автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка мероприятий по повышению устойчивости кровли в лавах с индивидуальной крепью при выемке тонких крутых пластов Донбасса на глубоких горизонтах

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

Государственное предприятие научно-исследовательский институт горной гаоыеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ)

Р Г Б од На правах рукописи

1 7 OKI

Горный инженер ЛИВЕНЬ Юрий Анатольевич

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ КРОВЛИ В ЛАВАХ С ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КРЕПЬЮ ПРИ ВЫЕМКЕ ТОНКИХ КРУТЫХ ПЛАСТОВ ДОНБАССА НА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ

Специальность 05.15.02

Подзецная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 199^

Работа выполнена в Государственной предприятии научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ( ВНИМИ ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ВОСКОБОЕВ Фридрих Николаевич

доктор технических наук, профессор А1ЩАШЕВ Константин Аркадьевич

кандидат технических наук, доцент ВАСИЛЬЕВ Анатолий Васильевич

Ведущее предприятие:

ПО "Орджоникидзеуголь"

Защита состоится _199<* г. в " ¿о "час,

на заседании диссертационного Совета Д.135.06.01 при Государственном предприятии научно-исследовательский институт горной геоиеханики и маркшейдерского дела ( ВНИМИ ) по адресу: 199026, г.С.-Петербург, В-26, Средний пр., 82, зал заседаний Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института с 9 до 15 час. 30 мин.

Автореферат разослан " Зр » СШгЯ&ТрЗ 199^ г. Исх. № /СО- ¿-Ц Ц

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук, профессор

в.м.шик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в ЦРД только в 15% очистных забоев применяются механизированные крепи и щитовые агрегаты. Подавляющее большинство пластов отрабатывается комбайновыми и молотковыми давани с индивидуальной н ре пью. Анализ работы указанных очистных забоев показал, что традиционно применяемые паспорта крепления не отвечают усложнившимся горно-геологическим условиям. С увеличением глубины разработки разно снизилась устойчивость непосредственной кровли, возросли параметры и интенсивность отжима угля, что осложнило ведение горных работ и привело и росту аварийных ситуаций в лавах. Вэкоаандации, основанные на повышении удельного сопротивления призабойной крепи (плотности крепления), на дали положительного технического аффекта и, как правило, способствовали резному увеличению трудоемкости и расходу весьма дефицитного крепежного материала. Ниаиая эффективность применяемых технических решений связана, в первую очередь, с недостаточной изученностью гесмеханичесяих процессов, протекающих в горной массиве в окрестности лавы, особенно в призабойной части пласта и породах непосредственной кровли. В связи с этим, изыскание и обоснование технических решений, направленных на повышение устойчивости кровли в призабойной пространстве лав с индивидуальной нрепьи,являетея актуальной научно-технической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.

Диссертация является составной частью исследований, начатых в 198^ году ВНИМИ с участием автора по темам:

1) 023900^000 - "Разработка единых отраслевых указаний по управлению горным давлением в очистных забоях угольных шахт" (» госрегистрации 01870001103);

2) 0102001000 - "Разработка наталога типовых условий экспг-луатации механизированных комплексов на пологонаклонных (до 35°) пластах, применение комплексной механизации и других технологий на пластах крутого падения (более 35°)" (Й госрегистрации 01890010610).

Цель работы - повышение эффективности и безопасности ведения очистных работ при выемке тонких крутых угольных пластов лавами по простиранию с индивидуальными крепями.

Идая работы заключается в использовании активных способов управления напряженно-деформированным состоянием массива индивидуальной крепью для повышения устойчивости непосредственной нровди в зоне отжима угля.

Задачи исследований:

1) исследовать и установить закономерности формирования напряжённо-деформированного состояния призабойной области пласта и непосредственной кровли в зависимости от состава, структуры, физико-механических свойств и влияния очистных работ;

2) установить закономерности влияния на напряженно-деформированное состояние призабойной области угольного массива и пород непосредственной кровли параметров механической характеристики индивидуальных крепей и паспортов крепления;

3) разработать методику выбора и расчета параметров паспортов крапления индивидуальными крепями в лавах на пластах с неус-тойчивьши кровлями.

Методика исследований включала в себя анализ геологических и горно-технических условий залегания шахтопластов в зависимости ог глубины ведения горных работ, анализ и обобщение опыта управления кровлей в давах с механизированной и индивидуальной крепью, шахтные и лабораторные исследования напряженно-деформированного состояния призабойной зоны угольного пласта и непосредственной кровли с последующей статистической и математической обработкой полученных результатов для установления взаимозависимостей и закономерностей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) в зоне опорного давления в результате действия напряже-*ний, величина которых превышает прочность угольного пласта, происходит разрушение краевой части забоя, протяженностью по простиранию равной, примерно, двум мощностям вынимаемого пласта;

2) над зоной отжима угля непосредственная кровля на высоту до двух мощностей вынимаемого пласта приходит в неустойчивое состояние;

3) сопротивление крепи необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечивалось устойчивое состояние призабойного пролета непосредственной кровли с учетом ширины зоны отжима угля.

Научная новизна работы заключается:

1) в установлении функциональной связи между шириной зоны отжима угля, мощностью пласта и прочностью угля; . .

2) в выявлении связи параметров разрушения толщи кровли над зоной отдима угля от мощности и прочности угольного пласта;

3) в установлении взаимосвязи между сопротивлением приза-бойной крепи, шириной зоны отжима и мощностью разрушающихся пород кровли над этой зоной.

Личный вклад автора;

1) разработана комплексная методика и программа шахтных и лабораторных исследований применительно к специфике решаемых задач;

2) установлены закономерности формирования дезинтеграцион-ных процессов в призабойной области угольного пласта и непосредственной нровли;

3) разработана методика расчета паспортов крепления лав с неустойчивыми кровлями.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом шахтных инструментальных наблюдений на 4-х шахтопластах (более 5000 замеров), математическим моделированием 200 фактических паспортов крепления лав и опытно-промышленной проверкой рекомендуемых паспортов нрэпления на пахтах ПО "Орджоникидзэуголь" и "Артемуголь".

Научная значимость работы заключается:

1) установлены закономерности формирования дезинтеграцион-пых процессов, в призабойной части угольного пласта и непосредственной кровли на больших глубинах при отработке тонких крутых ластов лавами по простиранию с индивидуальной крепью;

2) разработана методика определения ширины зоны отжима угля з зависимости от его прочности и мощности вынимаемого пласта;

3) разработана методика выбора типа и расчета параметров 1ризабойной крепи в зависимости от дезйнтеграционных процессов в (раевой части лавы и непосредственной нровли.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

I) разработана методика прогноза устойчивости непосредст->енной кровли при отработке тонких крутых пластов Донбасса лава-1И по простиранию с индивидуальной крепью;

2) разработана ыегодика выбора рациональных паспортов крепления при отработке пластов с неустойчивой кровлей лавами по простирании с применением индивидуальной крепи.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на секции горного давления Ученого совета ВНИМИ (1984-1988 г.г.), НТС горного давления и горных ударов ВНИМИ (1986-1992 г.г.), на технических совещаниях ПО "Артемуголь", ПО "Орджоникидзеуголь" (1984-1992 г.г.), ИЦД им.А.А.Сночинсного, ДонУГИ (1984-1989г.г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа содержит ьб стр. тенета, 30 рис., 2-е таблицы. Она состоит из введения, 4-х глав, заклечения, списна литературы из 61 наименования и 2чс приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ геологических и горно-техаических условий разработки тонких крутых пластов Донбасса показал, что с переходом горных работ на глубокие горизонты (более 800 м) отмечается тенденция снижения устойчивости пород кровли. Так, например, установлено, что из 86% пахгопласгов Донбасса в диапазоне глубин горных работ более 600 м в 64% снизилась устойчивость кровли, в остальных осталась неизменной или увеличилась. Это, в первую очередь, связано с негативным влиянием зон повышенных напряжений, существенно изменяющих физическое состояние угля и вмещающих пород.

Оценка применяющихся в настоящее время технических решений по повышению устойчивого состояния кровли в призабойном пространстве, основным из которых является усиление паспортов крепления за счет повышения плотности и удельного сопротивления, показала, что они не дают ожидаемого положительного аффекта. В то же время площадь предельных состояний непосредственной кровли, при которой начинаются массовые обрушения, увеличивается и достигает около 200 м^, что связано с повышением опасности ведения очистных работ и увеличением расхода дефицитных лесоматериалов.

Вопросами повышения устойчивости непосредственной кровли в лавах с индивидуальной и механизированными крепями занимались многие исследователи. Этим исследованиям посвящены работы Арда-

пзза К.А., Зоскобоэва Ф.Н., Кузнецова С.Т., Баранова С.Г., Громова D.B., Шина В.У., баловала H.A., Степановича Г.Я. и многих других. Работы, в основной, била посвящэны оптимизация параЕЙт-ров сопротивления нзхашззированных крепэй. Анализ проззденакх исследований показал, что недостаточно изучены вопросы, связанны!) с лзмененшзы физического состояния прязабойяой часта угольного пласта а нзпосрздствэшшй яровлн прз пэрэходз ropiíiix работ па глубоквз горизонты. Недостаточно изучен зопрос формирования зоны отгима угля и дзапнтэградзонншс процессов в нэпосродстзенной нрозлз над зоной оксша угля, суцзствэнно вшшеэд на устойчивость кровля в празабсйисм пространство хавы. Уало изучены и вопросы, связанные с влиянием индивидуальной призабойной крзпи на напря28нно-дз$орнированяоэ состояние яразвой части пласта а пород нзпосрздственной крозла пад зоной отгнма угля.

Провзденяый анализ состояния изученности вопроса позволил обосновать'актуальность гэмы диссертации, сформулировать цель и задачи работы, которйэ прзгздзны вы~э, а результаты их рзоэний заключаются з следугцга.

Для достижения лостазлэнной в работе цели применялась комплексная методика, вклвчащая в себя натурныэ исследования напря-генно-деформлрованного состояния угольного пласта я вмецащих пород (более 5000 занеров), определение фактического сопротззле-ная празабойяой крзпи с яослздус;эй оценкой влияния зго на аа-прязакное состояние пород непосредственной кровли методом математического моделирования (200 фактических паспортов крзпления лав). Результата исследований подверглась математичзсной а статистической обработав.

Исследования проводалясь пра отработке '»•-х пластов в условиях шахт им.Ю.А.Гагарина, "Кочегарка", кн.В.И.Ленина а "Комсомолец" на горизонтах 830-1080 м. Пласты модностью от 0,5 до 1,6 я с углом падзная от 50 до 65° отрабатывались комбайновыми или молотковыми лавами с пндиелдуальной крепью и управлением кровлей в режиме "предельных пролетов" я являйся наиболее типичными по геологачесним условиям и технология отработки для Центрального района Донбасса.

В непосредственной кровле пластов залегали слоистые (до 0,2 и), трещиноватые (до 10 с прочностью на сгагие от

30 ИПа до 50 НПа аргилляты и алевролиты. По классификации ВНИИ

кровли пластов могут быть отнесены к неустойчивым, а по нагрузочным свойствам - к тяжелым.

В результате исследований было установлено, что в результате действия поля повышенных напряжений в непосредственной нровле впереди очистного забоя дезинтеграционные процессы (расслоение, образование новых контактов и трещин) наблюдаются в толще нровли, равнойдвуы мощностям вынимаемого пласта. При обнажении эта толща кровли весьма неустойчива и требует специальных мероприятий по ее поддержанию.

Изучением физического состояния призабойной части угольного пласта, подверженного действию повышенных напряжений, было установлено существенное влияние прочности угля и мощности пласта на ширину зоны отжима угля. Чем меньше отношение прочности угля (рис.1) к мощности пласта, тем больше ширина отжима угля. Зависимость надежно апроксииируется уравнением вида:

о ч-0,?98

. •■•

где: 4»о - ширина отжима угля, ы; - мощность пласта, и; &п~ предел прочности угли на сжатие, МПа.

Рис.1. Зависимость ширины зоны отжима угля от прочности и мощности вынимаемого пласта

Ширина зоны отжима оказывает- существенное влияние на дезин-теграционные процессы в массиве непосредственной кровли, попадающей в эту зону. За счет снижения подпора кровли этой частью угольного пласта, перешедшего в запредельное состояние, происходит потеря сплошности непосредственной кровли с последующими ее вывалами в призабсйноз пространство лавы. Зависимость высоты вывалов от ширины зоны отжима представлена на рис.2 и математически выражается следующим уравнением:

2.0-

0£-

о 05 Та Тз ¿о^

Рис.2. Зависимость высоты вывалов в кровле от ширины зоны -отжима угля

Исследования, проведенные математический моделированием, показали существенное влияние сопротивления индивидуальной призабойной крепи на напряженное состояние пород непосредственной кровли в зоне отжима угля. При действии сосредоточенных, нормаль-

]ц = 0,25 + 0,35 Е„ ' , м (2)

ных к Ооковьы породам нагрузок, развиваемых призабойной крепью устанавливаемой непосредственно у забоя, в пассиве непосредствен*-ной кровли возникают напрягения, которые компенсируют, при определенных условиях, снижение естэстванной несущей способности кровли как в зона отжика угля, так и в призабойной пространстве лавы.

Снижение естественной несущей способности вызвано изменением напряжзнного состояния тогщи пород кровли над зоной отжима угля. Физический смысл геомеханической модели потери естественной несущей способности пород кровли над краевой частью пласта и влияния сопротивления призабойной крепи на напряженное состояние этой толщя кровзш заключается в следующем.

В результате разрушения краевой части пласта снижается подпор непосредственной кровли со стороны пласта и некоторая часть массива кровдл ( fit) вследствие реализации напряжений в деформации (расслоение, образования новых контактов и трещин) теряет естественную несущую йпособность с резкой потерей устойчивости при выходе в призабойное пространства.

Обеспечить допустимое напряженное состояние ( б" ) толщи непосредственной кровли при котором сохраняется ее естественная несущая способность, возможно, как показали результаты исследований, за счет действия реакций сопротивления призабойной индивиду« альной крепи, определенной величины и местоположения относительно забоя (рис.3). Требуемая величина реакции сопротивления призабойной крепи ( ^кр) должна компенсировать потерю несущей способности краевой части пласта в зоне отжима.

В связи с з^сим,условие предельного равновесия толщи непосредственной кровли над зоной отжима может быть выражено следующим образом: _

к, = -4-fи (3)

В выражении (3) в краевой части взято напряжение равное 1/2 "3f1u из соображения, что в обеспечении необходимого напряженного состояния кровли участвует и неразрушенная часть угольного пласта, имеющая достаточно высокое сопротивление.

Из условия предельного равновесия необходимый уровень сопротивления призабойной крепи может быть определен по следующей формуле:

Рис.3. Геоиеханическая модель н расчету сопротивления стоек призабойной крепи

V , кн. (4)

где: ^ - средневзвешенный объемный вес пород непосредственной кровли, нН/ы^;

прогнозная мощность пород непосредственной кровли, которая монет терять естественную несущую способность в зоне отжима угля, м;

|С - коэффициент, учитывающий масторасполокение стоечной крепи относительно зоны отжима угля и представляющий собой функцию: ^ _ ^ 1/2 Со + би ^

На основании анализа результатов комплексных исследований была разработана методика определения сопротивления индивидуальной призабойной крепи (РнсЛ).

Вводным параметром предлагаемой номограммы является отношение предела прочности угля на сжатие к вынимаемой мощности пласта. По этому отношению определяется ширина зсны отаима пласта ( ¿о)« По ширине зоны отжима прогнозируется мощность-пород непосредственной кровли ( "Яб), теряющей йад зоной отжима при традиционных способах крепления естественную несущую способность. В зависимости от прогнозной мощности непосредственной кровли, склонной к потери несущей способности, назначается необходимый уровень сопротивления стоек первого ряда призабойной крепи. Количество стоек, обеспечивающих требуемую реакцию крепи можно определить по следующей формуле: _

П = > (5)

где: - фактическое сопротивление одной стойки (кН), развиваемое в первом ряду призабойной крепи.

Для различных конструкций индивидуальных стоечных крепей (деревянные, гидравлические, стойки трения) в работе определено их фактическое сопротивление по ширине призабойного пространства в процессе подвигания забоя.

Разработанная методика была ^пробирована при выборе параметров сопротивления призабойной крепи при отработке лавой пласта ^ -Мазурка в условиях шахты им.В.И.Ленина ПО "Артемуголь". Переход лавы на новый паспорт крепления обеспечил устойчивое

Рис.4. Номограмма для определения сопротивления призабойной крепи в лавах с неустойчивой кровлей

состояние кровли в призабойной пространстве и исключил затраты на рамонтно-восстановитакьныа 'работы, вызванные обрушением кровли в лаве.

Методика послувила основой для разработки "Инструкция по применению индивидуальной крапи при отработке тонких крутых пластов Донбасса с неустойчивыми кровлями", которая применяется для составления паспортов крепления на шахтах производственных объединений Донбасса.

Разработанные рекомендации по выбору паспортов кропления на основе индивидуальных стоек были внедрены на вахтах им.В.И.Ленина, им.Карла Маркса при отработке пластов (} 3 -Мазурка, К2 --Уыансний и К^ -Рудный." Взкоиендацни позволяли более чем в два раза снизить трудоемкость крепления и расход лесоматериалов на участках с неустойчивой кровлей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-практической задачи по обеспечению устойчивости кровли в призабойном пространстве при отработке гонких крутых пластов лавами по простиранию с индивидуальной крепью на глубоких горизонтах.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1) выполненные экспериментальные и аналитические исследования показали, что с увеличением глубины горных работ существенно снижается устойчивость непосредственной кровли. Устойчивость кровли при этом определяется не только горно-геологическим условиям, но и способами и средствами управления кровлей в призабойном пространстве. Установлено, что в результате действия повышенных зон напряжений дегинтеграционныэ процессы распространяются на достигнутых глубинах разработки в толще непосредственной кровли и в угольном пласте равной, примерно, двум мощностям вынимаемого пласта;

2) установлено, что ширина зоны отжима угля зависит от мощности пласта и прочности угля;

3) показано, что дезинтеграционные процессы в непосредственной кровле зависят от ширины зоны отжима угля;

4) обоснована и разработана ветодика выбора параметров паспортов крепления лав с индивидуальными крепями, учитывающая снижение естественной несущей способности призабойной области угольного пласта в зоне опорного давления и обеспечивающая эксплуатационное состояние очистной выработки.

Научная новизна результатов, полученных автором диссертации заключается:

1) в установлении функциональной связи между шириной зоны отжима угля, мощностью пласта и прочностью угля;

2) в выявлении связи параметров разрушения толщи кровли над зоной отжима угля от мощности и прочности угольного пласта;

3) в установлении взаимосвязи между сопротивлением призабойной крепи, шириной зоны отжима и мощностью разрушающихся пород кровли над этой зоной.

Экспериментальная проверка основных результатов диссертационной работы на иахте им.В.И.Ленина при отработке пласта -Мазурка показала, Что при переходе на новый паспорт крепления повысилась устойчивость краевой части пласта и непосредственной кровли. Трудоемкость и расход лесоматериалов при этом снизились, примерно, в два раза.

На основании исследований диссертанта предложены методы прогноза устойчивости непосредственной кровли и выбора параметров сопротивления призабойной крепи, обеспечивающие устойчивость кровли при отработке тонких крутых пластов лавами по простиранию. Разработанные рекомендации внедрены на шахтах им.В.Й.Ленина, им. Карла Маркса при отработке пластов -Мазурка, К2 -Уыанский "и К^ -Рудный.

Рекомендации могут быть использованы и при применении серийно выпускаемых механизированных комплексов (КГУ) и щитовых агрегатов (АНЩ).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Инструкция по управлению горным давлением в очистных и подготовительных выработках при разработке угольных пластов с углами падения свыше 35° - Донецк: Облполиграфиздат. 1.988, (соавторы: Воснобоев Ф.Н., Шаповал H.A., Мельничук Ю.Е. и др.);

2. Об определении шрины зоны разупрочнения угля в призабойной части угольного массива на пластах, одновременно опасных

13

по выбросан и обрушениям. М.: ЦБНТИ Угольной промышленности, 1988, (соавторы: Шаповал H.A., Метель В,В., Авербух А.Г.);

3. Геомеханическое обоснование технологии выемки тонких крутых угольных пластов с учетом их геофизических свойств. Тбилиси, Горная геофизика, 1988, (соавторы: Авербух А.Г., Ильин

А.и.);

Геомеханичесний подход при комплексном решении вопросов выемки угля и крепления очистного забоя- М.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции, МГИ, 1989, (соавторы: Авербух А.Г., Ильин А.И.)",

5. Динамика взаимодействия кровли с краевой частью угольного пласта в очистных выработках ЦРД. -Симферополь, Всесоюзная научная школа "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамическими явлениями в горных породах и выработках", 1990, (соавтор Шаповал H.A.);

6. A.c. №1481404 (патент СССР iL» 1790676 A3). Способ управления кровлей (соавторы: Алышев H.A., Харьковский А.И., Авербух А.Г. и др.). Опубл. в БИ, 1993, № 3;

7. A.c. № 901567 (патент СССР № 1789023 A3). Способ разработки выбросоопасных угольных пластов (соавторы: Воскобоев Ф.Н., Алышев H.A., ШевченкЬ 11.Т. и др.). Опубл.. в БЛ, 1993, К? 2.