Полный текст

Введение Объектом исследования являются закономерности деформирования горных пород в окрестности подготовительных выработок отрабатываемого выемочного участка в сейсмически опасном районе Кузбасса при отработке свиты угольных пластов. Цель работы - выявление закономерностей конвергенции кровли и почвы подготовительных выработок при отработке угольных пластов в сейсмически опасных районах Кузбасса. В работе использованы следующие методы исследований: постановка задачи исследования, адаптация методов изучения процессов деформирования геомассива, анализ геодинамической и горно-технической ситуации, натурные исследования. Подземная угледобыча осуществляется в широком диапазоне горно-геологических условий [1, 2]. Опыт эксплуатации высокопроизводительных подземных угледобывающих предприятий с нагрузкой более 10 тыс. т в сутки показал необходимость научного сопровождения работ с выполнением комплекса мероприятий, направленных на повышение уровня безопасности [3-6]. Факторы, осложняющие отработку выемочных участков: · неустойчивые породы кровли; · изменчивость мощности и строения пластов, изменчивость мощности и строения пород между пластами; · изменчивость физико-механических свойств угля и пород; · высокая газоносность углепородной толщи; · увеличение глубины ведения горных работ. При отработке свит угольных пластов интенсивным деформациям пород в окрестности горных выработок особенно подвержены [7-9]: · участки вокруг подготовительных горных выработок в непосредственной близости от выработанного пространства; · участки вокруг горных выработок в зонах опорного давления от очистных забоев отрабатываемых выемочных участков. Для изучения деформации формы сечения подготовительных горных выработок проведены натурные исследования конвергенции пород кровли и почвы вентиляционного штрека в зоне влияния опорного давления очистного забоя выемочного участка. Исследования проведены на геодинамическом полигоне действующего угледобывающего предприятия в Ерунаковском геолого-экономическом районе Кузбасса. Горно-техническая ситуация при отработке исследуемого геомассива при отработке пласта 2 характеризуется как традиционная для многих глубоких шахт Кузбасса [10]. Схема подготовки шахтного поля - панельная однокрылая. Система разработки длинными столбами по простиранию с выемкой угля в длинном комплексно-механизированном забое столбами с управлением кровлей полным обрушением. В пределах выемочного столба 2-7 длина лавы 300 м, угол падения пласта 10-12о, мощность пласта 2,16 м, глубина разработки 500-600 м, средний коэффициент крепости по шкале проф. Протодъяконова равен для угля 1,0, пород непосредственной кровли 4,0, пород основной кровли 4,6. Мощность пород непосредственной кровли 7,55 м. Прогнозные значения шагов обрушения пород непосредственной кровли: первичный 40 м, последующий 10 м; основной кровли: первичный 55 м, последующий 20 м. В пределах основной кровли прослеживаются линзы песчаника. Поддержание проектного размера сечения выработок выемочного участка осложняется наличием в почве пласта 2 весьма сближенного пласта 1. На участках сближения пластов 2 и 1 непосредственная почва пласта 2 склонна к пучению. Мощность породных слоев между пластами переменная: от 2 до 5 м. Пласт 1, залегающий на расстоянии 0,5-13 м ниже пласта 2, сложного строения, состоит из 4-9 угольных слоев, суммарной мощностью 1,25-1,78 м, средняя мощность 1,42 м. Непосредственная кровля и почва пласта сложены алевролитом, иногда встречаются ложная кровля и почва, представленные углистыми породами. Геодинамическая ситуация в пределах исследуемого предприятия подземной угледобычи характеризуется как повышенная. Это подтверждается динамикой сейсмической активности (рис. 1) [11, 12]. Из анализа материалов сейсмической активности в районе горных работ [12] и геофизического мониторинга GITS [13] следует, что наиболее активная зона конвергенции «кровля - почва» соответствует проявлению горного давления впереди лавы 2-7 в вентиляционном штреке 2-7 и конвейерном штреке 2-6, а также при мощности пород между отрабатываемым и надрабатываемым угольными пластами менее 3 м. Для исключения возникновения конвергенции «кровля - почва» в штреке 2-7 были разработаны дополнительные меры по усилению крепи штрека (рис. 2) костровой крепью, деревянными стойками и анкерами. Рис. 1. Динамика сейсмической активности на горном отводе [11]: графики синим цветом соответствуют количеству событий в сутки, шт./сут; красным цветом - суммарной суточной энергии, Дж/сут Рис. 2. Схема усиления крепления вентиляционного штрека 2-7 с усилением деревянной податливой крепью, деревянными стойками и анкерами а б Рис. 3. Прибор для изменения конвергенции КШ-2, установленный в вентиляционном штреке 2-7: а - общий вид конвергометра в горной выработке; б - измерительная шкала конвергометра Рис. 4. График изменения конвергенции «кровля - почва» в зависимости от расстояния до лавы С целью определения эффективности комплекса мероприятий по усилению крепи вентиляционного штрека 2-7 были установлены наблюдательные станции в виде телескопических измерительных стоек (прибор для измерения конвергенции КШ-2) для определения конвергенции «кровля - почва» (рис. 3). Измерения проводились в период с сентября 2020 г. по март 2021 г. Результаты наблюдений смещения измерительной стойки приведены в таблице. Графики изменения конвергенции «кровля - почва» в зависимости от расстояния до лавы показаны на рис. 4. Согласно графику, при приближении очистной выработки выемочного участка 2-7 к наблюдательной станции конвергенция кровли и почвы увеличивается по зависимости, близкой к экспоненциальной, и достигает 280 мм. По результатам статистической обработки измерений, представленных в таблице и на рис. 4, получена экспоненциальная зависимость в виде: (1) где W - конвергенция кровля - почва вентиляционного штрека 2-7, м; L - расстояние от наблюдательной станции до лавы, м; a - эмпирический коэффициент, м; b - эмпирический коэффициент, м-1. Согласно данным рис. 4 и таблицы в формуле (1) после статистической обработки получено a = -0,035 м; b = -0,021 м-1, то есть вместо (1) можно записать: (2) После дифференцирования по L получена скорость относительной конвергенции «кровля - почва» по длине вентиляционного штрека 2-7, то есть (3) где - скорость относительной конвергенции кровля-почва по длине штрека, м/м, при < 0 высота выработки уменьшается. График скорости изменения конвергенции «кровля - почва» представлен на рис. 5. В горной практике для прогнозирования параметров геомеханических процессов в окрестности движущихся очистных забоев используется скорость деформирования контура выработки во времени [14]. Для условий вентиляционного штрека 2-7 по приведенным данным в таблице построен график скоростей как отношение разности конвергенции «кровля - почва» к продолжительности временного интервала, то есть (4) где - скорость конвергенции, м/сут; - конвергенция кровли и почвы вентиляционного штрека 2-7, измеренная на наблюдательной станции в момент t1, расположенной на расстоянии L1 от лавы 2-7, м; - конвергенция кровли и почвы вентиляционного штрека 2-7, измеренная на наблюдательной станции в момент t2, расположенной на расстоянии L2 от лавы 2-7, м. Увеличение скорости конвергенции происходит за счет влияния двух факторов [15, 16]: 1. Рост величины вертикальных напряжений в зоне опорного горного давления при приближении лавы к наблюдательной станции (конвергометру). 2. Последовательное уменьшение прочности угля и пород в окрестности штрека при деформации массива горных пород в почве выработки. Фрагмент таблицы наблюдений за конвергенцией почвы в вентиляционном штреке Номер наблюдательной станции (пикета) Начало измерений: начальный отсчет по стойке, дата установки станции (число, месяц, год): расстояние до лавы, м Результаты измерений Показатели сейсмичности: магнитуда, ML энергия E, Дж Отсчет по стойке, см; дата; расстояние до лавы, м Отсчет по стойке, см; дата; расстояние до лавы, м Отсчет по стойке, см; дата; расстояние до лавы, м Максимальная скорость конвергенции: V1, м/м; V2, м/сут 110 1 10.09.20 120 2 10.09.20 100 14 05.10.20 60 25 11.10.20 40 0,0055 0,0183 2,2 1890 118 1 10.09.20 200 7 25.09.20 140 13 11.10.20 120 23 26.10.20 40 0,0012 0,0067 2,07 3225 122 1 10.09.20 240 7 25.09.20 160 12 11.10.20 80 17 26.10.20 50 0,0017 0,0033 2,07 3225 126 1 05.10.20 220 7 11.10.20 120 10 30.10.20 80 23 16.11.20 50 0,0043 0,0076 2,64 3700 Рис. 5. График изменения скорости конвергенции «кровля - почва» от расстояния до лавы Рис. 6. График зависимости магнитуды сейсмособытия от скорости конвергенции V2 кровли и почвы вентиляционного штрека 2-7 Рис. 7. Виды разрушений элементов крепи и пород в вентиляционном штреке 2-7 Динамика энергии фиксируемых сейсмических явлений под влиянием скорости конвергенции показана на рис. 6, из которого следует, что при увеличении скорости конвергенции в 6 раз сейсмическая энергия снижается в 1,2 раза. Из данных рис. 6 следует, что снижение магнитуды зафиксированных сейсмособытий наблюдается при увеличении скорости конвергенции кровли и почвы штрека. Можно предположить, что при увеличении скорости конвергенции происходит уменьшение прочности вмещающих выработку пород, увеличение трещиноватости и снижение плотности геомассива. Согласно [17-21], в этом случае происходит экранирование волн напряжений на контуре горных выработок и на границах зон трещиноватости пород, преломление сейсмических волн и высвобождение упругой энергии в более плотных породных слоях. По результатам визуально-инструментального обследования состояния усиленной крепи по схеме (см. рис. 2) и боковых пород вентиляционного штрека 2-7 (рис. 7) выявлен ряд изменений в состоянии выработки: - по мере приближения КМЗ к наблюдательной станции за крепью штрека фиксируются разрушения пород кровли и формируются зоны в виде обломков породы над металлической решеткой; - увеличение объема пучения пород почти в 8 раз (при сближении пластов 2 и 1 с 4 до 1 м в почве вентиляционного штрека 2-7); - образование трещин и заколов пород в кровли. Деформации в наблюдаемой выработке представлены: - разрушением элементов податливой крепи усиления под влиянием косо направленной или вертикальной нагрузки; - разрушением решетчатой затяжки в боках выработки в результате формирования блоков при отжиме угля; - провисанием и разрывами решетчатой затяжки отслоившимися блоками породы в кровле штрека; - разрушением деревянных опор элементами металлических верхняков с вдавливанием деревянных стоек в породы почвы. Заключение По результатам исследований предлагается принять к реализации на шахтах комплекс мероприятий по предотвращению негативных последствий скоротечного поднятия почвы вентиляционных штреков: 1. Прогноз предвестников природно-техногенных землетрясений посредством организации непрерывного автоматизированного мониторинга конвергенции кровли и почвы в вентиляционном штреке действующего очистного забоя. 2. Выявление предельной скорости конвергенции при статическом и динамическом состояниях горнотехнической системы. 3. Вывод людей и остановка горных работ по выемке угля при превышении предельной скорости конвергенции.

Об авторах

А. А. Исаченко

АО «ОУК «Южкузбассуголь»

М. Г. Коряга

Сибирский государственный индустриальный университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 40

PDF (Russian) - 32

PDF (English) - 2

Ссылки

• Ссылки не определены.