Анализ возможного возникновения куполов в лаве

Подземная разработка угольных месторождений практически всегда сопровождается сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями, поэтому актуальным вопросом является исследование геоме-ханических и газодинамических процессов, происходящих в подземных горных выработках. Определение уровня максимальных действующих напряжений вокруг горных выработок является одной из наиболее важных задач геомеханики [3, 4]. Анализ результатов моделирования с учетом коэффициента запаса прочности пород позволяет произвести выбор оптимальных параметров отработки месторождения, схемы вскрытия и подготовки горизонтов.

Исследование вопроса влияния горного давления на массив и механизированную крепь при отработке выемочного участка угольной лавы позволяет определить изменение состояния пород кровли пласта от сжатия к растяжению, которое может привести к постепенному поэтапному падению породы с кровли выработки до внезапного массового обрушения и образованию куполов.

Цели и задачи исследования

Идея проводимых исследований заключается в изучении совокупности различных факторов: структуры и свойств углепородного массива, сочетания горно-геологических и горнотехнических условий, уровня действующих напряжений в горном массиве и технологических параметров отработки выемочного участка [5].

В этой связи разработка методики комплексного управления геомеханическими и газодинамическими процессами на угольных шахтах является актуальной научной и практической задачей.

Полученные научные и практические результаты проведенных авторами исследований могут быть положены в основу методики комплексного управления геомеханиче-скими и газодинамическими процессами на шахтах [6 - 10].

Большинство исследований основано на решении упругой геомеханической задачи, при этом полученные напряжения и деформации сравниваются с предельно допустимыми для горных пород приконтурного массива. При решении геомеханических задач одним из основных вопросов является определение надежных расчетных значений прочностных свойств горного массива.

Методы исследований

По уровню напряжений, действующих в горном массиве, возможно произвести оценку устойчивости горных выработок и определить показатель коэффициента запаса прочности пород.

Горно-капитальные выработки в процессе их проведения могут изменить свое поперечное сечение от влияния напряженного состояния массива окружающих их горных пород [11 - 13]. Нарушения устойчивости выработок происходят при высоком вертикальном напряженном состоянии. Однако в практике встречаются случаи, когда горизонтальные напряжения значительно превышают вертикальные, тогда могут деформироваться породы кровли и почвы. Деформация почвы проявляется только выпучиванием, что может оставаться почти незамеченным.

Наличие напряжений на растяжение не всегда свидетельствует о разрушении массива

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY в данной области. Сами породы могут в некоторой степени сопротивляться растяжению, и даже при наличии нарушений горного массива они сохраняют некоторую устойчивость (так называемая остаточная прочность горных пород) [3, 17].

Деформация породы кровли (рис. 1) может сопровождаться активным падением породы, сначала в виде заколов, потом с переходом на обвалы. Переход на обвалы связан с уменьшением опорной площади при приближении к замковой части кровли.

Необходимо отметить, что при динамическом проявлении нарушения устойчивости в виде постепенного поэтапного падения породы с кровли выработки может произойти внезапное массовое обрушение.

На участках, где вертикальные и боковые напряжения σв и σб могут одновременно оказывать влияние на образование формы поперечного сечения выработки, физика процесса деформации проистекает в полном соответствии с физикомеханическими свойствами горных пород.

Поэтому как уровень действующих напряжений, так и свойства горных пород, в каждом конкретном случае носят индивидуальный характер.

Объектом исследований является угольный пласт К1 при отработке его лавой 46К1 - З. Отработка выемочного участка приводит к изменению горного давления на массив и механизированную крепь, это в свою очередь приводит к периодическому изменению состояния пород от сжатия к растяжению, при этом изменяются размер и число зависающих пачек пород кровли пласта, участвующих в формировании опорного давления [1, 4, 18, 19].

Для определения устойчивости кровли лавы (рис. 1) было произведено цифровое моделирование массива горных пород [20] по структурным колонкам пласта (рис. 2) и скважине № 11355.

Рис. 1. План горных работ лавы 46 К1

Fig. 1. Longwall 46 K1 mining plan

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

0,62

1,06

1,03

0,95

0,92

КЗП пород 1,54 1,02

Рис. 2. Структурная колонка пласта К1

Fig. 2. K1 seam structural log

Пласт К1 состоит из 6-7 кондиционных и двух высокозольных угольных пачек в кровле пласта (напряжение на сжатие составляет σ = 11-12 МПа). Кровля пласта представлена среднезернистыми аргиллитами мощностью до 20,5 м (напряжение на сжатие составляет σ = 22-25 МПа). В непосредственной кровле пласта в  1,2-1,8 м залегает пласт К1 мощностью до 0,2 м. В почве пласта залегают песчаники и алевролиты, напряжение на сжатие которых σ = 35-59 МПа. сж

Для определения устойчивости кровли выемочного столба был использован показа- тель коэффициента запаса прочности пород. Контактом комплекса лавы с кровлей пласта был принят прослой углистого аргиллита мощностью 0,09–0,12 м (рис. 2). Для полноты анализа использовалась угольная пачка в кровле пласта мощностью до 0,7 м.

Результаты

По полученным результатам исследования можно сделать вывод о том, что кровля пласта по контакту с прослоем углистого аргиллита в лаве неустойчивая и легкообруша-емая. Коэффициент запаса прочности на контакте комплекса и углистого аргиллита (рис. 3) в среднем по лаве равен 0,92.

Рис. 3. Коэффициент запаса прочности моделируемого массива

Fig. 3. Factor of safety of the modeled rock mass

Рис. 4. Коэффициент запаса прочности у вентиляционного штрека

Fig. 4. Factor of safety of the air heading

Рис. 5. Коэффициент запаса прочности у конвейерного штрека

Рис. 6. Изменение коэффициента запаса прочности (КЗП) в зависимости от расстояния между конвейерным и вентиляционными штреками

Fig.6. The change in factor of safety depending on the distance between the belt and air headings

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Коэффициент запаса прочности верхней высокозольной пачки угля меньше единицы и приобретает в некоторых местах отрицательные значения на участке длиной в 25 м от вентиляционного штрека в сторону выемочного участка (рис. 4). Значение коэффициента запаса прочности является показателем того, что породы кровли при отработке выемочного блока в этом месте разрушатся [21 - 23], возможной причиной этого является то, что данный участок находится в зоне ОГД от отработки вышележащего выемочного блока .

Заключение

Результаты моделирования по графику изменения коэффициента запаса прочности в зависимости от расстояния между конвейерным и вентиляционными штреками наглядно показывают, что вероятность образования куполов в кровле выемочного блока велика, так как КЗП пород менее 1, что говорит о не-

устойчивости кровли лавы при её работе (рис. 6). На основании проведенных исследований геомеханических процессов, протекающих в массиве горных пород при отработке выемочного блока, могут быть приняты правильные решения по дальнейшей отработке угольного пласта [24]. Знание прогнозных данных отработки участка угольного пласта позволит еще на стадии проектирования заранее определить наиболее опасные места, а именно точки обрушения кровли.

Проведенные исследования с определением коэффициента запаса прочности позволяют прогнозировать вероятность образования куполов в кровле выемочного блока и разработать мероприятия по обеспечению безопасных условий отработки угольных пластов, а также предупредить будущие аварийные ситуации [24, 25].

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY