автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка способов управления геомеханическим состоянием массива горных пород при сохранении выработок для повторного использования

РГ6 од

I 1 ШОП' ¡393

ИНСТИТУТ УГЛЯ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

КРУШИНСКИЙ Николай Кузьмич

УДК 622. 831.24:622.016 (083.75)

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СОХРАНЕНИИ ВЫРАБОТОК ДЛИ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

(на примере шахт концерна „Северокузбассуголь"

Специальность 05.15.02. — Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1993

Работа выполнена в Кузбасском политехническом институте и на шахтах концерна „Северокузбассуголь"

Научный руководитель: — доктор технических наук

профессор, акад. РАИН, Лауреат Государственной премии

СССР П. В. Егоров

Официальные оппоненты: — доктор технических наук,

профессор, чл.-корр. РАЕН,

Ю. А. Рыжков

кандидат технических наук, ст. научн. сотрудник

С. А. Толмачев

Ведущее -предприятие: ассоциация „Ленинскуголь"

Защита состоится 30 июня 1993 г. в 13-30 часов на заседании специализированного совета Д 003. 57. 01 при Институте угля СО РАН (6500Ю, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля СО РАН .

Автореферат разослан 30 мая 1993 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 650010 г. Кемерово, ГСП, ул. Рукавишникова, 21, Институт угля СО РАН.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

В. Н. ВЫЛЕГЖАНИН

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности производства j угольной промышленности пыз эает необходимость решения вопросов, связанных с обеспечением безопасности ведения горных работ и рационального использования недр.

В восьмидесятые годы в Кузбассе получила широкое распространение бесцеликовая технология отработки угольных пластов, позвс -ляющая значительно сократить потер/ угля. Ча шахтах концерна "Се-верокузбассуголь" наиболее эффективна используется одна из про -грессивнъгл схем босцеликовой технологии - сохранение выработок на полное сечение на границе с выработанным пространством для повторного использования. Только за период с 1980 г. по 199?. г. на шахтах концерна сохранено 94,С тыс.м выработок для повторного ис -пользования. Сохранение подготовительных выработок обеспечивает -ся, в основном, за счет установки крепи усиления. Однако на шах -тах с труднообрушаемыми кровлями нередко возникали значительные нагрузки на крепь сохраняемых штреков, превышающие ее несущую способность.

В этой связи целесообразно использовать технические решения, направленные не только на увеличение несущей способности крепи,но и на снижение нагрузочных свойств кровли за счет предупреждения зависаний пород кровли. Наиболее эп$ектчвнт для уменьшения нагрузок на крепь является способ направленного ги рсразрыва пород кровли под углом к напластованию (ИГРУ), позволяющий создавать в кровле протяженные вертикальные и наклонные трещины.

В связи с этим исслрдопания геомеханического.состояния горного массива при сохранение выработок для повторного использования, разработка способа и схем направленного гидроразрыва пород кровли под углом к напластованию являются актуальным!как в научном, так и в практическом плане.

Результаты работы получены при выполнении научно-исследова -тел:>склх работ Зост1Ш, КузИИ и груг.ги-! горного давления концерна "Сеперокузбассуголь" в самках программы "Уголь Кузбасса" í № F? 0I87-D04I2íj?, 018900576I3>. На танина теми чкполнклиеь апго-г с о« íj качестве отеотстпчнного исполиитрл-i.

работы пплястс^ разработка и геомаханическое о^оснона-ки*е способов управления состоянием мдестам горнь« пород при сохро-VÉfHH't- выработок дл9 повторного использовпн/чг.

Идея работы заклю' ;ется в использовании численных значений геомехаяических показателей и параметров направленного гидроразрыва пород кровли для управления горным давлением при сохранении выработок для повторного использования.

Задачи исследований:- установить.численные значения геомеханических показателей, определяющих выбор силовых и деформационных характеристик крепи горных выработок, сохраняемых для повторного использования.при восходящем и нисходящем порядке отработки лав на наклонных плас -тах;

- разработать математическую модель процесса НГР.У и провести его исследования на ЭЕ..1;

- изучить влияние способа ИГР-У нп проявления горного давле -ния и лабораторных и шахтных условиях и разработать средства, позволяющие создавать в стенках скоеяип концентраторы напряжений, ■ обеспечивающие производство 'способа ИГРУ;

- разработать технологические схемы, определить параметры осуществления способа {Я"Р> пр;: ее -гранями/ веработок длп п.овторного использовании и ¿донять соответствие разработанные технических решения 'услопи'м отработки. вшнслшух полей концерна "Северокуз -боссуголь".

Методы исспедованш":

- техникс-эксноуический анализ, научной обобщение .произ^оде*« венного опыта к з&хтнье инструментальные наблюдения для установление геомехангческих показателе? при сохранении выработок для повторного использования;

- математическое моделирование на 33.-1 процесса -ИГРУ;

- лабораторные и шахтные исследования.процесса направленного гкдроразрыва пород кровли;

- техникб-пконо'мг.ческий анализ и опытно-прс?.«пленные испытания разработанных практических рекомендаций.

Научные положения, защищаемые автором:

- еакономерности формирования зон временного и остаточнсго опорного давления при сохранении подготовительных выработок для ловторього использования позволяют обоснозать выбор силовых и деформационных характеристик крепи ¡горных выработок с учетом характера обрушения пород кровли;

- обоснование рекомендаций по поддержанию сохраняемых выработок на пластах с трудно- и среднеобрушаеыьош кровлями осуществляется с учетом горно-геологических и горно?ех>!ических факто -ров;

- управление массивом путем разупрочнения пород кровли на -правленным гидроразрывом под углом к напластовшшо обеспечиваем за счет изменения физико-механических сзойств угля и вмещавших пород, при соответствующих параметрах ИГРУ, эффективное ведэняг очистных и проходческих работ.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается:

- представительным объемом шахтных исследований (15 счкст -нык и подготовительных забоев за период с 1988г. по 1992 г.);

- совпадением в диапазоне проведенных исследований результатов моделирования процесса ИГРУ с практическими наблюдения;

- положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработок на шахтах концерна "Северокузбассуголь", полученных! экономическим эффектом.

Научная новизна работы состоит:

- в установлении размеров зон временного и остаточного опорного давления при различиях вариантах расположение выемочных выработок, сохраняемых д. ; повторного использования, по отнсигга-ч

к выработанному пространству;.

- в разработке математической модели, отражающей стадии трещинообразования по зародышевой щели и развития трещин гидро -разрыва при рээной совокупности влия:щу,х природных и технологи -чееких факторов;

- в установлгнк« рациональных параметров направленного ги -дрораярыва пород' кровли с учетом характера ачвксаи;?я пород прм сохгииемип выработок рл? повтсрч'ого кпольго'взия».

Личный вклад автора состоит:* - в формулировке задач к обосновании методов исследований, выборе параметров наблюдательных станций с учетом горно-геологи-ческюг и горнотехнических факторов;

- в мтанэ.ьлякии закономерностей пр явления горного давле -ниу? в выработкам, сохраняемых для повторного использования;

- б установлении особенностей механизм?, направленного гидро-раърыва пород кровли под углом к напластованию;

«• в разработке технологических схем и определении par -ональ-нах-параметров осуществления способа ИГРУ при сохранении повтор -но используем подготовительных выработок.

Практическое значение раосты заключается в том, что полученные результаты позволяют:

- предлозхлть численны-; значения геомеханичеспих показателей, необходимых для выбора счловых и деформационных характеристик крепи и параметров состояния кровли при сохранении выработок для повторного использования;

- разработать способ направленного гидроразрыва пород под углом к-напластованию длч управления кровлей, склонной к зависаниям, и устройство для создания концентраторов напряжений в мае -сива, обеепечийыщих направленное развитие "•лещик при гидрораз рыве пород; . -

- обосновать способ и'схемы для уменьшения размера шага обрушения кровли и зависаний пород на концевых участках лав, основанный на эффекте ЫРУ,

Реализация работы. Результаты исследований были использова -ни при составлении "Руководства по направленному разупрочению горного массива".

Экономический эффект от испольэсваш результатов исследо -ейнлг. составкл 122 таз.руб. в ценах 1УР9 год?..

Апробация .раЗсть:. С-новные научные положения и практические вшоди диссертации докладывались не. технических доведениях шахт концерна "Севсрокусбйсяулоль" ( в г.г. ¿w.fpo-Cy,"денек, Ьереяов-скvi?., Кемерозо.- ЮЬо-19°'<; p.jr,); ьаучно^тсхы-.чесной конТ>эрет;ии, посг.яцекко? 40«лет»ь< со дня ср&дрнйя инсг/лута КузЫ (г.Кркетово,

1990 г.); научно-технических совещаниях кокцер; "Северокугбасс -уголь" (г.Кемерово, I989-I99J г.г.); на. ¡нем семинаре ассоциации "Кузбассуглетехнология" (г.Кемероьо, IS9Ü г.).

Публикации. Но результатам выло...-,'иных исследований опубликовано 9 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 167 страниц магмнопнепого текста, 10 таб -лиц, 43 рисунка, список использованной литературы из 118 наименований, 13 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ

Большая роль в исследовании способов управления геомехани -ческим состоянием массива горных пород прч сохранении выработок для повторного использования принадлежит коллективам ведущих научно-исследовательских и проектных институтов: ВНИШ, Ш СО РАН, КузНИУИ, ПНИУИ, МГИ, ИГД СО РАН,.'КарГ1ТИ,Куэ11И. Значительный зклад в развитие проблемы внесли крупные ученые К.А.Ардашев, К.П.Бажин, Б.А.Баранов, В.Н.Былегжанин, Г.И.Грицко, П.З.Егоров, А.И.Жаров, Н.Г.Кю, С.Т.Кузнецов, ВЛ.Не'борска.й, 'В.В.РаРский, В.М.Станкус, М.И.Сег->денко, С.А.Толмачев, О.И.Чернов и др.

Анализ результатов исследований проявлений горнего давления при сохранении выработок на полное сечение на границе с выработанным пространством свидетельствует г том, что -•■¡ачения некоторых геомеханических показателе? (со'лижекия кровли с почвой ко.-теЛзр -ноге, штрека на линг-'...забоя..размеры зон временного опорного дав -ления впереди и. позади забоя лавы) ,, регламентируемы/ дейстьувдкмк отраслевыми и -бассейновыми нормативными. документами отличаются от приведенных я литературе. Креме тоге, отсутствуют сведения о геомеханическом состоянии горного массива при сохранении вентиляцк -оннкх штреков для повторного использования г;, пластах наклонного падения..при сохранении выработок для повторного использования на пластах с кровлями, склонными'-к зависаниям пород, возникают зна -читальные нагрузки со стороны кровли на .крепь выработок, для уравновешивания которых не всег; л эффективно увеличкве ь несущут,' способность кррпк. Также установлено, что.целесообразно применят:>

методы непосредственно! •.. воздействия на породы кровли с тем, чтобы уменьшить нагрузочные свойства кровли. Для этих целей наиболее предпочтительным является способ ИГРУ, основанный на эффекте направленного гидроразрыва пород по зародышевым щелям, позволяющий предупредить возможность формирования зависаний кровли за счет создания протяженных наклонных или вертикальных искусствен г ных трещин в кровле вдоль кон^'/ра сохраняемой выработки впереди забоя лавы. Однако еффентивное применение способа ИГРУ сопряжено со значительными трудностями, вызывасымми сложностью и малоизу -ченностью закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива в районе ведения работ, особенностей распространения трещин при гкдроразрыве.

Исследования геомеханических процессов при сохранении подготовительных выработок для повторного использования проводились на пахтах концерна "Севёрокузбассуголь" и включали: изучение состояния массива горных пород, вмещающих выработку, определение характера смещений и деформаций пород кровли на контуре выработки, измерение сопротивления крепи и просадки ее элементов. Исследования осуществлялись на протяжении всего срока службы выработок от. на -чала проведения ь до погашения их очистным забоем. В каждом из исследуемых штреков устанавливалось от трех до пяти замерных станций. Для исследования смещений пород и деформаций крепи на . хаздо? станции оборудовались по три замерных пункта, отстоящих . друг от друга на расстоянии 4-6 м. Интенсивность' сдвижения пород . на контуре горных выработок определялась с помощью парных реперов, а расслоение породного массива - глубинных реперов. Для разделе -. ния ¿»леще ту. кровли и почвы периодически проводилось нивели.рова -кие контурных реперов. ^

Для детального изучения строения•н свойства пород кровли бурились скважины длиной 12-15 м с извлечением керна на вс;о длину, что позволило определять количество к характеристики межслоевых контактов, мощность отдельных слоев пород и'их- физико-меланичес V кие свойства с помощью приборов БЛ-14, БУ-Зу, Eii-29 и ЫЬ-34.

Измерения .нагрузок на к^епь, поучение информации о шаго обрусения пород кровли производились с: помощью самопишущих манометров Ü5I, К2ДЗ, регистраторов давления РД,'-ДЦ кмеханических динамометров ДХ-b, а дгформаг^Г; крепи - рулетксж BHi?M1 и'1>цникатор-но" стсГкоП СУИ-4. Кроме .'.кструмен'.'а^ьвы:< аам^оь, •бЫглсь.^кэу -

аль'-ые наблюдения за характером о'бруыения кровли на границе с • выработанной пространством, длиной зависающих консолей, отгкимок. угля, поведением кровли на шряжений лаву ъ- подготовительной выработкой, состоянием временной, усиливающей, органной и охранной крепи с фиксированием деформаций и поломок их слементов.

Инструментальные и визуальные наблюдения велись не менее одного раза в двое суток, при удалении очистного забоя от замерной станции менее, чем на - 30 м, и не менее трех раз в месяц, при удалении очистного забоя от замерной станции на i 120 м.

Исследования проводились в вентиляционных п конвейерных штреках на пластах Верхний, Кумпанозский, Конгломератовый, Двой -ной-Промежуточный, XXI, XXII, Коксовый, Румянцевский, Андреевский : со средне- и труднообрушаемыми кровлями.

В результате исследований установлено, что для конвейерных, штреков протяженность зоны временного опорного давления впереди забоя лаьы (-2г) составляла, как при средкеобрушаемых кровлях, так и при труднообрушаемых - 20-25 м, а сближения кровли с почвой сохраняемой выработки ( U¡) составлять 2С-25 им пр:: трудноебру -шаемых кровлях, и 30-35 мм при среднеобрушаемых кровлях.

Протяженность зоны временного опорного давления за лавой ( ^з) составляла 120-125 м при труднообрушаемых кровлях и 70-85 м при средчеобрушаемых. Для вентилдциоьных ятреков протяженность зоны временного опорного давления впереди заб i лавы (-é¿ ) составляла 12-14 м при труднообрушаемых кровлях и 6-9 м при среднеоб-рушаемых а сближения кровли с почвой (U¿ ) составляли 12-18 мм при труднообрушаемых кровлях и 4-6 т при средиеобрушаешх. Про -тяженность зоны временного опорного давления за лазе! ¿ ) составляла 160-170 м при труднообрушаемых и 130-170 м при средне-обрушаемых Кровлях. .

Проведенные набл'од^ния для услоьий. шахтопластев концерна "Северокузбассуроль" показали, что на пластах с устойчивыми кровлями сближения, рекомендуемые нормативными документами превклают в 2-3,5 раза фактические для сохраняемы:-: -конвейерных штреков и в 3,8-5 раз для сохраняемых вентиляционных итрэкоз. На пластах о кровлями средне? устойчгвссти сближсни." запыиен. есотаетствонно 8 1,5-2,0 раза дль конвейерных м более'чем в-7 рзэ для вентхляцн-

- е ~

онных отреков, СущестьенпО о-глич&ются от нормативных и размеры зон временного опорного давления впереди и позади забоя лазы.

Наблюдения;«! установлено, что значения геомеханических показателей при сохранении- конвейерных и вентиляционных штреков обусловлены соответствующим'характером'деформирования и обрушения пород кровли лри разработке наклонных пластоз с обрушением. Разработка пластов 'со среднеобрушаемью кровлями характеризуется тем, что после обнажения крозли в выработанном пространстве происходит поочередное обручение отдельных слоеь, начиная от обнаменной говерхчост: кровли и далее вглубь горного массива. Обручение слоев пород начинается в верхней части лавы. Сбрусае -млл'в верхней -лети лавь: порода частично перепускается по почве пласта в'сторону конвейерного штрека к способствует белее бкзг -рону подбучиван:ы необрушаодейея толщи пород на частках, расположенных ближе' к середине лавы'и конвейерному штррчу. Псэтсму у вентиляционных штреков всегда имеют, место-незначительные зависания пород ( 3-4 л ), непосредственно расположенных над штрексв и угольным пластсм. В процессе ведения очистных работ и удалении забоя лавы от рассматриваемого выше участка выработанного про -страьства. происходит дальнейшее обрушение вышележащих слоев кровли на большую высоту с полным подОучкванием необрушенной толщи пород кровл:: в -яилней и средней части выработанного про -странства'лавы. Б верхней части лаву нижние -лои могут быть частично подбучены, и тем не менее винележащие слои зависают на бсльзую величин. В результате в этот период, крепь штрека и примыкающий к нему угольный массив лродолжапт воспринимать нагрузку со стороны кроЕли, ч'ос пряводит к увеличении размеров зоны вре -менного опорного давления за лавой, з раГ'оне сохраняемого велти-ляцчочшого штрека. При удалении ьабоя лазы на 130-17С. м от дан -ного участка зыработанкого просгранстёа, в результате дальнейшего обручения олозв пород, наступает полное .подб.учквание необру ~ .¡лаемой то'лци крезли и у вентиляционного штрека.

;Эта сгад'Ы характеризуется стабилизацией д&влеккг на крепь ь«итилйциой1.сго' штрека.

На пльстих о трудкообруиаемп.м крорлягм характер обрушения существенно отличается сг- оп'/санкого ьшгл В с^учее залегания на контакте с .пластом о кровле слабого дросхокка породы, он лууктч-<ес<ч с.пару .за крелыи очиелчо:о забое на протяте-

нии выработанного пространства.-З^атэт же цроме: 'тох времени наблюдается вывалы и массивной гфочьоЯ тэа ¡и пород' в заде "кор -ке'й". При падении на почву пласта обрушенные порода перемещаются по падению в направлении ко}.зейеркого штрека. В целом, в этот период ■ основная толща'кровли не обруш.чУЕСя. По мере удалений очистного забоя от данного участка выработанного пространства, в результате обрушения пород большими блоками происходит подбучи ванне вышележащей толщи пород о средней чаетм (по длина лавы), вблизи конвейерного.и вентиляционного штреков аззисанил кровли. ■ рста'07сл. Причем зависания кровли у вектлляцтчного штрека меньше, чем у конвейерного. Пр«. долькелодвигании очистного забоя и .удалении от данного участка на раостеание 120-170 м.насту-I. лет подбутовка необрушенной толщи крозлп вблизи конвейерного и вентиляционного птрекоз.(рис Л).

Результаты выполненных, исследования и характер обрушения пород показывают, что при разработке наклонны" пластов с применением полного обрушения кровли для надежого поддержания конвейерных 'итрекое,■сохраняемых- на .полное сечение, на границе с выработанным пространством на пластах с труднообруааеыими кровлями и вентиляционных штреков на пластах с. труднообрутэемымк и греднеобрушзеш-ш кровлями необходимо использовать рациональные паспорта крепления и применять методы, прэдотвращакгщие возможность зазисаний пород .у сохраняемых выработок. . . •

Для .условий/кахт концерна были, разработаны и испытали рациональные паспорта крепления-сохраняемых зырлботоя.Длз обеспечения безаварийной й оф? ектишой. -работ о"кстчьч за(^ез .и -'сохранения-1» полное сечение подготовительнь-к эыработок на пластах с тр^днооб -рулакровлей момт быть использован способ направленного раз-руйения горного шесива' (ИГРУ),.. осяоаэнш;й • на. эффекте-.направлен •• ного гидрораяртмзп • пород по зарбдмиЬйш трещинам. Для обоснования Формы- и раамосов эародуясвих: трещин,, вюшяиваеаьк с помощью механических . устроить. кл сбразутар? скважины'-,. изучения процесса флю-идоразрыва, спгрг^.г.тк'} рациона чьшх параметров осуществления способа !ЛТУ .бь№ зы.юлгсны .анавитичесх-'га,. лабораторные к пахтные ис- • следовгЫ.«, Дл-"' теор? гичсского обоснснишя параметров флюидораз-тапов ;:слод'кю;<а.г-.сь -которая основывалась на следуягда.

я. м-г.с.юмп!'/"/': пт-.аЛ -однороден изо?рол«ш, «гтествеи? гя трещино-_ рг-л>с?б: р П1'снигя:.:; :0'.:ть нг-осква отсутствует,' разрушение пород хру-п--'оо,р'чпп!'р.ппоток г дв? стадии—зяроо.енля и развитая тре'ти^^шя

Рис. I. Сг.с-пы обрушения пород при 'разработке наклонных пластов, с труднообрушаемнш крондяып:

а) сечение выработанного пространства в 5-20 м от забоя лавы;

б) сечение выработанного пространства в. 40-40 м от забоя лавы;

в) сеченке -выработанного пространства в 2С0 м от забоя лавы

практического применения, на'основе счегемьг инг. гро-диффефнци-альных уравнений, были разработаны и ре. шзоваш на .ПЭВМ алгоритмы расчета процесса гидроразрыва, пог'волллг.пе оценить геомеха -ническую обстановку при прс зводстве ИГРУ и выбрать для конкрет- . ных горно-геологических условий опти. .-..:ьнке параметры заложения скважин,..'зародышевых щелей, режим нагнетания и характеристики флюида. -. • •

. При проведении лабораторных исследований на образцах из органического стекла и полистирола'изучалась возможность разви-' тия трещины флюидоразрыва в трещиноватых и слоистых телах? возможность обеспечения в процессе флюидоразрша одновременного развития нескольких трещин; исследовались :«нималььые размеры

ародышевых щелей для обеспечения ф-ггаздсразрыва и влияния напряженного состояния пород на направленность развития -рещкн. На основании проведенных исследований установлено следующее..

Трещина флюидоразрыва развивается по 'продишевой щели, как правило, по контуру,; блиэ'йоку. к;окружности в плоскости эалояения щели и распространяется относительно равномерно до тех пор, пока "носик" трещины не.достигаем обнаженной поверхности.

Трещины фляидоразрывапреодолевает ослабленные контакты при величине сцепления отдельностей 2,3-15 :Иш в случаях, когда испытываемый образец находился под действием осевой сжимащеР на -грузки и в. ее отсутствие. После перехода трещиной ослабленного контакта, развитие ее может прекратиться, если ока достигала части образца, состоящего из материала, е ковром не обеспечивается формирование остроты ."носика", ?рё/**с«ой для "—юрастания трещины.

При отсутствии'слеплошщ отдельнсстеЯ,.трещина флюиДоразры-ва-.нч..••преодолевает'' слабленный контакт даже в случаях -прижатия, отдельностей; друг к другу з усилением дб.-.-Йб.-Ме., соответствующее гкдростатчческску давлению на г.'Ц'б/кз залегания пород 1СС0 м.

.Разрыв по зародьи-эвой щелк и-развитие 'трёпнны бляцдоразрыза :в заданием направлении в .крзпких- однородных' телах' происходит при - величине; 'отноне'ияя -:мшгл.!авь'ноН глубины врубе щели к Д1.амзтру.. еявагины,-равном 0,23 к более.

¿Локдсразрьш 'обгляцов''происходит, как прачило, при критическом дн'улекии, го (.¡'личине к продолу прел -ости на разрыв материала, олагоптегл образе;-,.

./.'лл соадан';-:.. залод*'йяякх щелоР, слу:-<ак'м>: • ко^п-мтрАтор&чи нг,-пс^с-ьиР, "«>ийи ра^.рСогп у. уг/цюГ.зг.л - шелеобр'.ио -

- 1.2 -

в а теля 11}Щ-1(2) и ЩР-1. Испытание щелеобразователей осуществлялось в лабораторных условиях на специальном стенде и в шахтных условиях. Установлено,- что для создания продольных зародышевых щелей длиной 300 мм и-глубиной вруба до 25 мм з породах разного петрографического состава и прочности, па одноосное сжатие до 90 МПа достаточно произвести 10-23 возвратно, поступательных движений щелеобразовгтеля вдоль скважины (заходок). Хронсметражные наблюдения, проведенные в период испытаний, показали, что на одну заходку по нарезанию продольной зародышевой цели с использо -вашем буровых станков ЕНС-45 1003, МАП-1УВ и ЭЕГП-1УЕ при подаче воды в зону резания приходится 30-40 секунд. Б процессе шахт-шх испмтаний случаев поломок устройств ЩНН-1 и ЩШ-2 и их эле -ментов не наблюдалось.

На основании изучения особенностей развития ИГРУ в твердых телах, проведенных аналитических к лабораторных исследований были разработаны рациональные схемы и параметры заложения скважин и зародышевых ¡целей для' предупреедёния- опасных зависаний трудно-обрушаеаьрс кровель. Комбинации отдельных элементов схем позволяют составить рациональный паспорт управления кровлей для конкретных условий. Основами параметрами направленного гидроразрыва пород являются: высота залокения зародышевой щели о-г поверхности обнажения пород кровли или пласта; угол наклона -зародышевой щели к плоскости напластования; расстояние между скважинами; режим нагнетания шдкости...Дяя- охраны по,~готсвителънцх выработок рекомендуются схемы, приведенные на, рис.2.:

а) -скважины бурят в кровлю под углом-60° к напластованию из сохраняемой подготовительной выработки впереди очистного забоя.и. параллельно ему, а зародышевые щели создают продольно- оси скважины и параллельно линии протяженности подготовительной выработки;

б).скЕажины бурят в кровлю.из подготовительной выработки, предназначенной для повторного использования, впереди и под углом до 25° -я линии очистного забоиазародышевые щели создает в. стенках скважины вдоль.'.ее оси с наклоном к напластованию под уг лом естественного обрушения пород.60-90°;

в), скватины бурят в кровлю паралельно линии очг.г:тного забо-.-из подготовительной Еыработки, '•-расположенной, паро'тглельчо сохраклс-мой, а зародышевые щели, создают перпендикулярно оси- скпа.ча.!1у.

Параметра заложения скваяин и зарод:-левых щел?': еяроделязоть-

аХ

А-А

4л

а —1 - 2 -

ф

в-в

Г < 3 ► * В м

а /С I

— А. -—I

Ркс.Й.Схемн расположения скза:.;ян и зародышевых долей для разупрочнения кровли способом направленного гидроразрыья чород при охране пэдоо?сиятельных в:¡работок : I - скважины; 2 зародгшег.ые шели, расположен кие продольно оси оква.ли.:ч; 3 •• зародышевые цели, расположенные перденддкулярнс оси скважичи

на оснований условия аодбучивашя нёобруиаемой толщи горного массива разупроченлыш породами;

£ысота обрузения пород кровли, при которой обеспечивается подбучлвание труднообруша-лцейся толщи, опречеллется по формуле:

где вынимаемая мощность пласта, м; ^ а.о.- !юрмальная мощность леггоооруоаежзй крэвли, м; Кл> 0, , Кг. о. - КОэ( >и -циенти разрыхления порид, соответстзенко лзгкообрушаемоЯ и труд-нообрушаемой ¡е-шли. ' >

Высота заложения чародьгагвой щели от поверхности обнажения кровли или пласта .определяется по формуле:

?1х /> Ь, л. о. ~---------^ м ( 2 )

При отсутствии непосредственно'над пластом толщи легкообру-шаемой кровли, экзота аадааения зародышевой щели от поверхности обнажения (Н) и значение Н.п определяется как

2« — < 3 ); м; --, А/. ( 4 ) '

2 > Кт...-1 *

Расстояние с г устья сквежины дЬ места заложения зародышевой ¡чели определяется по формулам:

для зародышевой 4ели; создаваемой продольно оси скважины

Е _ 2 ' ( 5 )

^-"ТГНГГ >

'для зародышевой мели, создаваемой перпендикулярно оси скважины

& п

( 6 )

ces У > М>

где V - -yim наклона ьап'дьяпевой щели к плоскости напластования, грат, • "

Длк предстс.оа^ени?- раэруге^я пород /сровлл на кгштак»« с угояьнш пилотом в працесс-е гядрорээркзе> щсвхйрцмо остаслять за-шгшю пачку моздюсгко ^ (ffе{2, етема'с.

D с?язи с <57И«с .необходимо' рерметиз^вёкзть только час«» егг&з-

жпны и зародышевой щели длиной $ г. , которая .^ределяется по формулам:

j _ z i - ь • . n =JLltJí. м (7) .

, Strv.íj 'М * . COST ,

где Zf- высота заложения зародышевой щели над пластом, которая находится из выражения (3) , где вместо Нл.о. подставляется величина b :

м- се, ■

Расстояние между сквэжинами определяется по формулам: при наличии легкообрушаемой кровли

л 2C¿ - Нл.о)

а --— -тг—' , м, с 9 )

Sen '

при оставлении защитной пачки в кровле, непосредственно над пластом .

а -—ilTT^ • м- (Ю)

Для исключения вывалообразовашя в подкрепное пространство и предупреждения сормироь-нкя повышенных нагрузок на крепь очистного зг^оя в зоне производства ИГРУ необходимо при определении расстояния меоду.. екзачинами в 'случае применения схемы "б" соблюдать условие; ; ' '

■ С1 > С + Ш , СП)

где С - кир'ина подкрепного гространстра очистного забоя, м;

UJ - ваг передзиякк крепи, к. :

Учитывав особенности направленного разнятая трещин необхо -дкуо все работы, связанные с разупрочнением горного.массива методом HI 'РУ, производить вне зоны временного oí,арного давления впереди очистного забоя.. Величину зоны рекомендуется,-.определять на основании шахтных '''исследований. ■'-.-.

й-аг-.етр оквокпны выбирается в зависимости л? поперечных раз- ' MPCÓ9 прнмеддодек устройств; для дбряйовьния зародышевых аелей и kcí^v быть. pastH 45 мм' или 60 >at.

Шахтные испытан"! ИГРУ были Проведены в породах кровли .пластов XXI, Конгломератового и Г.оксового.

Результаты испытания ИГРУ в шахтных условиях показали, что параметры трещины гидроразрыва соответствуют параметрам заложения зародышевых щелей в скватанах, а проведение ИГРУ обеспечивает безопасное состояние выработок, сохраняемых для повторного использования. Отмечено снижение площади зависания кровли за крепью на сопряжении .»авы со штреком в 2-7 раз и снижение конвергенции вмещающих пород в 1,5-2 раза. Результаты проведенных ис -следований были использованы при составлении "Руководства по направленному разулрочению горного массива" (Кемерово, 199?.).

3 А К Л Ю " Е Н И Е

В диссертационной работе дано новое решение актуальной на -учноЯ задачи управления геомеханическим состоянием массива гор -нкх пород при сохранении выработок для повторного использования, имеющей существенное значение для повышения эффективности и безопасности отработки угольных месторождений Кузбасса.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе шахтных исследований установлено, что для конвейерных штреков зона временного опорного давления впереди забоя лавы (-02 ) составляет 20-25 м как при среднеобрушаемых, так и при труднообрушаемкх кровлях, а для вентиляционных штреков 12-14м при труднообрушаемых и 6-9 м при среднеобрушаемых кровлях. Зона времени.го опорного давления за лавой (-С3 ) для конвейерных штреков составляют 123-125 м при труднообрушаемых и 70-85 м при среднеобрушаемых кровлях, а для вентиляционных штреков соответ -ственно равна.760-170 м и 130-170 м. На пластах с устойчивыми кровлями сближения, рекомендуемые нормативными документам превышают :в 2-3,5 раза фактические для сохраняемых конвейерных и в 3,8-5 раз для сохраняемых вентиляционных штреков. На пластах с кровлями средней устойчивое м сближения завышены-соответственно

в 1,5-2,8 раза для конвейерных й в 7 раз для вентиляционных штреков.

2. Определены рациональные силовые.параметры кропи сохраняемых подготовительна выработок. В зоне.опорного давления позади

К.'.Р максимальное значение сопротивления крепи составляет

3000 кН/м для среднеобрушаемой и 4100 кН/м для труднообрушаемо:

кровли.

3. Установлено, что для обеспечения эффективного сохранения выработок в условиях трудно- и среднеобруааемых кровель необхо -димо использовать рациональные паспорта крепления в сочетании с методом направленного гидроразрыва пород под углом к напластованию ^НГРУ), способствующего предупреждения зависаний труднообру-шаемых кровель вблизи сохраняемых выработок.

4. Разработана и реализована в в1;де программ на ЭВМ математическая модель процесса ИГРУ, учитывающая давление флюида в трещине, время разрыва, горное давление, модуль Юнга, коэффици -ент Пуассона, модуль сцепления, вязкость и расход флюида, пара -мэтры зародышевой щели. Результаты моделирования имеют совпаде -ние в диапазоне проведенных исследований с данными лабораторных и шахтных исследований и позволяют определить для конкретных горно-геологических условий рациональные параметры способа гид -роразрыва пород.

5. В лабораторных и шахтных условиях изучено влияние способа ИГРУ на геомеханическое состояние массива. Установлено, что трещина гидроразрыва распространяется в плоскостях заложения зародышевых щелей. Давление гидроразрыва пород "ровли прочностью до 100 М11а на глубине разработки до 350 м не превышает 10-20 -51г. Гидроразрив пород характеризуется резким падением давления.

6. Разработана конструкция механических устройств.(целеобра-зователей) для нарезания в стенках скважин зародышевых щелей продольно и перпендикулярно ее оси. Время нарезания одной щели составляет 5-25 минут при глубине вруба щели в стенки екзажины до

41 мм и определяется прочностными характеристики пород кровли.

7. Определены рациональные схемы и параметры направленного разупрочнения горного массива, основанного на эффекте направлен -него гидроразрыва пород, по.чроляющие снизить п.юшадь зависания пород кровли па крепью в !,с -7 раз, а конвергенции» п 1,5-2 раза.

Параметры эаложг.ния сква-кин и зародюкевьп: ¡целей определяют -с-' на оенгвянии условия по.пбучиряиия необщчг.ело1" толщи горного к-ае.-п;«« г-9.'-.у|'р'.'П'пнн!гч; пороняли. Давление ^'л.корлзр^ра пг.^од кроул/ до /С^ ня глу^'ч-.; разработка до-350 к с?-:?«-

вляет 20 Illa.

Разработанные схемк могут быть использованы при ведении как очистных работ, та., и при охране подготовительных вцработок для предупреждения опасных'зависаний труднообрушаемкх кровель.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Баталов И.С., Кру.пинстай Н.К., Г'абидулип P.A. Совершенст-_ вование разработки пласта Случайного на шахте "Судженская" в

условиях повышенного гор.юго давления // Научно-технические проблемы разЕ'.ития шях-r: Оо.научи.тр./Кузбасс:пллитехн.ин-т.-Кемерово, 1989. - С,46-49. '■ . -

2. Методике; сиелкк технологичности угольных пластов //Егоров П.В., Нензсев^ РЛ., Крушинский Н.К. и Др./Ш СССР, Ш 'Тлавкуз'бассуголъ".-Кемерово, 1969.-36 с.

3. Методик« оценки тектонической структуры массива для рационального, планирования гернкх работ //Егоров П.В., Курзан -цев О.С., Крушиискчй H.K. i: др. /МУП СССР, ТО "ГлавкуобассугольЧ -Кемерово, 1989. -34 с.

А. ■ Егоров Л.З., Кружпнскнй H.H., Курзанцеэ О.С. Совершенствование технологии и социально-экономической деятельности хозрасчетного угольного'предпр-чтия.-Кемерово: Изд-во "Нритомское", 1991.-233 с.

5. Зайцев Г.П., Смирнов K.iL, Крушинекий Н.К. и др. Комплексная оценка соответствия технических решений условиям отработки выемочного поля // Совершенствование технологических процессов при разработке месторо^етай полезных -ископаемых: Сб.научн.тр.

№ б / Ассоциация "Кузбассуглетехнология".-Кемерово, J992.-C.

2р-ге.. '. . . '

6. Неборский В.Л., Бучатский В. Л.,' Васютинский Л.Н., Kp.ymiH-«кий Н.К. Реэультатп кспитанкй направленного ^лдадоразрыва тяогдьп тел // Совершенствование .технологических процессов 'при, разработке месторождений' полез;;:« ископаемых: Сб'.научн.тр, £ 6 /Ассоцна -vyy "Кузбассэтлстгх!-олотия".-Кемерово, 39S2.-C.B3-8S.

7. НеСорсккК В.'й., Крукшнскц« Н.К., Красильникое Г.В. и др.. Геом«*ан«ческс0 состояние, горного и мероприятия по eco управлений при беоцелнковеи технология на шахгэп&ицерид "Свве-рокуйо^ссулоль'^-ХемерСбО, -{^¿.-bQ с.

8. Руководство по направленному рааупроченич горного массива //' ИеборскиР В. ¡4., Буча зкиЕ В.М., КрупинскиР Н.К. и-др. /Минтопэнерго Р£.-Кемерово, 1992.-23 с.

?. Безопасность,труда в угольных шахтах: Практическое ■ уко-водство /Л.П.Белавенцев, А.Ф.Галанин, 'Й.К.Круоинский и др. - : Кедра, 1992.-С.253-276.

Заказ 350 Тираж 100 зкз. Печать офсетная. Обьем 1,£п.л. Формат 60x54/15 Типография К/зЗассксго политехнического института

'65003'' .Кемерозо, ул. Крисноар* зйзкая,113