Исследование процесса формирования зон опорного давления в системе "парные штреки"

Опыт отработки пологих антрацитовых пластов Восточного Донбасса на глубинах свыше 500 м показал неэффективность, а часто и невозможность повторного использования выемочных выработок из-за неудовлетворительного выполнения охранной функции искусственными ограждающими конструкциями (БДБ, БЖБТ и др.), что, в свою очередь, существенно влияет на снижение нагрузки на очистной забой [1, 3–5, 8].

В этих условиях актуальной является проблема оптимизации параметров межштрековых целиков, обладающих достаточной несущей способностью для охраны будущего вентиляционного штрека, с одной стороны, и обеспечивающих полную ударобезопас-ность – с другой, так как рассматриваемые пласты потенциально опасны по горным ударам [7, 11–14, 19].

В настоящее время достижение высоких нагрузок на очистной забой возможно только при однократном использовании выемочных штреков (с оставлением межъярусных охранных целиков для поддержания подготовительных выработок). Мировая практика показывает, что эффективные показатели работы очистных забоев достигаются при применении многоштрековых схем подготовки выемочных столбов. Рекордные показатели были достигнуты на шахтах США – 10 млн т/год; 1,6 млн т/мес.; 57 тыс. т/сут, в благоприятных горно-геологических условиях именно при использовании многоштрековых схем с оставлением целиков [16–18]. Опыт работы шахт США, достигших наивысших показателей в мире, представляет особый интерес при проектировании горных работ.

Нами предполагается изучить эффективность комплекса мероприятий по оформлению искусственной податливости антрацитовому целику с последующим его упрочнением для увеличения несущей способности при возможно минимальной его ширине.

Методы исследований

Для решения поставленной задачи на первом этапе необходимо провести исследования процесса формирования зон опорного давления в условной системе «парные штреки: конвейерный штрек верхней лавы – вентиляционный штрек нижней лавы».

В исследования нами закладываются наиболее сложные условия функционирования вентиляционного штрека нижней лавы – такие же, как при повторном его использовании. В этом случае нагрузки на штрек от опорного давления будут распределятся в следующих зонах:

• –    1-я зона – проявление опорного давления при проведении выработки;

• –    2-я зона – поддержание выработки в массиве до начала очистных работ;

• –    3-я зона – формирование опорного давления впереди движущегося очистного забоя;

• –    4-я зона – динамическое проявление опорного давления (max) при подходе лавы (в окне лавы);

• –    5-я зона – динамическое проявление опорного давления после прохода лавы с последующей стабилизацией опорного давления;

• –    6-я зона – формирование опорного давления впереди движущегося второго очистного забоя;

• –    7-я зона – динамическое проявление опорного давления (max) при подходе второй лавы (в окне второй лавы);

• –    8-я зона – динамическое проявление опорного давления после прохода лавы с последующей стабилизацией опорного давления [6, 15, 20].

Определяющим фактором (по величине нагрузок на крепь выемочных выработок) является опорное давление в окне лавы, которое характеризуется:

• –    формированием и обрушением зависающих консолей пород кровли в выработанном пространстве, создающих динамическую составляющую опорного давления;

2020;5(1):49-55

– суммарным воздействием изгибающих моментов слоев пород, залегающих от пласта до поверхности.

Нами проведены комплексные исследования по формированию зон опорного давления в условной системе «парные штреки», включающие численное моделирование, которое совместно с эмпирическими методами и накопленным опытом позволяет выполнить оценку динамических процессов, происходящих в породном массиве при ведении горных работ. Применяемый способ основан на методе конечных элементов, также используется рациональный метод планирования эксперимента для решения геомеханической задачи [2, 9, 10].

Моделируемый процесс формирования зон опорного давления в геомеханической системе «парные штреки» выполнен в программной среде Plaxis. Основой для моделирования послужили горно-геологические условия шахты «Обуховская». Марка угля – А; пласт k 2 ; γ – 1,67 т/м ³ ; m – 0,98–1,35 м; m ср = 1,16 м; строение пласта – простое; f = 2–3; σ сж = 20 Мпа; α – 5 – 8°.

Непосредственная кровля, представленная песчаником мощностью 0,95 м; f – до 124; γ – 2,68 т/м ³ , переходящим в песчаный сланец ( m – 3,68 м; f = 7–94; γ – 2,74 т/м ³ ), характеризуется как среднеустойчивая.

Основная кровля сложена песчаником (m – 4,6 м; f = 12–14; γ – 2,74 т/м3). Песчаник мелкозернистый, кварцевый, окремненный, крепкий. Основная кровля характеризуется как труднообрушающаяся на западе и среднеоб-рушающаяся на востоке.

Непосредственная почва представлена песчаным сланцем ( m – 0,9–1,2 м; f = 7–9; γ – 2,71 т/м ³ ), почва пласта характеризуется как устойчивая, не склонная к пучению.

Для реализации нелинейного характера деформирования массива использовалась упругопластическая модель Мора – Кулона и физико-механические свойства угля и вмещающих пород.

Естественное напряженно-деформированное состояние массива задавалось вертикальными и горизонтальными напряжениями, приложенными внутри конечно-элементной модели. Вертикально сжимающие напряжения массива горных пород принимались равными весу столба горных пород до земной поверхности:

o_z = y H, т/м ² .

Расчетная схема конечно-элементной модели (рис. 1) представляет собой участок массива с размерами 25 × 90 м с выработками прямоугольной формы сечения. Расстояния от моделируемых выработок до границ модели выбраны таким образом, чтобы исключить влияние на результаты моделирования граничных условий. По граням расчетной модели закреплены перемещения по всем осям.

Рис. 1. Схема конечно-элементной модели

Fig. 1. Layout of the finite element model

ISSN 2500-0632 (ON-LINE)

ГОРНЫЕ НАУКИ

Рис. 2. Напряжения вокруг парных выработок: а – 1-я стадия ; б – 2-я стадия ; в – 3-я стадия ; г – 4-я стадия

Fig. 2. Stresses around the paired workings: a – 1st stage; b – 2nd stage; с – 3rd stage; d – 4th stage

Таблица 1

Полученные значения

The obtained values

Выработка	Стадия	Напряжение по контуру выработки, kN / m	Смещение кровли, ∆ U , м
Конвейерный штрек	3	–17,75∙10 3	82,64∙10 –3
Конвейерный штрек	4	26,79∙10 3	120,57∙10 –3
Вентиляционный штрек	3	–17,21∙10 3	81,51∙10 –3
Вентиляционный штрек	4	–18,20∙10 3	86,67∙10 –3

2020;5(1):49-55

Последовательно в одном программном модуле моделировалось несколько стадий (рис. 2):

• –    1-я стадия – проведение конвейерного штрека опережающей проходкой вне зоны влияния очистных работ;

• –    2-я стадия – проведение вентиляционного штрека для смежного выемочного столба вне зоны влияния очистных работ первого выемочного столба;

• –    3-я стадия – задание искусственной податливости межштрековому целику;

• –    4-я стадия – влияние максимального опорного давления впереди движущегося очистного забоя первого выемочного столба.

Для каждой стадии решались упругопластические задачи. При этом на каждой последующей стадии учитывались расчетные данные, полученные на предыдущей .

Результаты исследований

В результате моделирования получены значения напряжений и смещений кровли в массиве вокруг выемочных выработок при различных стадиях формирования опорного давления (табл. 1). Наибольший интерес представляют 3-я и 4-я стадии, поведение выработок при задании искусственной податливости

межштрековому целику и воздействия максимального опорного давления впереди движущегося очистного забоя.

Из полученных данных видно, что величина смещения кровли выработок значительно превышает расчетное смещение кровли, которое составляет U m = 37,50 мм. Величину смещений кровли выработок можно нейтрализовать системой определенных мер, а именно оформлением охранной конструкции с оптимальными параметрами, способной выдержать максимальные нагрузки от опорного давления.

Заключение

Полученные в результате моделирования данные используются для решения задачи по оптимизации параметров охранных конструкций (податливого целика), для чего будет применен рациональный метод планирования эксперимента с целью решения геомеха-нической задачи.

В настоящее время проведены лабораторные испытания закладочного материала с использованием связующих смол, построена матрица плана расчетного эксперимента.

Op ГОРНЫЕ НАУКИ                                         МИСиС

6Z        |/|                                                             U                UU                                              Национальный исследовательский технологически й уни верситет