Исследование геомеханического состояния неустойчивых пород в окрестности сопряжений горных выработок

В настоящее время на угольных шахтах при скорости подвигания очистных забоев до 300 м в месяц сдерживающим фактором являются темпы строительства подготовительных выработок и их сопряжений. Основными факторами, негативно влияющими на скорость проведения выработок, являются простои забоев, связанные с разрушением угольных целиков, обрушением пород кровли и боков выработки [4, 5, 12, 13]. В пределах выемочного участка комплексномеханизированного очистного забоя (КМЗ) количество сопряжений подготовительных выработок достигает 40, более 80 % которых подвергаются влиянию веса подработанных очистным забоем пород кровли [16].

Сопряжения горных выработок являются одним из сложных объектов на шахтах и рудниках. Однако методы оценки их устойчивости не всегда обеспечивают безопасное эксплуатационное состояние выработок, так как не полностью учитывается множество факторов: формы и размеры сопряжений выработок, строение залежи, свойства боковых пород и др. [2, 3, 4, 7].

Основные виды простоев выявлены на сопряжении очистного забоя и выемочных выработок, что связано с необходимостью

установки крепи усиления, упрочнения вмещающих пород, ликвидации куполов и вывалов и др.

В этой связи актуальным является исследование геомеханического состояния неустойчивых пород в окрестности сопряжений горных выработок с целью обеспечения их безаварийной эксплуатации.

Для решения этой задачи требуется выявление зависимостей и закономерностей деформирования неустойчивых горных пород в окрестности сопряжений горных выработок. Это позволит на стадии разработки проектной документации принять решения, обеспечивающие устойчивость вмещающих пород на сопряжении горных выработок, снижение простоев очистных забоев и соблюдение безопасных условий труда.

Целью настоящего исследования является разработка методики обоснования параметров крепи подземных горных выработок на сопряжениях при отработке угольных пластов с неустойчивыми вмещающими породами.

Для достижения поставленной цели на первом этапе исследования методом физического моделирования решена задача: выявлена зависимость деформирования эквивалентного материала (ЭМ) в окрестности полостей, имитирующих сопряжения горных выработок.

Таблица 1

Типы и свойства моделируемых пород Types and properties of simulated rocks

Тип породы	Предел прочности при сжатии σ н , МПа	Объемная масса пород γ н , кг/м 3
Алевролит	40	2500
Уголь	8,2	1200

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Методика экспериментального исследования

Для исследования был принят метод физического моделирования, который позволяет сократить время и затраты, необходимые для выявления зависимостей деформирования эквивалентного материала в окрестности полостей, имитирующих сопряжения горных выработок [6, 7, 8, 11].

Типы и свойства моделируемых пород, а также физико-механические параметры ЭМ, удовлетворяющие критериям подобия [10], представлены в табл. 1, 2.

В соответствии с табл. 1 были рассчитаны прочностные характеристики эквивалентного материала для каждой породы по формулам, предложенным Г.Н. Кузнецовым [10].

Прочностные характеристики требуемого материала, эквивалентного горной породе, определялись из выражения

". =( R с ) м = 7 '~ ( R с ) н , (1)

L Ун где спч с = (Rc) - предел прочности при сжатии эквивалентного материала;

(Rc) - предел прочности при сжатии натурных образцов породы;

– линейный масштаб модели;

L

• у_м - объемная масса материала;

• у_н - объемная масса пород.

Объемная масса материала модели рассчитывалась по формуле:

У м = ⁰ - 6 У н .                ⁽²⁾

Эквивалентный материал выбран из двух составляющих – песка и парафина. Использовался кварцевый песок с диаметром зерен 0,30–0,16 мм. Парафин применялся технический СТО 00148636-004-2007.

В соответствии с результатами расчета и проведенных испытаний образцов при помощи гидравлического пресса «Азимут» БП-29, была подобрана рецептура состава смеси и определены пределы прочности эквивалентного материала при сжатии, соответствующие углю и алевролиту (табл. 2).

Для проведения физического моделирования был разработан стенд (рис. 1) [9, 14].

Физико-механические параметры ЭМ

Physical and mechanical parameters of the EM

Таблица 2

Физико-механические параметры	Моделируемый тип пород
	алевролит (кровля-почва)	уголь (пласт)
Состав компонентов ЭМ	песок+парафин (97 : 3)	песок+парафин+краситель (98,52 : 1,48)
Условия перемешивания ЭМ	с подогревом до 140 °С
Лабораторный предел прочности ЭМ σ м, МПа	0,24	0,10
Модуль деформации ЭМ Е д, МПа	25	15

Модель        Фотоаппарат        Н оутбук (Excel)        Графики зависимостей

Рис. 1. Стенд для физического моделирования

Fig. 1. Stand for physical modeling

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

The experiment was performed for three options of physical models made of equivalent material (Fig. 2): a) model 1 – an intact rock mass; b) model 2 - a rock mass including a single mine working;

c) model 3 - a rock mass with a mine working junction

Рис. 2. Схемы моделей для физического моделирования:

а – модель 1 нетронутый массив горных пород; б – модель 2 массив с одиночной горной выработкой; в – модель 3 массив с сопряжением горных выработок

Относительные деформации ε

Fig. 2. Schematics of the models for physical modeling:

a – model 1, an intact rock mass; b – model 2, a rock mass including a single mine working; c – model 3, a rock mass with a mine working junction и у ь

1> S я 1> ^ я л ч:

Относительные деформации ε

Модель 1 – нетронутый массив

—с— Модель 2 – массив с одиночной горной выработкой о Модель 3 – массив с сопряжением горных выработок

Рис. 3. Графики напряжения – относительные деформации эквивалентного материала физических моделей

Fig. 3. The graphs of relative strain versus stress for the equivalent material (EM) of the physical models

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Рис. 4. Схема деформирования ЭМ (нетронутый массив)

Fig. 4. Seam EM deformation schematic – intact rock mass

б )

а )

б )

Рис. 5. Схема деформирования пласта с одиночной горной выработкой

Fig. 5. Seam EM deformation schematic – rock mass including a single mine working

а )

б )

Рис. 6. Схема деформирования пласта при пересечении выработок

Fig. 6. Seam EM deformation schematic – rock mass with a mine working junction

Эксперимент проводился для трех вариантов физических моделей из эквивалентного материала (рис. 2):

• а)    модель 1 – нетронутый массив горных пород;

• б)    модель 2 – массив с одиночной горной выработкой;

• в)    модель 3 – массив с сопряжением горных выработок.

Результаты исследования. По результатам физического моделирования получены вертикальная удельная нагрузка трех моделей, а также следующие параметры НДС эквивалентного материала вокруг полостей, имитирующих горные выработки: вертикальные смещения, относительные деформации.

На основании результатов испытания моделей из эквивалентного материала и в соответствии с рекомендациями [15, 18] построены графики зависимости относительных

деформаций от вертикальной удельной нагрузки, представленные на рис. 3.

На основе работ [11, 17] оценка результатов исследований проводилась в следующей последовательности.

При нагружении модели 1 происходит обжатие ЭМ, как видно на графике (участок OD), после ЭМ переходит в упругое состояние (участок DA), при появлении первых трещин модель (массив) уплотняется, после интенсивного развития трещин в пласте происходит его выдавливание (рис. 4, а ); нагрузка распределяется на вышележащие слои ЭМ, начинается упруго-пластичная деформация (участок АА 1 ), при переходе зоны (точка А 1 ) происходит разрушение ЭМ (рис. 4, б ), после появления трещины на верхнем слое (в кровле) модели происходит релаксация напряжений.

При нагружении модели 2, ослабленной одним сквозным вырезом (полостью имити-

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY рующую горную выработку), наблюдается интенсивное развитие трещин в пласте (участок DB) с выдавливанием ЭМ по бокам горной выработки (рис. 5, а), после чего ЭМ, подобный алевролиту, прочность которого в 3–5 раз больше прочности угля, переходит в упруго-пластичное состояние (участок ВВ1) и при увеличении вертикального давления достигает предельного состояния (точка В1), и в результате разрушается (рис. 5, б).

Распределение деформаций ЭМ, ослабленного двумя полостями, имитирующими сопряжение горных выработок, представлено графиком 3 (рис. 3). Интенсивность деформирования материала, эквивалентного углю, в третьей модели выше по сравнению с моделями 1, 2, поскольку произошло выдав-

ливание ЭМ (угольный пласт) с замещением пустот на пересечении двух полостей, в результате верхний и нижний слой ЭМ (кровля-почва) практически сомкнулись (рис. 6, а , б ).

Выводы.

• 1)    Метод физического моделирования позволяет сократить время и затраты, необходимые для выявления закономерностей деформирования пород в окрестности сопряжений выработок в шахтных условиях.

• 2)    Полученные результаты деформирования материалов, эквивалентных горным породам, предполагается использовать в качестве исходных данных при тестировании результатов физического и численного моделирования, а также при разработке паспортов крепления сопряжений горных выработок.

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY