автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханическое и газодинамическое обоснование управления углепородным массивом при проведении подготовительных выработок

- Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи КУЗЬМИЧ Олег Юрьевич

УДК 622.831 : 622.268.28 :622.322

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ УГЛЕПОРОДПЫМ МАССИВОМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

4 Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

■Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный консультант докт*. техн. наук, проф. ЧЕРНЯК И. Л. Официальные оппоненты: докт. техн. наук,, г. и. с. ЖУРИЛО А. А., докт. техн. наук, проф. КАТКОВ Г. А., докт. техн. наук, проф. НОЖКИН Н. В.

(Ведущее предприятие — Производственное объединение по -добыче угля «Макеевуголь».

в /. . час. на заседании специализированного совета

Д-033Л2.02 при Московском государственном горном университете это адресу: Г17049, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан '« . . . »

1994 ..

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Подготовительные выработки представляют собой важное звено в технологической схеме угольной шахты. Вопросы, связанные с их поддержанием и проведением, в большей мере снижают эффективность разработки угольных пластов, резко повышают стоимость добываемого угля, уменьшают степень безопасности работ.

Особую актуальность данные вопросы' приобретают при разработке глубоких выбросоопасных пластов Донбасса и других угольных месторождений. В частности, в производственном объединении «Донецкуголь» около 30% шахт производят горные работы на глубине более 1000 м, а в дальнейшем их число будет неуклонно расти. Особенно остро задачи, связанные с проведением и поддержанием'подготовительных выработок, стоят перед шахтами им. А. Ф. Засядько, им. Калинина, им. А. А. Скочинского, им. газеты «Донбасс». Подготовительные выработки на них в течение срока службы подвергаются 5—6-кратному ремонту, для чего задалжнвается около 10% подземной группы рабочих. Перекрепление выработки, подрывка почвы приводят к значительным дополнительным затратам, вносят большие сложности в технологию работы добычного участка, крыла, панели шахты.

Второй одновременно существующей проблемой для подготовительных выработок глубоких шахт являются различного рода газодинамические явления, происходящие при их проведении: внезапные выбросы угля и газа, а также внезапные поднятия почвы выработок. Эти явления, помимо того, что представляют угрозу для безопасности людей, резко ограничивают эффективность проведения выработок. Так, например, темпы проходки на шахте им. А.. А. Скочинского не превышают 20—30 м в месяц, что связано с необходимостью -выполнения сотрясательного взрывания. Задалживаются огромные средства на ликвидацию последствий внезапных газодинамических явлений.

Существуют два обособленных подхода, связанных с решением, проблем поведения и поддержания подготовительных выработок. Первый тодход предусматривает управление угле-

породным массивом с целью борьбы с газодинамическими явлениями. Цель второго—'повышение устойчивости ¡выработок. Известно, что наиболее интенсивные .проявления горного давления в одиночной подготовительной выработке имеют место в непосредственной близости от проходческого забоя. В условиях большой глубины уже на расстоянии 20 м от него зона разрушенных пород вокруг выработки достигает 60—70% от. своих конечных размеров. На такую же величину реализуются и смещения пород в выработку. Данные свидетельствуют о существенности -влияния -проходческого забоя на .проявления горного давления. В зоне его влияния формируется основа устойчивости выработки, во многом определяющая ее последующее состояние вплоть до момента 'погашения. Поэтому управление состоянием массива вокруг подготовительной выработки с целью повышения ее устойчивости наиболее целесообразно осуществлять в непосредственной близости от ее забоя.

Место осуществления управления состоянием массива — лризабойная зона подготовительной выработки является объединяющим звеном двух обособленных подходов. Второй объединяющий момент—взаимосвязь геомеханических и газодинамических .процессов. В силу сказанного можно обосновать единый /подход к управлению углепородным массивом, при проведении подготовительных выработок с целью повышения их устойчивости и борьбы с различного рода газодинамическими явлениями.'Экономическая целесообразность единого подхода не вызывает сомнений.

Разрабатываемые способы единого управления состоянием массива должны быть основаны на объективных закономерностях теомеханических и газодинамических процессов в слоистом массиве в зоне влияния движущегося забоя подготовительной выработки и направлены на устранение причин потери устойчивости выработок и ситуаций, опасных по внезапным газодинамическим явлениям.

•Вышесказанное позволяет считать тему диссертации актуальной.

Цель работы — установление закономерностей проявлений геомеханичеоких и газодинамических процессов, протекающих вокруг подготовительных выработок, для обоснования технологии управления, углепородным массивом на стадии проведения выработок, обеспечивающей повышение их устойчивости и безопасность ведения горных работ.

Идея работы заключается в едином подходе к управлению геомеханическнми и газодинамическими процессами в массиве на основе их взаимосвязи, предусматривающем одновременное повышение устойчивости подготовительных выработок и предотвращение динамических явлений,

Научные положения, выносимые на защиту:

— (периодичность изменения геомеханического и газодинамического состояний углепородного массива по длине одиночной подготовительной выработки, которая определяется периодическими разрушениями приконтурных .породных слоев в заделке вокруг за'боя от изгибных напряжений с резкими изменениями напряженно-деформированного 'состояния всего прнзабойного массива. Наиболее ярко периодичность проявляется при проведении выработки по песчанистым и глинистым сланцам;

— волнообразный характер распределения напряжений и газодинамических параметров то напластованию пород в слоистом углепородном массиве .вокруг одиночной подготовительной выработки зависит от формы поперечного сечения выработки, мощности слагающих слоев и деформативной неоднородности массива;

— явление зональной дезинтеграции пород, открытое группой ученых под руководством акад. Е. И. Шемякина, свойственно слоистозму массиву, проявляется в боках и впереди забоя одиночной подготовительной выработки и имеет периодический характер. Причиной возникновения зональной дезинтеграции в слоистом массиве является последовательное наложение на окружающие породы по мере подвигання забоя •шюр напряжений волнообразного характера с различными параметра ми, обусловленными периодически изменяющимся горным давлением;

— периодический характер возникновения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок по особсвыбросоопасным угольным'пла-стам определяется периодическими разрушениями приконтурных слоев в заделке -вокруг забоя;

— математическая модель периодичности проявления горного давления в одиночной подготовительной выработке.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— 'большим объемом шахтных инструментальных наблюдений (более 10 000) за ¡проявлением горного давления и газовыделением из угольного пласта и в приза'бойное .пространство на шахтах Донбасса;

— достаточной сходимостью расчетных данных с результатами замеров проявлений горного давления (расхождение 10-20%);

— ^положительным опытом ¡внедрения в практику разработанных способов повышения устойчивости выработок и борьбы с газодинамическими явлениями при их проведении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые установлено явление периодичности геомеха-ннческих п газодинамических процессов по длине одиночной

подготовительной выработки, обоснован механизм явления, определена область его существования и установлены зависимости его основных параметров: периода и амплитуды от горно-геологических условий;

— ¡подтверждено существование волнообразного характера распределения напряжений и газодинамических проявлений по напластованию пород в слоистом углеотородном массиве вокруг одиночной подготовительной выработки, установлены зависимости параметров распределений от горно-геологических и горнотехнических факторов, представлено теоретическое обобщение;

—раскрыты закономерности возникновения явления зональной дезинтеграции (открытого группой ученых под руководством акад. Е. И. Шемякина) в слоистом углепородном массиве вокруг одиночных подготовительных выработок, заключающиеся в ее ¡периодичности и существовании в боках и впереди забоя выработки, обоснован механизм явления;

— установлена связь возникновения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок с периодичностью проявления в них горного да1вления;

— разработан экспериментально-аналитический метод расчета устойчивости одиночной ■подготовительной выработки, отличающийся учетом периодичности горного давления.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей проявлений геомеханических и газодинамических процессов для прогнозирования характеристик поведения углепорЬдных массивов и научного обоснования управляющих воздействий на них в процессе проведения подготовительных выработок.

Практическое значение работы заключается:

— в обосновании концепции единого подхода к управлению состоянием углепородного массива при проведении подготовительных выработок с одновременным достижением целей повышения их устойчивости и борьбы с газодинамическими явлениями;

— в обосновании принципов единого управления массивов;

— в разработке способов и рекомендаций по управлению массивом, предусматривающих одновременное повышение устойчивости подготовительных выработок и борьбу с газодинамическими явлениями при их проведении;

— в разработке экспериментально-аналитического метода расчета смещений пород по длине выработки и во времени для обоснования параметров, способов и рекомендаций по управлению массивом.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы работы использованы в разработанных рекомендациях и способах по управлению состоянием углевмещающего массива.

Промышленная апробация и внедрение технических решений проходили на шахтах ПО «Донецкуголь» и «Торезантрацит».

На шахте им. А. А. Скочииского ПО «Донецкуголь» внедрен способ периодического разрушения слоев пород вмещающего массива вблизи забоя подготовительной выработки по мере ее проведения. Результатом явилось значительное сокращение числа выбросов угля и газа. С 52 до 19% уменьшилась вариация периодических изменений конечных смещений кровли выработок по их длине. На шахте им. А. Ф. Засядько этого же объединения использованы рекомендации по периодичности анкерования пород кровли в прпзабойном пространстве подготовительных выработок. В ¡ноге практически были ликвидированы обрушения пород в призабойное пространство.

Способ передового торпедирования массива в пределах проектного контура выработки внедрен на шахте им.. Лутуги-на ПО «Торезантрацит». Достигнуто повышение устойчивости подготовительных выработок на 40%, значительно улучшено газодинамическое состояние угольного пласта нризабойного массива. На этой же шахте прошел промышленную апробацию и внедрение способ обеспечения контакта крепи с массивом путем заполнения закрепного пространства материалом на основе полиуретановых смол. Конвергенция пород в подготовительных выработках уменьшена та 60%.

Фактический экономический эффект от внедрения разработок составил 1077 тыс.. руб. (в ценах 1991 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись автором в виде докладов и обсуждались на 12-м Всесоюз-нОм семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата, Г990 г.), научно-технической конференции Донецкого политехнического института (1991 г.), научных семинарах Донецкого политехнического института (1990— 1992 гг.), 1 школе-семинаре по проблемам разработки, комплексного освоения месторождений и обогащения полезных ископаемых (Москва, ИПКОН АН СССР, 1987 г.), заседании Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа (Донецк, 1991 г.).. Автором был представлен и опубликован доклад на Международной конференции по надежности, производству и управлению в угольных шахтах (Австралия, Австралийский горно-металлургический институт, 1991 г.)..

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 17 научных статей и получено 11 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 3&2 страницах машинописного текста, состоит из введения,

G глав и заключения, содержит 59■ рисунков, 4 таблицы, список литературы из 188 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» Московского государственного горного университета за полезные советы при выполнении диссертационной работы, а также инженерно-техническим работникам производственных объединений и шахт Донецкого угольного бассейна за помощь при выполнении экспериментальных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы рассмотрено современное состояние исследований вмещающего массива вокруг подготовительных выработок, выполнен обзор накопленного опыта по управлению массивом с целями повышения устойчивости выработок и 'предотвращения внезапных газодинамических явлений при их проведении.

Существенный вклад в решение данных вопросов внесли институты системы. Академии лаук: Институт горного дела им. А. А. Скочинского РАН, ИПКОН РАН, Институт горного дела СО РАН, ИГТМ АН Украины, институты горного дела АН Казахстана и Киргизстана; отраслевые научно-исследовательские институты: ВНИМИ, ДонУГИ, КузНИУИ, Мак-НИИ, ПечорНИИ; высшие учебные заведения: Днепропетровский горный институт, Донецкий технический университет, Екатеринбургский горный институт, Иркутский, .Карагандинский, Кузбасский политехнические институты, Коммунарский горно-металлургический институт, Московский государственный горный университет, Санкт-Петербургский горный институт, Тульский государственный технический университет.

В настоящее время в горной науке »получен большой объем данных о поведении углепородного массива вокруг подготовительных выработок. Разработанные гипотезы и модели с достаточной адекватностью отражают реальное состояние массива. Предложенные способы управления массивом широко и эффективно применяются для повышения устойчивости подготовительных выработок и предотвращения внезапных газодинамических явлений при мх проведении.

Тем не менее, постоянное ухудшение горно-геологических условий, связанное с увеличением глубины разработки, дальнейшее проникновение в природу исследуемых вопросов позволяют отметить некоторые неизученные области и наметить дальнейшие пути исследований., ,

Налряженно-деформированное состояние массива вблизи забоя подготовительной выработки отличается значительной изменчивостью. В зоне влияния забоя по мере его подвигания происходит формирование горного давления в окружающих

породах с вытекающими отсюда последствиями для устойчивости выработки и газодинамических проявлений призабой-ной зоны массива. Отсюда следует необходимость исследований геомеханических процессов в зоне влияния забоя подготовительной выработки. При этом исследования должны выполняться з объемной постановке.

Вторым существенным моментом является фактор движения забоя. Обусловленная этим динамика процессов играет значительную роль в геомеханическом и газодинамическом состоянии иризабойного массива.

Немаловажное значение имеет учет структурных особенностей массива, в частности, слоистости. Ее влияние отражается па характере распределения напряженно-деформированного состояния массива по напластованию пород. Слоистость I! значительней степени определяет неравномерность геомеха-пнческнх и газодинамических процессов по мере проведения ■под готовите л «нон выработка!. Исследование неравномерности позволит прояснить факты недетерминированное™ выбросов угля и газа, а также смещений пород в подготовительных выработках.

Анализ основных принципов управления массивом для повышения устойчивости подготовительных выработок и предотвращения внезапных газодинамических явлений показывает .довольно существенную их схожесть. В обоих случаях преследуются цели снижения концентрации 'напряжений у контура выработки и уменьшения резких колебаний напряженного состояния'шризабойного массива.

. В условиях глубоких шахт, когда наиболее интенсивные геомеханнческне процессы протекают в непосредственной близости ог забоя, управлять состоянием массива для обеспечения устойчивости выработки необходимо непосредственно у .забоя, совмешая с работами по проведению. Исходя из вышесказанного, а также из взаимосвязи геомеханцческих и газодинамических процессов, следует очевидность .разработки концепции единого управления состоянием углепородного массива, 'Предусматривающей одновременные достижения целей ,повышения устойчивости подготовительных выработок и предотвращения внезапных газодинамических явлений при их проведении. Способы единого управления массивом должны быть направлены на .устранение причин потерн устойчивости выработок и формирования вы'бросоопасных ситуаций, а не на борьбу с их следствием. В этом случае будет достигнута, наибольшая эффективность управления.

В свете вышеизложенного были поставлены следующие задачи диссертационной работы:

— обоснование объемной динамической постановки задачи, рассматривающей (призабойный массив подготовительной выработки в объеме с учетом фактора подвигания за'боя;

— исследование геомеханических и газодинамических .процессов, происходящих в слоистом углепородном призабойном массиве, а'также неравномерностей этих процессов по длине подготовительных выработок;

— разработка геомеханической модели состояния масси-" ";ва вокруг подготовительной выработки с учетом фактора неравномерности его проявлений;

— обоснование концепции единого управления массивом г на больших глубинах разработки, предусматривающей одновременное решение задач повышения устойчивости подготовительных выработок и предотвращения внезапных газодинамических явлений при их'проведении; .

— разработка и внедрение технических способов и рекомендаций единого управления массивом при проведении подготовительных выработок.

Вторая глава работы посвящена выбору методов и средств "^исследований. В качестве основного метода решения постав-■ ленных задач принят метод натурных исследований с комплексом технических средств для измерений различных проявлений массива. В последний входили: контурные и глубинные репера, специально сконструированные устройства для о<пре-деления отжима и деформаций угольного пласта'в забое вы* • работки, 'прочностномер П-1 для оценки крепости угля, приборы серии РВШ, позволяющие давать дифференциальную

■ оценку трещиноватости породного массива, методы и приборы для определения динамики начальной и фоновой скоростей газсвыделения из угольного пласта, анализаторы содержания метана в призабойной атмосфере. Для обработки данных на: турных исследований использованы методы математической

статистики, в частности, гармонический анализ.

¡Кроме этого выполнялись лабораторные исследования. Применялось математическое моделирование на основе мето-•а да конечных элементов, а также моделирование на эквивалентных материалах. Для выполнения последнего был изготовлен Специальный стенд, позволяющий вести исследования с объемной постановке.

■При обобщении результатов исследований использовались аналитические методы на основе теории упругости.

В третьей главе работы приведены результаты исследований геомеханических и газодинамических процессов в слоистом углетородном массиве вокруг одиночных подготовитель- ных выработок, вышолненных в объемной динамической 'постановке. Всего было охвачено 28 подготовительных выработок. На основании проведенной работы установлено явление периодического изменения геомеханического состояния вмещающего массива тто длине выработки. -

'Сущность явления заключается в том, что но мере прове-

■ . дения выработки периодически изменяются: конечная величи-

на'й скорость-смещения'кровли и почвы, величина отжима и крепость угольного пласта на груди забоя, размеры зон приконтурных разрушений- в боках выработки и впереди забоя, а также другие проявления горного .давления. Основными параметрами периодичности являются 'период и амплитуда изменений.-Долю амплитуды б отношении к средней величине проявлений горного давления характеризует коэффициент вариации; "-■■' ' " .'■:.."

Период 'изменений ,по далиым: замеров может изменяться от 9 до 25'м. Коэффициент вариации, достигает 60%, что свидетельствует о довольно" значительном вкладе периодичности в общую картину проявления торного давления в подготовительной" выработке.' Факт периодичности изменений установлен на" осйовании математической обработки данных наблюдений, методом гармонического анализа. Адекватность синусо-идных изменений II экспериментальной кривой оценивалась по критерию Фишера. Оценка геомеханического состояния массива с позиций периодичности на 85—90% определяет изменение проявлений горного давления по длине одиночных подготовительных выработок-.

Причина установленного явления — периодические разрушения по длине выработки приконтурных слоев кровли и почвы в заделке вокруг забоя от изгибающих напряжений (рис. 1). По мере подвигання забоя в силу деформаций вышележащих слоев приконтурные слои испытывают принудительный изгиб в заделке и при определенных соотношениях величины изгибающих напряжений и прочности разрушаются, что приводит к резкому изменению напряженно-деформированного состояния .всего призабойного массива. Данное разрушение повторяется периодически и находит отражение на различных проявлениях горного давления.

Как показало объемное моделирование на эквивалентных материалах,'разрушение вмещающих пород в плоскости забоя на удаление, равное размеру поперечного сечения выработки, приводит к пригрузке массива позади плоскости забоя на 10—20% и разгрузке пород впереди его плоскости на 20— 60%'. При этом происходит увеличение смещения груди забоя в выработку на 35—55%. -

В лтестах периодических разрушений массив в течение оп-' ределенного времени испытывает повышенные напряжения, которые приводят к дополнительному деформированию и смещению пород по сравнению с соседними участка'ми. Местам периодических разрушений соответствуют точки максимальных смещений пород по длине выработки.

В промежутках между периодическими разрушениями приконтурных слоев по мере подвигания забоя происходит увеличение напряженно-деформированного состояния призабойного массива. В одном случае это может привести к уве-

личению с каждой последующей заходкой степени отжима и размеров приконтурной зоны разрушенных пород. Во втором случае может наблюдаться закономерное снижение степени отжима и размеров приконтурной зоны разрушений. Наблюдается так называемое явление задержки отжима, хорошо известное для очистных забоев. Отсутствие или наличие задержки отжима определяется структурой углепородного массива, размерами поперечного сечения выработки и проявляется периодически по ее длине. В обратной зависимости от степени отжима изменяется крепость угольного пласта в забое и на 'прилегающих к нему участках.

В некоторых случаях по длине подготовительной выработки может наблюдаться несколько периодов проявлений горного давления, причиной чему является совокупное .влияние двух или более периодически разрушающихся породных слоев, располагаемых в массиве за приконтурным слоем. Величина второго л последующих периодов больше, чем первого, однако доминирующее влияние в обшей картине •периодичности имеет при контурный слой, обуславливающий наименьший период. Только лишь в условиях, когда приконтурпый слой имеет >,'с;цность менее 1,2 м, а следующий за шгм слой представлен прочной 'породой, доля последнего в общей картине периодичности может достигать 20%.

На основании статистической обработки данных наблюдений установлены корреляционные зависимости периодов и амплитуд .периодичности изменения конечной-величины смещений пород кровли п почвы одиночных подготовительных выработок от критерия относительной уеточпвости вмещающего массива уН/Я (где Н — глубина расположения выработки, м; у— удельный вес пород, Н/м3: Я— расчетное значение прочности пород массива, МПа). Для анализа все выработки были разбиты на три группы в зависимости от мощности приконтурного слом /г,. С увеличением уН/Я характерно общее для всех групп уменьшение периода и увеличение амплитуды изменечий-смещений пород кровли и почвы подготовительных выработок. Объясняется это увеличением интенсивности деформационных процессов в массиве непосредственно у забоя выработки. Поэтому приконтурпый слой испытывает' большие изгибающие напряжения, и, как следствие, чаще разрушается по длине выработки, что приводит к росту колебаний'смещений.

Сравнивая величины периодов, .полученные для кровли и почвы выработки.в равнозначных условиях, следует отметить, что для слоев кровли они большие. Причиной этому есть влияние формы выработки: арочная форма для кровли в меньшей степени способствует прогибу и разрушению приконтурного слоя, чем прямоугольная —для почвы.

Как следует из анализа, в наибольшей степени периодичность проявлений горного давления свойственна углапород-ным массивам, представленным глинистыми и песчаными сланцами в следующих условиях: 0,9</гс<2,3 м и уН/[?> >0,19 —для кровли; 1,3</гг<2,6 м и уН/И>0,17 —для почвы выработок. Данные условия охватывают широкий класс горно-геологических условий проведения подготовительных выработок угольных шахт.

Исследования процессов деформаций вмещающего массива, выполненные с помощью глубинных реперных станций, показали, что наиболее интенсивное формирование периодичности смещений происходит в непосредственной близости от забоя. Фронт деформирования пород распространяется от мест периодических разрушений приконтурных слоев не только в глубь массива, но и в осевом направлении навстречу фронту от соседнего места периодического разрушения. Данный временной промежуток деформирования массива характеризуется увеличением степени неравномерности смещений. Коэффициент вариации может достигать 80%. Затем, спустя 40—50 суток с момента проведения выработки, неравномерное п> но ее длине снижается и на 120—140-е сутки стабилизируется на уровне 30—(30%. Снижение неравномерности объясняется выравниванием фронта деформирования пород по длине выработки, а стабилизация — затуханием деформационных процессов.

Теоретическое осмысление напряженно-деформированного состояния прнзабойиого слоистого массива подготовительной выработки сопряжено с непреодолимой трудностью, связанной с объемным аспектом задачи. Поэтому постановка была упрощена.

- Рассматривалось напряженно-деформированное состояние балки-полоски вдоль оси выработки, выделенной из прикон-турного слоя. В заделке над забоем она жестко защемлена в массиве, а вдоль оси выработки пригружена со стороны массива равномерно распределенной нагрузкой. По боковым границам балки-полоски связи с прнконтурным слоем заменены упругими пружинами (рассматривается только упругий характер распределения напряжений).

■Учитывая соотношение геометрических размеров балки-полоски и условия ее нагружения, поставленная задача полностью подобна краевой задаче балки на упругом основании, прогиб которой описывается дифференциальным уравнением четвертого порядка. Решение данного уравнения дает известная теория акад. Крылова. В результате определяются функции прогибов (смещений) н напряжений балки-полоски по ее длине.

Анализируя кривую прогибов с качественной стороны, можно установить, что она имеет логистическое начало и зону

знакопеременных прогибов. То есть существуют участки балки-полоски, на которых степень прогиба уменьшается. •' ' '

Аналогичные качественные закономерности были установлены точными инструментальными наблюдениями в-натурных ., условиях. Кривая смещения пород кровли выработки непосредственно у забоя имеет логистическое начало, примерно на участке 5—10 м. Затем проявляется зона знакопеременных, смещений, на которой наблюдается чередование участков подъемов и опусканий, кровлл с. затухающей амплитудой. ' Данная зона распространяется, на удаление 8—15 м от забоя. После этого кровля испытывает равномерное, или асимптотически затухающее опускание. •

Качественное соответствие теоретической и экспериментальной кривых свидетельствует о достаточной адекватности расчетной схемы натурным условиям поведения'пород в при- \ забойной зоне подготовительной выработки.

Зона знакопеременных смещений по своей протяженности не может превосходить период проявления горного давления, , который, в свою очередь, всегда меньше зоны влияния забоя.

Количественный анализ напряженного состояния балки-полоски позволил установить, что для средних горно-геологических и горнотехнических условий проведения подготовительных выработок смещение контура кровли выработки в 1,8 см на удалении 12 м от забоя приводит к критическим (разрушающим) изгибным напряжениям для приконтурного слоя в заделке над забоем. С другой стороны указанная величина смещения является не значительной и, по крайней мере, далеко не критической для напряженно-деформированного состояния в поперечном сечении выработки. Отсюда следует, что периодические разрушения вмещающего массива являются первичными, а разрушения от напряжений, действующих в плоскости поперечного сечения выработки, — вторичны. ■ •

На основании выполненных .исследований периодичности проявлений горного давления при проведении одиночных под- . готовительных выработок, полученных/данных о параметрах периодичности: разработан экспериментально-аналитический метод расчета устойчивости выработок. Метод позволяет определять смещения пород ,с, удалением зд'боя, с течением .времени, а также с учетом фактора периодичности геомеханических процессов. В общем виде; величину -смещений можно... представить как - ;

£/(/, 0 - • — (1)

где I, / — соответственно расстояние от забоя и время с момента 'проведения выработки; 6'0Л, (/, 7) — основная состав- '

ляющая смещений; А — амплитуда смещений (определяется по корреляционным зависимостям).

^кон —конечное значение основной составляющей смещений (/->-00, ¿-¿-оо):

Ц>сн(/, о = ил(1) + иеМ), (2)

где ид(/)—динамическая компонента основной составляю-щей.смещений (характеризует мгновенные деформации пород при формировании напряженного состояния в массиве при _ подвигании забоя); исЦ)—статическая компонента основной составляющей смещений (характеризует временную реакцию массива на формирование напряженного состояния).

Расчет смещений по длине выработки ведется через полупериод — Т/2. При этом чередуются знаки в' формуле (1) . Значение Т определяется по корреляционным зависимостям.. Метод расчета доведен до практического использования. Анализ надежности показал, что относительная ошибка (расхождение экспериментальных и расчетных данных) распределяется по нормальному закону. При этом среднее, значение .. ошибки (20%) определяется вероятностью 0,3. Это свидетельствует о преемственности метода для инженерных расчетов.

Периодичность горного давления .при проведении одиночной подготовительной выработки определяет аналогичный ха- -рактер изменения газодинамического состояния призабойной' части угольного пласта и призабойной атмосферы, Установлена периодичность начальной и фоновой скоростей газовыделения в шпуры и скважины, процентное отношение метана в призабойной атмосфере. В основе данного явления лежит связь' горного давления с газодинамическими параметрами пласта: давлением газа, газопроницаемостью, сорбционными cвoй|cтвa^■ш и другими. Периодические геомеханические процессы являются первичными и определяют периодичность газодинамического состояния углепородного массива. Периоды проявлений данных двух видов процессов в подготовительной выработке совпадают.

Периодичность газодинамического состояния отличается большей изменчивостью. Коэффициент вариации достигает 70—80%, что превышает данный показатель для проявлений горного давления, поскольку определяется им, а также случайной изменчивостью природной газоносности пласта по трассе выработки. Также наблюдается большее количество составляющих периодов изменения, что связано с влиянием на состояние пласта не только периодичности разрушения слоев кровли, но и почвы выработки. Однако доминирующее влияние оказывает кровля. Установлена корреляционная зависимость коэффициента вариации изменения процентного отношения 'метана в призабойной атмосфере от мощности

прик&нтурного слоя кровли выработок в различных горно-геологических условиях.

Характер изменения скорости газовыделения из угольного пласта на труди'забоя в пределах периода определяется отсутствием или наличием задержки отжима 'пласта.. В первом случае наблюдается рост скорости газовыделения, поскольку увеличивается зона приконтурных разрушений угольного' пласта, что, в 'свою очередь, приводит к увеличению степени десорбции газа и газопроницаемости угля. Во втором случае наблюдается закономерное снижение газоотдачи угольного пласта на груди забоя. В противофазе тазовыделетгию из груди забоя происходит газоотдача из боковых участков призабой-лой части подготовительной выработки.

Четвертая .глава работы посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния слоистого углепородного массива вокруг подготовительной выработки. На основе шахтных инструментальных наблюдений было установлено, что в определенных горно-геологических условиях в массиве впереди забоя и в боках одиночной подготовительной выработки имеет место волнообразный характер 'распределения напряжений 'по на-пластованию пород. Его сущность заключается в последовательно'М чередовании зон пригрузки и относительной разгрузки вплоть до затухания. Под относительной разгрузкой понимается уровень нормальных 'напряжений, меньший, чем уН,

Предпосылкой появления волнообразного характера распределения напряжений является отсутствие сплошности углепородного массива, что вызвано его слоистостью. Геомеханическое проявление массива представляет собой результат совместного действия каждого слагающего породного слоя. Их поведение подобно деформированию 'балки на другом основании. Таким образом, периодичность проявлений горного давления в выработке, зона знакопеременных смещений кровли, а также волнообразный характер напряженного состояния в массиве являются следствием слоистости пород.

Экспериментальным доказательством наличия в -массиве зоны относительной разгрузки может служить появление второго максимума в динамике начальной скорости газовыделения из угольного пласта.

, Первый от контура выработки максимум, как известно, определяется соотношением факторов распределения напряжений в пласте и его газовым истощением. Появление второго максимума связывается с тем, что в зоне относительной разгрузки газопроницаемость пласта выше, чем на соседних участках, что приводит к увеличению газоотдачи угля.

Расстояние от забоя до точки начала второго максимума впереди плоскости забоя составляет от 2 до 3,5—4 м. При этом

с подвиганием забоя в 'Пределах периода проявления горного давления данное расстояние увеличивается. Наблюдается также рост величины второго максимума начальной скорости газовыделе. шя.

В боках выработки волнообразный характер распределения напряжений оценивался по динамике начальной и фоновой . скоростей газовыделения из пласта. Непосредственно у забои точка начала второго максимума располагается примерно па таком же удалении от контура, как и впереди его плоскости. С удалением забоя деформирование пород приводит к постепенному перемещению кривой динамики скорости газовыделения -в глубь массива. Так, 'при удалении забоя на 20 м точка начала второго максимума располагается на расстоянии 3,5—4,5 м от контура выработки.

Численным моделированием на основе метода конечных элементов были выполнены исследования на предмет установления условий, в которых наиболее ярко выражеца «волна» распределения напряжений. Решалась плоская упругая задача для неоднородного массива, представленного двумя видами слоев с разными модулями упругости и равными по мощности. Отсутствие сцепления между слоями моделировалось с 'помощью контакт-элементов. Рассматривались круглая, арочная и прямоугольная формы поперечного сечения выработки.

Всего было просчитано около 40 вариантов. Установлено, что волнообразный характер в той или иной степени присущ слоистому массиву, если мощность слагающих слоев меньше высоты выработки. Наиболее яркое его проявление наблюдается для выработок -прямоугольной формы при отношении мощности слагающих слоев к высоте выработки меньше 0,5 и отношении модулей упругости слоев друг к другу (деформа-тивная неоднородность) больше 3.

Как показывает анализ, данным условиям отвечают 60— 80% всех проводимых подготовительных выработок глубоких шахт Донбасса.

Если рассмотреть изменение напряженного состояния ¡по различным слоям, то наибольшая выраженность волнообразного характера свойственна направлениям, по верхней и нижней плоскостям выработки. При удалении в массив и к середине выработки степень выраженности уменьшается.

Исследование волнообразного характера распределения напряжений в призабойном массиве выработки выполнялось в объемной упругой 'постановке с помощью моделирования на эквивалентных материалах. Моделировался слоистый массив с выработками различных форм поперечного сечения. Мощность слоев и их деформативные характеристики 'варьировались в пределах вышеуказанной области наибольшей выра-

женноети волнообразного .характера распределения ..на'Пря- . . жен и п. ' ■ - ...,..-....'.-.

Для выработки с прямоугольной формой поперечного сечения зона относительной разгрузки оконтуривает выработку . со сторо:-;ы боков и забоя и.ограничена как бы двумя пересекающимися эллипсами. Точки их пересечения расположены в .плоскости забоя выработки.. В боках выработки на границе зоны влияния забоя участок относительной разгрузки уда-^ лен от контура выработки на (0,7—0,9)® (где в — ширина выработки) и имеет протяженность ■ (0,4—0,5)в. .Для массива впереди забоя выработки данные значения соответственно " равны :(0,5 -0,0)1! и (0,4—0,6) и.

Для выработок арочной и .круглой форм« поперечного се-.... чения основные качественные характеристики аналогичны. Зона-относительной разгрузки более сконцентрирована и располагается ближе к контуру выработки.

Сравнивая „характерные параметры, полученные лабораторными, и натурными исследованиями, можно отметить, что первые да 10—30% больше. Объясняется это непол.ньм соответствием механических свойств реального массива и модели. Установление закономерности периодичности проявления , горного давления в .подготовительной выработке и волнооб- . разного характера распределения напряжений дают основание для объяснения явления зональной дезинтеграции в слоистом массиве. Данное явление открыто коллективом ученых под руководством академика Е. И. Шемякина для однородных массивов и сводится к тому, что вокруг выработки образуются, чередуясь друг с другом , зоны , разрушенных и монолитных пород. ... .;

Для объяснения рассмотрим состояние массива в приза-бойной зоне подготовительной выработки (рис, 2). Каждому положению, забоя, в ¡пределах, периода проявления: горного давления свойствен : свой . уровень напряженного. состояния окружающих пород с соответствующими параметрами распределения напряжений. , ■ .■-,,..,

В .положении забоя / впереди, его плоскости (рис. 2, «) напряженное состояние пород описывается кривой. /. Переме- . щение; забоя на ..величину заходки, '.приводит к росту, наяря-, женного состояния. При., этом возрастают, амплитуда и, про-. .., - тяженность участка, колебания, напряжений; (кривая 2). По- ..■-,: двигание забоя в положение -./•//— К приводит к дальнейшему, :-увеличению амплитуд и 'протяженностей участков, волнообразного распределения напряжений (кривые 3—5). -.; \

Анализируя данную картину^- можно констатировать,,, что -впереди плоскости забоя по мере его подвигания по трассе выработки в массиве.происходит. неоднократная последовательная смена ;;он 'пригрузки и относительной разгрузки.. При этом существую:! .участки-(да рис^&лли^аштр-ихован.ы).:, да .,

------------ !

рЕэттг^

—1

1

Рис.1. Формирование периодичности проявления горного давления в одиночной подготовительной выработке

'Характер распределения яапря£0нлй при правэдвяш: одиночной цодготовн^е.тьяо": выработки: а - впереди забоя, С - в боках .

которых смена напряженного состояния происходит в наибольшей степени. Поэтому наиболее вероятное разрушение при определенном соотношении напряжений и прочности 'пород массив будет претерпевать на данных участках, тогда как на соседних разрушение будет отсутствовать. Возникает зональная дезинтеграция. Характерной особенностью ее является то, что участки разрушений по мере проведения выработки будут образовываться периодически. Период их возникновения не может превышать период проявления горного давления в выработке. Также следует отметить, что участки периодических разрушений образуются в массиве за точкой максимальных сжимающих напряжений и не имеют связи с приконтурной зоной разрушенных пород.

Аналогичные геомеханические .процессы происходят в боках выработки (рис. 2, б). Периодичность горного давления приводит к неравномерному напряженному состоянияю угле-породного <ма£сива по длине выработки. Происходит наложение «волн» напряжений, в результате появляются участки с наибольшей степенью последовательного изменения напряженного состояния, па которых в первую очередь наступает : разрушение шород. Данные участки будут располагаться параллельно оои выработки и иметь прерывистый характер.

Для экспериментального подтверждения зональной дезинтеграции вокруг подготовительных выработок в слоистом уг-лепородном массиве 'выполнены шахтные инструментальные наблюдения с помощью глубинных реперных станций и приборов типа РВШ.

Было установлено, что участки периодических разрушений зарождаются в массиве впереди забоя выработки на удалении 2,5—-5 м от контура и »имеют в первоначальный момент протяженность 0,6—0,9 м. С приближением к забою их протяжен- . ность увеличивается до 1,2—1,4 м. Расстояние между участками разрушений составляет примерно половину длины периода проявления горного давления в выработке.

В пятой главе работы дано обоснование концепции едино- • го управления состоянием углепородного массива при проведении одиночных подготовительных выработок. Концепция направлена на одновременное достижение целей повышения устойчивости выработок и предотвращения внезапных газодинамических явлений. Основой для ее разработки, как было уже частично указано, служат следующие положения: одновременность значительных проявлений горного давления и внезапных газодинамических явлений при проведении выработок, единое место осуществления управления ■— утлепород-ный массив в непосредственной близости от забоя,, связь .периодических геомеханических и газодинамических процессов, схожесть основных 'подходов к управлению состоянием массива для достижения обеих целей, а также установленная связь

2

17

формирования и инициирования внезапных .газодинамических явлении с'Периодическими процессами.

¡В отношении последнего положения выполнены инструментальные н статистические исследования, а также дано логическое обоснование. Оно сводится к следующему. Как следует из концепции акад. А. А. Скочинского, горное давление играет одну из трех главенствующих ролей в природе внезап-. пых газодинамических явлений, «.частности, внезапных выбросов угля и газа. По мере проведения подготовительной (выработки в 'пределах периода проявления горного давления происходит увеличение • напряженно-деформированного состояния массива впереди .плоскссти.забоя. При этом, как следует из результатов выполненных исследований, может 'наблюдаться закономерное уменьшение или увеличение отжима пласта. В первом случае, именуемом задержкой отжима пласта, эшора напряжений, впереди забоя становится более 'сконцентрированной, зона максимальных градиентов перемещается в сторону выработки. Тем самым, как .хорошо известно для очистных забоев, достигается формирование вы'бросоопасной ситуации.

Вторым немаловажным фактором являются, моменты, периодических разрушений приконтурных слоев .в заделке у забоя выработки, что сопровождается резким изменением напряженно-деформированного состояния приконтурной части угольного пласта. Скачки напряжений, могут выступать .в качестве инициаторов .выбросов угля и .газа.

В-третьих, существенное-значение для-природы выбросов угля и газа могут иметь (периодические зоны дезинтеграции, утоль в которых разрушен, а -газ десорбирован задолго до подхода забоя..

Экспериментальное доказательство связи периодичности горного давления и выбросов угля и газа в подготовительных выработках выполнено в условиях, наиболее выбросоопасных пластов Лб', Нв и /^.Установлено, что по мере тюдвигаяия забоя выработки периодически наблюдается . последовательное закономерное уменьшение степени деформирования приконтурной части угольного пласта. Величина уменьшения достигает до 40% от первоначального значения. Длина участка уменьшения степени деформирования может достигать 30— .40.% от протяженности периода проявления горного давления. Участки задержки отжима заканчиваются выбросами угля и газа.

Также .выполнено статистическое, сопоставление данных периодичности горного давления в пределах каждого из указанных пластов и частоты происшедших при проведении по ним подготовительных выработок внезапных выбросов угля и газа. Перврначально экспресс-методом на различных участках шахтопластов были определены периоды проявления гор-

ного давления. По планам горных работ"и геологическим разрезам установлены'расстояния по длине выработок между выбросами угля и газа.

Для доказательства связи двух выборок данных использованы непараметрические критерии Зегеля — Тьюки и Манна— Уитни. Первый критерий показал, -что с вероятностью 95% обе выборки относительно их изменчивости принадлежат к одной и той же генеральной совокупности. Второй критерии с такой же надежностью свидетельствует о равенстве средних генеральных совокупностей.

Таким образом, выполненный комплекс исследований свидетельствует о том,, что в условиях особо выбросоопасных пластов .выбросы угля и газа при ¡проведении подготовительных выработок происходят периодически.' На. менее выбросоопасных пластах периодичность' отсутствует. Тем не менее, гсомеханическую природу даже относительно редких выбросов могут определять .факторы периодичности горного давления. Формирование вьгбросооплсной ситуации определяется закономерной задержкой отжцма пласта, а инициаторами выбросов могут служить моменты периодических разрушений прикоктурпых слоев. ' , ■

Аналогичные исследования были, выполнены н для другого вида газодинамических явлений.при проведении подготовительных выработок — внезапных,,поднятий почвы. Установлено, что в условиях пласта h&' данные явления происходят периодически. Причиной служат резкие перераспределения напряжений в призабонном массиве при периодических разрушениях приконтурных слоев.

Следует .отметить, что в данной работе не предлагается новая теория в.незапных газодинамических явлений ;в подготовительных выработках, а раскрываются лишь некоторые закономерности влияния одного из трех влияющих факторов — горного давления.

На основании выполненных исследований обоснованы принципы реализации единого подхода' к управлению состоянием углепородного массива при проведении подготовительных выработок.'К ним относятся:

1, Снижение степени неравномерности периодически изменяющегося горного давления по длине выработки. Как было указано, периодика играет значительную роль в общей картине деформаций и смещений пород, газодинамическом балансе приконтурной части угольного пласта и призабойной атмосферы. Реализация данного принципа может быть1 осуществлена посредством активного воздействия на массив энергии взрыва и отпора устанавливаемой в выработке крепи. Доказано, что несущей способностью существующих крепей возможно снизить величину смещений пород в выработку, если происходит процесс их разрушения. Увеличением от-

2* 19

пора крепи до 180—240 кПа можно добиться также снижения степени перераспределения напряжений в дризабойнбм массиве при периодических разрушениях приконтуриых слоев «а 15—20% Для глубины расположения выработки 500 м и 4— 8%—для глубины 1000 м.

2. Разгрузка призабойной части массива от напряжений с учетом периодически изменяющегося горного давления по длине подготовительных выработок. Известно, что Данный принцип используется как для 'повышения устойчивости .выработок, так и для предотвращения внезапных газодинамических явлений при их 'проведении. Дальнейшее его применение должно быть скорректировано с 'позиций одновременного достижения обеих целей и периодичности процессов.

3. Технология проведения выработки, как совокупность активно -влияющих на состояние массива факторов, также должна быть направлена на реализацию концепции единого управления.

Во-первых, проведение выработки должно осуществляться равномерно, непрерывно с маименыцей величиной заходки. Это позволит снизить степень резких изменений 'в перераспределении напряжений призабойного массива, что благоприятно отразится на устойчивости выработки и газодинамическом состоянии приконтурной части угольного пласта.

Во-вторых, параметры технологий должны быть адаптированы к периодическим изменениям геомеханических и газодинамических процессов ло длине выработки.

, В местах периодических разрушений породы кровли нарушены и склонны к вывалообразованию в призабойное пространство. Для предупреждения этого необходимо использовать упрочнение массива, например, анкерованием. С целью снижения величины колебаний смещений пород кровли в местах периодических разрушений необходимо увеличивать плотность установки рамной крепи. Ее активный распор гидростойками усилием 180—240 кПа непосредственно до очередного периодического разрушения приконтуриых слоев будет способствовать также улучшению газодинамического состояния приконтурной части угольного пласта, то есть предотвращению внезапных выбросов угля и газа.

Разработанный экспериментально-аналитический метод расчета устойчивости одиночных 'подготовительных выработок может быть использован для определения 'параметров крепи и технологии крепления.

Требуют корректировки паспорта сотрясательного взрывания при проведении выработок. На участке закономерной задержки отжима пласта необходимо большее количество ,ВВ для разгрузки пласта от напряжений и провокаций выброса З'гля и газа.

: Внедрение забоя подготовительной выработки-в зону периодической дезинтеграции угольного лласта требует предварительной ее обработки непосредственно <после образования на удаление 2,5—5 м от контура.

'Протяженность участка обработки должна быть не менее 1 м. Периодичность выполнения работ— 1/27" по длине выработки. -•:••'■

Данные о периодичности газового баланса призабойной атмосферы выработки могут быть использованы, во-первых, для повышения уровня безопасности работ, 'поскольку дают информацию о возможности достижения опасных концентраций газа по мере проведения выработки; во-вторых, при проектировании технологических схем проветривания тупиковых забоев.

Оценку параметров периодичности геомеханических и газодинамических процессов можно осуществлять 'по установленным корреляционным зависимостям или расчетным формулам.

Рекомендации по 'периодичности анкерного упрочнения пород кровли в призабойном пространстве использованы при проведении восточного конвейерного штрека пласта т3 шахты им. Л. Ф. Засядько. Экономический эффект составил 235 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).

Шестая, заключительная глава работы посвящена разработке, экспериментальной апробации и внедрению технических способов единого управления углепородным массивом при проведении подготовительных выработок. Основой для разработки послужили результаты 'выполненных исследований и вышеописанные принципы управления. Практически В'се способы защищены авторскими свидетельствами.

Сущность способа 'проведения подготовительной (выработки по 'вы'бросоопасному угольно-му. пласту заключается в -образовании в породах кровли'и почвы дискообразных зон разрушения с периодом меньшим -по протяженности, че"м период проявления горного аавлення. Зоны разрушения создают ка-муфлетным взрыванием в непосредственной 'близости от проходческого забоя.

'Искусственное периодическое разрушение приконтурных слоев по длине выработки чаще, чем это происходит естественным .путем, снизит величину резких колебаний напряженного' состояния призабойиОго массива, уменьшит вероятность задержки отжима пласта. Это в совокупности. будет способ-• ствовать предотвращению выбросов угля и газа. Сокращение периода проявления торного давления также приведет к .повышению устойчивости участков максимальных смещений пород, а следовательно', ,к более.равномерным смещениям по длине выработки.

Глубина образования зон разрушений в 'породах кровли и почвы должна быть равна -мощности слоев, принимающих участие в формировании периодичности торного давления,.

28 августа 1991 'года способ был доложен на. заседании секций Центральной комиссии 'по борьбе \с внезапными выбросами утл я и газа по Донецкому бассейну '(протокол № 81), где получил одобрение и рекомендован для экспериментального испытания с последующим внедрением в условиях пласта Лс' шахты им. А. А. Скочинского.

Для выполнения работы был выбран ходок 2-й западной лавы западной »панели. Первоначально были -выполнены инструментальные наблюдения, позволившие определить следующие параметры способа. Для образования дискообразной зоны разрушения в кровле выработки требуется 4 шпура длиной 2,2 м, в почве — 4 шнура длиной 2,5 м. Вес заряда ВВ шпура — 0,6 кг. Период образования зон принят равным 8 м, что составило 1/3 от периода проявления горного давления в ходке.

Осуществление способа на участке длиной 120 м позволило получить следующие, результаты. Средняя протяженность зоны разгрузки приконтурной части'угольного пласта впереди забоя, определяемая по динамике начальной скорости газо-выделепия, на экспериментальном участке составила 2,3 м, коэффициент вариации ее изменения — 19%. Соответствующие данные на контрольном участке — 1,7 <м и 33%. Сравнение свидетельствует об улучшении газодинамического состояния пртгзабойного массива. Как следствие, достигнуто снижение количества выбросов угля и газа с 7 на контрольном участке до 2 — на экспериментальном.

Также было установлено снижение вариации конечных смещений кровли с 52 до 19%, что .позволило при последующем .попадании выработки в зону опорного давления избежать перекреплении участков наименьшей устойчивости.

Экономический эффект от ¡внедрения, способа составил 39(5 тыс.-руб. (в ценах 1991 года).

Разработан аналогичный способ, направленный на предотвращение внезапных поднятий »пород почвы (подготовительных выработок". Его особенности заключаются в учете механизма данного явления.

Следующая .группа способов основана на силовом воздействии на окружающие породы с помощью отпора крепи. Сущность .первого из них заключается в активном подпоре рам крепи к кровле (выработки на протяжении участка знакопеременных смещений. Подпор создается гидрсстойками, устанавливаемыми на специальных кронштейнах, не загромождая технологическое пространство. В результате достигается снижение неравномерности »периодически изменяющегося »горного

давления, уменьшение величины и неравномерности смещений пород в выработку.

'Аналогичная цель у способа крепления выработки, предусматривающего обеспечение контакта рам крепи с породным контуром в забое выработки посредством заполнения закреп-ного »пространства специальным материалом на основе поли-уретановых смол. При смешивании их компонентов забуто-вочный материал увеличивается в объеме и затвердевает, а рамы крепи испытывают-иригружение. Способ был испытан при (проведении 34-го бортового ходка пласта /г8 шахты им. Л утуши на. В результате достигнуто снижение неравномерности и средней величины смещений пород кровли более чем в 3 раза. Экономический эффект в ценах 1991 г. составил 96 тыс. руб.

Также предложен способ крепления, основанный на использовании металлических тросов, 'которыми опоясывают по длине выработки участки максимальных смещений пород. Концы тросов заводят в специальные шпурьг и закрепляют с помощью замков.

Сущность разработанного способа проведения, подготовительных выработок заключается в постоянном образовании впереди движущегося забоя зоны трещиноватости, граница которой должна совпадать с шроектным сечением выработки. Протяженность зоны трещиноватости принимается переменной и определяется 'периодичностью торного давления. Ее образование осуществляют взрыванием в каждой заходке серии камуфлетных зарядов за один прием с отбоечными шпурами.

-Наличие зоны трещиноватости изменяет картину перераспределения напряжений в породах при лодвитанип забоя. Происходит перемещение фазы наиболее интенсивных геомеханических процессов »впереди плоскости забоя в массив, -где породы находятся в объемно-напряженном состоянии, а следовательно, 'более устойчивы. Перемещению такЖе подлежит место периодических разрушений приконтурных слоев, что сгладит картину вызываемых ими резких 'перераспределений напряжений. В угольном пласте будет снижено газовое давление и повышена газопроницаемость. Также будут ликвидированы условия задержки отжима угольного пласта.

. Испытания способа выполнялись при проведении 'бортового ходка 27 западной лавы пласта ft8 'шахты им. Лутугина. Образование зоны трещиноватости осуществляли на глубину 3—4 м с помощью взрывания трех камуфлетных зарядов каждый весом 1,2 кг.

В результате было достигнуто уменьшение средней величины смещений пород кровли с 250 до 150 мм и 'коэффициента их вариации на 19%. Также достигнуто увеличение отжима

угольного Лласта в 3—4 раза, .что свидетельствует об эффективности способа как иротивовыбросного мероприятия.

Внедрение способа позволило получить экономический аффект в размере 350 тыс. руб. (в ценах 1991 года).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной проблемы, управления углвдородным массивом при .проведении шодготовитель-■ных выработок на основе установленных явлений и закономерностей протекания геомеханических к газодинамических процессов в окружающих породах, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Основные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе натурных исследований установлено явление ■периодичности изменений теомеканического и газодинамического-состояния массива при проведении одиночных подготовительных выработок. Первопричина этому —периодические разрушения по длине выработки шриконтурных породных слоев кровли и -почвы в заделке'вокруг забоя от изгибающих напряжений. В результате -происходит резкое -перераспределение напряженного состояния всего призабойного массива: впереди забоя наступает разгрузка от напряжений, позади—ири-грузка. Как следствие, периодическим изменениям подчиняются: конечная величина смещения пород' щ выработку, степень отжима и прочность угольного пласта, размеры -зон при-контурных разрушений, скорость газовыделения в шпуры и скважины, интенсивность источников газовыделения чв приза -бойное пространство и другие .проявления массива. Существенное значение на характер их изменений по мере отодвигания забоя в пределах периода оказывает наличие или отсутствие задержки отжима шласта.

Деформационный процесс 'в окружающих породах 'В условиях периодичности горного давления распространяется не только -в радиальном от выработки направлении, но и вдоль ее оси.

2. Протяженность периода разрушения приконтурных слоев не превышает размера зоны влияния забоя и составляет не более 20—25 м. Доля периодичности в общей картине проявлений ьмасоива оценивается коэффициентом вариации, значение которого для геомеха-нических процессов находится в пределах -20—60%, для газодинамических — 20—70%. 'Наиболее-выраженная периодичность наблюдается в песчанистых и -глинистых сланцах, при 0,9</гс<2,3 м -и уН/Я>0,\\9 — для •кровли выработок (где Лс— мощность приконтурного слоя,

уН/Я — критерий относительной устойчивости массива); 1,3< </гс<2,6 м и у#/£?>0,17— для почвы выработок.

3. Установлены закономерности, позволяющие определять основные параметры 'периодичности (протяженность периода и амплитуду изменений) в различных горно-теологических условиях заложения выработки. На этой основе разработан экспериментально-аналитический метод расчета устойчивости подготовительной выработки, позволяющий определять изменения смещений пород с течением времени и с удалением забоя, и отличающийся учетом фактора периодичности проявления горного давления по длине выработки.

4. Экспериментальным образом установлено, что в непосредственной близости от забоя подготовительной выработки существует зона знакопеременных смещений пород кровли протяженностью до 8—'15 м. По мере удаления забоя на фоне общего опускания контур кровли испытывает несколько раз подъем с затухающей амплитудой. Поведение приконтур-ного слоя в первом приближении описывается теорией балки

,на упругом основании с односторонней заделкой.

5. Одним из основных проявлений слоистости 'массива является волнообразный характер распределения напряжений по напластованию пород, представляющий собой чередование зон пртигрузки и относительной разгрузки вплоть'до затухания. Экспериментальным образом подтвержден данный характер для одиночных подготовительных выработок. Волнообразные изменения напряжений в массиве в наибольшей степени присудци направлениям, совпадающим с верхней и нижней плоскостями выработки квадратного (или .прямоугольного) поперечного сечения, прямо пропорциональны деформа-тивной неоднородности массива и обратно пропорциональны мощности слагающих слоев. Определена область ,горно-геологических условий наибольшего проявления волнообразного распределения напряжений.. Установлены его параметры.

Аналогичным характером обладает изменение газодинамического состояния угольного пласта. Экспериментально зафиксирован второй -максимум в динамике начальной скорости тазовыделения впереди забоя и в боках выработки, свидетельствующий о наличии зоны относительной разгрузки. Установлены зависимости изменения параметров динамики газовыделения по мере подвигания забоя в пределах периода изменения горного давления.

6. Инструментальными наблюдениями в натурных условиях установлено, что явление зональной дезинтеграции, открытое .группой ученых под руководством акад. Е. И. Шемякина, свойственно слоистому массиву и проявляется не только в боках подготовительной выработки, но и впереди забоя, а также имеет периодический характер. В условиях проведенных исследований зоны дезинтеграции зарождаются на удалении

■2—5'м от контура вперед« забоя вне зоны отри,контурных разрушений с периодом примерно равным половине периода 'проявления горного давления по длине выработки.

Причиной периодической зональной дезинтеграции является воздействие на массив последовательных наложений ?№ор напряжений волнообразного характера с различными параметрами, обусловленными периодически изменяющимся горным давлением. В итоге появляются участки массива, которые испытывают наибольшие колебания напряжений и, следовательно, в наибольшей 'степени 'подвержены разрушениям..

7. Установлено, что на особовыбросоопасных пластах интенсивность выбросов угля и газа по длине выработки подчиняется периодическому закону. Причина этому — периодичность горного давления в призабойиом массиве, которая создает задержки отжима пласта, что приводит к формированию выбрссоспасной ситуации. Инициаторами выбросов мо- . тут служить резкие .изменения напряженного состояния пород при периодических разрушениях приконтурных слоев.

Подобные закономерности присущи также явлению внезапных поднятий почвы подготовительных'выработок.

8. Обоснована концепция единого управления утлепсрод-ным массивом при проведении подготовительных выработок, направленная на одновременное достижение целей повышения их устойчивости и борьбы с внезапными 'Газодинамическими явлениями.

9. Предложены основные принципы единого управления массивом и.разработаны соответствующие способы, защищенные авторскими свидетельствами:

— снижение неравномерности периодически .изменяющегося торного давления »по мере проведения выработок (способы периодических искусственных разрушений приконтурных слоев вблизи забоя; способы, предусматривающие силовое воздействие на окружающие породы с помощью отпора крепи);

— разгрузка призабойного массива от напряжений с учетом фактора шериодичности горного давления (способ ¡передового торпедирования массива в пределах проектного сечения выработки).

■Технология проведения выработки, как совокупность активно влияющих на состояние массива факторов, должна предусматривать непрерывное, равномерное подвигаиие забоя с наименьшей величиной заходки. Так же она должна быть адаптирована к периодическим изменениям геомеханических и газодинамических проявлений массива по мере проведения выработки. Разработаны конкретные рекомендации по адаптированию технологии.

10. Ряд способов прошел экспериментальную апробацию на шахтах Донбасса, которая подтвердила их эффективность.

Фактический'экономический '.эффект от внедрения разработанных технических решений и рекомендаций составил 1077 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

L Применение метода радиоволновой интроскопии при ведении там-понажных и цементационных работ/Потапкин М. Ф„ Потапкин И. И., Кузьмич О. 10., Ильюшенко В. Г.//Шахтное строительство, 1985. — № 3. — С. 2! -23. .....

2. Гринько С. Н., Кузьмич О. Ю., Хансиваров Р. К. Новая технология заполнения закрепного пространства подготовительных выработок/Уголь Украины, 1989. — № 12, —С. 8—<1,0.

3. Кузьмич О. 10., Хансиваров Р. К- Геомеханические аспекты взаимодействия крепи с породным масснвом/В сб.: Горное давление и поддержание горных выработок. — Л.: ЛГИ, 1990.—-С. 12—15.

4. Кузьмич О. Ю. Метод расчета устойчивости одиночной горной вы-' работки с учетом влияния ее забоя/В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. — Киёв: Техника, 1991. — С. 67—71.

5. Черняк И. Л., Кузьмич О. Ю., Зайденварг В. Е. О периодическом 'проявлении горного давления в одиночных выработках/Уголь. 1991.— №11. — С. 11 — 13. '

6. Кузьмич О. Ю. Периодичность геомеханического и газодинамического состояния 'массива при проведении горных выработок/В сб. тр. XXI Все союзного семинара по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок. — Алма-Ата, 1990.

7. Черняк, И. Л., Кузьмич О. Ю. Управление массивом пород в зоне влияния забоя горной выработки/Подземное и шахтное строительство. 1991,—№ 11, —С. 14—17.

8. Кузьмич О. Ю. Единый подход к управлению углепородным массн-нзм при проведении подготовительных выработок/В сб. докладов научно-технической конференции Донецкого политехнического института. — Донецк: ДПИ, 1991.. — С. 10.

9. Кузьмич О. Ю. Особенности выбросоопасности при проведении подготовительных выработок/Уголь Украины. 1992.— № 7. — С. 54—68.

10. Киггшси О. Rock Pressure Control in Development of Loading Face,//International Conference Reliability Produktion and control In Coalmins.— Australia, 1991, —p. 248.

I'l. Черняк И. JI., Кузьмич О. Ю., Зайденварг В. Е. Особенности геомеханических процессов в слоистом массиве вокруг подготовительных выработок/Шахтное строительство. 1991.— №1. — С. 37.

12. Черняк И. J1., Кузьмич О. Ю. Влияние движущегося забоя горной выработки на деформирование окружающих пород/Шахтное строительство. 1990. — № 12, — С. 4—6.

13. Кузьмич О. Ю. К вопросу об управлении массивом вокруг подготовительных выработок тлубокото заложения/Известия вузов. Горный журнал. 1992. — № 4. — С. 32—35.

14. Черняк И. JI., Кузьмич О. Ю. Периодические проявления горного давления при разработке угольных .месторождений. — М.: МГИ, 1992.

45. Черняк И. Л., Кузьмич О. Ю. Периодичность геом'ехапических и газодинамических процессов при проведении подготовительных выработок/ Уголь. 1993. — № 12.— С. 8—11..

16. Повышение устойчивости подготовительных выработок/Чер ня>к И. Л., Кузьмич О. Ю., Ильюшенко В. Г. и др.//М.: Недра, 1993, 256 с

17. Кузьмич О. Ю. Крепление одиночных подготовительных выработок при периодическом проявлении горного давления/Известия вузов Горный журнал. 1994. — № 1. — С. 40—44. :

¡18. Кузьмич О. Ю. Влияиие периодичности горното давления на- формирование выбросоопасн-ой ситуации/Уголь Украины. Т994. — № 6.— С. 44—45.

,19. А. с. СССР № 126628(1. Устройство для определения местонахождения и раскрытая трещшговатости горных пород/,Пот,апкнн И. Ф., Потап-. «ин И. И., Кузьмич О. Ю„ Королек В. М.//Б. И., 1986,.№ 39.

20. А. с. СССР № 1366639. Устройство для определения трещияовато-сти горных пород/Потаижин И. Ф., Кузьмич О. Ю., Королев В. М.// Б. И., 1988, № 2.

21. А. с. СССР Л? ¡142186®. Способ охраны подготовительных выработок/Кузьмич О. Ю., Касьян'Н. Н., Селезнев !И. Н., ' Фомшг Ю. В.//Б. И.,

-1988, № 33.

22. А. с. СССР № 1469161. Способ (поддержания горной выработки/ Кузьмич О. Ю., Костенкт) В. К., Чехместренко Н. В., Стопченко О. В.// Б. И., 1989, № 16.

23. А. с. СССР № 1642008. Способ охраны подготовительной выработки в слоистом массиве/Черняк'И.'Л., Кузьмич О. 'Ю.//Б'. И., 1991, № 14.

24. А. с. СССР № 1765464. Способ проведения подготовительной выработки »по выбросоопасному угольному ллгсту//Черняж И. Л.,. Кузьмич О. Ю„ Ярунин С. А: и др.//Б. И., 1992, № 36.

25. А. с. СССР № 1825016. Способ борьбы с внезапными поднятиями почвы горных выработок//Черняк И. Л., Кузьмич О. Ю., Зайдекварт В. Е. и др./Б. И., 1993. № 24.

26. А. с. СССР № 148.141:9, Способ охраны горных выработок/Касьян Н .Н„ .Морозов А. Ф., Кузьмич О. Ю. и ,д'р.//Б. И., 1989, №20.

'27. А. с. СССР № Заявка № 4860484 Г Пол. реш. от 23.01.92.

Способ проведения горных выра'бото.к//Черня»к И. Л., »Куэыиич О. Ю., Зай-денва'рг .В. Е. и др.

28. А. с. СССР № Заявка '№ 4903883. Пол. реш. от 03,01.92. Способ крепления подготовительной выработки (податливой рамкой кре-.пью//Саш!цкий К. Ф., Кузьмич О. Ю., Селезнев И. Н. и др.

29. А. с. СССР № Заявка № 4903882. Пол. реш. от 03.01.92. Способ крепления горной вырабют«и//Кузьмич О. Ю., Морозов А. Ф., Звягильский 'Е. Л. и др!

Подписано в печать 3.11.94. Формат 60X90/16. Объем 1,75 печ. л. Тираж 100 экз. Зак: 986.

Гипогграфия Московского государственного горного университета, Ленинский проспект, 6