Геомеханічне обґрунтування технологічних рішень підвищення ефективності виїмки крутих вугільних пластів, схильних до газодинамічних явищ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Розробка крутих вугільних пластів Центрального району Донбасу в теперішній час ведеться в складних гірничо-геологічних умовах. До числа факторів, що ускладнюють видобуток, належать необхідність розробки свит зближених пластів, серед яких понад 50% схильні до раптових обвалень, велика глибина ведення гірничих робіт (700-1100 м), висока температура (до 40°С) і нестійкість бічних порід (80% випадків).

У зв'язку з можливими змінами гірничо-геологічних умов у межах виймальних ділянок, блоків і шахтних полів важливо оцінити ступінь впливу різних геомеханічних процесів на якість інженерних рішень щодо вдосконалення розробки крутих пластів на великих глибинах. У теперішній час напружено-деформований стан масиву гірничих порід у специфічних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умовах крутих пластів вивчено недостатньо. Відомо, що розміри напруг у натурних умовах істотно відрізняються від розрахункових, а проблеми керування гірським тиском при розробці крутих пластів Донбасу залишаються одними із найскладніших. Крім того, недостатньо вивчена динаміка напружено-деформованого та газодинамічного станів привибійного масиву вугілля в зоні впливу очисної виїмки.

У зв'язку із цим, геомеханічне обґрунтування технологічних рішень підвищення ефективності виїмки крутих вугільних пластів є актуальною науково-практичною задачею, що має важливе значення для вуглевидобувної галузі.

Метою роботи є комплексне геомеханічне обґрунтування параметрів нових технологічних рішень з підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів.

Ідея роботи полягає у використанні геомеханічних закономірностей поведінки гірського масиву навколо діючої лави в природно розвантаженій і дегазованій крайовій частині вугільного пласта для раціонального вибору параметрів очисної виїмки.

Об'єкт досліджень - вуглепородний масив навколо очисного вибою при розробці крутих пластів.

Предмет досліджень - геомеханічні процеси при очисній виїмці крутих вугільних пластів.

Для досягнення поставленої в роботі мети сформульовані наступні задачі досліджень:

1. Виконати аналітичні дослідження напружено-деформованого стану вуглепородного масиву та геомеханічних процесів у привибійній частині вугільного пласта.

2. Виконати експериментальні дослідження з вивчення геомеханічних процесів у вугільному масиві при веденні очисних робіт.

3. Провести лабораторні та шахтні дослідження, перевірити правомірність і обґрунтованість теоретичних передумов з геомеханічного обґрунтування нових технологічних рішень.

4. Виконати геомеханічне обґрунтування нових технологічних рішень щодо підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів.

1. Матеріал та методика досліджень

На підставі вивчення досягнень вітчизняних і зарубіжних дослідників у роботі виконано аналіз та узагальнення геомеханічного стану гірського масиву при виїмці крутих газоносних вугільних пластів на великих глибинах.

У результаті оцінки сучасного стану теоретичних досліджень напружено-деформованого стану вуглепородних масивів крутих пластів при веденні очисних робіт, а також з урахуванням даних багаторічних лабораторних досліджень, виконаних у ДонНТУ, ДонВУГІ, ДонНДІ, ІГТМ НАН України, НГУ та інших інститутах, встановлено, що дотепер напружено-деформований стан масиву гірських порід у специфічних умовах крутих пластів вивчено недостатньо.

Відомо, що величини напруг у натурних умовах істотно відрізняються від розрахункових, а проблеми керування гірським тиском при розробці крутих вугільних пластів є одними із найскладніших.

Тому, для забезпечення інтенсифікації вуглевидобутку на крутих пластах Донбасу необхідний комплексний підхід до досліджень системи “пласт, небезпечний по газодинамічним явищам - очисний вибій - бічні породи -параметри застосовуваної технології”.

Аналіз досвіду технологій вуглевидобутку на крутих пластах Донбасу, що застосовувалися, дозволив встановити, що на сучасному етапі не досліджена і не створена ефективна технологія їх виїмки на великих глибинах, що не дозволяє вважати досить науково-обґрунтованими прийняті в теперішній час критерії оцінки ефективності технологій, які застосовуються і проектуються. Діючі галузеві нормативні документи повною мірою не відображають вимог щодо вдосконалення та розробки нових видів технології виїмки вугілля на глибоких шахтах ЦРД. У той же час, у зв'язку з новими задачами та “Програмами-стратегіями розвитку галузі до 2030 р.”, підвищення ресурсів відомих і нових технологій вуглевидобутку на крутих пластах ЦРД, геомеханічне обґрунтування безпечної технології їх виїмки набуває особливу актуальність.

З метою обґрунтування параметрів безпечної технології виїмки крутих вугільних пластів, виконано теоретичні та експериментальні дослідження із встановлення закономірностей розподілу опорного тиску при веденні очисних робіт на великих глибинах.

Рішенню задач про розподіл опорного тиску на вугільний пласт у прямолінійному вибої присвячено значний обсяг робіт, однак істотні кількісні розбіжності та відсутність яскраво вираженого критерію його оцінки не дозволяють розробити рекомендації, спрямовані на прогнозування та усунення викидонебезпечності вугільних пластів, що відробляються.

Проблема прогнозу параметрів геомеханічних процесів навколо крайової частини вугільного пласта стає усе більш актуальною зі збільшенням глибини розробки родовищ, коли нерівномірність розподілу гірничого тиску призводить до утворення зони підвищеного опорного тиску, просторові контури та розміри якої визначаються фактичними умовами відробки пласта і консольним защемленням його крайової частини.

При усій складності геомеханічних процесів навколо очисного вибою, що рухається, використання універсальних умов дозволяє побудувати функцію опорного тиску, застосовну практично до всіх схем взаємодії покрівлі з пластом.

2. Аналіз отриманих результатів

Універсальними умовами є умови статичної рівноваги покрівлі, які повинні виконуватися при будь-яких фізико-механічних властивостях породи та вугілля. Аналітично вони виражаються у вигляді:

,(1)
,

де Fi-компонента сили, що діє на одиницю об'єму;

dV-елемент об'єму масиву;

ik -тензор напруг;

fk-приріст компоненти вектора елемента поверхні, спрямованого по нормалі до поверхні;

-напруга на нескінченності (напруга "незайманого масиву");

a-характерний розмір зависаючого масиву над виробленим простором.

Оскільки функція опорного тиску, як деяка фізична функція, є неперервною, то для зручності шукаємо рішення інтегральних рівнянь у двох областях, обмеженій та нескінченній, у вигляді степеневих рядів:

,

деA0, A1, A2, …, B1, B2, B3, … постійні розкладу функції, визначувані з інтегральних рівнянь і умови неперервності;

lдеяка довільна скінченна величина, у якій "зшиваються" розклади функції напруг;

Eпараметр, що характеризує неаналітичну поведінку функції.

У результаті чисельного інтегрування отримані варіації функції опорного тиску в прямолінійному очисному вибої та показано, що величина зони опорного тиску залежить як від співвідношення фізико-механічних характеристик покрівлі і вугільного пласта, так і від величини зони розвантаженого масиву. При цьому величина концентрації напруг істотно залежить від співвідношення протяжності виробленого простору і зони опорного тиску.

Дослідження поведінки функцій опорного тиску для одного і того ж пласта, що відробляється, при різних варіантах способу керування гірським тиском дозволяють обґрунтувати наявність кількох максимумів опорного тиску поперед очисного вибою та показати наявність зони “розвантаження”, обумовленої защемленням кромки вугільного пласта, підхід до якої на критичну відстань викликає різного роду газодинамічні явища.

Встановлена математична залежність, що характеризує зміну місцезнаходження максимуму опорного тиску від величини середнього кута зближення бічних порід (кута нахилу покрівлі):

.

де k3-коефіцієнт концентрації напруг;

max-максимальні напруги;

m-потужність пласта;

L-протяжність зони граничного стану;

-коефіцієнт Пуассона;

.

Встановлено, що протяжність зони граничного стану вугільного пласта та величина максимальних напруг у ньому залежать від потужності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей порід, які містять вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою виробки. При більш міцних породах, що містять вугілля, величина максимальних напруг у вугільному пласті нижча, ніж для менш міцних порід. Неоднорідність поля напруг у вугільному пласті обумовлена наявністю градієнта фізико-механічних властивостей порід, що містять вугілля.

Розроблено метод для аналітичної оцінки напружено-деформованого стану вугільного масиву в привибійній зоні пласта, який використовується при обґрунтуванні та виборі параметрів безпечної технології очисних робіт. Запропоноване рішення наочно пояснює явища, що спостерігались на практиці, дозволяє описати ряд встановлених геомеханічних закономірностей і використовувати їх надалі при розробці заходів боротьби з різними газодинамічними явищами.

Досліджені на структурних моделях у лабораторних та безпосередньо у шахтних умовах особливості перерозподілу гірського тиску в дискретному розпірному середовищі, що становить породний контур виїмкової виробки, які дозволили встановити ступінь впливу геологічних і технологічних факторів на характер деформування породних блоків на контурі та навколо гірничої виробки. Їх результати використані при обґрунтуванні нових технологічних рішень виїмки крутих пластів.

Для перевірки правомірності та розвитку теоретичних передумов з геомеханічного обґрунтування нових технологічних рішень виїмки вугільних пластів виконаний комплекс експериментальних досліджень.

Електрометричні дослідження властивостей і стану гірських порід та вугільних пластів показали, що величина питомого електричного опору функціонально залежить як від параметрів об'ємного напруженого стану, так і від величин напруг, що діють у напрямку вимірювань. Електрометричні вимірювання дозволяють оперативно визначати глибину розвитку зон порушенності в гірських породах і характер розподілу зон підвищеної тріщинуватості уздовж лави.

Шахтні експерименти з вивчення геомеханічних процесів, що протікають у вугленосній товщі, особливо в крайовій частині вугільного пласта, показали, що зона розвантаження по простяганню становить у середньому на всіх експериментальних ділянках 1,5-2,0 м. У прямолінійних діагональних або щитових вибоях є оптимальна безпечна для кожного конкретного пласта зона розвантаження. Це може бути підставою для вибору технології та технічних засобів виїмки вугілля з найбільш раціональною шириною захвату, при цьому використання противикидних або попередніх профілактичних заходів не передбачається.

Досліджено прояви гірського тиску в комплексно-механізованих очисних вибоях і показано, що, встановлюючи безпосередньо у вибою лави жорстке кріплення з високою несучою здатністю, можна в значній мірі зменшити швидкість зближення порід і її вплив на крайову частину вугільного масиву. Таким чином, механізоване кріплення є одним із засобів керування геогазодинамічним станом масиву навколо очисного вибою.

Це свідчить про утворення площин руйнування паралельно грані, що розвантажується. Утворення систем вторинних тріщин, що різко змінюють проникність вугілля, при хаотичному їхньому розташуванні пов'язане, у першу чергу, з розкриттям частини закритих пор.

Науково обґрунтовано і розроблено методику комплексної оцінки ефективності технології та засобів механізованої виїмки тонких крутих пластів. Вона дозволяє встановити комплексний показник технічного рівня застосовуваних техніки та технології, що забезпечують ефективний вуглевидобуток у ЦРД.

На підставі виконаних досліджень розроблено нові технологічні рішення з підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів.

Для обґрунтування параметрів нової технології виїмки вугільних пластів проведені комплексна оцінка і аналіз фізичних процесів у крайовій частині пласта з точки зору вимог безпеки і ефективності ведення гірничих робіт.

Встановлено, що зі збільшенням швидкості посування очисного вибою помітно збільшуються напруги в опорній зоні і відбувається значне переміщення максимуму концентрації напруг до крайової частини вугільного пласта, причому параметри опорної зони залежать від довжини лави, швидкості її посування, а також наявності або відсутності розвантаження (підробки та надробки).

Вплив фактору часу на зміну напружено-деформованого стану крайової частини в максимальному ступені проявляється в перші 2-3 години, протягом яких відбувається до 90% всіх деформацій, тому із достатньою для практики точністю період істотної релаксації напруг можна обмежити трьома годинами.

Виконано вдосконалення гнучкої технології із застосуванням відбійних молотків. Для створення зони знеміцненого вугілля можливий підбій у зоні віджатого вугілля в крайовій частині пласта, причому, якщо пачки вугілля однорідні, перевагу варто віддавати нижньому врубу. Для збільшення віджимання та тріщинуватості крайової частини пласта необхідно збільшувати тиск на вибій, що можливо здійснити шляхом зміни окремих технологічних параметрів виїмки, а також використанням спеціальних видів вибійного кріплення (органної, тумб, пневмокострів).

Розроблено основи гнучкої технології відробки вугільних викидонебезпечних пластів у щитових вибоях, яка базується на принципах примусової циклічної (з тимчасовим простоєм вибою, що фіксується) виїмки вузьких смуг 0,21 м у проектній ширині захвату конвейєроструга, рівній 0,63 м. Нова технологія реалізується автоматично за рахунок вбудованих у систему гідроприводу гідромеханічних клапанів, що обмежують хід гідродомкратів подачі конвейєроструга у вибої. Запропоновану технологію впроваджено на 2-х шахтах ДП “Артемвугілля”, сумарний економічний ефект, що очікується, складе 18600 грн.

Висновки

вуглепородний геомеханічний деформований опорний

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане рішення актуальної науково-технічної задачі, що має важливе народногосподарське значення і полягає в розробці комплексного геомеханічного обґрунтування параметрів нових технологічних рішень щодо підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів, небезпечних за газодинамічними явищами, без попереднього здійснення профілактичних заходів.

Основні результати роботи зводяться до наступного:

1. Вперше отримані варіації функції опорного тиску в прямолінійному очисному вибої і показано, що розміри зони опорного тиску залежать як від співвідношення фізико-механічних характеристик покрівлі та вугільного пласта, так і від величини зони розвантаженого масиву. При цьому величина концентрації напруг істотно залежить від співвідношення протяжності виробленого простору і зони опорного тиску.

2. Встановлено, що протяжність зони граничного стану вугільного пласта і величина максимальних напруг у ньому залежать від потужності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей порід, які містять вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою виробки. При більш міцних породах, що містять вугілля, величина максимальних напруг у вугільному пласті нижча, ніж для менш міцних порід. Неоднорідність поля напруг у вугільному пласті обумовлена наявністю градієнта фізико-механічних властивостей порід, що містять вугілля.

3. Встановлено, що найнебезпечнішими ділянками лави за швидкістю зближення бічних порід та можливістю небезпечних наслідків ведення очисних робіт є середні частини лави і, особливо, сполучення її комбайнової частини з верхнім уступом, у яких коефіцієнт динамічності складає 80-90. Доведено, що, встановлюючи безпосередньо у вибої лави жорстке кріплення з високою несучою здатністю, можна в значній мірі зменшити швидкість зближення порід і її вплив на крайову частину вугільного масиву.

4. Розроблено і впроваджено методику комплексної оцінки ефективності технології та засобів механізованої виїмки тонких крутих пластів Донбасу, що враховує економічність технологічних процесів.

5. Встановлено, що зі збільшенням швидкості посування очисного вибою помітно зростають напруги в опорній зоні і відбувається значне переміщення максимуму навантажень до крайової частини вугільного пласта. Причому параметри опорної зони залежать від довжини лави, швидкості її посування, а також наявності або відсутності розвантаження (підробки та надробки).

6. Розроблено основи гнучкої технології відробки вугільних викидонебезпечних пластів у щитових вибоях, яка базується на принципах примусової циклічної (з тимчасовим простоєм вибою, що фіксується) виїмки вузьких смуг 0,21 м у проектній ширині захвату конвейєроструга, рівній 0,63 м. Нова технологія реалізується автоматично за рахунок вбудованих у систему гідроприводу гідромеханічних клапанів, що обмежують хід гідродомкратів подачі конвейєроструга у вибої.

7. Розроблено Галузевий стандарт України “Технологічні схеми розробки викидонебезпечних пластів із застосуванням сейсмоакустичного моніторингу гірського масиву”, який введено в дію за встановленим порядком.

Література

1. Чибисова М.Т., Гребенкина А.С. Некоторые методы решения вариационных задач линейной теории упругости //Научно-прикладные проблемы разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса. - Донецк: Регион, 1999. - С. 277-280.

2. Гребенкина А.С, Рожок И.Н., Шипунова И.В. Основы механики горных пород //Проведение и эксплуатация горизонтальных горных выработок на шахтах с крутым и наклонным залеганием угольных пластов. - Донецк: Регион, 2001. - С. 9-84.

3. Аналитическая оценка напряженного состояния угольного массива в призабойной зоне угольного пласта /С.С.Гребенкин, В.И.Пилюгин, А.С.Гребенкина, С.Г.Жулидов //Изв. Донецкого горного ин-та. - 2002. - №2. - С. 74-77.

4. Особенности механизма перераспределения нагрузки в дискретной распорной среде /Г.И.Соловьев, С.Г.Негрей, В.Е.Нефедов, А.С.Гребенкина //Изв. Донецкого горного ин-та. - 2003. - №2. - С. 47-55.

5. Геомеханические основы безопасной отработки угольных месторождений /С.Е.Топчий, Н.Н.Шлюпкин, А.С.Гребенкина, А.В.Костенко //Эколого-технологические проблемы безопасной отработки угольных месторождений. - Донецк: ДонНТУ, 2004. - С. 90-125.

6. Стариков Г.П., Гребенкина А.С. Влияние скорости разгрузки угольного массива на изменения в трещиноватопористой структуре угля //Изв. Донецкого горного ин-та. - 2004. - №1. - С. 18-21.

7. Кучер В.И., Гребенкина А.С. Комплексная оценка технологии и средств механизированной выемки тонких крутых пластов Донбасса //Науковий вісник НГУ. - 2004. - № 10. - С. 33-38.

Размещено на Allbest.ru