Способ разгрузки массива пород вокруг выработки при сплошной системе разработки наклонных пластов Донбасса

Из ряда факторов технического и экономического характера на шахтах Восточного Донбасса все большая доля при отработке тонких угольных пластов приходится на сплошную систему разработки с охраной примыкающих к лаве выработок бутовой полосой или предохранительными целиками.

Опыт работы шахт показал, что с увеличением глубины разработки условия залегания месторождения усложняются, возрастает горное давление, увеличивается напряженное состояние, которое существенно ухудшает условия для поддержания выемочных выработок. Применяемые на шахтах Алмазно-Марьевского геологопромышленного района средства крепления и поддержания выработок не обеспечивают их эксплуатационного состояния. Неудовлетворительное состояние выемочных выработок отрицательно влияет на работу транспорта, на безопасность ведения работ, ухудшает условия проветривания, что в свою очередь тормозит процесс добычи угля, снижает темпы проходки и влияет на себестоимость 1 т угля. Поэтому обеспечение устойчивости выработок в зоне влияния очистных работ представляет довольно сложную, трудоемкую и дорогостоящую задачу.

Обеспечение условий для повторного использования выемочных выработок наклонных пластов Донбасса при сплошной системе разработки является актуальной проблемой, решением которой послужило:

• 1)    выполнение анализа эффективности применяемых способов охраны выемочных выработок применительно к условиям Алмазно-Марьевского геологопромышленного района;

• 2)    построение геомеханической модели поведения вмещающих пород, крепежной и охранной конструкций и выполнение ее расчета напряженно-деформированного состояния (НДС).

Решение первой задачи в данном направлении осуществлялось на основании натурных исследований.

Инструментальные наблюдения за деформациями крепи конвейерного штрека проводили на обособленном предприятии (ОП) «Шахта «Золотое» при отработке пласта m 3 горизонта 775 м. Первоначально штрек на протяжении 75 м охранялся по схеме массив угля - накатной костер, блоки из железобетонных тумб (БЖБТ), два ряда бутокостров. Суммарные смещения кровли-почвы достигли 960 мм. Далее из-за прекращения поставки на шахту БЖБТ на бровке лавы выкладывали накатной костер и два ряда бутокостров. Конвергенция вмещающих выработку пород достигла 1580 мм, при этом штрек подлежал полному восстановлению.

Конвейерные штреки пластов m 3 горизонта 660 м и k8 горизонта 775 м ОП «Шахта «Карбонит» охранялись по схеме массив угля - накатной костер, бутовая полоса. Исследования показали, что интенсивные деформации контура выработки проявлялись в период обрушения кровли пласта m3, представленной трещиноватым песчаником мощностью 9-13,8 м. Максимальные смещения величиной до 2450 мм происходили в 20 м позади очистного забоя. При отработке пласта k8 суммарные смещения кровли-почвы в конвейерном штреке достигли 984 мм. Инструментальные наблюдения показали, что в зоне влияния очистных работ происходило вдавливание боковых стоек арочной крепи в почву выработки. Деформации крепи проявлялись с меньшей интенсивностью. В основном уменьшение поперечного сечения выработки происходило из-за значительной усадки бутовой полосы и залегания пучащих пород почвы.

В процессе отработки пласта l2 горизонта 660 м ОП «Шахта «Первомайская» наблюдениями было установлено, что в зоне влияния очистных работ деформации контура откаточного штрека происходили при несовпадении направления податливости арочной крепи с преобладающими смещениями породного контура (рис. 1). Суммарное смещение боковых пород достигло 1195 м. Для увеличения поперечного сечения выработки проводили подрывку почвы, местами перекрепление. Анализ результатов инструментальных наблюдений показал, что со стороны падения пласта происходит скольжение верхняка относительно стойки арочной крепи, а со стороны восстания верхняк и стойка теряют соосность, податливость не реализуется, срез стойки развальцовывается и происходит разрыв хомутов. Такой характер деформаций крепи проявляется из-за контакта верхняка с кровлей в одной точке.

При сравнении результатов исследований было установлено, что значительные деформации крепи происходили при залегании вокруг выработки трещиноватого массива пород. Таким образом, трещиноватость и их свойства являются причинами наличия в породном массиве масштабного эффекта прочностных и деформационных свойств, что подтверждается экспериментами [1 - 3].

Рис. 1. Фактическое состояние западного откаточного штрека пласта l 2¹ гор. 660 м (в 30 м за лавой)

В основе решения второй задачи лежит

Алмазно-Марьевского

принципиально новый способ охраны района. Во всех геологопромышленного вариантах расчетов

повторно используемых выемочных выработок в зоне влияния очистных работ, в котором предусматривается снижение напряженно-деформирующего состояния приконтурного массива пород при помощи разгрузочной полости [4]. Технология создания разгрузки предусматривает проведение выемочной выработки под пластом угля с опережением забоя лавы не менее 30 м. Полезное ископаемое над выработкой извлекают одновременно с выемочными работами в лаве. Созданную искусственную полость закрепляют инвентарной крепью и заполняют вспенивающим материалом. На бровке лавы со стороны выработанного пространства выкладывают ряд деревянных костров, выше которых устанавливают обрезную органную крепь.

Для проведения анализа поведения вмещающих пород, крепежной и охранной конструкций и ее напряженно-деформированного состояния применялся метод конечных элементов [5, 6]. Вычисления выполнялись для упругопластической среды с учетом реальных горно-геологических условий моделировалась предложенная схема охраны (рис. 2).

При проведении вычислительного эксперимента параметры разгрузочной полости регулировались в пределах мощности пласта: по высоте от 0,75 до 1,35 м и ширине от 3,4 до 5 м. Высота H расчетной области породо-угольного массива составляла от 40 до 62 м в зависимости от угла падения породных слоев, ширина B - 30 м.

При выполнении анализа полученных результатов рассмотрим эпюры интенсивности напряжений σ int (рис 3). Как видно, распределение напряжений в породах приводит к формированию по краям консоли области опорного давления, а посередине - область пониженных напряжений. По условиям рассматриваемой задачи концентрация напряжений в пене «Карбофил» невозможна, а напряжения в стойках и брусе инвентарной крепи указывают на геометрию зоны пониженных деформаций в породной консоли. То есть данный элемент поддержания выработки выполняет функции демпфера при передаче усилий на арочную крепь.

Рис. 2. Расчетная схема для построения математической модели

3,2308(7 2,9616(7 2,6924(7 2,423 k7

2,1539(7 1,8847(7 1,6155(7 1,3463(7 1,0771(7 8,0787(6

5,3865(6

2,6944(6

б

a

в

Рис. 3. Эпюры интенсивности напряжений σ_int, полученные для горно-геологических условий шахт: а – ОП

«Шахта «Золотое» (пласт m ₃); б – ОП «Шахта «Карбонит» (пласт k ₈); в – ОП «Шахта «Первомайская» (пласт k ₆)

Наличие зон концентраций напряжений в правом боку выработки происходит у контура возле узла податливости арочной крепи и под основанием деревянного костра. Исходя из положений энергетической теории накопленная энергия деформаций может перейти в кинетическую с разрушением целостности массива пород. Как показали дополнительные расчеты, увеличение ширины разгрузочной полости до 6 м снижает концентрацию напряжений в боках выработки, при этом увеличиваются растягивающие напряжения σр в брусе инвентарной крепи, что может привести к потере ее статического равновесия и к разрыву сплошности непосредственной кровли.

ε, м/м σ, МПа

С ростом угла падения более 27º сжимающие напряжения в боках выработки растут, что указывает на изменение характера распределения горного давления при различных углах падения (рис. 4).

Данные зависимости качественно не зависят от структурных особенностей горного массива, за исключением угла падения, и носят вполне универсальный характер для данной схемы поддержания выемочной выработки. Значения во всем диапазоне углов падения, указанном на графике, были получены путем квадратичного экстраполирования точечных результатов расчета.

Рис. 4. Графики зависимости изменения величины деформаций в кровле разгрузочной полости ( а ) и

максимумов интенсивности напряжений в боках выработки ( б )

На основании совместного анализа представленных на рис. 4 зависимостей следует сделать вывод о том, что рассматриваемая схема поддержания выемочной выработки наиболее эффективно работает в диапазоне от 17 до 30°.

Для проведения анализа работы элементов арочной крепи в разгрузочной зоне и оценки их эффективности рассмотрим эпюры напряженного состояния арочных крепей из условий расчета устойчивости выемочных выработок (рис. 5).

Как видно, боковые стойки арочной крепи при угле падения 14° слабо нагружены и в целом не выходят за пределы упругих деформаций. С увеличением угла падения до 28° напряжения в стойках растут. Максимум напряжений в верхней части левой стойки и верхнем сегменте крепи обусловливается воздействием давления средней стойки инвентарной крепи и пород со стороны массива угля. Однако это не приводит к пределу напряжений в арочной крепи.

Таким образом, схема охраны обеспечивает снижение нагрузки на крепь в приконтурной области массива пород.

Оптимальные характеристики обеспечения устойчивости выемочной выработки достигаются на углах падения породных слоев в диапазоне от 14 до 28°.

Заключение

Предложенный способ поддержания выемочной выработки предусматривает создание разгрузочной полости шириной не более пяти метров после определенной последовательности технологических операций: проведения выработки под массивом угля, его извлечения, крепления кровли разгрузочной полости и заполнения ее вспенивающим материалом «Карбофил». В производственных условиях этот способ может использоваться для обеспечения устойчивости выемочных выработок, эксплуатация которых затруднена вследствие негативных проявлений горного давления. Создание разгрузочной полости увеличивает срок эксплуатации выработки при минимальных перемещениях ее контура, обеспечивающих возможность ее повторного использования в горно-геологических условиях Алмазно-Марьевского геологопромышленного района Донбасса.

б

в

Рис.       5.       Эпюры       интенсивности       напряжений       σint      в       арочной крепи при углах падения: а – ОП «Шахта «Золотое» (14°); б – ОП «Шахта «Карбонит» (23°); в – ОП «Шахта «Первомайская» (28°)