Обґрунтування параметрів інтенсивної технології виїмки вугільних пластів на великих глибинах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ІНТЕНСИВНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИЇМКИ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ НА ВЕЛИКИХ ГЛИБИНАХ

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

НАЗИМКО ІВАН ВІКТОРОВИЧ

Дніпропетровськ - 2009

АНОТАЦІЯ

Назимко І.В. „Обґрунтування параметрів інтенсивної технології виїмки вугільних пластів на великих глибинах”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - „Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2009.

У дисертації на основі встановлення закономірностей зміни техногенної тріщинуватості і напрямку фільтрації газу з вугільних супутників і газоносних пісковиків в товщі гірських порід при великих швидкостях посування очисного вибою обґрунтовані параметри інтенсивної технології виїмки вугільних пластів на великих глибинах.

Доведено, що експоненційне зниження інтенсивності газовиділення у діючий очисний вибій з ростом темпів підробки масиву гірських порід визначається зникненням зони підвищеної субвертикальної проникності, відставанням області інтенсивного газовиділення від очисного вибою, що рухається, та формуванням порожнини підвищеної проникності у площині нашарування.

Вдосконалена технологія дегазації масиву, що відпрацьовується високими темпами. Обґрунтована величина відставання вибою свердловини від лінії очисного вибою, яка дає змогу підвищити ефективність дегазації. Для забезпечення можливості прямоточного провітрювання запропоновано щілинне розвантаження конвеєрного штреку, а глибину щілини розрахувати пропорційно логарифму швидкості посування очисного вибою. Основні наукові результати використовуються інститутом МакНДІ при вдосконаленні схем дегазації. Вдосконалені технології інтенсивної виїмки використовується на шахтах ім. О.Ф. Засядька та „Красноармійска-Західна №1”.

Ключові слова: очисний вибій, швидкість посування, тріщинуватість, проникність масиву, дегазація, гірський тиск, розвантаження масиву, підвищення безпеки.

вугілля газ тріщинуватість вибій

АННОТАЦИЯ

Назимко И.В. «Обоснование параметров интенсивной технологии выемки угольных пластов на больших глубинах». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых». Национальный горный университет Украины Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2009.

В диссертации на основе установления закономерностей изменения техногенной трещиноватости и направления фильтрации газа из спутников и газоносных песчаников в подрабатываемой высокими темпами толще горных пород обоснованы параметры интенсивной технологии выемки угольных пластов на больших глубинах.

Методами физического моделирования впервые доказано, что в кровле угольных пластов класса А₁ и А₂ при скорости подвигания лавы более 120 м/мес процесс сдвижений приобретает характер плавного опускания, в результате чего происходит уменьшение деформаций сдвига в 2,16…7,8 раза и вертикальной проницаемости в 140…150 раз с одновременным формированием газопроводящих полостей вдоль напластования, раскрытие которых отстает от плоскости забоя на 30 м и более. Зона повышенной субвертикальной трещиноватости, совпадающая с зоной максимальных изгибов, рассеивается и исчезает возможность фильтрации метана из газоносных спутников и песчаников в действующий очистной забой.

Установленный эффект инверсии компонент анизотропии проницаемости в окрестности рабочего пространства лавы был подтвержден с помощью шахтных инструментальных наблюдений за структурой обрушенных и уплотненных пород, сформированных при разной скорости отработки лав. Установлена логарифмическая зависимость длины зависающих породных консолей от скорости подвигания лавы. В результате инверсии потоков газа происходит экспоненциальное уменьшение интенсивности газовыделения в действующую лаву.

На основании установленных закономерностей усовершенствована схема улавливания газа из спутников и газоносных песчаников с помощью дегазационных скважин, которые бурятся вслед движущейся лаве с конвейерного штрека или из дополнительной выработки, проводимой позади зоны активных сдвижений, что позволяет в 1,1 - 1,2 раза увеличить эффективность дегазации и обеспечить прямоточную схему проветривания.

Для обеспечения эффективной работы схемы дегазации обоснован способ локальной щелевой разгрузки вентиляционной выработки, поддерживаемой позади быстро движущейся лавы, которая позволяет нейтрализовать внезапное интенсивное пучение почвы выработки, обусловленное динамическим зависанием подработанного массива и таким образом сохранить целостность дегазационных скважин.

Основные научные результаты работы используются институтом МакНИИ при совершенствовании схем дегазации. Усовершенствованные технологии интенсивной выемки угольных пластов применяются на шахтах им. А.Ф. Засядько и «Красноармейская-Западная №1». Ожидаемый экономический эффект составляет 135…225 тыс. грн.

Ключевые слова: очистной забой, скорость подвигания, трещиноватость, проницаемость массива, дегазация, горное давление, разгрузка массива, повышение безопасности.

ABSTRACT

Nazimko I.V. “Substantiation of parameters to intensify coal extraction technology at great depth”. - Manuscript.

Dissertation on competition for a scientific degree of candidate of technical sciences on a speciality 05.15.02 - “Underground development of mineral deposits”. National mining university of Ukraine of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009.

In the thesis, parameters of intensive coal extraction technology at great depth have been substantiated owing established rock mass behavior due to undermining by retreat coal face. The more coal face advance, the intensive fracture system modification is and the more direction of gas filtration changes.

It was found that exponential decline of gas emission into moving coal face during advance buildup caused by disappearing of conditions for high permeability subvertical channel occurrence, by lag of gas emission zone boundary from moving coal face, and by emergence of a channel of high permeability in lamination plane.

A technology has been improved for rock mass degassing. Gas well lag distance from moving coal face has been established. This parameter provides high efficiency of degassing. Slot distressing has been proposed for entry stability that facilitates direct airway. Depth of the slot is controlled as function of coal face advance logarithm. New findings have been adopted by MakNDI for improvement of degassing technology. Developed technologies for intensive extraction have been introduced at coal mines named after О.F. Zasyadko and “Krasnoarmiyska-Zahidna№1”.

Key words: longwall face, advance, fracture, rock mass permeability, degassing, ground pressure, rock mass distressing, safety improvement.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з переходом до ринкової економіки підвищуються вимоги до рентабельності вугільної промисловості України, яка є основою її енергетичної незалежності. В процесі реструктуризації понад 50 нерентабельних шахт закрито, а діючі шахти повинні значно збільшити інтенсивність вуглевидобутку. Внаслідок цього швидкості посування очисних вибоїв на шахтах України зросли в 1,5…2 рази і, у ряді випадків, сягають 200 м/міс і більше. Виїмка вугільних пластів з великою швидкістю на значних глибинах можлива за умови зниження газовиділення, інтенсивність якого визначається проникністю масиву гірських порід, що залежить від параметрів техногенної тріщинуватості. Тріщинуватість утворюється в результаті перевищення допустимих напружень і деформацій навколо очисного вибою, а рівень і вектори напружень залежать від швидкості посування лави.

Збільшення швидкості руху лав призвело до істотної зміни характеру динамічних зрушень породної товщі, яка підробляється і надробляється очисним вибоєм, а також вплинуло на параметри активних зрушень. Разом з тим особливості перерозподілу напружень і деформацій при великих швидкостях переміщення лав вивчені недостатньо повно. Особливо це актуально при підробці високими темпами газонасичених вуглепородних масивів на великих глибинах. Вказані особливості мають важливе прикладне значення при виборі параметрів схем дегазації, а також для вдосконалення способів управління станом масиву гірських порід навколо очисних і підготовчих виробок. Таким чином, обґрунтування параметрів інтенсивної технології виїмки вугільних пластів на великих глибинах є важливою і актуальною задачею для вугільної промисловості України.

Зв'язок теми дисертації з планами НДР. Основні результати роботи отримані при виконанні наукових досліджень в інститутах ДонНТУ (№ГР 0104U002395) і УкрНДМІ (№ ГР 0102U007320) - тема «Геомеханічні основи прогнозу динаміки обвалень і гірського тиску навколо рухомих очисних вибоїв», в яких автор брав безпосередню участь.

Мета роботи полягає в обґрунтуванні параметрів інтенсивної технології виїмки вугільних пластів на великих глибинах для підвищення ефективності і безпеки підземних робіт.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей процесу динамічних зрушень і формування техногенної тріщинуватості масиву, що підробляється, при збільшенні темпів його підробки.

Об'єктом досліджень є процес деформації товщі, що підробляється.

Предметом досліджень є закономірності взаємовпливу параметрів зрушень, техногенної тріщинуватості і газопроникності в масиві гірських порід, що підробляється високими темпами.

Основні задачі досліджень полягають в наступному:

1. Встановити причини зниження інтенсивності газовиділення в діючий очисний вибій, що рухається зі швидкістю понад 100 м/міс.

2. Уточнити параметри підвищеної проникності навколо робочого простору діючого очисного вибою при швидкості його посування 40…50 м/міс.

3. Уточнити параметри зрушення товщі, що підробляється, при високих темпах посування очисних вибоїв.

4. Дослідити зміни величин нормальних і дотичних деформацій масиву, що підробляється, і його проникності при високій швидкості посування лави.

5. Обґрунтувати раціональні параметри інтенсивної технології виїмки вугільних пластів.

У роботі використані наступні методи досліджень: методи фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах і «тертям по основі» для дослідження впливу швидкості посування очисного вибою на параметри тріщинуватості товщі, що підробляється; чисельне моделювання методом дискретних елементів для уточнення параметрів зони активних зрушень; шахтні експериментальні спостереження пружно-деформованого стану масиву в зоні активних зрушень для перевірки достовірності величин зсувних деформацій; спостереження структури товщі обрушених порід для уточнення параметрів тріщинуватості підробленої товщі; моніторинг газовиділення з дегазаційних свердловин та у виробках виїмкової ділянки, а також кореляційний і статистичний аналіз.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. У покрівлі вугільних пластів класу А₁ і А₂ при швидкості посування лави понад 120 м/міс відбувається зменшення деформацій зсувів і вертикальної проникності за експоненціальною залежністю з одночасним формуванням газопровідних порожнин уздовж нашарування, розкриття яких відстає від площини вибою на 30 м і більше, що обумовлює параметри розташування свердловин дегазації при комбінованій системі розробки і прямоточній схемі провітрювання.

2. Ширина зони максимальних прогинів порідних шарів покрівлі вугільних пластів класу А₁ і А₂ збільшується за логарифмічним законом із зростанням швидкості посування очисного вибою, що дозволяє досягти необхідної ефективності управління гірським тиском шляхом синхронної нелінійної зміни глибини розвантажувальної щілини.

Новизна наукових положень полягає в наступному:

1. Вперше встановлені основні причини зменшення відносної газоносності виїмкової дільниці при збільшенні швидкості посування очисного вибою понад 100 м/міс, які полягають в загасанні зони значної субвертикальної проникності, відставанні місця початку газовиділення від очисного вибою і формуванні порожнин підвищеної проникності в площині нашарування.

2. Уточнені параметри зрушень масиву гірських порід, який підробляється високими темпами в межах 30 виїмкових потужностей і характеризується зменшенням градієнта вертикальних зрушень, а також відставанням точки максимуму горизонтальних зрушень, початку порожнин розшарування і місцеположення зони максимальних прогинів від площини рухомого вибою на 20…40 м.

3. Отримало подальший розвиток уявлення про механізм впливу швидкості посування очисного вибою на характеристики тріщинуватості обвалених порід, що полягає в розвитку порожнин розшарування уздовж нашарування при сумісній дії розтягуючих деформацій по нормалі до нашарування і концентрації деформацій зсуву в площині нашарування.

4. Вперше показано, що збільшення швидкості посування лави понад 30 м/міс призводить до зростання ширини зони максимальних прогинів за логарифмічною залежністю і зменшення субвертикальної проникності в 140…150 разів.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни техногенної тріщинуватості і напрямку фільтрації газу з супутників і газоносних пісковиків в товщі гірських порід, що підробляється високими темпами.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

1. Обґрунтована і вдосконалена технологічна схема уловлювання газу з супутників і газоносних пісковиків за допомогою свердловин дегазації, що дозволяє в 1,1 - 1,2 рази збільшити ефективність дегазації за рахунок використання додаткових виробок газового горизонту для дегазації двох суміжних лав, а також за рахунок вибору мінімально необхідного відставання вибою свердловини від діючого очисного вибою.

2. Обґрунтована глибина розвантажувальної щілини для локального розвантаження виїмкових виробок дегазації позаду лави, яка рухається швидко, що дозволяє зберегти гирло свердловини дегазації.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена коректним вибором граничних умов та початкового стану системи в фізичних моделях, дотриманням динамічної подібності при фізичному і математичному моделюванні; збіжністю параметрів зони динамічних зрушень на фізичних моделях і в натурних умовах в межах похибки, що не перевищує 25%; використанням рекомендацій і висновків роботи при проектуванні систем дегазації і способу підвищення стійкості виїмкових виробок позаду діючої лави.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи здійснена на шахтах ім. О.Ф. Засядька і «Красноармійська-Західна №1» при проектуванні схеми дегазації і обґрунтуванні параметрів локального розвантаження конвеєрної виробки в зоні активних зрушень, а також в інституті МакНДІ для вдосконалення схем дегазації виїмкових дільниць.

Особистий внесок автора в роботу полягає в розробці моделей і моделюванні динамічних процесів в зоні активних зрушень, формулюванні наукових положень дисертації, обробці і аналізі результатів інструментальних спостережень підробленої товщі порід, проведенні розрахунків пружно-деформованого стану масиву, що підробляється.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації обговорювалися на міжнародній конференції «Форум гірників», Дніпропетровськ 2006; XVII Міжнародній науковій школі «Деформація і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках» (Алушта 2007); міжнародній науково - технічній конференції «Проблеми екології гірничого виробництва» (Антрацит 2007).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 7 статтях, зокрема 5 статей в фахових виданнях, затверджених ВАК України і 2 в матеріалах міжнародних конференцій.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 152 найменувань і 3 додатків на 4 стор. Основний текст роботи викладений на 138 сторінках машинописного тексту, містить 45 рисунків і 2 таблиці. Загальний об'єм роботи складає 158 сторінок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 наведений аналіз робіт, які присвячені дослідженню впливу темпів підробки вуглепородного газоносного масиву на параметри зони зрушень і інтенсивність газовиділення. Були розглянуті роботи вчених НГУ, ДПІ, ДонВУГІ, ІГТМ НАНУ, ВНІМІ, УкрНДМІ НАНУ, ІФГП НАНУ, Інституту Вугілля РАН, КДТУ, Шаолінського університету. Встановлено, що область активних зрушень в межах 30 виїмкових потужностей залишилася практично невивченою з огляду впливу темпів підробки на пружно-деформований стан масиву і характеристики техногенної тріщинуватості. Разом з цим, вказана область є одним з основних джерел додаткового газовиділення. Крім того, тут протікають найбільш інтенсивні деформації виїмкових виробок, підтримуваних позаду лави.

Експериментальні дані свідчать про суперечливий характер впливу швидкості посування очисного вибою на прояви гірського тиску навколо виїмкової дільниці. З одного боку, збільшення швидкості посування лави призводить до підвищення швидкості конвергенції на контурі виїмкових виробок і зростання інтенсивності здимання підошви позаду очисного вибою. З другого боку, при збільшенні темпів посування очисного вибою підвищується стійкість безпосередньої покрівлі в лаві, а зростання інтенсивності питомого газовиділення відстає від темпів прискорення посування очисного вибою. Таким чином, необхідно вивчити і використати позитивні ефекти збільшення швидкості посування очисного вибою й нейтралізувати негативні наслідки прояву гірського тиску у виїмкових виробках, що визначило зміст задач, наведених у вступі.

У розділі 2 розглянуті методики досліджень, що відрізняються від відомих або які вперше застосовуються для дослідження процесів в зоні активних зрушень. Так, для встановлення особливостей розподілу незворотних деформацій в межах зони активних зрушень використовувалося моделювання. Зокрема, вперше застосовано метод фізичного моделювання «тертям по основі», який найбільш пристосований для імітації різних швидкостей посування очисного вибою. Цей метод заснований на використанні подібності між силою тяжіння і силою тертя. Збудження деформацій моделі реалізується шляхом переміщення тіла моделі відносно основи. Критерій подібності записується у вигляді

у_z = м_b г h_z, у_y = 0, у_x = нм_b г h (1)

де - коефіцієнт тертя між моделлю і основою; г - вага одиниці об'єму матеріалу моделі; н - коефіцієнт Пуассона; h_z - розмір моделі по осі z; у_z, у_y, у_x - компоненти напружень.

У даній роботі досліджується вплив швидкості посування, яка змінювалася в діапазоні 19…300 м/міс з кроком 50…100 м/міс. При цьому швидкість посування очисного вибою регулювалася зміною співвідношення довжини заходки до відстані переміщення моделі по основі.

Традиційний метод моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів використовувався для співставлення з результатами, одержаними за допомогою методу «тертям по основі». Для цієї ж мети використовувалося і математичне моделювання методом дискретних елементів.

Цей метод заснований на представленні досліджуваного середовища окремими дискретними елементами, які первинно пов'язані між собою силами зчеплення в масиві гірських порід. Взаємодія між дискретними елементами обумовлена двома законами: Ньютона і Гука. Деформація і рух середовища, імітованого сукупністю дискретних елементів, регулюється одночасно обома законами, що дає можливість моделювати всі стадії процесу до кінцевого моменту обвалення порід.

На рис. 1 показані два дискретні елементи, що мають радіуси R₁ і R₂ з масами M₁ і M₂ відповідно.

На частинки діють сили F₁ і F₂. В результаті взаємодії частинки вдавлюються одна в одну на відстань Дl. Силова взаємодія частинок реалізується через їх прискорення. Подвійне інтегрування цих прискорень за часом дозволяє розрахувати нові координати частинок X₁, Y₁ і X₂, Y₂, відповідно. По цим координатам визначається нова відстань D, на яку елементи змістилися один відносно одного і далі цикл розрахунку повторюється.

Варто підкреслити, що метод дискретних елементів відображає динамічні процеси, що є дуже важливим в нашому випадку для дослідження високих швидкостей посування очисного вибою.

Для оцінки надійності і достовірності результатів досліджень використовувалися шахтні натурні спостереження, які дали можливість уточнити найважливіші параметри процесів активних зрушень. Зокрема, вимірювання конвергенції і швидкості зсунень на контурі виробки при різних швидкостях посування лави застосовувалося для дослідження процесу руйнування порід навколо виробки в зоні активних зрушень позаду діючого очисного вибою, де необхідно забезпечувати цілісність дегазаційних свердловин.

Спостереження за структурою гірських порід використовувалися для вивчення закономірностей зміни параметрів тріщинуватості із збільшенням швидкості посування очисного вибою.

Автором дисертації розроблений новий спосіб вимірювання лазерною рулеткою довжини породної консолі, яка зависає у виробленому просторі. При цьому вимірювалася відстань від перекриття секцій кріплення до найдальшого блоку породи, в який упирався горизонтальний промінь лазерної рулетки. Враховуючи те, що процес обвалення є до певної міри випадковим, здійснювалися масові вимірювання. Їх необхідна кількість визначалася в ході експерименту залежно від коефіцієнта варіації. Результати вимірювань представлялися у вигляді розподілів. В якості довжини зависання приймалася мода розподілу.

Для встановлення залежності інтенсивності газовиділення від швидкості посування очисного вибою використовувалися результати газових зйомок в діючих лавах.

У розділі 3 наведені результати досліджень процесу зрушення товщі масиву гірських порід, що підробляється, при збільшенні швидкості посування очисного вибою. Встановлено, що характер процесу змінюється якісно і кількісно. Так, область переходу від незайманого масиву до зони повних зрушень розтягується в просторі, що віддзеркалюється в зменшенні градієнта вертикальних зрушень і видно із зіставлення рис. 2, а і в (напрям руху лави вказаний світлою стрілкою).

При малих швидкостях підробки деформації зсуву складають 0,013…0,0078 (рис. 2, б), що вище за допустиму межу для осадових порід і формують над робочим простором рухомої лави субвертикальні площини зрушення підвищеної проникності (позиція 1 рис. 2, б), які співпадають із зоною максимальних прогинів і нахилені до площини пласта приблизно під кутом 70⁰. Це означає, що робочий простір лави і вироблений простір позаду неї з'єднується з газоносними вугільними супутниками і пісковиками, тобто метан потрапляє з глибини масиву в робочий простір діючої лави.

При збільшенні швидкості посування до 200 м/міс максимальні деформації зсуву зменшуються за експонентою у 2,16…7,8 рази і розсіюються, причому їх місцеположення в зоні максимальних вигинів відстає від очисного вибою на 30…40 м, зміщуючись у бік відпрацьованого простору.

За розрахунками, в цій ситуації зона підвищеної субвертикальної проникності зникає, а компонента вертикальної проникності зменшується в 140…150 разів.

Характерно також, що при підвищенні темпів підробки точки максимуму вертикальних зрушень відстають від площини вибою на 20…40 м. В результаті динамічний кут повних зрушень зменшується, а при швидкості посування більше 150 м/міс цей кут взагалі не ідентифікується (рис. 2, в). У результаті, процес зрушення втрачає риси обвалення і набуває характеру плавного опускання підробленої товщі.

Зі зростанням швидкості посування очисного вибою процес ущільнення товщі, що підроблюється, в напрямі, нормальному до нашарування, супроводжується розкриттям порожнин розшарування на границях суміжних шарів (позиція 2 на рис. 2, г). Це значить, що при збільшенні темпів підробки масиву гірських порід отримують розвиток субгоризонтальні порожнини розшарування.

Розподіл величин деформацій розтягування е_z по нормалі до нашарування узгоджується з логнормальним законом, при цьому переважають тонкі розшарування, а за зростанням швидкості посування очисного вибою величина деформацій експоненціально зменшується (рис. 3). При цьому навіть найменша величина вказаної деформації перевищує допустиму межу типової осадової породи на розтягування. Отже будь-яка з вказаних тріщин розшарування є проникною для метану, що міститься у вугільних супутниках і газоносних пісковиках.

Зі зростанням швидкості підробітку деформації розтягування по нормалі до нашарування набувають безперервного характеру, витягуються уздовж нашарування, а початок порожнин розшарування відстає від очисного вибою на 30 м і більше при швидкості посування лави 200 м/міс. Це створює сприятливі умови для того, щоб діюча лава віддалялася на значну відстань від зони, в якій починається інтенсивне газовиділення підробленої товщі.

У розділі 4 наводяться результати уточнення параметрів зони активних зрушень за допомогою шахтних інструментальних спостережень. Розподіл довжин зависання породних консолей позаду діючого вибою є несиметричним і відповідає логнормальному закону. Це значить, що частіше переважають зависання менших розмірів. При цьому мода довжини зависання консолі при швидкості 19,0 м/міс складає 5,0 м, а при швидкості 93,0 м/міс - 13,5 м. Із збільшенням швидкості приблизно в 5 разів зависаюча консоль подовжується в 2,7 рази. Ширина зони максимальних прогинів збільшується при підвищенні швидкості посування очисного вибою згідно логарифмічної залежності (рис. 4).

Спостереження структурних змін в обваленому і ущільненому породному масиві виконувались на пластах с₁₁, с₁₃ шахти Південнодонбаська №1; d₄ шахти Красноармійська - Західна №1; l₄, l₁, k₈, m₃ шахти ім. Засядько; с₈^н, с₈^в шахти ім. Героїв Космосу. Встановлено, що при помірних швидкостях посування лави в породній товщі генеруються техногенні субвертикальні тріщини (система 1 на рис. 5, а), кількість яких змінюється від 5 до 60 на метр залежно від міцності порід і відстані від підошви відпрацьованого пласта. Такі техногенні тріщини гірського тиску є прямим підтвердженням наявності зони підвищеної субвертикальної проникності при помірних темпах підробки масиву гірських порід (див. позицію 1 на рис. 2, б), що співпадає з зоною максимальних прогинів і обумовлено позаграничними деформаціями зрушення.

Починаючи з швидкості посування 120 м/міс система субвертикальних тріщин гірського тиску (позиція 1 рис. 5, а), паралельних лінії очисного вибою, розсіюється, а зберігається тільки система окремостей (позиція 2 рис. 5, б), густина яких в напрямі, перпендикулярному до нашарування, зменшується з 30…60 до 5…10 на метр. Тобто при великій швидкості посування лави техногенні тріщини і окремості в підробленій товщі практично не утворюються, а процес повного обвалення набуває риси плавного опускання.

Для дослідження впливу швидкості посування очисного вибою на інтенсивність газовиділення на виїмковій дільниці визначалося співвідношення розрахункового (за нормативом) і фактичного газовиділення за даними 33 лав шести шахт Донбасу. Починаючи зі швидкості посування очисного вибою більше 1 м/добу фактичне відносне газовиділення на виїмковій дільниці менше за розрахункове. Із зростанням швидкості посування ступінь розбіжності між розрахунковим і фактичним газовиділенням збільшується згідно експоненціальної залежності.

Встановлений експериментальний факт підтверджує результати попередніх досліджень. Зниження газовиділення в діючий очисний вибій із збільшенням темпів підробки масиву гірських порід пояснюється зникненням зони підвищеної субвертикальної проникності, відставанням місця початку газовиділення від очисного вибою і формуванням порожнин розшарування. Через ці порожнини газ з супутників і газоносних пісковиків надходить у вироблений простір, обминаючи робочий простір очисного вибою. В лаву потрапляє тільки газ, який виділяється при руйнуванні вугільного пласта. Метан, що дегазувався з супутників, перетікає в вироблений простір і потрапляє у виїмкові виробки діючої дільниці з відставанням від лави. Це потребує удосконалення системи дегазації так, щоб уловлювати газ з супутників і газоносних пісковиків за місцем його виділення.

У розділі 5 описана вдосконалена технологія газоуловлювання (рис. 6). Додаткова вентиляційна виробка 1 проводиться вслід за діючою лавою 2. Відставання L_в повинне бути не менше 70 м, що забезпечує задовільну стійкість додаткової вентиляційної виробки.

З підготовчого вибою вказаної виробки буриться дегазаційна свердловина 4 (діаметр свердловин 70…120 мм) з розворотом на вироблений простір лави 2 під кутом б = 20…40⁰ і кутом підйому в = 30⁰. Довжину L_cк свердловин 4 приймають 40…50 м з таким розрахунком, щоб відстань L_с від їх вибою до очисного вибою була не менше 30 м. Це забезпечує уловлювання метану на початку порожнин розшарування.

Відстань між свердловинами приймається 45…50 м. Таким чином, свердловини 4 уловлюють газ в місці його виділення, що є ефективним прийомом дегазації. Додаткова вентиляційна виробка починає виконувати функцію дегазації вже при роботі діючої лави.

В процесі відпрацювання наступної лави 3 з додаткової вентиляційної виробки 1 буряться свердловини 5 в напрямку лави 3. Свердловини 5 і раніше обладнані свердловини 4 спільно виконують функцію дегазації при роботі лави 3. Кут нахилу свердловин ц = 20…35⁰, а кут розвороту 45…60⁰.

Таким чином, обґрунтована схема дозволяє збільшити ефективність дегазації в 1,1 - 1,2 рази, оскільки одна і та ж виробка використовується для дегазації двох послідовних лав, що відпрацьовуються.

Вдосконалені також параметри розташування свердловини дегазації при реалізації нормативної схеми дегазації за галузевим стандартом. Дегазація при цьому здійснюється з виробки, підтримуваної за лавою. Згідно стандарту, гирло свердловини дегазації розташовується з відставанням від лави не більше ніж 50 м. При цьому, вибій свердловини розташовується над лінією очисного вибою, що недоцільно при швидкості посування лави більше 100 м/міс. У зв'язку з вказаним запропоновано змінити величину відставання свердловини до 70…80 м. Завдяки такому рішенню з урахуванням довжини свердловини, кутів її розвороту і підйому вибій свердловини розміщується на відставанні 30…40 м від лави, тобто в зоні, де починається інтенсивне газовиділення з вугільних супутників і газоносних пісковиків.

Дегазація масиву з виробок, підтримуваних позаду лави, найбільш ефективна, проте існує проблема забезпечення стійкості цих виробок, оскільки вони підтримуються в зоні активних зрушень.

По мірі зростання швидкості посування лави зависання підробленої товщі істотно збільшуються (рис. 7, а), причому величина зависань знаходиться в логарифмічній залежності від швидкості посування (рис. 4). Це призводить до пропорційного підвищення динамічного опорного тиску не тільки попереду лави, але і уздовж виїмкових виробок, які підтримуються позаду лави. Підвищений опорний тиск провокує інтенсивне здимання порід підошви (рис. 7, б).

Ефективним способом зменшення опорного тиску є локальне розвантаження виїмкової виробки за допомогою розвантажувальної щілини. Виходячи зі встановлених закономірностей зависання товщі, що підробляється, знайдена логарифмічна залежність для визначення глибини D розвантажувальної щілини

D = 1,09Ln(V k) - 0,02, м (2)

де k - критерій стійкості виробки, рівний відношенню величини вертикальної компоненти гірського тиску до межі міцності порід на одноосне стиснення. Область застосування встановленої залежності: 50 ? V ? 300 м/міс, 0,3 ? k ?0,8.

При виборі глибини щілини за встановленою залежністю нейтралізується негативний ефект зависання підробленої товщі уздовж бічної стінки виробки і зберігається необхідна площа залишкового перетину в межах 12 м², що дозволяє забезпечити прямоточну схему провітрювання і підтримувати швидкість посування лави в межах 180…200 м/міс без погіршення безпеки гірничих робіт.

Основні наукові результати даної роботи прийняті до використання в МакНДІ для вдосконалення схем дегазації. Крім того, рекомендації по

локальному розвантаженню виїмкових виробок позаду діючої лави використовуються ЗАТ «Донецький металургійний завод «Донецьксталь» при проектуванні до відробітку блоку №10 пласта d₄ шахти «Красноармійська-Західна №1». Рекомендації по вдосконаленню дегазації використовуються на шахті ім. О.Ф. Засядька.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена науково-практична задача обґрунтування параметрів інтенсивної технології виїмки вугільних пластів на великих глибинах на основі встановлення закономірностей зміни техногенної тріщинуватості і напрямку фільтрації газу з супутників і газоносних пісковиків в товщі гірських порід, яка підробляється високими темпами, що має важливе значення для підвищення ефективності і безпеки підземних робіт. Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

1. Встановлено, що при швидкостях підробки 40…50 м/міс, деформації зсувів в покрівлі вугільних пластів складають 0,0078…0,013, які перевищують граничні, тому над робочим простором лави формується область підвищеної субвертикальної проникності, яка співпадає із зоною максимальних прогинів. Частота тріщин зрушення змінюється від 5 до 60 м^-1 залежно від міцності порід і відстані від підошви відпрацьованого пласта. Зона підвищеної проникності сполучує робочий простір лави і вироблений простір позаду неї з вугільними супутниками, та газоносними пісковиками.

2. При збільшенні швидкості підробки товщі втідбувається зменшення градієнта вертикальних зрушень і відставання точки максимуму горизонтальних зрушень, а також початку порожнин розшарування і зони максимальних прогинів від площини очисного вибою на 20…40 м. При швидкості посування понад 150 м/міс кут зрушень практично не ідентифікується, а процес зрушення набуває характеру плавного опускання породних шарів.

3. Показано, що із зростанням швидкості посування очисного вибою процес ущільнення товщі покрівлі класу А₁ і А₂, в напрямі, нормальному до нашарування, розтягується в просторі по висоті і призводить до розкриття витягнутих уздовж нашарування суцільних порожнин розшарування.

4. Встановлено, що збільшення швидкості посування лави до 200 м/міс призводить до зменшення максимальних деформацій зрушення за експонентою у 2,16…7,8 разів, а компонента вертикальної проникності зменшується в 140…150 разів, що призводить до інверсії компонент анізотропії проникності навколо робочого простору лави і знижує інтенсивність газовиділення в робочий простір очисного вибою згідно експоненціальній залежності.

5. Встановлено що ширина зони максимальних вигинів збільшується за логарифмічною залежністю від швидкості посування очисного вибою.

6. Обґрунтована схема уловлювання газу з супутників і газоносних пісковиків за допомогою свердловин дегазації, які буряться услід діючій лаві з конвеєрного штреку або з додаткової виробки, яка проводиться позаду зони активних зрушень, що дозволяє в 1,1 - 1,2 рази збільшити ефективність дегазації.

7. Обґрунтована глибина щілини для локального розвантаження виїмкової виробки, що підтримується позаду лави, яка дозволяє нейтралізувати раптове інтенсивне здимання підошви виробки, обумовлене динамічним зависанням підробленого масиву і забезпечити цілісність дегазаційних свердловин. Очікуваний економічний ефект від реалізації наукових та практичних результатів роботи складає 135...225 тис. гривень.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Ильяшов М.А. Назимко И.В. Закономерности перераспределения напряжений в процессе подработки целиков лавами по сближенным пластам на большой глубине // Проблеми гірського тиску. Збірник наукових праць ДонНТУ. Донецьк, №10, 2003. - С. 138 - 157.

2. Назимко И.В. Обоснование мероприятий по обеспечению устойчивости выработки при высокой скорости подвигания очистного забоя // Геотехническая механика. Межведомственный сборник научных трудов ИГТМ НАНУ. Днепропетровск, №61, 2006. - С. 257 - 266.

3. Назимко И.В. Исследование влияние скорости подвигания очистного забоя на характер деформирования покрывающих пород // Вісник КТУ. Збірник наукових праць. Кривий Ріг, вип. 5(15), 2006. - С. 41 - 45.

4. Назимко В.В., Назимко И.В. Восстановление формы, размеров и положения объектов по их фотографическим изображениям с помощью методов искусственного интеллекта // Матеріали міжнародної конференції «Форум гірників». Дніпропетровськ: Національний гірничий університет. - 2006.- С. 74 - 89.

5. Назимко И.В. Параметры зоны максимальных прогибов при разных скоростях подвигания очистного забоя // Проблеми гірського тиску. Збірник наукових праць ДонНТУ. Донецьк, №15, 2007. - С. 163 - 177.

6. Касимов О.И., Бокий Б.В., Назимко И.В. Метановыделение в очистные выработки угольных шахт // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. Донецьк, №1, 2007. - С. 232 - 238.

7. Назимко И.В. Особенности структуры обрушения и уплотнения пород при высоких скоростях подвигания очистного забоя // Сборник научных трудов XVII Международной научной школы «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» - Симферополь: ТНУ, 2007. - С. 215 - 217.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних в співавторстві: [1] - комп'ютерне моделювання і аналіз результатів, [4] - фізичне моделювання і висновки, [6] - фізичне моделювання і встановлення причини відставання інтенсивності газовиділення від темпів підробки газоносного вуглепородного масиву.

Размещено на Allbest.ru