значение функции f(P)

Р	1•10-5	1•10-4	1•10-3	1•10-2	5•10-2	1•10-1	5•10-1	1	2	5	10
f(P)	0,97	0,94	0,88	0,75	0,597	0,52	0,306	0,22	0,16	0,09	0,069

10) Расстояние от забоя до максимума опорного давления рассчитывается по следующей формуле:

, м, (1.13)

м

11) Максимальное напряжение равно:

, МПа, (1.14)

МПа

12) Длина зоны опорного давления:

, м, (1.15)

где коэффициент, учитывающий прочность кровли:

? при слабой кровле ( < 50 МПа) = 0,75;

Принимаем =0,75, т.к. породы кровли легко и среднеобрушаемые (категория А1-2).

м

13) Коэффициент концентрации опорного давления:

, (1.16)

где гидростатическое давление, МПа.

МПа

14) Ширина зоны отжима угля:

, м, (1.17)

где L - длина лавы, м;

- коэффициент крепости угля ;

- коэффициент Пуассона, =0,15-0,3.

м

15) Участок сильно трещиноватых пород впереди лавы:

, (1.18)

где ур - предел прочности пород на разрыв, МПа.

м

Схема опорного давления представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Схема опорного давления

Выводы по разделу 1

Перечисляем установленные на основании анализа условия отработки пласта:

? мощностью угольный пласт 1,37м;

? угол падения 0-6 град.;

? глубина разработки 1097м;

- амплитуда геологического нарушения максимальная 139,08 МПа, на расстояние до 29,619м, далее установившееся;

? пласт не опасен по выбросам.

По данным горно-геологического прогнозного паспорта определены категория кровли по обрушаемости, устойчивость нижнего слоя, устойчивость почвы:

? обрушаемость массива пород кровли - А2,

? устойчивость пород нижнего слоя кровли - Б3,

? устойчивость верхнего слоя почвы - П2.

Ширина зоны обрушающихся пород, представленных песчаниками, алевролитами в окрестности геологического нарушения составила 8,88м, а высота обрушения составила 0,45м. Объем пород, подлежащих упрочнению составил 1022,58м3. Объем пород ложной кровли, подлежащей упрочнению составил 1232м3.

По классификации бассейнов месторождений - группа бассейна - VIIЙ, средневзвешенный коэффициент крепости всей толщи пород f=8,75, бассейн - Донецкий, марка угля - А.

Максимальное напряжение - 139,08МПа, а длина зоны опорного давления 70,3м

2. Управление напряженно-деформационным состоянием массива в окресности очистного забоя

2.1 Выбор типа и проверка механизированной крепи в лаве

Согласно категории обрушаемости массива горных пород кровли (А2) выбираем способ управления кровлей в лаве - полное обрушение.

Определяем тип паспорта крепления:

? категория кровли по устойчивости - Б3;

? тип механизированной крепи - допускается односторонняя работа без передвижки крепи на цикл.

Согласно принятой категории пород основной кровли по обрушаемости (А2) и устойчивости пород непосредственной кровли (Б3), а т.ж. учитывая вынимаемую мощность пласта - 1,37м и угол падения пласта - 0-6 град, принимаем механизированный комплекс КД 90, в состав которого входят: узкозахватный комбайн типа 1К101У механизированная крепь 2КД90, передвижной скребковый конвейер типа СП202, , насосная станция СНТ32, оросительная система ТКО-СО и электрооборудование.

Проверяем мехкрепь, сравнивая расчетное и табличное значения реакции крепи.

Расчетная реакция крепи при категории кровли А3 определяется по формуле:

, МПа, (2.1)

где , - объемный вес пород непосредственной и основной кровель, МН/;

,- мощность пород непосредственной и основной кровель, м;

lкр - длина секции крепи, м;

- шаг вторичной осадки кровли (=Шп), м;

lп - расстояние от забоя до крепи, равное шагу передвижки, м;

lз - максимальная длина зависания консоли непосредственной кровли, м

В - коэффициент, зависящий от соотношения .

Получим:

МПа

Шп / h2=30:13,9=2,16

В=0,5

Сравниваем расчетную реакцию крепи с табличной. Расчетная реакция должна быть меньше табличной с необходимым запасом. Rc<0,8• Rт, в данном случае Rc<0,8•0,97=0,78 - условие не выполняется, поэтому нужно разрабатывать специальные мероприятия для разупрочнения кровли.

2.2 Управление неустойчивой кровлей в лаве

Так как длина участка нарушенных пород вдоль лавы превышает 30 м (составляет 84 м), то применяется упрочнение нагнетанием составов карбомидных, полиуретановых и др. составов.

Рисунок 2.1 - Схема упрочнения составами: 1 - шпур; 2 - герметизатор; 3 - шланг для смолы; 4 - шланг для отвердителя; 5 - секция крепи; 6 - нагнетательная установка; 7, 8 - емкости для смолы и отвердителя.

На рис. 1 показала технологическая схема упрочнения. Нагнетательная установка позволяет раздельно подавать к смесителю смолу и отвердитель, которые после смешивания подаются через загрузочную трубку в загерметизированный шпур, далее по трещинам в массив. После отверждения химические составы скрепляют отдельные куски, блоки породы в прочный массив, не обрушающийся после выемки угля в лаве.

Параметры технологии: длина шпура 2-4 м; расстояние между шпурами 2-4 м; глубина герметизации 1-2 м; расход состава 0,03-0,15 м3/шпур; давление нагнетания 5,0-12,0 МПа.

Химические способы упрочнения пород являются прогрессивными, экономически выгодными, которые позволяют увеличить нагрузку на лаву, снизить зольность угля, повысить производительность труда рабочих.

2.3 Мероприятия до первой осадки кровли в лаве

Выкладка бутокостров\\\\, бутовых полос или породных валов, подушек\\\\ принудительное обрушение.

Проанализируем необходимость мероприятий до первой осадки кровли.

Для обеспечения безопасности работ, предотвращения завалов лав, воздушных ударов при первой осадке зависшей на большой площади кровли после отхода лавы от разрезной печи необходимо использовать одно из следующих мероприятий:

1) оставление редких деревянных костров в выработанном пространстве;

2) возведение бутовых полос в выработанном пространстве из породы, получаемой при подрывке кровли или почвы;

3) ослабление породы взрыванием шпуровых зарядов;

4) взрывание скважинных зарядов взрывчатых веществ над выработанным пространством;

5) предварительное ослабление основной кровли.

Перечисленные выше мероприятия предназначены для создания искусственной демпферной опоры в выработанном пространстве из костров, породных полос, обрушенной породы и для ослабления кровли. Параметры технологии указаны на приведенных рисунках. При выборе способа необходимо руководствоваться следующими положениями: 2, 3 способы можно применять в том случае, если кровля сложена прочными алевролитами, песчаниками с пределом прочности на сжатие менее 60 МПа, категории А2, А3, т.е. там, где можно пробурить шпуры, возможно обрушение нижних слоев кровли, создание из них опорной подушки, смягчающей осадку основной кровли.

В лавах с механизированными крепями не рекомендуются первая и вторая схема мероприятий.

Исходя из того, что в данных условия ведется разупрочнение кровли, то и допервичную осадку будем проводить методом взрывания скважинных зарядов, также потому, что крепость пород кровли 65-100 МПа.

Рисунок 2.2 - Схема взрывания скважинных зарядов

2.5 Выбор конструкции крепи концевых участков лавы

Конструкцию крепи концевых участков лав выбираем согласно рекомендациям ДонУГИ. Ориентируемся на инвентарную индивидуальную крепь только в качестве компенсирующей крепи (при изменении длины лавы), так и для крепления ниш, бровок, зоны размещения привода конвейера.

На бровке лавы необходимо предусмотреть установку не менее двух комплектов инвентарной крепи с брусьями, которые после передвижки конвейера, установки деревянных стоек под брус и извлечения металлических стоек, остаются в выработанном пространстве. Определяем количество комплектов инвентарной крепи в зависимости от устойчивости пород нижнего слоя кровли, размеров привода и варианта его размещения, способа охраны выработки (6 комплектов).

Выводы

- в лаве для выемки угля применен комплекс 2КМ-138, с комбайном 2ГШ-68Б;

- в местах неустойчивой кровли применяется способ упрочнения пород - химическое анкерование со следующими параметрами: длина анкера - 2 м; расстояние между анкерами - 0,5 м; количество рядов анкеров - 2; угол наклона нижнего анкера - 6 град, верхнего - 45 град; количество ампул - 2 штуки на 1 м длины шпура;

- для предотвращения резких осадок кровли применяется метод взрывания скважинных зарядов, поскольку кровля представлена крепкими породами песчаника и алевролита крепостью 65-100 МПа.

- параметры гидромикроторпедирования: расстояние между скважинами-24 м; длина скважины - 120 м; угол наклона скважины к очистному забою - 13 град.; высота расположения забоя скважины - 22,6 м.

Размещено на Allbest.ru

...