автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Определение безопасных параметров разработки угольных пластов под водными объектами

Дальневосточный Государственный технический университет

РГ6 од

„ Л..,, 1МИЧ На правах рукописи

L 7 util i,jJd

ШЕРЕМЕТИНСКИИ ОЛЕГ АНТОНОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОД ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ (НА ПРИМЕРЕ СЕВЕР0-ПАРТИЗАНСК0Г0 ЫЕСТОРОЯДЕНИЯ)

Специальности: 05.26.01 - Охрана труда и поварная

безопасность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных, ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата' технических наук

Владивосток 1993

Работа выполнена в Дальневосточном Государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Нисковский Ю.Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Скуба В.Н.

кандидат технических наук, доцент Апыхтин E.H.

Ведущее предприятие: институт "ДальвостННИпроект"

Защита диссертации состоится "У2" октября 1993 года в часов на заседании специализированного Совета

К 064.01.03 по присуждению ученой степени кандидата технически наук в Дальневосточном Государственном техническом университет по адресу: 690600, г." Владивосток, ул. Пушкинская, 33, ауд. ГС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университе

Автореферат разослан сентября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

Олишевский Й.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В основных угольных бассейнах России под водоемами,, водотоками и обводненными породами законсервировано до 102 балансовых запасов действующих шахт, причем в большинстве случаев эти запасы являются вскрытыми и подготовленными к выемке. Сокращение потерь угля в предохранительных целиках под водными объектами с учетом безопасности ведения горных.работ и их экономической целесообразности позволит значительно увеличить полноту использования недр и продлить сроки службы горнодобывающих предприятий.

Условия безопасной выемки угля под водными объектами регламентируются "Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок на угольных месторождениях", однако они недостаточно учитывают комплекс горно- и гидрогеологических особенностей конкретного месторождения и не рассматривают возможность-применения технологических схем выемки, исключающих или значительно сокращающих высоту зоны развития водопроводящих трещин.-

Опыт подработки водных объектов на шахтах Дальнего Востока показывает, что при наличии в покрывающей толще прочных и мощных породных слоев (пород-мостов) выемка угля под водными объектами может производиться с применением системы разработки камера-лава выше горизонта безопасной глубины, регламентируемой "Правилами охраны...". Однако имеющиеся методы расчета геометрических параметров данной системы разработки недостаточно учитывают многофакторность условий деформирования подрабатываемой толщи или вследствие громоздкости математического аппарата не находят практического применения.

Безопасность работ при выемке угля под водными объектами определяется не только устойчивостью породы-моста и вышележащих слоев, выполняющих водозащитные функции, но и состоянием непосредственной кровли в действующих камерах-лавах. Исключить внезапные обрушения пород непосредственной кровли позволяют инструментальные наблюдения, однако многообразие горно-геологических условий определяет необходимость разработки для каждого месторождения частной методики исследо-

ваний, содержание которой определяется спецификой свойств углепородного массива и принятой системы разработки.

На безопасность подработки водных объектов весьма значительное влияние оказывает тектоническая нарушенность, в той или иной мере свойственная всем угольным месторождениям. Существующие многочисленные классификации тектонических нарушений не позволяют произвести прогнозную оценку опасности дизъюнктивов в отношении прорывов воды в выработки шахт, так как базируются на признаках, не имеющих существенного значения при ведении горных работ под водными объектами.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является создание научно обоснованного подхода к определению условий безопасной выемки угля под водными объектами на месторождениях, представленных прочными вмещающими породами. Сформулированная цель работы определила постановку и решение следующих основных задач:

- анализ опыта разработки месторождений под водными объектами;

- анализ существующих методов расчета параметров камерных систем разработки;

- разработка расчетного метода определения геометрических параметров выемки угля под водными объектами, достаточно полно отражающего характер деформирования горного массива и доступного для использования в производственных условиях;

- установление зависимостей величин напряжений, возникающих в углепородном массиве при использовании системы разработки камера-лава, от комплекса влияющих факторов;

- разработка методики прогноза устойчивости непосредственной кровли в камерах-лавах Северо-Партизанского месторождения;

- разработка классификации тектонических нарушений, отражающей специфику условий выемки угля под водными объектами.

Для решения перечисленных задач применялись следующие методы исследований: анализ научо-технической и нормативной литературы; научное обобщение опыта разработки угольных пластов под водными объектами: методы математического моделирования на ЭВМ; методы теории упругости; метод промышленных экспериментов.

На защити выносятся следующие положения, имеющие научную новизну:

- методика аналитического исследования напряженного состояния горного массива для определения устойчивых пролетов пород покрывающей толщи и размеров междукаыерных целиков при разработке угольных месторождений под водными объектами на малых глубинах;

- экспериментально-аналитический метод прогноза устойчивости непосредственной кровли в очистных выработках типа камер-лав;

- классификация тектонических нарушений и их влияние на условия подработки водных объектов.

Обоснованность и достоверность научны* положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждаются;

- значительным объемом шахтных инструментальных исследований характера деформирования углевмещанщего массива (произведено свыше 4000 замеров);

- обоснованностью принятых в теоретических исследованиях допущений, не оказывающих существенного влияния на результаты расчета напряжений в горном массиве;

- удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментально определенных параметров деформированного состояния кровли очистных выработок;

- промышленным внедрением предлагаемых технических решений.

Практическая ценность работы;

- предложены методы определения геометрических параметров системы разработки угольных пластов, позволяющие значительно снизить безопасную глубину выемки полезного ископаемого под водными объектами на месторождениях с преобладанием прочных вмещающих пород;

- разработаны практические рекомендации на выемку свыше 1,5 млн. т угля из предохранительных целиков под водотоками Северо-Партизанского месторождения.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы при выполнении программ научно-исследовательских работ по трем темам на шахте "Авангард" ПО "Приморскуголь". Внедрение результатов исследований позволило извлечь из предохранительного целика под поймой р. Белая свыше 50 тыс. т

угля. Проведение инструментальных наблюдений за состоянием непосредственной, кровли в очистных выработках способствовало сокращению объема подготовительных работ и дополнительному извлечению свыше 4 тыс. т угля за счет увеличения ширины камер-лав и уменьшения количества междукамерных целиков в выемочных столбах шахты "Авангард".

Теоретические положения диссертационной работы используются на горном факультете Дальневосточного Государственного технического университета в программе курса 'Управление состоянием массива горных пород", в курсовом и дипломном проектировании, а также в институте "ДальвостНИИпроект".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Дальневосточного Государственного технического университета ( г.Владивосток, 1992 г.); на заседаниях ученого совета горного факультета Дальневосточного Государственного технического университета; на технических совещаниях шахты "Авангард" ПО "Приморскуголь".

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 145 страницах, содержит 24 рисунка, 6 таблиц, список использованной литературы из 84 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одним из путей сокращения потерь угля в предохранительных целиках является уменьшение безопасной глубины подработки водных объектов, при которой зона водопроводящих трещин, образующаяся над выработанным пространством, не достигает нижней границы водного объекта. Различные аспекты этого вопроса освещены в работах С.Г.Авершина.А.М.Безгина, Б.В.Бокия, Е.В.Бо-шенятова, Б.Я.Гвирцмана, Н.Н.Кацнельсона, И.М.Ксенды, А.П.Филиппова, Ю.Н.Нисковского, А.Н.Омельченко, 3.И.Поляка. Н.И.Ми-тичкиной, И.В.Хохлова, Н.А.Малагинова, Ю.П.Вокина, А.В.Ягупо-ва и других. В большинстве работ исследуется влияние горногеологических факторов на характер и высоту зоны трещинообра-зования в покрывающей толще при работах с обрушением пород и

недостаточно учитывается возможность изменения технологической схемы выемки, в частности, применения системы разработки камера-лава, позволяющей исключить запредельные деформации горного массива и значительно уменьшить безопасную глубину подработки водных объектов.

Основанием для принятия положительного решения о возмоя-ности применения системы разработки камера-лава является наличие в покрывающей толще слаботрещиноватых породных слоев, обладающих большой яесткостью на изгиб. При определенных размерах выработанного пространства использование несущей способности таких слоев создает благоприятные условия для ведения очистных работ без существенного увеличения проницаемости горного массива, являющейся одним из решающих факторов при подработке водных объектов на малых глубинах.

Кровля камер-лав подвергается деформациям изгиба, сопровождающимся возникновением нормальных (растягивающих и снимающих) -и касательных напряжений. Вследствие физической анизотропии горных пород наибольшую опасность для устойчивости слоев подрабатываемой толщи представляют, как правило, растягивающие напряжения, обусловливающие зарождение и развитие процесса трещинообразования. В обычных условиях допускаются нарушения сплошности массива в некоторых локализованных областях, где уровень напряженного состояния превышает прочностные параметры горных пород. При подработке водных объектов образование в покрывающей толще трещин такае не повлечет немедленную потерю кровлей своей несущей способности. Этому будут препятствовать значительные силы трения по поверхностям контактов породных блоков. Однако ввиду длительности действия нагрузки, возможности фильтрации по образовавшимся трещинам воды, оказывающей негативное влияние на физико-механические свойства массива, и дальнейшего опускания кровли площади контактов по трещинам будут уменьшаться, а давление на них увеличиваться. В результате смятия горных пород под действием высоких контактных напряжений в конце концов произойдет их разрушение. Если в обычных условиях применение камерных систем разработки требует поддержания кровли лишь в течение ведения очистных работ в камере, то подработка водных объектов связана с необходимостью сохранения кровлей своей устойчивости на протяжении весьма длительного времени. В этом случае следу-

ет считать предельным такой пролет камеры-лавы, при котором расстягивающие напряжения в слоях подрабатываемой толщи не превышают соответствующих длительных прочностных параметров пород.

При использовании системы разработки камера-лава устойчивость пород покрывающей (толщи в значительной степени определяется такяе состоянием междукамерных целиков. Существующие инженерные методы расчета угольных целиков исходят из предположения равномерного распределения нагрузки на целики в их поперечных сечениях. В действительности краевые зоны целиков воспринимают не только литостатическое давление породной толщи, но и дополнительные нагрузки вследствие разности величин изгиба кровли над кромками целиков и их средними частями. Превышение максимумом опорного давления предела длительной' прочности угольного пласта вызывает отжим краевых зон целика, уменьшение его эффективной ширины и увеличение нагрузки на центральную часть целика. Развитие этого процесса во времени приводит к увеличению фактического пролета кровли и ее дополнительному прогибу, что обусловливает рост напряжений, интенсивное трещи-нообразование и, в конечном итоге, обрушение породной толщи и прорыв воды в камеру-лаву. С учетом вышеизложенного становится очевидным следующее условие безопасной выемки угля под водными объектами: максимум опорного давления, являющийся функцией ширины камеры-лавы, не должен превышать предела длительной прочности угля на сжатие.

Таким образом, определение безопасных параметров подработки водных объектов на малых глубинах предполагает необходимость детального исследования напряженного состояния горного массива. Существующие методы расчета напряжений в.кровле и ее опорного давления для слоистой толщи весьма сложны и поэтому не находят применения в инженерной практике * Ниже предлагается разработанный автором под руководством Ю.Н.Нисковского и В.Г.Лабазина приближенный метод расчета напряжений в углепо-родном массиве, позволяющий с достаточной для практических целей точностью установить безопасные параметры подработки водных объектов.

Расчетная схема представлена на рис.1. Рассмотрим основной исходный случай, когда длина камеры-лавы в два и более раза превышает пролет кровли очистной выработки. При этом для сред-

р

1 1 111Ш 1 1 1 1 III 1 1 1 К 1 1

% 1 ^ Е*< й р 1

1

--------,------——1

- 1 ^ * * ! сг Л СУ)

1

-------,------

—с -ттпША 1 РтаЛ 1 Ртй* О С„ 1 <£ 0 к ^ 1Ипг % (У)

'///////////////У/ ® 1 > ¿ \ ®

Рис.!. Расчетная схема к определению напряжений в горном массиве

ней части камеры задачу допустимо рассматривать в плоской постановке. Расчет производится при следующих допущениях: а) деформации массива малы и происходят в пределах применимости закона Гуна; б) слои свободно проскальзывают один относительно другого: в) разрабатываемый пласт рассматривается как упругое основание с некоторым коэффициентом жесткости К ; г) в каждом слое кровли выполняется гипотеза Бернулли.

Введем обозначения: и - угол поворота, У г вертикальное перемещение поперечного сечения слоя. В работах Н.Н.Кайдалова, В.Г.Лабазина, Ю.Н.Нисковского и А.А.Борисова показано, что этим величинам удовлетворяет система дифференциальных уравнений

Би'-бЬШ + и-'ЬО; бЬСи'+Щ-КЫ+^О.

где Б - обобщенная цилиндрическая жесткость покрывающей толщи; 6Ь - обобщенная жесткость покрывающей толщи на сдвиг; с^ - интенсивность нагрузки на породную толщу.-Штрихами обоз-

начено дифференцирование по горизонтальной координате X.

Система уравнений (I) может быть решена различными методами. В частности, ее моано свести к одному уравнению относительно прогиба:

.""-¿К*

Для упрощения расчетов принимаем, что по всей поверхности контакта кровли с пластом К=соп$Ь. Это предположение, как показывают расчеты с учетом краевой нарушенности пласта, приводит к некоторому завышению значений максимума опорного давления (до 302). На напряжения в слоях кровли величина К влияет незначительно, форма зависающей части от К практически не зависит. В этих предположениях максимум опорного давления находится по формуле Г» -1/1 г

Гтах ~ ГЧ V, (о)

где 17 - оседание кровли на кромке пласта (в точке 0).

Горизонтальные смещения точек кровли считаем линейными функциями расстояния от нейтральной оси. Тогда в соответствии с законом Гука нормальные горизонтальные напряжения Ох в породных слоях определяются по формуле

(г Ех Г--Бх—, ГТ" У (4)

где £х - относительная деформация по оси X; У - вертикальная координата точки слоя: Е* и ^ - упругие постоянные рассматриваемого слоя.

Максимальные растягивающие напряжения на поверхности слоя получим, приняв в формуле (4) вертикальную координату У разной Ь/2, где Ь - мощность слоя. Для нахождения величин I/ и и в формулах (3) и (4) нужно получить решения системы (1), отвечающие зависающей и лежащей частям кровли. Эти решения должны быть ограничены на бесконечности и удовлетворять условиям сим-' метрии для зависающей части. В точке 0 должны выполняться условия непрерывности Ц'.и , Би', Си". Проведение соответствующих вычислений позволяет получить для максимума опорного давления В««« и максимальных растягивающих напряжений на поверхности -го слоя (н следующие формулы:

~ Ежи Ыъ ( - А- \

где т-^; (7)

2 КИ

Участвующая в формулах (5) и (6) переменная £ является эквивалентным пролетом фиктивной балки-полоски. Так как кровля очистной выработки подвергается объемной деформации, а не плоской, реальный пролет камеры-лавы 1_ должен определяться с учетом различия в деформировании плит и балок, например, по формуле В.Д.Слесарева

I—Ц-, •

а-1

где С1 - длина камеры-лавы.

Реализация приведенного выше расчетного метода в исследовательском режиме на ЭВМ с целью установления закономерностей формирования напряженного состояния горного массива в окрестности камер-лав позволила сделать следующие выводы:

1. Степень влияния отдельно взятого фактора не постоянна и зависит от абсолютных величин других влияющих факторов.

2. При расчетах напряжений в горном массиве наибольшее значение имеет правильное разделение породной толщи на отдельные слои. Это, во-первых, определяет выделение пачки совместно прогибающихся слоев (по их жесткости) и, во-вторых, даже при постоянной мощности такой пачки оказывает существенное влияние на окончательные результаты расчета. Так, увеличение мощностей породных слоев с 2 до 4 м (и, следовательно, двукратное уменьшение количества слоев) при неизменной общей мощности совместно деформирующейся толщи приводит к занижению расчетных напряжений в кровле и ее опорного давления на 37 и 322 соответственно.

3. В меньшей степени (н иВма*зависят от модуля деформации породных слоев: при уменьшении этого показателя в два раза напряжения в слоях кровли уменьшаются, а опорное давление увеличивается на 11-13 и 16-232 соответственно. Также качественно различное влияние на величины 01 и Рта* оказывает коэффициент жесткости угольного пласта: двукратное уменьшение К приводит к возрастанию растягивающих напряжений на 15-172 и уменьшению

опорного давления на 11-14И.

4. Влияние .средневзвешенного коэффициента Пуассона на результаты расчета весьма незначительное - не более 32 при изменении в диапазоне от 0,1 до 0.4.

Нчет изложенных полояений необходим, в частности, для оценки возможной погрешности результатов расчета, обусловленной значительной неопределенностью исходной горно-геологической информации.

Приведенная выше методика расчета параметров системы разработки камера-лава позволяет исключить аварийные ситуации, связанные с прорывами воды в горные выработки. Однако в действующих камерах-лавах большую опасность для людей и добычного оборудования представляют также внезапные обрушения пород непосредственной кровли, во многих случаях деформирующейся в независимом от вышележащей толщи режиме. В этих условиях большую практическую значимость приобретает знание основных закономерностей процессов деформирования пород в окрестности камеры-лавы с целью прогнозирования и управления горнотехнической.ситуацией на добычном участке.

Изучению устойчивости породных обнажений посвящены работы многих исследователей, в частности, А.А.Борисова, В.Н.Скубы, Г.Л.Фисенко, В.Г.Кошомкина, В.И.Рухмакова, М.А.Борисовой, И.В.Баклашова, Ф.П.Глуши^ина, В.С.Ямщикова, К.В.Руп-пенейта и других. Проведенные исследования позволили сформулировать общие методические принципы прогноза развития геомеханических процессов в очистных выработках, а также получить ряд эмпирических зависимостей, отражающих геологические и горнотехнические условия проведения эксперимента. Однако многообразие применяемых систем разработки и большой диапазон изменений свойств углевмещанщих массивов обусловливают специфические особенности в проявлениях горного давления, которые требуют разработки в каждом случае специальной частной методики исследований.

С целью выявления критерия предпосадочного состояния непосредственной кровли и установления его критической величины в очистных выработках Северо-Партизанского месторождения нами были проведены инструментальные наблюдения за характером сдвижения горных пород в камерах-лавах иахты "Авангард" ПО "Приморскуголь". Широкое применение на месторожде-

нии системы разработки камера-лава обусловлено высокой степенью тектонической нарушенное™ шахтных полей и наличием в покрывающей толще прочных и мощных породных слоев, склонных к зависанию на значительных площадях.

Каждая камера-лава на участках наблюдений оборудовалась реперными станциями, образующими вдоль короткой оси выработки профильные ряды. В зависимости от длины камеры-лавы количество рядов составляло от одного до трех при общем числе станций от 12 до 30 в одной камере. С помощью индикаторной стойки СУИ измерялись величины абсолютного смещения кровли, служившие основой для расчета производных от них характеристик. Периодичность снятия замеров определялась как . пролетом обнаженной кровли, так и ее состоянием, и варьировалась от 2-3 суток до нескольких часов между двумя замерами.

В общей сложности наблюдениями были охвачены двенадцать камер-лав на пластах п2ь и п, . Тектонические нарушения отсутствовали в девяти очистных выработках, что предопределило возможность их объединения по этому признаку в одну группу для выявления общих закономерностей деформационных процессов в горном массиве.

Наблюдения показали, что величины абсолютного прогиба кровли и скорости ее опускания вследствие большого разброса значений не могут быть использованы для прогноза устойчивости породных обнажений. Коэффициенты вариации названных параметров на участках наблюдений составили'23 и 362 соответственно. Значительно более надежным критерием предпосадочного состояния непосредственной кровли является радиус кривизны ее изгиба в середине -камеры-лавы R, коэффициент вариации которого составил менее 8У. при средней абсолютной величине R= = 573 м и диапазоне изменений от 520 до 630 м.

До проведения инструментальных наблюдений ширина камер-лав по пластам п7 и п2в изменялась в пределах 15-25 м, а ширина междукамерных целиков - 4-8 м. Геометрические параметры системы разработки принимались произвольно, что в одних случаях приводило к длительному (в течение нескольких месяцев) сохранению непосредственной кровлей своей устойчивости, а в других - к внезапному обрушению пород в действующей очистной выработке, сопровождавшемуся потерей добычного оборудования и нарушением нормального ритма горных работ. Анализ причин

возникновения аварийных ситуаций, связанных с внезапными посадками кровли, подтвердил известное положение о негативном влиянии на устойчивость породных обнанений длительных и многократных перерывов в ведении очистных работ, приводящих к достижению породами кровли состояния предельного равновесия при относительно небольших пролетах.

Использование в качестве критерия предпосадочного состояния непосредственной кровли критической величины радиуса кривизны ее изгиба в средней части камеры-лавы, ■ с учетом некоторого коэффициента запаса принятого равным 700 м, и исключение длительных простоев очистных забоев позволило обеспечить на участках наблюдений безаварийную разработку пластов и увеличить ширину камер-лав в среднем до 30 м. Это способствовало сокращению объема подготовительных работ и дополнительному извлечению свыше 4 тыс. т угля за счет уменьшения количества междукамерных целиков.

Для непосредственного определения R плотность заложения наблюдательных станций должна быть достаточно высокой, что не' всегда оказывается возможным вследствие местного ослабления кровли, колебаний мощности пласта, загроможденности при-забойного пространства и т.д. Кроме того, в условиях СевероПартизанского месторождения ширина камер-лав изменяется в большом диапазоне значений, поэтому установить геометрическое место точек с максимальным прогибом до окончания отработки камеры не представляется возможным.

Исключить указанные недостатки позволяет разработанный нами экспериментально-аналитический метод прогноза критического состояния непосредственной кровли в действующих камерах-лавах. Реализация метода предполагает заложение всего лишь двух реперных станций на срединной профильной линии изгиба кровли, причем точки размещения станций по этой линии строго не регламентированы; единственным условием является необходимость расположения станций по одну сторону от длинной оси камеры-лавы.

По измеренным абсолютным смещениям кровли в местах заложения наблюдательных станций определяется радиус кривизны изгиба пород в середине камеры-лавы с помощью формулы

р Гка-Х,»2- Ш1-Щ\ ш

1гй У

где -С - ширина камеры-лавы на текущий момент времени: Х< и X* - расстояния до ближнего целика от станций 1 и 2 соответственно; дУ - модуль разности абсолютных смещений кровли в точках расположения станций 1 и 2.

Формула (8) получена на основе решения дифференциального уравнения изгиба кровли в совокупности с геометрическими построениями и экспериментальными исследованиями.

,Для фиксации полных смещений кровли реперные станции закладываются у груди очистного забоя, после чего снимается первый отсчет. В условиях Северо-Партизанского месторождения при ширине камеры-лавы до 15 м регулярное проведение замеров может не осуществляться (полагая такой пролет заведомо устойчивым). При большей ширине очистной выработки измерения должны быть ежесуточными, так как величина прогиба кровли в середине камеры-лавы пропорциональна четвертой степени ее ширины. При достижении (? критического значения очистные работы в камере должны быть прекращены.

Сопоставление расчетных и экспериментально определенных значений й показало их удовлетворительную сходимость: максимальная погрешность расчета по формуле (8) составила 13%, что позволяет рекомендовать рассматриваемый метод прогноза предпосадочного состояния непосредственной кровли для практического применения.

Партизанский бассейн в тектоническом отношении является одним из сложнейших месторождений России. Наибольшее влияние на условия ведения горных работ оказывают дизъюнктивные нарушения, обусловливающие повышенную опасность массовых обрушений пород, горных ударов, внезапных выбросов угля и газа и других вредных проявлений горного давления. При подработке водного объекта негативное влияние тектонических разрывов резко усиливается возможностью прорыва воды в выработки шахты по сместителю дизъюнктива или через зоны сквозной трещи-новатости и обрушения породной толщи, образовавшиеся в результате ослабления горного массива нарушениями.

Многообразие типов разрывных форм тектоники обусловливает необходимость дифференцированного подхода к оценке осложняющего влияния дизъюнктивов на условия подработки водных объектов. Существующие многочисленные классификации тектони-

ческих нарушений, основанные на признаках генезиса, морфологии, геометрических параметрах нарушений, их переходимости очистными забоями и т.д., не отражают специфики условий выемки угля под водными объектами и поэтому не могут быть использованы для принятия обоснованных технико-технологических решений. Анализ практики подработки водных объектов в условиях тектонической нарушенности показывает, что решающее значение в контексте обсуждаемой проблемы имеют пространственное расположение тектонического разрыва и фильтрационные свойства подрабатываемых породных слоев. Ниже предлагается разр.аботанная нами классификация тектонических нарушений, позволяющая произвести прогнозную оценку опасности дизъюнк-тива в отношении возможных прорывов воды в горные выработки.

В основу классификации положен бинарный принцип, предполагающий наличие основного и дополнительного классификационных признаков, В качестве основного признака принято расположение тектонического нарушения относительно породы-моста в вертикальном разрезе подрабатываемой толщи, дополнительным признаком является наличие или отсутствие гидравлической связи нарушения с водным объектом. В соответствии с принятыми классификационными признаками тектонические нарушения подразделяются на следующие группы и подгруппы:

I. Тектонические нарушения, имеющие развитие в непосредственной кровле и (или) нижележащих слоях.

II. Тектонические нарушения, локализованные в пределах покрывающей породу-мост толще:

а) не имеющие гидравлической связи с водным объектом;

б) имеющие гидравлическую связь с водным объектом.

III. Тектонические нарушения, пересекающие породу-мост:

а) не имеющие гидравлической связи с водным объектом;

б) имеющие гидравлическую связь с водным объектом. Дизъюнктивы группы I (рис.2,а) не оказывают существенного влияния на водопроявления в горных выработках; подработка водного объекта в этом случае возможна, однако ширина камеры-лавы должна устанавливаться с учетом ослабления нарушениями горного массива. Изучение планов горных выработок по ранее отработанным участкам шахтных полей Северо-Парти-занского месторождения показало, что предельный пролет непосредственной кровли, пораженной тектоническими нарушениями.

Рис.2. Примеры геологических разрезов горных массивов, пораженных тектоническими нарушениями группы I (а) и подгрупп II,а (б), 11,6 (в), III,а (г), III,б (д): I - водный объект; 2 - тектонические нарушения; 3 - водопроницаемые четвертичные отложения; 4 - водоупорные глины; 5 - песчаники; б,- уголь.

в первом приближении может быть определен с помощью коэффициента ослабления Ко, принимающего следующие .значения: при наличии в кровле очистной выработки одного нарушения Ко=0,8, при двух нарушениях Ко=0,6, при трех разрывах (или двух, пересекающихся под острым углом) Ко=0.3. Если очистными работами в камере вскрыто три и более пересекающихся разрыва, то аварийные ситуации с большой степенью вероятности возможны при весьма малых пролетах кровли - 5-8 м.

При наличии в покрывающей толще тектонических разрывов подгруппы II,а (рис,2,б) подработка водоемов и водотоков возможна: ограничивающим фактором, кроме напряжений в породе-мосте, являются напряжения в слоях, залегающих выше тектонического нарушения.

Разрывные дислокации подгруппы II,б (рис.2,в) в значительной степени изменяют фильтрационные свойства горных пород и снижают прочностные и деформационные характеристики массива. Подработка водных объектов возможна при высоких водоупорных свойствах породы-моста.

Нарушения группы III являются наиболее опасными в отношении прорывов воды в горные выработки, так как поражают основной грузонесущий элемент массива - породу-мост. Тектонические разрывы подгруппы III,а (рис.2,г) допускают подработку при учете следующих обстоятельств: 1) сдвижение породных слоев, изолирующих выработанное пространство от водного объекта, должно исключать запредельные деформации, приводящие к потере этими слоями водоупорные свойств: 2) нарушение, .пересекающее породу-мост, превращает его* в две плиты, опертые по трехстороннему контуру, что предопределяет качественно иной характер деформирования породы-моста и уменьшение его предельного пролета.

Дизъюнктивы подгруппы 111,6 (рис.2,д) исключают возможность безопасного ведения очистных работ под водными объектами и требуют оставления у их сместителей предохранительных целиков. С целью предотвращения внезапного вскрытия разрывов данной подгруппы подготовительными выработками проходка последних должна производиться с бурением опережающих скважин.

Проведенные нами комплексные исследования позволили сформулировать методические принципы обеспечения безопасной выемйи угля под водными объектами на малых глубинах. Обосно-

вание возможности и определение геометрических параметров разработки угольных пластов выше горизонта безопасной глубины, регламентируемой действующими "Правилами охраны...", предлагается осуществлять в следующей последовательности:

1. Изучаются деформационные, прочностные и фильтрационные свойства породных слоев, подстилающих водный объект. Устанавливается степень ослабления горных пород под воздействием воды.

2. На основе изучения геологического разреза и сопоставления цилиндрических жесткостей породных слоев выявляется порода-мост, несущую способность которого предполагается использовать для уменьшения деформации вышележащих слоев. .

3. По изложенному в настоящей работе расчетному методу определяется предельный пролет породы-моста, при котором растягивающие напряжения в нем и вышележащих слоях, а также максимум опорного давления в целике не превышают соответствующих длительных прочностных параметров грузонесущих элементов массива. При благоприятном для подработки литологическом строении породной толщи допускаются запредельные деформации отдельных слоев, залегающих выше породы-моста и перекрытых во-доупорами, сохраняющими свои водозащитные свойства и после подработки.

4. Устанавливается минимальная безопасная глубина подработки водного объекта, исключающая нахождение породы-моста в зоне выветривания. При склонности породы-моста к значительному ослаблению под действием воды безопасная глубина определяется из условия перекрытия породы-моста водоупорным слоем.

5. Изучается тектоническое строение участка ведения работ и устанавливается осложняющее влияние разрывных форм тектоники на условия подработки водного объекта.

6. На основе инструментальных наблюдений устанавливается критическая величина радиуса кривизны Я породных слоев, соответствующая предельному состоянию непосредственной кровли. При достижении радиусом кривизны Я в средней части обнажения критического значения горные работы в очистной выработке должны быть прекращены.

Изложенные положения были реализованы при отработке предохранительного целика по пласту п« под поймой р. Белая на шахте "Авангард" ПО "Приморскуголь". Выемка угля осуществля-

лась от тектонического нарушения подгруппы III,б, у которого был оставлен целик шириной 12 м. Глубина подработки изменялась от 137 до 85 м, средняя вынимаемая мощность пласта составляла 2,6 м. Ширина камер-лав колебалась от 15 до 22 м в зависимости от наличия мелкоамплитудных нарушений в непосредственной кровле очистных выработок.

Подработка водотока прошла успешно, что позволило дополнительно извлечь из предохранительного целика свыше 50 тыс. т угля. По окончании отработки камер-лав значительных деформаций пород основной кровли не наблюдалось, о чем свидетельствовала постоянная величина водопритока на участке за весь период работ, составлявшая 2-3 м/ч. Отсутствие увеличения водопритока следует объяснить исключением запредельных деформаций подрабатываемых породных слоев, что подтверждает правомерность использования предложенного аналитического метода расчета напряжений в горном массиве для определения безопасных параметров подработки водных объектов.

На основе изучения геологических разрезов, исследований физико-механических свойств вмещающих пород и проведения многовариантных, расчетов нами разработаны практические рекомендации по выемке угля из предохранительных целиков под водотоками Северо-Партизанского месторождения, реализация которых позволит дополнительно извлечь свыше 1,5 млн. т угля (табл.1).

Таблица 1-

Безопасные параметры разработки угольных пластов под водными объектами Северо-Партизанского месторождения при отсутствии тектонических нарушений

Пласт Запасы угля в предохранительных целиках, тыс. т Ширина камер-лав, м Ширина междукамерных целиков,и Минимальная глубина разработки, м Извлекаемые. запасы, тыс. т

«26 2100 22 10 85 650

Пю.Пго Дм.Ди 2900 25 10 ' 70 900

Изложенные в диссертационной работе результаты исследований могут найти.практическое применение на Нгачинском и Уг-

легорском месторождениях Сахалинской области, где в предохранительных целиках под водными объектами законсервировано около 2,25 млн. т высококачественного угля, а также при составлении горно-геологического и горнотехнологического обоснования возможности подземной разработки полезных ископаемых в зоне океанского шельфа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи определения безопасных параметров подработки водных объектов на угольных месторождениях, представленных прочными вмещающими породами.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлены критерии предельного состояния элементов горного массива при разработке угольных пластов на малых глубинах. Такими критериями являются: для породы-моста и вышележащих слоев - максимальные растягивающие напряжения, для междукамерных целиков - максимум опорного давления, для пород непосредственной кровли - радиус кривизны в средней части обнажения,

2. Разработан и внедрен в условиях Северо-Партизанского месторождения инженерный метод расчета напряжений в слоистом массиве, позволяющий с достаточной для практики точностью определить безопасные параметры подработки водных объектов.

3. Установлены закономерности формирования напряженного состояния горного массива при использовании системы разработки камера-лава, позволяющие ориентировочно оценить возможную погрешность результатов расчета напряжений, обусловленную значительной неопределенностью исходной горно-геологической информации.

4. Разработан и апробирован на шахте "Авангард" ПО "При-морскуголь" экспериментально-аналитический метод прогноза предпосадочного состояния непосредственной кровли в действующих камерах-лавах, позволяющий обеспечить безопасную выемку угля при минимальном объеме работ по организации наблюдений за деформационными процессами в горном массиве.

5. Разработана классификация тектонических нарушений,

позволяющая произвести прогнозную оценку осложняющего влияния разрывных форм тектоники на условия подработки водных объектов.

6. Предложены методические принципы обоснования возможности и определения геометрических параметров разработки угольных пластов выше горизонта безопасной глубины, регламентируемой действующими "Правилами охраны.,.".

7. Внедрение результатов исследований позволило обеспечить безопасную выемку свыше 50 тыс. т угля из предохранительного целика под р. Белая на шахте "Авангард" ПО "Прймор-скуголь". Использование рекомендаций по уменьшению глубины подработки водных объектов Северо-Партизанского месторождения позволит дополнительно извлечь свыше 1,5 млн. т угля и значительно продлить сроки службы горных предприятий.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора:

1. Разработка угольных пластов под водными объектами в условиях тектонической нарушенности// В сб.Вопросы разработки месторождений Дальнего Востока. Владивосток: ДВПИ, 1990. С.3-8 (соавторы Ю.Н.Нисковский, В.Г.Кошомкин. В.И.Чеботкевич).

2. Выбор рациональных параметров системы разработки на шахте "Авангард" с помощью инструментальных наблюдений // Тезисы докладов ХХХиХ Студенческой научно-технической конференции. Владивосток: ДВПИ, 1992. С.16.

3. Исследование напряжений и опорного давления слоистой кровли вариационным методом// Управление состоянием массива горных пород: Учеб. пособие, подраздел 1.5. Владивосток: ДВГТУ, 1993. С.25-33 (соавторы Ю.Н.Нисковский, В.Г.Лабазин).

4. Определение рациональных параметров камерной системы разработки аналитическим методом// Тезисы докладов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава.

Владивосток: ДВГТУ, 1993. С.22-23.