автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров комплексного управления геомеханическими процессами и газовыделением в призабойной части угольного пласта

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

- *•» .»< На правах рукописи

ГОРБУНОВ Сергей Николаевич

УДК 622.831 :026.272.633(043.3)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ, КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ГАЗОВЫДЕЛЕЯЯЕМ В ПРНЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

. V

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

•Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

. Научный руководитель: докт. техн. наук, проф. ЧЕРНЯК И. Л.

Научный консультант

канд. техн, наук, ст. научн. сотр. ЧЕХМЕСТРЕНКО Н. В.

'Официальные оппоненты: докт. техн. наук НИКИШИЧЕВ Б. Г., канд. техн. наук АЛЕКСАНДРОВ К. Н.

■Ведущее предприятие — производственное объединение «Торезантрацит».

Защита диссертации состоится « » 1994 г.

. час. на заседании специализированного совета К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ??. » . 1994. г.

Секретарь ученого совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

•ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время большие »зглг шахт Донецкого бассейнз ведет раграСотку пластов ка глубинах , превьгазк'дпх 700-900 м. Увеличение глубины рэргаСстк; приводит к ряду негативных явлений, которые значительно сникают производительность и безопасность работ. К таким явлениям относятся проявления горного давления и интенсивнее га-говыделение в очистные выработки.

Одной из основных особенностей поведения массива п'род, окружающих очистные выработки, является периодический характер проявлений горного давления при управлении кровлей полным о5рушением, который обусловлен периодическим Формированием, гзвисанием и.обручением пород непосредственной и основной кровли. Это вызывает периодическое изменение нагсря-' :».еннс-деформированного состояния пласта и нмеданяи;-: пород в гоне влияния очистных работ.

Разработка угольного пласта в ому иэменения нзпряден-но-деф<грмпрсвз"ннсго состояния пласта и виешзвщлх пород приводит к образеванко трещин и рзсслсонкю, в конечном счете к нару1'?нт динамического равновесия между сорбированным и находящимся е свободном состоянии метаном в сторону увелотешн деосрбирук^егося метзка.

Наиболее сложные деформационные и газодинамические пр;-цес:ы происходят в предельно напряженной гоне, где угольный "¿ласт испытывает максимальные напряжения. Эта гена расположена в 2-15 м от очистного забоя. 'Б этой гоне имеет место значительная игменчигость фильтрационных свойств. Дане небольшие Езризцип напряженного состояния екзэквавте-я на коэффициенте газопроницаемости, что в свою очередь отражается на гас"содержании и давлении газа. Такая изменчивость накладывает отпечаток, и кз гаговыделение с учзстка.

С позиции периодического характера проявления горного давления газодинамика пригабойной части угольного пласта и гзгоЕыделение с добычного участка ранее не рассматривзлпгь. Псзтому установление взаимосвязи периодического характера' проявления горного давления с газодинамикой прнгзбейней чз:-

и i/i тного пласта и газовь'Делением с'участка для обоснова-h?íi 'соосоСрв комплексного управления ими является актуальной нгучной садзчей.

Цель работы. Установление параметров взаимосвязи характера проявлений горного давления с газодинамикой призабойной 'гэны угольного пласта и газовыделением с участка для -обоснования способов комплексного управления ими.

Идея работы заключается в \fiere влияния периодического характера изменения горного давления на газовыделения в при-'забойной части угольного пласта.

• Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:

- механизм формирования газодинамики призабойной части угольного пласта и газовыделения из лэеы, отлтающийся учетом периодического характера изменения напряженно-деформированного состояния массива-горных пород впереди очистного забоя, позволяющий определить зоны максимальных значений газо-Еыделения е призабойной части угольного пласта по длине выемочного столба;

- изменение газодинамик?! призабойной части угольного пласта по длине очистного вабоя, отличающееся учетом влияния выработанного пространства и массива горных пород;

- влияние отдельных слоев кровли на изменение газодинамики призабойной части угольного пласта и газовыделения из даш, позволяющее определять пути управления наиболее значимыми из них.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

достаточным объемом результатов шахтных инструментальных наблюдений в типовых горно-геологических условиях (выполнено более 15000 измерений);.

удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований изменения газодинамики приэзбойной части угольного пласта и газовыделения из лавы

во вгэкмогвяри о перисдич-ск.™ харзктергм прочвл<?ккя ррит: давления (рзсхс'ддение не превюает 15-20*).

Нз'дшое значение диссертационной рэЗс-ты »агате г*"* а установлении вгаимосвяги периодического характера пг'.явл?кии горного давления о изменением газодинамики пригаЗсйн': й 'а;ги угольного пласта и газсвыделения иг очистного забоя.

Практическое значение диссертационной работы гзключа»т~ ся в оОосновяяпп параметров способов комплексного управления гесмехая1пескими процессами и газодинамикой пригабойкой чзг-ти угольного пласта с учетом периодического характера и:: изменения, а также игменением газсвыделения из лзеы.

Реализация выводов и рекомендаций. Для условий плчсгзз ,пэ и Н? разработаны' рекомендации по управлению геомехажпео-кими процессами и изменением гагсдинэмики пригабойнои части угольного пласта, а также газсвыделения о участка с учетом периодического характера их изменения путем управления наиболее значимыми слоями пород кровли, вносящими ОСНОВНОЙ вкл.-д в формирование динамической составляющей опорного давления .

Публикации. По результата),! выполненных исследований опубликованы 2 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, ззклг.ченнл, изложенных//? страницах машинописного текста, содержат 25 рисунков, 11 таблиц, список используемой литературы иг 53 названий.

ОСНОВНОЕ (X)ДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросу изучения геомехашпескик и газодинамических процессов при велении очистных работ как раздельно, так и во взаимосвязи посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований. Значительный вклад в его ре-венке Енеолн институты Г'Л'Д км. А.А.Скочинского, ВШМ5, Щ-

1:1:1:, ЬакШ-Ш, ДэнУГИ, МГГУ, СИ'ГИ, ДЛИ 1Г др.

" Проьеденный анализ исследований проявлений горного давления показал, что в настоящее время существует целый ряд' гипотез, описыезвщих причины формирования горного давления вокруг очистных выработок. Интенсивность проявлений горного давления в очистных забоях зависит от большого числа горно-геологических и горнотехнических факторов. Основными из них являются литологический состав и физико-механические характеристики пород непосредственной и основной кровли, глубина ведения горных работ, мощно^ь пласта, скорость подви-гания очистного забоя и др.

Проявления горного давления характеризуются больной изменчивостью. Она имеет периодический'характер и оказывает существенное Елияние на все процессы, протекающие в массиве пород и угля. Эта периодичность связана с формированием, зависанием 'и обрушением слоев пород непосредственной и основной кровли. Это вызывает периодическое изменение' напряженно-деформированного состояния массива пород и угольного пласта'в зоне влияния очистных.работ. Периодический характер изменения напряженно-деформированного состояния массива пород и угольного пласта естественно Должен накладывать отпечаток на газодинамику призабойной части угольного пласта и на газовыделение из очистного забоя.

Проведенный анализ исследований показал, что в угольных

пластах, не подверженных'влиянию горных работ, существует

динамическое равновесие между сорбированным и накодяТцимся в'

свободном состоянии метаном. Разработка угольного пласта в

силу изменения напряженно-деформированного состояния пласта

и вмещающих пород приводит к образованию системы трещин и

расслоений и в конечном счете к нарушению динамического рав-

(

новесия в сторону увеличения количества десорбирующегося метана. Последний по трещинам и порам в угле и вмещающих породах под действием градиента газового давления поступает в выработки разрабатываемого пласта. Таким образом,'. движение газа в горном массиве зависит от степени нарушенности последнего ведением -горных работ.

В очистных выработках впереди забоя образуется полоса раздавленного угля, переходящая в зону опорного давления на

массив угольного пласта, простирающаяся в зависимости от м?-. ханичесвих свойств угольного пласта и вмещающих пород, способа управления кровлей и скорости подвнгания гг.боев на расстояние до 40-80 и Солее метров. В зоне-максшэльну.х напряжений угольный пласт находится в предельно напряжением состоянии; коэффициент концентрации напряженки в этой гене достигает 1,2-3,8, а сжатие пласта составляет 0,15-0,2% от мощности пласта. Эта зона расположена в 2-15 метрах впереди, очистного забоя.

Действие прагрузки на,материал отражается не только на деформациях и напряжениях, ' но и на условиях фильтрации газов. В предельно напряденной зоне имеются две противотело*-ные тенденции. С одной стороны, всестороннее сжатие само го себе уплотняет материал, уменьшает газопроницаемость, а с другой - то обстоятельство, что сжатие неравномерно, ведет к росту трещин, разрыхлению и увеличению газопроницаемости на дез-три порядка'по сравнению с нетронутым массивом. Даже небольшие вариации напряженного состояния в зоне опорного давления сильно сказываются на коэффициенте газопроницаемости, что, в свою очередь, отражается на газосодержзнии и давлении гзеа.

Большое влияние на газодинамические процессы оказывают структурные свойства пластов.

При разработке угольных- пластов на больших глубинах поступление метана из надработзнной и подработанной толщи в отрабатываемый очистной забой достигает 40-50% общего гаго-выделения на участке. Это поступление метана во многом ?ави-епт от характера деформационных процессов в подработанной и надрзботачной толпах пород.

Познание природы взаимосвязи периодического характера проявлений горного дзвлегата с изменением газодинамики приза-бейной части угольного пласта и газовыделения на участке позволит ускорить разработку путей комплексного управления этими процессами.

В связи с этим изложенное выше определило гадачи исследований:

проведение шахтных инструментальных наблюдений за периодическим характером проявлений горного давления, динамикой

.~n¡r.a скорости гзгоБЫД*л*иш и? шт/роь и гзгйвыделеиасм и.) иЧКСТа.'.ГО снбоя;

установление изменения динамики начальной скорости га-Еюаыдс-лешш иг шпуров по длине очистного забоя;

установление взаимосвязи периодических проявлений гор-юго давления с газодинамической призабойной части угольного пласта и газоЕЫделением из лавы.

установление влияния отдельных слоев кровли на газодинамику пригабойнои части угольного пласта и газовыделение из очаотного забоя; f

разработка рекомендаций по комплексному управлению гео-'м-эканическими и газодинамическими процессами в очистных га-боях .

•Длл решения поставленных задач в работе использованы

анализ научных исследований, шахтные инструментальные наблю-*

дения га смешениями кровли и динамикой начальной скорости газоЕыделения из шпуров, измерения газовыделения с участка, методы математической статистики и гармонического анализа для обработки результатов .наблюдений.

Е качестве объектов исследований были выбраны шахты им. А.Ф.Засядько ПО "Донецкуголь" и им.* В.М.Бат.анова ПО "Макее-вуголь", отрабатывающие угольный пласт шз на глубине более 1000 и, и шахта им. А.М.Горького, отрабатывающая•пласт Ъ?.

Непосредственная кровля пласта из представлена глинистым сланцем мощностью 6,5-12,4 м. Над ним залегают перемежающееся слои песчаных и Глинистых сланцев, известняков к угольных пропластков сбщей мощностью'45-47 м. Пласт глз особо опасен по внезапным выбросам угля и газа. Газоносность пласта 12,5-13,2 мэ/т г.м. Кровля пласта h7 представлена песчанистым сланцем мощностью 7,4-17,4 м. Выше залегает песчанистый сланец мощностью 13,4 т. Пласт h? опасен по внезапным выбросам угля и газа.

Шахтные инструментальные наблюдения проводились в очистных забоях, оборудованных механизированны;.«'! крепями КМ-87, и в конвейерном штреке, проводившимся одновременно с надвиганием очистного забоя. За время проведения исследований подвигание очистных забоев составило 83-150 м. Обработка рез/льтзтов выполненных исследований осуществлялась по мето-

дике МГТУ о применением методов математической статистики ' и гармонического анализа.

Одной ив основных задач шахтных инструментальных наблюдений гу^лялось установление природы взаимосвязи периодического характера проявлений горного давления с изменением газодинамики призабойной части уголь него пласта и газевнделе-ния с участка. Для этого шахтные инструментальные наблюдения проводились в очистных забоях, где в 5 сечениях по длине лавы ежедневно измерялось опускание кровли. В конвейерном

штреке на участке 60 м ежедневно измерялись смешения элемен-

*

тов крепи, обусловленные смещениями кровли.

Согласно "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах по внезапным выбросам угля, преды и гага" из 3 станциях по длине очистного забоя и в забое конвейернога птрекз измерялась начальная скорость газовыделения из шпуров. В очистных забоях для определения газовыделения из пласта велась поперечная газовая съемка и измерялось газовыделение из лавы. Все наблюдения проводились ежедневно и одновременно с замерами смесений крепли.

Результаты исследований опускания кровли в Центральной разгрузочной лаве пахты км. В.М.Баранова показали их значительную изменчивость как по длине очистного'забоя, так к при его подЕнгзнии на 150 м. Наибольшие значения среднего опускания отмечены в 20-60 м от выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба, а наименьшие вблизи массива горных пород. Средняя величина опусканий изменяется от 2,8 до 10,9 n.m. Коэффициент вариации спусканий кровли изменяется от 60 до 20'..

Наблюдения в Центральной разгрузочной лаве показали значительное изменение, средней по каждой станции, начальной скорости газовыделения из ппуров при подвигании очистного забоя, а также бсльиое различие в величинах мэяду станциями. В 20 м от конвейерного штрека среднее по станции .значение изменялось от 0,23 до'1,36 л/мин, в 105 м от 0,20 до 0,88 л/мин, в 190 м от 0,31 до 2,14 л/мин. Средние по станциям значения коэффициента вариации изменяются от 64 до,129й, а среднекЕадрзпгаеского отклонения от 0,21 до 0,4 л/мин. Hair' большие средние значения отмечены на станции вблизи массива

15 11-й западной лаве шахты им. А. Ф. Засядь ко средняя величина опусканий кровли ¡¡вменяется от 10,2 до 18,1 мм, а максимальная - от 20,0 до 42,5 мм. Наибольшие значения среднего опускания отмечены в 70, м от массива горных пород. .С удалением от массива средние опускания кровли по длине очистного сначала увеличиваются, а с приближением к концевому участку лавы уменьшаются. Наибольшие значения максимальных опусканий отмечены на расстоянии 70, 125 и 170 м от час-сиза горных пород. Коэффициент вариации опускания кровли изменяется от 46?. в середине лавы до 61% на расстоянии 170 м Ът массива.

Результаты исследований гзговыде'ления из пласта с использованием поперечной газовой съемки и общего газоеыделе-кия с участка в 11-й западной лаве очистного забоя. Значения мгтанокццеления из пласта изменялись от 2,0 до 5,6 м3/мин, а газоЕыделение с участкз изменялось от 7,2 до 25,3 м3/мин.

Коэффициент вариации и ореднеквадратическое отклонение для абсолютного метановыделениа из пласта равны 34Х и 1,6 м3Лшн, а для общего газовыделения из участка соответственно ЗЭ7. и 4,4 мэ/мин.'

Результаты наблюдений за смещениями кровли в конвейерном штреке разгрузочной лавы N 2 шахты им. Горького показали их широкую изменчивость на различных расстояниях каждой станции наблюдения по отношению к очистном-/ забою. Средние смещения' изменились в пределах от 34 мм в 2 м позади очистного забоя до 76 мм в 40 м позади очистного забоя. Коэффициент вариации смещения кровли изменялся от 23% в 40 м позади очистного забоя до 737, в 2 м позади очистного забоя.

В конвейерном штреке - разгрузочной лавы N 2 начальная скорость газовыделения из ипура имеет большие изменения по мере подвигания конвейерного забоя. Разброс между минимальными и максимальными значениями начальной скорости гаэовыде-ления по интервалам шпура при подвигают зэбоя составил от 0,75 до 0,9 л/мин. Коэффициент Езриации изменялся от 11,6 до 397., а ореднеквадратическое отклонение от 0,139 до 0,159 л/мин.

Анализ результатов исследований за смещениями кровли,

начальной скоростью газ-выделения из шпуров, газоЕнделени-гм с участка показал их значительную изменчивость при подеигэ-нии очистных и проходческих забоев. Причиной изменчивости смещений кровли является периодическое изменение напряженно- деформированного состояния призаСойной части массива горных пород под-воздействием динамической составляющей спорного давления. На ее долю приходится до 90?. смещений кровли. Периодический характер проявлений горнего давления обусловлен периодическим изменением от минимума до максимума размеров зависающих и обрушахжихся консолей пород непосредственной и основной кровли.

Результаты исследований начальной скорости газовыделения из шпуров и газевыделения с участка позволяют заключить, что их изменчивость вызвана периодическим характером изменения напряженно-деформированного состояния массива пород и угольного пласта, а также образованием газопроводяиих каналов при обрушении слоев непосредственной и основной кровли. При этом доля сбрушающихся слоев в изменении начальной скорости газсЕЫделения из шпуров составляет от 24 до 80*, е в газовыделении с участка 45%.

Обработка результатов исследований с применением гармонического знзлизз позволила установить параметры зависимостей смещений кровли, начальной скорости газовыделения из Егсурсв газоЕЫделения с участка при подвигании очистного забоя .

С помощью гармонического анализа установлено, что в центральной разгрузочной лаве шахты им. В.М.Баженова динамическую составляющую опорного давления, вызывавшую смещения кровли, формируют 4 слоя пород кровли, обруоаищиеся с шагами: 8,7-9,5; 17,6-23,7! 27,4-34,1; 40,4-51,0 м. В условиях этого очистного забоя выявлены 4 периода изменения начальной скорости газсЕЫделения из шпуров, которые рзвкы: 7,2-9,2; 22,6-25,6; 30,9-35,1; 41,1-42,9 м. ,

Шаги обрушения пород непосредственной и основной кровли практически совпадает о периодами изменения начальной скорости гаговыделения из впур-ов.

в 11-й гападной лаве шахты им. А.Ф.Засядько динамическую ^составлявшую опорного давления формируют 4 слоя пород

гр :ь.н1, обруа>2СйЦ1€Ся' с шагами: 1,5-2/3; 6,6-7,8;' 10,5-14,2; £.'.',?-За,',' .и. В этом очистной азОое выявлены 4 периода изменения газовыделения из пласта, равные: 2,0; 7,6; 13,3; 35/6 м, а также 4 периода изменения газовыделения с участка, которые равны 2,1; 7,0; 15,4; 33, Гм.

Сравнительный анализ показывает совпадение параметров зависимостей проявлений горного давления и газовыделения.

В конвейерном штреке разгрузочной лавы И 2 шахты им. Горького, проводившимся вместе с подвиганием очистного забоя, динамическую, составляющую форного давления определяют 3 слоя пород кровли, обрушзюиу1еся с шагами: 2,9-4,5; 7,8-18,6; 20,8-29,7 м, а изменения динамики начальной скорости газовыделения определяют 3 периода, параметры которых равны: 3,8-4,3; 7,7-16,6; 21,5-27,5 м.

Сравнительный анализ показывает практическое совпадение параметров еависш.юстей проявлений горного давления и газодинамики приаабойной части угольного пласта.

Таким образом, с помощью гармонического анализа установлены параметры взаимосвязи периодического характера проявлений гарного давления с изменением газодинамики приззбой-ной части угольного пластз и газовыделения с участка. Периоды изменения начальной скорости газовыделения из шпуров и газовыделения с участка б основном совпадают с шагами обрушения слоев пород кровли. Это свидетельствует о том, что при управлении кровлей полным обрушением формирование изменения начальной скорости газовыделения из шпуров и газовыделения с участка происходит под влиянием периодического характера изменения напряженно-деформированного состояния пласта и вмещающих пород. На газовыделение с участка . также оказывает влияние образование га^опроводящих каналов при обрушении слоев кровли, по которым поступает метан из газоносных пород и пластов-спутников.

Периодичность геомеханпческих процессов, протекающих в массиве горкьгк парод, позволяет следующим образом представить механизм формирования изменения начальной скорости га-зоЕыделения из шпуров и газовыделения с участка. При подви-гании очистного забоя изменяются размеры зависающих консолей подработанных пород. Создаваемые зависающими консолями нап-

рлженнл впереди лавы изменяются волнообразно. После сСрувг-ння основной и непосредственной кровли размеры консолей Су-дут минимальны, следовательно, размер зоны влияния волны будет минимальным. Подвигание очистного забоя увеличивает размеры консолей слоев пород подработанной толщи, участвующих в нагружении массива, что приводит к изменении параметров волны. При максимальном размере консолей параметры вслны будут максимальны. Процесс изменения размеров консолей подработанных перед, приводящий к изменен™ напряжений в массиве впереди очистного забоя, будет происходить после каждой перед-вилки секции крепи. При этом сжимающие растягивающие напряжения будут периодически изменять свое положение и величину, Это приводит к тому, что в точках массива впереди лавы будут воздействовать различные по величине знакопеременные напряжения. При этом сжатие и растяжение в одной точке будет неоднократно изменяться. Воздействие на определенном участке

максимальных знакопеременных напряжений может вызвать оста*

точные деформации шш разрушение угля и пород.

Процесс воздействия на массив угля впереди лавы знакопеременных напряжений окажет влияние на динамическое равновесие между сорбированным и находящимся' в свободном состоянии метаном, которое существует в пласте, не подверженном влиянию горных работ. Это приведет к нарушению динамического равновесия, что приведет к десорбции и увеличению объемов газа в свободном состоянии, особенно в зонах воздействия максимальных знакопеременных напряжений. Это, в свою очередь, вызовет повышение газового давления. Это дает возможность говорить о том, что периодическое изменение газодинамики призабойной части угольного пласта и газоЕЫделения с участка является следствием описанных выше процессов.

• Влияние на газодинамику призабойной части угольного пласта сказывает изменение расстояния до максимума опорного давления, которое может быть обусловлено линией обрушения пород основной кровли, когда обрушение вмещающей породы захватывает часть угольного пласта или обрушение вмещающей породы происходит над выработанным пространством. При обрушении вмещающих пород, когда оно захватывает часть угольного плэста и образуется предельно напряженная зона, размеры ко-

горой могут достигать 15 метров. В этой гоне имеет место "гнзчвгелмгэя изменчиво:ть фильтрационных свойств, так как гзгсягош'цземость на двз-три порядка выше, чем в нетронутом гй-,:пве, увеличивается гагсвкделение в призабойное пространство. При обрушении вмеажцих пород над выработанным пространством на игменение расстояния до максимума опорного давления оказывают влияние параметры зависающих и обрушаю-:с:;:сл пород кровля.

Таким образок, действенным путем управления изменением газодинамика прнэзбойнсп части угольного пласта и газовыде-л-м!ия с участка является выравнивание горного давления при

л. . .

вгденш очистных работ. В результате обработки наблюдении с .¡:ч.::с;ью гзрмскичегкого анализа получены доли калдого из об-Г7шатк-:я слоев ^псдработанных пород в суммарных значениях изменения смешений кровли, начальной скорости гзговыделения и? шпуров и гаэовыделения из очистного забоя.

Анализ пока?ал, что в условиях центральной разгрузочной лавы пласта тз на долю 1-го слоя приходится 12-19* опускании кровли и Ю-12* изменения начальной сксрсгти газовыделения на олурсв, на долю 2-го слоя 19-24* смешении кровли и изменения начальной скорости газовыделения из илу рев, на дола? 3-го слоя 25-32* и 22-29*, на доли 4-го слоя 15-22*. и гд-'З.^".'. Из этого следует, что оснсЕнув роль е смешениях кровли и иемененку начальной скорости гзасныделекия. кг шпуров играют 3-й и 4-й слои пород кровли.

В условиях 11-й западной лавы пластз из сравнительный анализ величин долей слоев показал, что из 4 слоев пород кровли, спределявдк еуммзрну» величину смешении кровли, изменения газовыделения с участка, основкук роль играет 3-й и 4-к слои, ib: доли в смещениях кровли и изменении газовыделения. с участка соответственно равны для 3-го слоя 20-2?* и 17* и для 4-го слоя "23-36* и 25*.

В условиях конвейерного пггрека разгрузочной лавы N 2 пласта h? выявлены три слоя сбрушагазкея пород кровли, которые определяют изменения смецений кровли и начальной скорости гзговыделения из шпуров. Анализ величин долей слоев показал, что наиболее внзчиккмп в изменениях смещений кровли и начальной скорости гзговыделения из шпуров являются 2-й и

3-й слои. Они формируют до 70*. смещений кровли и дс е.&*. изменения начальна: скорости гагсвиделения из апуров.

Тагам образом, в условиях пласта тз ссноенук рель н формировании периодического характера проявлений гсрк;г: давления, изменения начальной скорости газоЕыделения из шпуров и гаесвыделения участка играют 3-й и 4-й слои, яелккерв • ся слоями основной кровли. В условиях работы 11-й западной лавы этими слоями являются слои песчанистого сланца мощностью 12-14 м, с крепостью £■ - 5-7 и песчаника мощностью 4,2 ы с £ - 9,5. Е условиях работы центральной разгрузочной лацы основная кровли представлена слоями песчанистого и глинистого сланца, известняка, которые имеют изменяющуюся мощность по длине выемочного столба.

В условиях работы разгрузочной лавы 1! 2 пласта 11? шахты им. Горького 2-й и 3-й слон, являющиеся наиболее значимыми в формировании периодического характера проявлений горного давления и изменения газодинамики призабоиной части угольного пласта, представлены слоями песчанистого сланцз с различной крепостью.

Можно констатировать, что в условиях пласта глз 3-й и

4-й, а в условиях пласта ¡"17 2-й и 3-й слои пород, представленные основной кровлей, играют наиболее значимую роль в изменениях напряженно-деформированного состояния угольного пласта и Емещающих пород впереди очистного забоя при его подвиганйи. Именно изменяющиеся размеры зависающих консолей этих слсев при подвигании очистного забоя приводят к тому, что впереди лавы воздействуют различные по величине сжимающие и растягивающие напряжения. Этот процесс ведет к образованию впереди очистного забоя зон, к которым приурочены пи-коеьк значения проявлений горного давления, ' начальной скорости газовыделения из шпуров и газоЕыделения с участка.

Таким образом, с целью предотвращения образования опасных зон впереди очистного забоя, к которым приурочены пиковые значения проявлений горного давления, начальной скорости газовыделения из шпуров и газовыделения с участка, необходимо в условиях пласта гпз управлять 3-м и 4-м слоями, а в условиях пласта К7 2-м и 3-м слоями пород, которые представляют собой основную кровлю.

С це'^ыо изменения характера зависания и обрусения пород 'в выработанном пространстве для выравнивания горного давления и предотвращения образования опасных в он впереди очистного вабоя необходимо исполь гсвзть. такие пути, как деление выработанного пространства на части с помощью породных полос и искусственное обруяекке пород кровли с помощью торпедирования или разупрочнения пород кровли высоконапорным нагнетанием воды. Задача состоит в уменьшении величины напряжений, перераспределяющихся в массиве угля и пород впереди очистного забоя в веде волны, с помсщьп уменьшения длин консолей гавксаюэдк и сОзувзкдахся пород, а такие с помощью перевода пород основной кровли и динамического состояния зависания и обрушения е статическое состояние плавного прогиба. Такси г.ереЕод уменьшит поступление метана в очистную выработку за счет уменьшения гззопроводящпх каналов в основнсй кровле.

Изменение уровня знакопеременных напряжений в сторону уменьшения приведет к тому, что в массиве угля и пород впереди очистного забоя динамическое равновесие между сорбированным и находядимся в свободном ео-гтсянии метаном не игме-нптся или незначительно изменится в сторону увеличения еыов метана в свободном состоянии, что не приведет к большим изменениям газодинамики лриазбойной части угольного ллзста и ГЕговь£клекня с участка при подвкгшши очистного забоя по всей длине выемочного столба. Уменьшение напряжений, создаваемых зависающий консолями кровли, приведет к "сглажива-ик" пиковых значений периодических проявлений горного давления очистных и подготовительных выработка:-:.

Способ снижения напряжений впереди очистного забся разделением выработанного пространства на части с помощью породных полос лучше всего подходит к сплошной или комбинированной системе разработки, когда для возведения бутовых полос необходимая порода берется иг проходческих гзбоев. Сплошная система разработки применена на шахте к«. Горького а разгрузочной лав? Я 2, а комбинированная кз шахте им. В.М.Еажанова в центральной разгрузочной лаге.

При применении этого способа необходимо делить выработанное яроотраязтво на такое количество частей, чтобы гоны обрекающихся пород были сравнимы о шагами обрушения слоев,

ькесащлх наиб-лее эначш&й вклад в перисд-.п-гскии :•:■.;.а1:.-: проявлений горного давления, а также в изменения п-гп;ш>=*/л-ки призабойной части угольного пласта и гаговцпелгнпл с учэгтка. В центральной разгрузочной лаве такими следах являются 3-й и 4-й слои с шагами обрусения 2?-24 м и «.<, поэтому выработанное пространство необходимо делит:-: на 1р;: части, чтобы зоны обрушзющихси пород не преЕЫ-сили £.5 м.

На вахте иы. Горького в разгрузочной лаве Н 2 нан'сле« * значимыми являются 2-й и 3-й слои с шагами обрушения 11-13 а и 22-30 и, поэтому выработанное пространство необходимо делить нз три части, при этом зоны обрушающихс.ч пород не превысят 35 м. При таком делении выработанного пространства нз части значительно уменьшится влияние слоев пород оонзено;': кровли нз проявления опорного давления, изменении качалъксй скорости газовыделения из шпуров и газсЕыделения с участка. Переход елея с наибольшим шагом обрушения из динамического воздействия в статическое состояние плавного прогиба уменьшит поступление метана из - расположенных над ним пород и проплзстков угля.

Сущность пути управления параметрами зависания и обрушения пород подработанной толщи с померю искусственного обрушения их заключается в том, чтобы уменьшить длины консолей, а следовательно, передаваемые напряжения на угольный п*ласт и массив пород впереди очистного ззбоя. Для искусственного' обрушения пород кровли может Сыть применено торпедирование и разупрочнение высоконапорным нагнетанием воды. При этом необходимо, чтобы воздействие оказывалось на те слои пород, которые вносят наибольший вклад в проявления горного давления, изменения начальной скорости газовыделения из шпуров и газовыделения с участка. Необходимо чтобы шаги обрушения наиболее значимых слоев уменьшились не менее чем на половину. Так как торпедирование и разупрочнение пород Еысоконапорным нагнетанием воды проводятся заблаговременно, то эти способы в наибольшей степени приемлемы при столбовой системе разработки.

Искусственное обрушение консолей пород кровли рассмотрена на примере 11-й западной лавы шахты им. А.Ф.Засядько. При этом воздействие должно оказываться на 3-й и 4-й слои,

предсгав.-рияте ссбгй основную кровлю, которые вносят основ" иск вкл^ц в периодичность проявлений горного давления" и изменение газовыделения с участка. Шаг обрушения 3-го слоя равен 11-15 м, 4-го слоя 29-36 м. Исходя из этого при'торпедировании расстояние между скважина«! принимаем равным 14 м. Заряд в скважине должен быть расположен так, чтобы воздействие взрыва оказывало влияние только на те слои, которыми необходимо управлять, исходя из этого высота заложения нют-игго тсрцз заряда равна 35 м. Схема расположения скважин'диагональ ная двус торонняя.

Сущность разупрочнения пород кровли высоконапорным нагнетанием есды заключается в том, что снс значительно снижает их прочность и они легче обрушзктся. При воздействии на 3-й и 4-й слои расстояние между скважинами принимаем равны».) 34 м, исходя из'двух радиусов проникновения е оды от отдельной, скважины. Высота заложения скважин над угольным пластом - 25 м. Глубина скважин - 90-95 м, длина активной части - 35 м. Угол наклона к напластованию - 20°, разворота относительн: линии очистного забоя - 30°. Нагнетание производить не менее чем за 10 сут до подхода очистного забоя. Схема расположения скважин - диагональная двусторонняя.

Искусственное обручение наиболее значимых слоен приведет к''уменьшению интенсивности периодических проявлений горного давления и изменения газсвыделення с участка.

Разработанные рекомендации предложены для внедрения на ¡вахт* им. Горького производственного объединения "Донецку-гсль" при отработке разгрузочной лавы Н 2 пласта Ь7. Ожидаемый экономический эффект составляет около 5 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для угольной промышленности научной задачи установления взаимосвязи периодического характера проявлений горного давления с изменением газодинамики приэзбойной части угольного пласта и газоЕыделення с участка для обоснования способов комплексного управления этими процессами, обеспечивающих ?ф-

фектигную и безопасную работу в очистных забоях.

1. Подтвержден периодшеский характер смешении крсЕли очистных забоях и подготовительных выработках в зоне влияния очистных работ. Показано, что в зависимости от диалогического состава шаги обрушения слоев пород непосредственней и основной кровли изменяются от 2,0 м до 50-Е5 м.

2. Установлен периодический характер изменения газодинамики призабойной части угольного пласта и газовыделекия из очистного забоя, а периоды изменения совпадает о шагами обрушения слоев пород кровли. Это вызвано периодическим изменением напряженно-деформированного состояния угольного пласта и массива пород впереди очистного забоя при периодическом формировании, зависании и обрушении в выработанном пространстве консолей слоев непосредственной и основной кровли.

3. Установлено изменение начальной скорости газовыделения из шпуров по длине очистного забоя. При подвигании центральной разгрузочной лзеы пласта шз среднее по станции значение начальной скорости газоЕыделения из шпура в 20 м от выработанного пространства изменялось от 0,26 до 1,36 л/мин, в середине лавы от 0,20 до 0,88 л/мин, в 22 м от массива горных пород от 0,31 до 2,14 л/мин. Причиной этого является изменение напряженно-деформированного состояния призабойной части угольного пласта по длине очистного забоя.

* 4. Установлено, что при отработке пласта тз динамическую составляющую опорного давления формируют четыре слоя пород кровли, обрушзющиеся с шагами, м: 1,5-2,3; 7-8; 11-14; 28-36 в условиях шахты им. А.Ф.Засядько и с шагами, м: 9-10; 18-24; 27-34; 40-51 в условиях шахты им. В.М.Бажанова. Шаги их обрушения совпадают с периодами изменения газовыдедения с участка, равными, м: 2; 7; 15; 38 в условиях шахты им. А.Ф.Засядько и с периодами изменения начальной скорости га~ зовыделения из шпуров, равными, м: 7-10; 23-26; 31-35; 41-43 в условиях шзхты им. В.М.Бажанова. В условиях пласта Ь7 шахты им. Горького динамическую составляклцую опорного давления формируют три слоя пород кровли, обрушающиеся с шагами, м: 3-5; 8-18; 21-30. Шаги их обрушения совпадают о периодами изменения начальной скорости гаэовыделения из шпуров, равными, м: 4-5; 8-17; 22-28.

5. !укз<?!Ш, что создаваемые зависающими юнсолам:! под: перед напряженна Епередн очистного забоя распре-;:елясгс- волнообразно^ При подеигзнии очистного аабс-я пзме-рзг-«<=рь.' гзвнсачагг.х кок:одей слоев пород непссредс-tsvKH->ü и основной крогли приводят к тому, что впереди лавы -теукг различные по величине знакопеременные напряжения. ';-тст арсг,еи гедет к образованию впереди очистного забоя ?-•!{, к которым приурочены пкк:гие изменения значений прояа-Л:::п1 гсрв:гэ давление, «зчагангй скорости гзговцделения из ;:пур:=й и ггзоацзеленкд иг очистного забоя.

'i. Установлено, что на дол?: диналнесксй составляющей ""'-■рного давления приходится до 901 смещений кровли, а ее г.слл в изменения:-', начальной скорости гаговвделения иг ил/ров гаггныделенкя из. лзеы достигает 80*..

У. Показано, что в условиях пласта г.з наиболее значимы- . ни являются слои основной крсвли, представленные пе-гчаяк-ттцм .•лакцем и песчаником.. на долю которых приводится 43-65* см*-щений кровли и 42-i'?* изменений начальной скорости гзрсеыд?-.-.?нил из -лпурс-Е и гззсЕЫделенил иг счистнгго забоя. В услг-= гглагта h? наиболее значимыми являются слои основнок кровли, представленные песчанистыми сланца.«! с различной крепостью, на долю которых приводится до 7Q*. смещений кровли i: 60*."изменении начальной скорости гагевь^еления иг алурсв.

8. Показано, ц что снижение пнтенспвнегти перпод'.яегкогс :-'г.рлктерз проявлений горногс давления, игкенения гагсдпнзми-к.п прпгзбойиой части угольного пласта и гзгсЕЫделенпя с участка может быть достигнуто в помощью управления каг.бслее значимыми слоями порол крсвли.

9. Рекомендовано 2 Езргзятэ управления наиболее значимыми слоями пород кровли, вносящими основной в клал в формирование динамической составляющей опорного давления: 1) деление выработанного' пространства на части с пемогьк п:родных полос, расстояние между породными полосами г £г-рз?сгзннсм пространстве 35-55 м и ") искусственнее гбругенг.е перед крсвли с помощью торпедирования путем вгрызания ЕВ г скважинах, пробуренных из подготовительных выраСетск через 14 м под углом 20° к напластованию и высотой заложения нижнего торца заряда, равной 15 м, пли разупрочнения перед крсвли

высоконапорным нагнетанием воды о параметра'.«.'!: ра:<"Г'.чк::г мелду скважина».«» - 34 м, высота залеления ск.Еат.н над уголь • иш пластом - 25 м, глубина скважины - SO-35 м, дликз активной части - 35 м, угол наклона сквачин к наплэосоЕзнет -20°, угол разворота скважины относительно линии счи:тнсг: забоя - 30°.

10. Ожидземын экономический эффект от внедрения рекомендации в условиях пласта hy шахты им. Горького 1Ю "Донецку голь" составляет около 6 млн. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работав::

1. Горбунов С.Н. Периодический характер газоаыделения г очистном забое // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1993, вып. 4, С. 46-49.

2. Горбунов С.Н., Мзлнков В.В. Взаимосвязь газовыделения с периодическим характером проявлений горного давления // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГЕУ,

V

1994, вып. 4, с. 41-43.

/

Подписано в печать 23. II. 1994 г. Формат 60x90/16

Объём I печ.л. Тиран ICO экз. Заказ №

Типография Московского государственного горного университета. Ленинский проспект, 6