Оценка опасной зоны в краевой части пласта в условиях слабых боковых пород

Отработка свит угольных пластов, рост глубины разработки интенсифицируют негативное проявление опорного давления, которое связано с повышенной концентрацией напряжений вследствие влияния оставленных целиков и краевых частей смежных пластов. Опорное давление способствует возникновению газодинамических явлений и разрушений пород кровли. По мнению автора [1] наиболее опасная область опорного давления это краевая часть пласта, именно в краевой части сконцентрирован максимум опорного давления. Согласно работе [2] в призабойной части пласта угольный пласт проходит все стадии деформирования – от всестороннего сжатия до сильного разрыхления вблизи от обнажения, которое проявляется в виде образования зоны отжима. Нормативный документ [3] содержит формулу для расчета размера зоны отжима. Размер зоны разрушенного угля зависит от мощности пласта, максимального давления на пласт и физикомеханических свойств угля. Разрушение краевой части приводит к возрастанию интенсивности и ширины зоны опорного давления, при этом максимум опорного давления перемещается вглубь массива [4].

При отработке запасов по бесцеликовой схеме необходимо знание процессов разрушения угольного пласта и вмещающих пород в краевой для заложения выработок вприсечку к выработанному пространству. Поэтому определение размеров зоны дезинтеграции горного массива в краевой части пласта под влиянием очистных работ и установление параметров, влияющих на размер этой зоны, является актуальной задачей.

Цель статьи – определение размеров зоны дезинтеграции в краевой части пласта в условиях слабых боковых пород и установление зависимостей размеров этой зоны от глубины разработки.

Натурные наблюдения проводились в условиях шахт Западного Донбасса. Особенностью месторождения Западного Донбасса является то, что породы почвы и кровли угольных пластов представлены аргиллитами и алевролитами невысокой прочности (до 20 МПа), реже в породной толщи встречаются слои песчаников незначительной мощности, наличие которых не повышает общую прочность породного массива. На шахте «Благодатная» ПАО «ДТЭК Павлоградуголь» были проведены натурные наблюдения в 409-й и 510-й лавах (глубина разработки 220-235 м) и установлен характер нарушенности угольного пласта, примыкающего к подготовительной выработке, который проявляется в виде техногенных трещин, чередующихся с участками ненарушенного угольного пласта. Общая ширина зоны дезинтеграции для данных условий не превышает 7,5 м [5].

Исследования были продолжены сотрудниками кафедры маркшейдерии НГУ в условиях других шахт Западного Донбасса. В условиях шахты «Западно-Донбасская» ПАО «ДТЭК Павлоградуголь» при обследовании 854-й лавы со стороны выемочных штреков зафиксированы техногенные трещины и нарушения залегания угольного пласта и вмещающих пород в виде сбросов, взбросов, грабенов с амплитудой до 0.15 м (рис. 1) [6]. Наличие техногенной нарушенности может свидетельствовать о формировании зоны разгрузки в краевой части пласта.

Рис. 1. Техногенное нарушение в 854-й лаве.

Такой мониторинг краевых частей лав был проведен и на шахтах «Павлоградская», «Западно-Донбасская», «Терновская» и «Степная» ПАО «ДТЭК Павлоградуголь». Задача наблюдений состояла в оценке техногенной трещиноватости пород, замере раскрытия трещин и величин смещения пород. В качестве примера приведены результаты мониторинга краевой части 403-й лавы шахты «Павлоградская».

Геометрические параметры результатов замеров по шахте «Павлоградская» представлены на рис. 2. Со стороны 403-го бортового штрека распространение техногенной трещиноватости зафиксировано на расстоянии 5,4 м.

Результаты мониторинга в 403-й лаве следующие:

• –    у сопряжения лава-штрек наблюдается трещина, которая повторяет контур выработки, величина раскрытия около 3 см;

• –    на расстоянии 0,9 м зафиксирована трещина с раскрытием до 10 см;

• –    на расстоянии 2,3 м, 3,4 м и 4,3 м обнаружены вертикальные трещины без раскрытия;

• –    на расстоянии 5,4 м наблюдается трещина со смещением, амплитуда смещения 2 см.

Рис. 2. Техногенная нарушенность краевой части 403-й лавы в условиях шахты «Павлоградская».

Результаты мониторинга свидетельствуют о том, что увеличение глубины разработки приводит к увеличению зоны дезинтеграции. Поэтому было принято решение установить зависимость между глубиной разработки и размерами зоны техногенной нарушенности.

Результаты мониторинга краевых частей очистных забоев приведены в табл. 1.

Ширина нарушенной зоны n в очистном забое соседней лавы при бесцеликовой отработке от глубины разработки Н выражается зависимостью:

n 0,04 H +0,3, r = 0,8, где r – коэффициент корреляции.

По результатам мониторинга краевых частей очистных забоев установлена зависимость ширины нарушенной зоны n в очистном забое лавы от глубины разработки H (рис. 3).

Таблица 1.

Результаты мониторинга краевых частей очистных забоев.

Шахта ПАО «ДТЭК Павлоградуголь»	Выработка	Ширина нарушенной зоны, м	Глубина, м
«Степная»	111-й бортовой штрек	5,5	180
«Степная»	167-й бортовой штрек	12,0	420
«Павлоградская»	403-й бортовой штрек	5,4	100
«Павлоградская»	411-й сборный штрек	8,9	120
«Западно-Донбасская»	870-й сборный штрек	18,3	410
«Западно-Донбасская»	870-й бортовой штрек	19,5	410
«Западно-Донбасская»	874-й сборный штрек	21,8	419
«Западно-Донбасская»	874-й бортовой штрек	18,3	419
«Терновская»	349-й сборный штрек	11,9	270
«Терновская»	349-й бортовой штрек	5,0	270
«Западно-Донбасская»	854-й сборный штрек	22,0	460
«Западно-Донбасская»	854-й бортовой штрек	17,0	460

Глубина, м

Рис. 3. Зависимость ширины нарушенной зоны в очистном забое лавы от глубины разработки.

Таким образом, в условиях слабых боковых пород в непосредственной близости к границе очистных работ присутствует зона разгрузки, наличие которой подтверждено формированием трещин и нарушений залеганий угольного пласта и вмещающих пород техногенного происхождения.

Ширина зоны техногенной трещиноватости для шахт Западного Донбасса прямо зависит от глубины ведения очистных работ.

Установленная зависимость позволяет определять размеры зоны дезинтеграции и планировать ведение горных работ вприсечку.