автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Управление горным давлением и сдвижением массива при разработке угольных пластов короткими забоями с разрушающимися целиками в условиях многолетней мерзлоты

Р Г Б ОД

> 7 ОПТ 1398

На правах рукописи

Горный инженер САВЧЕНКО Сергей Владимирович

УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ И СДВИЖЕНИЕМ МАССИВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КОРОТКИМИ ЗАБОЯМИ С РАЗРУШАЮЩИМИСЯ ЦЕЛИКАМИ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Специальность 05.15.02. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург 1998

Работа выполнена в "Государственном научно-исследовател ском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела Межотраслевом научном центре ВНИМИ".

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук Розенбаум Марк Абрамович

доктор технических наук, профессор

Зубов Владимир Павлович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Степанежо Олег Тимофеевич

Ведущая организация: АО СПБ "Гипрошахт"

Защита диссертации состоится " 29 " 1998 I

в 10 час. на заседании диссертационного Совета Д. 135.06.01 пр Государственном научно-исследовательском институте горно геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевом научно! центре ВНИМИ по адресу: 199026, С.-Петербург, В-26, Средни! пр., 82, зал заседания Совета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан - >17 - 1998 г.

Исх.№_

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

В. М. Шш

Общая характеристика работы

туальпость работы

Добыча угля короткими очистными забоями составляет в среднем зло 60% от общего объема мировой подземной добычи. Преимуще-¡енное распространение она получила в таких странах как США, Ка-ца, ЮАР, Австралия и др. В отечественной практике разработка угля роткими очистными забоями нашла весьма ограниченное применение основном на шахтах, работающих в условиях многолетней мерзлоты, новными причинами ограниченного применения системы разработки роткими очистными забоями являются: большие потери угля в цели-<, при отработке свиты пластов оставляемые целики передают давле-е на нижележащие пласты, необходимость наличия устойчивой крови прочной почвы, отсутствие высокопроизводительной отечесгвен-й техники для коротких забоев.

Анализ мирового опыта отработки угольных пластов камер-ми системами показывает, что при применении высокопроизво-тельного оборудования для выемки угольных пластов и крепле-я кровли камерная система является весьма производительной, огрессивной и выгодной, а во многих случаях показатели ее мог превышать достигнутые в длинных комплексно-механизиро-иных забоях.

Проблема отработки короткими очистными забоями особенно гуальна для шахт Крайнего Севера, работающих в условиях оголетней мерзлоты. Горно-геологические условия этих шахт эвышенная устойчивость кровли, большая дизъюнктивная наружность, отсутствие газа метана) являются благоприятными для именения камерной системы разработки. Это особенно актуаль-в настоящее время, т.к. трудности доставки громоздкого обору-вания механизированных комплексов, огромные тарифы на пе-возки, необходимость создания для их применения специальных товий чрезвычайно удорожают себестоимости угля, в то время к высокопроизводительные короткие забои позволят обеспечить гем потребителя по ценам центральных районов России.

Проблеме разработки угольных пластов короткими очистными Зоями в условиях многолетней мерзлоты посвящены работы та-х ученых как Дядькина Ю. Д., Бублика Ф. П., Скубы В. Н., Шувало-Ю. В., Модестова Ю. А., Ельчанипова Е. А., Розеибаума М. А., епцова А. Е., Изаксопа В. Ю. и др.

Несмотря на значительный научно-технический прогресс в с< дании и практическом применении системы коротких забоев на ш< тах Севера проблема ее эффективного и безопасного применен полностью не решена. До сих пор слабо изучен вопрос формиро] ния нагрузок на целики, практически нет экспериментальных ма риалов, характеризующих величину напряжений в целиках в пери их разрушения, нет данных о фактическом изменении прочное материала целика от момента его формирования до разрушен] отсутствуют инженерные методы расчета целиков, разрушающихся течение заданного времени.

Таким образом, актуальная проблема эффективной отработ угольных пластов в условиях многолетней мерзлоты высокопро! водительными коротким забоями в настоящее время не решена.

При проведении шахтных исследований большую помощь 01 зали В. И. Апдриепко, А. И. Украинский, Н. Р. Сорокин, В. Ф. Ша ров, В. П. Кичанов и др., которым автор выражает глубокую щ знательность и благодарность.

Целью работы является обеспечение эффективного и безоп. ного управления горным давлением с помощью угольных целик при отработке пластов короткими забоями, путем определения рациональных параметров на основе установленных в натурн! условиях вечной мерзлоты закономерностей деформирования разрушения угольных целиков и пород кровли.

Идея работы заключается в том, чтобы управление горш давлением и сдвижением массива пород осуществлять таким 061 зом, чтобы целики выполняли свои функции по поддержан! кровли и земной поверхности в течение заданного времени, а зат разрушались.

Задачи исследований включали:

1. Установление закономерностей и количественных показа-лей сдвижения подрабатываемого массива при отработке угольн! пластов короткими и длинными очистными забоями.

2. Определение нагрузки на междукамерные, барьерные охранные целики и составление расчетных схем для определения их I раметров.

3. Исследование прочности угля и угольных целиков в натурах условиях при условно-мгновенном и длительном нагружении.

4. Разработка технологических схем отработки угольной пластов разрушаемыми целиками и методика определения их размеров.

Методы исследований. Работа выполнялась методами: экспе-^ментальных исследований в шахтных условиях характера сдви-ения кровли и деформирования целиков, определения прочности чэльных блоков больших размеров в шахтных условиях; матема-1ческой статистики с использованием результатов экспериментов 1Я получения общих закономерностей и расчетных формул. Экс-гриментальные исследования выполнены на шахтах "Анадыр-:ая", "Кадыкчанская", "Омсукчанская" ОАО "Северовостокуголь".

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. В условиях многолетней мерзлоты при отработке пластов шерными системами междукамерные целики шириной 2-3,5 м тактически не влияют на величину предельного пролета обруше-1я толщи пород до поверхности, при достижении которого проводит массовое разрушение этих целиков и обрушение кровли в шерах. Поэтому для эффективного и безопасного применения шерных систем необходимо при достижении пролета, равного 0,8 эедельного, оставлять барьерные целики, а расстояние между нии можно определять по известным формулам, учитывающим эочность пород, мощность породных слоев, их объемный вес, элученным для сплошной выемки пласта.

2. При расстоянии между барьерными целиками меньше предельного юлета обрушения толщи пород до поверхности, определение ширины гждукамерных целиков следует производить на нагрузки от веса пород ювли мощностью равной 1,2 ширины камер, при этом их несущую спорность следует принимать с учетом установленной зависимости умень-ения прочности угля за время отработки выемочного блока.

3. Определение ширины барьерных целиков следует произво-1ть на нагрузки от веса толщи пород до поверхности с учетом веса висающих консолей пород с обеих сторон целика. Несущую спорность целиков, в случае необходимости поддержания поверх-)сти, следует определять по пределу длительной прочности угля, эимерно равному 0,5 его прочности на сжатие, при обрушении >лщи пород до поверхности, а также при последующей отработке

нижележащего сближенного пласта, несущую способность целике следует определять из условия их разрушения через определенно заданное время, при этом прочность угля необходимо принимат по установленной зависимости ее изменения во времени.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. При обрушении основной кровли практически одновременно образ ются трещины на земной поверхности, расстояние между которыми на п< верхности, примерно, равно шагу обрушения кровли (50-80 м), угол изло\ пород при обрушении кровли равен 22-25°, а величина максимальных осед ний поверхности составляет 0,7-0,8 мощности пласта при оданарной подр ботке и 0,5-0,7 суммарной мощности пластов при двойной подработке.

Наличие междукамерных целиков шириной 2,0-3,5 м, при выш маемой мощности пласта 4,0-8,0 м практически не влияет на величиь предельного пролета обрушения основной кровли и характер осед ния поверхности, т.е. при достижении общего предельного проле] кровли (50-80 м) она обрушается как при сплошной выемке, а межд камерные целики разрушаются.

2. При технологии отработки камерной системой с междук; мерными и барьерными целиками, нагрузка на междукамернь целики в течение 1,5-3 месяцев формируется толщей пород мои ностью 8-20 м. Установлено, что мощность пород, пригружаюиц-междукамерные целики (#л) равна 1,2А, где Л - ширина камеры.

3. При отработке без барьерных целиков, междукамерные ц лики шириной 2,0-3,5 м разрушаются. При разрушении целике образуются провалы земной поверхности. Фактическая нагрузка \ целики перед их разрушением равна весу пород в объеме образ» вавшегося провала, а разрушающие напряжения могут быть опр делены как частное от деления этого веса пород на суммарну площадь междукамерных целиков в объеме образовавшегося npi вала.

4. Прочность угля в целиках за период их существования 1,5-6,0 м сяцев уменьшается в 1,8-2 раза. Получена зависимость (см. ф. 4) д) определения прочности угля в целиках в любой заданный момент вр мени.

5. Установлено, что при испытании прочности пород в натурнь условиях на блоках больших размеров (от 240x240 до 1000x1000 mi расположение ледяной плиты толщиной 2-10 см на торцевой повер ности блока, позволяет уменьшить разрушающую нагрузку в 2-6 раз.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и 'комепдаций подтверждается:

— большим объемом проведенных исследований на шахтах \.надырская", "Кадыкчанская" и "Омсукчанская" по изучению появлений горного давления, сдвижения подработанной толщи эрод и определению прочности угля с использованием апробиро-1нных методов и приборов ВНИМИ. В выработках и на поверх-эсти выделялись специальные экспериментальные участки, на эторых оборудовали замерные станции, в том числе и станции для элговременных наблюдений за сдвижением подработанной по-¡рхности. Так, например, наблюдения на реперных станциях, обо-/дованных в поле шахты "Кадыкчанская" для изучения сдвижения эверхности при отработке угольных пластов камерными система-и, продолжались около 30 лет и включали наблюдения как при :рвичной подработке поверхности пластом Первым, так и при эвторной подработке нижележащим пластом Вторым;

— положительными результатами внедрения технологических ;ем отработки камерными системами, в том числе и с саморазру-ающимися целиками, практически на всех шахтах Севера.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработана методика определения размеров целиков с уче-эм необходимого срока их службы.

2. Определены фактические параметры проявлений горного шгения, сдвижения подработанной толщи пород и прочности 'ля, которые могут быть использованы в качестве исходных дан-э1х при решении ряда горнотехнических задач, например, состав-;ния паспортов крепления выработок и др.

3. Усовершенствована методика натурных испытаний проч-эсти горных пород с использованием образцов больших (до )00х 1000 мм) размеров, при использовании которой, за счет пере-1чи нагрузки на угольный блок через слой льда, обеспечивается эвышение достоверности результатов предельных нагрузок.

Внедрение результатов работы.

Основные положения разработок автора вошли во "Временное товодство по применению короткозабойной системы разработки 1 шахтах п.о. "Северовостокуголь".

Рекомендации по определению размеров саморазрушающихс целиков приняты и внедрены в АОА "Шахта Воргашорская", шахт "Кадыкчанская" и руднике "Пирамида" - Шпицберген. Предлс женная технологическая схема отработки короткими забоям внедрена на шахте "Кадыкчанская".

Личный вклад автора заключается в постановке задач и разр; ботке методики экспериментальных исследований, организаци экспериментальных работ и оборудовании станций долговреме! ных наблюдений за сдвижением поверхности на шахтах "Анады{ екая" и "Кадыкчанская", в проведении экспериментальных работ п изучению проявлений горного давления и прочности угля в нату{ ных условиях, в обработке материалов экспериментов и получени основных научных результатов.

Апробация.

Основные результаты исследований в 1987-1995 гг. рассматр! вались в институтах ВНИМИ, ИГД им. А. А. Скочинского, ИГ7 Севера, Сибгипрошахт, Дальгипрошахт, АОА "Северовосто! уголь", АОА "Шахта Воргашорская".

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав заключения. Содержит 120 страниц, включая 30 рисунков, 11 та( лиц и список литературы из 89 наименований.

Основное содержание работы

В главе 1 приведен анализ горно-геологических услови угольных месторождений области многолетней мерзлоты и состо; ния изученности вопроса отработки угольных пластов коротким очистными забоями при управлении горным давлением и сдвиж! нием массива с помощью целиков.

Многолетняя мерзлота на территории РФ охватывает около 10 млн. м2, что составляет почти половину всей площади, занимая приполярную «ль, весь Северо-восток и Якутию. В этих районах разведано более 200 есторождений каменного угля. Продуктивная толща, как правило, пред-гавлена свитой пластов. Мощность их колеблется от 0,7 до 12-14 м, плас-л отличаются сложной гипсометрией, неоднородны и содержат множе-гво прослоев. Месторождения характеризуются значительной тектони-гской нарушенностью, глубина распространения многолетней мерзлоты г 70-140 м у южной границы области до 600-800 м у Арктического побе-

мжья.

Многолетнемерзлые породы при температуре -1,5-^-2,6°С и иже обладают повышенной устойчивостью, в многолетнемерзлой эне отсутствуют газ и вода.

Анализ мирового опыта разработки угольных пластов корот-ими очистными забоями показывает, что в настоящее время соз-аны высокопроизводительные машины с высокой степенью на-ежности в эксплуатации для выемки угля из коротких забоев с дновременным креплением кровли сталеполимерной анкерной репью высокой несущей способности. Это комбайны "Альпина-естфалия", "Джой", "Джеффри" и др.

Разработаны на базе этих комбайнов и нашли широкое приме-ение различные варианты технологических схем отработки уголь-ых пластов короткими забоями с оставлением целиков прямо-гольной, квадратной и ромбовидной формы, схемы с частичным огашением целиков и схемы с транспортировкой отбитого угля амоходными вагонетками и с помощью мостовых конвейеров, [ри этом по экономическим показателям добыча угля короткими збоями во многих случаях оказывается более выгодной, чем отра-отка длинными лавами. 4

Анализ опыта отработки показал, что на шахтах Севера управ-ение горным давлением при применении камерных систем осу-;ествлялось с помощью целиков, при этом все многообразие схем южно свести к трем основным вариантам.

Вариант первый: отработка ведется камерами с оставлением [еждукамерных целиков, удерживающих толщу до поверхности. В том случае ширина камер и целиков примерно одинакова и со-гавляет 8-10 м. При такой схеме потери достигают 55-60%, при тработке свиты пластов передается повышенное давление на ни-сележащие пласты, кроме того, имели место случаи, когда спустя

несколько лет после отработки происходили внезапные разруш< ния целиков на больших площадях, что приводило к серьезны авариям.

Вариант второй: отработка ведется камерами шириной 6-12 с оставлением междукамерных целиков 2,5-3,5 м. В этом случа* при отработке нескольких камер и достижении общего пролета 5( 80 м, происходили внезапные разрушения целиков и обрушени кровли не только в отработанных, но и в рабочих камерах, пр этом часто такие обрушения сопровождались гибелью рабочих потерей оборудования.

Вариант третий: отработка ведется камерами шириной 6-121 с оставлением междукамерных целиков такой же ширины как и предыдущем варианте и с оставлением после отработки каме барьерного целика больших размеров. Эта схема более безопасна чем две предыдущие и она применялась практически на всех шах тах, отрабатывающих угольные пласты в условиях многолетне мерзлоты. Известно, что эффективная работа коротких забоев значительной степени зависит от правильно выбранных пара метров целиков. При этом в рассматриваемой схеме очень важ№ правильно определить расстояние между барьерными целиками, также ширину барьерных и междукамерных целиков.

Так, в случае необходимости сохранения поверхности, нужнс чтобы барьерные целики выполняли эту функцию, при обрушени! толщи пород до поверхности, а также при последующей отработк нижележащего пласта, необходимо, чтобы барьерные и междука мерные целики выполняли свои функции в течение заданного вре мени, а затем, под действием горного давления, разрушались.

Известно большое количество работ, посвященных определе нию размеров целиков различного назначения. К числу основны: из них относятся работы Л. Д. Шевякова, М. М. Протодъяконова В. Д. Слесарева, Ф. П. Бублика и многих других. Для условий мно голетней мерзлоты следует отметить работы Е. А. Ельчанинова Ю. А. Модестова, Ю. В. Шувалова, М. А. Розенбаума, Ф. М Киржиера, С. М. Огнева и др.

Однако до сих пор не известно как определить предельны! пролет обрушения толщи пород до поверхности при отработке ка мерами, оказывают ли влияние междукамерные целики на его вели чину, на какие нагрузки необходимо рассчитывать междукамерные

елики, расположенные между барьерными целиками и какую рочность угля принимать для расчета постоянных барьерных це-иков и междукамерных и барьерных, которые должны разрушать-1 в течение заданного времени.

На основании выполненного анализа состояния вопроса в 1аве 1 диссертации сформулированы цели и задачи настоящего сследования, которые приведены выше, а результаты этого иссле-ования изложены в четырех главах диссертации и заключаются в тедующем.

Глава 2. Исследование сдвижения массива пород при тработке угольных пластов

Для решения вопросов о порядке, сроках и параметрах отра-отки пластов «необходимо знать характер обрушения и сдвижения элщи пород, т. к. только он формирует нагрузки на целики раз-ичного назначения.

Исследования проводились как при камерно-столбовой системе азработки, так и при системе длинных столбов. Исследования бы-и проведены в различных горно-геологических и мерзлотных :ловиях на трех месторождениях - Анадырском, Аркагалинском и алимовском. Для исследования параметров сдвижения над частком отработки пласта закладывались профильные линии по ростиранию и вкрест простирания пласта. В качестве реперов рименялись железные стержни длиной 1500 мм и диаметром 5 мм, к концам которых приваривали "якоря" в виде металличе-сих пластин размерами 50x50 мм. Реперы закладывали в скважины иаметром 93 мм на глубину 1,2 м на расстоянии 10 м друг от дру-1. В каждом цикле наблюдений, одновременно с обследованием )стояния кровли в очистном забое, производили нивелирование а поверхности и измерения расстояний между реперами.

Исследования на шахте "Анадырская" были проведены при от-аботке пл. "Слоистого II". Наблюдения за сдвижением поверх-ости были начаты одновременно с выходом механизированного эмплекса из монтажной камеры. После отхода лавы на расстоя-ие 47-55 м на поверхности образовывались трещины шириной 10-I см, расположенные вдоль линии забоя, почти по всей его длине, ^ри совмещении планов горных работ и поверхности оказалось, го трещина находится впереди линии забоя на расстоянии 3-5 м.

Образование трещин на поверхности происходило практическ одновременно с обрушением основной кровли в лаве и образовав ем трещины у забоя.

Наблюдения показали, что в периоды обрушения основно кровли наблюдались и увеличения скоростей оседания поверхности точках максимального перегиба в 3-5 раз по сравнению с обычным1 Измерения расстояний на плане горных работ между положениям забоя в эти периоды позволяют определить очередной шаг обруиш ния основной кровли, который для рассматриваемых условий состг вил 14-15 м. При глубине 40-50 м обрушение основной кровли пра! тически сразу развивалось до поверхности с образованием на не трещин разрывов и провалов, при этом отношения Ак/т = 0,7, г/ ДЛ - оседания поверхности, мм; т - мощность пласта, мм. Угол и: лома пород при обрушении кровли (со) составил 22-25°.

При системах разработки короткими очистными забоям! практически на всех рассматриваемых месторождениях ширин междукамерных целиков принималась равной 2,5-3,5 м.

Результаты исследований сдвижения поверхности показал! что при мощности пласта более 4 м целики указанных размеров н оказывают заметного влияния на характер оседания и пролет о£ рушения основной кровли, т.е. при достижении общего пролет; равного предельному для данных условий, междукамерные целик разрушаются.

Исследования показали, что заметное влияние на характе опускания толщи пород оказывают целики шириной 10 м и более.

При отработке камерными системами с обрушением пород бе систематического оставления целиков увеличенных размеров п сравнению с междукамерными и предназначенными для управл( ния обрушением основной кровли, происходят периодически (после отработки 3-4 камер) внезапные раздавливания междукг мерных целиков и обрушения кровли не только в отработанных, н и в рабочих камерах.

Кроме того, отмечались случаи, когда разрушение междукг мерных целиков происходит практически мгновенно на больши площадях, вызывая резкое оседание толщи пород, сопровох дающееся внезапными ударами значительной силы. Такие явлени имели место на шахтах "Джебарики-Хая, "Кайеркан", "Кадыкчаь екая", "Центральная" и др.

Для определения влияния повторной подработки были заложс ны специальные замерные станции на поверхности шахт!

Кедровская" в районе отработки пл. "Среднего" и на поверхности «ахты "Кадыкчанская" в районе отработки пл. "Первого". Наблю-[ения на станциях проводились в момент первичной подработки в 975-76 гг., и повторной в 1982-84 гг. Наблюдения по этим станци-м были повторены в 1990 г.

Исследования показали, что оседания поверхности в результате ювторной подработки достигло 54-73% от суммарной мощности »тработанных пластов. Наблюдения за характером обрушения по-юд в камерах при отработке блоков между барьерными целиками [оказали, что зона беспорядочного обрушения прослеживается на >асстояшш 8-20 м от почвы пласта при мощности его 3-8м, ширине :амер 6-12 м и ширине междукамерных целиков 2-3,5 м. Очевидно, [то нагрузка на междукамерные целики в первый период отработ-:и камер формируется этой толщей пород.

Получена зависимость между высотой толщи пород, форми->ующей нагрузку на междукамерные целики в этот период, и ши-шной камеры.

НЛ=\,2А, (1)

■де На - высота толщи пород от кровли пласта, м, А - ширина ка-1еры, м.

Выше этой зоны наблюдалась зона плавного прогиба пород и ;рупноблочного разрушения с размерами блоков 20x20 м.

Для определения размеров целиков очень важно достоверно оце-шть фактическую нагрузку, которая нагружала междукамерные цели-си в момент их разрушения. Было высказано предположение о том, 1то в момент образования провалов целики, которые поддерживали юлщу пород, были раздавлены. Для подтверждения этого были пройдены специальные исследования на шахте "Омсукчанская".

На шахте "Омсукчанская" пласт "Мощный" мощностью 8-9 м в 942-68 гг. был отработан камерной системой на глубину до 90 м. 7араметры камерной системы были следующие: ширина камеры 8-\2 м, ширина междукамерных целиков 2,5-3,0 м. За время разра-5отки пласта "Мощного" извлечено более 1 млн. т. угля, при этом ¡писано в потери 725 тыс. т или 40 % площади пласта. Затем было 1ринято решение отработать междукамерные целики открытыми заботами. Таким образом получилась как бы естественная модель, т которой можно было наблюдать состояние камер, целиков и $сей толщи пород до поверхности.

Наблюдения показали, что камеры были заполнены породой, 1ри этом высота обрушения составляла 1,5-1,7 мощности пласта.

и

Междукамерные целики, как правило, сохранили свою форму и раз меры и были разбиты сетью вертикальных трещин, частота которы: увеличивалась от центра к краям. На участке провалов целики был! раздавлены. Размеры провалов по простиранию пласта захватывали как правило, 3-4 камеры, таким образом толща пород в объеме про вала поддерживалась 4-5 угольными целиками, которые в момен' образования провала разрушались. Это обстоятельство имеет очен1 важное значение, т. к. позволяет оценить фактические напряжения ] целиках в момент их разрушения, которые определялись как частно» от деления веса пород в объеме провала на суммарную площад1 поддерживающих ее междукамерных целиков.

Проведенные исследования позволили составить расчетные схемь и формулы к определению фактических нагрузок, действующих н; целики различного назначения, и получить исходные данные даи определения их размеров (шаг обрушения основной кровли, углы об лома и сдвижения пород, мощность толщи, пригружающей целики).

Глава 3. Исследование прочности мерзлых пород

Для определения размеров целиков различного назначения не обходимо знать достоверные прочностные характеристики пород слагающих целики. Это особенно важно при определении размеро! саморазрушающихся целиков, т. к. в этом случае при определена их размеров принимается минимальный коэффициент запаса, который не перекрывает ошибки в оценке прочности. Известно, чтс наиболее достоверные результаты при определении прочности особенно для многолетнемерзлых пород, получают в результат« натурных испытаний, т. к. в этом случае учитываются такие факторы, как температура, влажность, льдистость, наличие ледяных прослоев и включений, особенности структуры и т. д., поэтому этот метод принят в качестве основного при определении прочности угля и пород, слагающих целики. Исследования проводили по известной методике ВНИМИ. В комплект оборудования входили: давильная установка БУ-28, угольная пила МС-10 и высоконапорный насос БН-10. Испытания проводили по схеме с четырьмя обнаженными плоскостями. В работе приведены данные по прочности угля для различных пластов и месторождений, полученные спустя 1,5-3 часа после обнажения массива. Эти данные о прочности были приняты в качестве исходных при определении фактических

апряжений в целиках в момент их разрушения м построения кри-ой длительной прочности.

Исследования сдвижения поверхности показали, что при выни-1аемой мощности пласта 3 м и более и глубине работ 40-70 м и отра-отке без оставления барьерных целиков при обрушении основной ровли образуются провалы. Момент образования провала фикси-уется маркшейдерской службой шахты. Таким образом появилась озможность оценить фактические напряжения, которые имели мес-о в целиках в момент их разрушения. Так как провалы образуются роизвольно, т. е. время их образования после отработки камеры южет составлять величину от нескольких суток до нескольких лет. >то позволяет получить значения длительной прочности угля по езультатам натурных наблюдений. Для этого каждый образовав-шйся провал измеряется и нагрузка, представляющая собой вес по-оды в объеме провала, равномерно распределяется на целики, ко-орые вписаны в площадь провала. Таким образом, фактические апряжения в целиках в момент образования провала равны:

Я =

рф

2ХЛ

(2)

Рф - КР

у-А,

(3)

це Иср - полусумма оснований трапеции, к - мощность толщи про-алившихся пород, у - объемный вес пород, - суммарная пло-щдь целиков в объеме провала, кф- коэффициент формы целика.

На рис. 1 представлена кривая изменения прочности угля ласта "Первого" шахты "Кадыкчанская", построенная по резуль-атам исследований.

<0 I

41

е

о §

£

10

20

Время, сут Рис. 1

30

40

Анализ экспериментальных данных показывает, что под влия нием длительной нагрузки прочность угля уменьшается, асимпто тически приближаясь к некоторому значению, которое условн« можно принять за предел длительной прочности Л«» 0,5/?сж.

Обработка результатов исследований, полученных в различны условиях, позволила получить формулу для определения прочносп угля в любой заданный момент времени от формирования целика д его разрушения.

(4

т

где /?т - прочность угля в заданный момент времени, Я - прочност; угля по результатам испытаний в свежеобнаженном массиве в ре жиме условно-мгновенного нагружения, т - время, сут.

Использование значения длительной прочности для определе ния размеров целиков позволяет предельно уменьшить коэффици ент запаса и определять размеры целиков с заранее заданным сро ком их службы или же производить оценку долговечности ране оставленных целиков.

Глава 4. Технология отработки угольных пластов ( управлением массива пород целиками

Опыт и проведенные исследования показали, что наиболее пер спективной технологической схемой отработки угольных пластов ка мерными системами является отработка камерами с оставлением меж дукамерных и барьерных целиков. При этом возможны два случа* Первый - когда необходимо сохранять поверхность, и второй - когд породная толща обрушается до поверхности, а барьерные и йеждука мерные целики с целью исключения вредного влияния на нижележа щие пласты должны разрушатся через определенное заданное время.

Для расчета параметров камерной системы и в первом и В( втором случаях вначале необходимо определить предельный про лет обрушения кровли и через него расстояние между барьерным] целиками.

Определить пролет обрушения кровли, состоящей из смерзшихс слоев пород, отличающихся между собой прочностью, мощностью ; расположением по высоте, можно по известной формуле, получен ной д. т. н. М. А. Розенбаумом для рассматриваемых условий.

Расстояние между барьерными целиками {Ьг) принимаем равным

Ьд = 0,8 Ь„р,

де Ьпр - предельный пролет обрушения мерзлой толщи пород до оверхности.

Размеры целиков определяют исходя из предположения, что ействующая на них нагрузка Рф уравновешивается несущей спо-обностью Р„ с некоторым коэффициентом запаса п, т. е.

Так как в данной методике расчеты ведутся с использованием сходных данных по прочности и параметрам нагружения целиков, олученным в натурных условиях, принимаем коэффициент запаса ля междукамерных целиков равным 1, для барьерных - 1,1.

На рис. 2 представлена схема к расчету фактической нагрузки а барьерные и междукамерные целики, составленная по результа-ам проведенных исследований.

В соответствии с представленной схемой фактическую нагрузку [а единицу длины барьерного целика определяем по формуле:

де В - ширина барьерного целика, м; Я - глубина до поверхности, !; у - объемный вес, кН/м3; а - угол излома пород; 10 - шаг очеред-юго обрушения основной кровли, /„и4 — 5Ьпр\ -толща пород,

(5)

Рис.2

РА = ВНу + -2у[тЯа + 1„(Н-на) + ЦН-На)), (6)

поддерживаемая междукамерными целиками, На » 1,2А; Ьв - рас стояние между барьерными целиками.

Несущая способность целиков определяется по формуле

Р„ = Л*кф, (7

где Я - прочность угля на сжатие, Мпа; 5"- площадь целика, равна: В-1, на единицу длины Б = В, м2; кф - коэффициент формы целика Для рассматриваемых условий кф можно определить по известно! формуле

А:(;,=(0,75 + 0,25£), (8

где т - мощность пласта, м.

В случае необходимости сохранения поверхности при расчет барьерного целика необходимо принимать прочность Я равнук пределу длительной прочности Я„.

Подставив исходные значения в формулу (5) получим уравне ние, решая которое относительно В, определяем необходимую ши рину целика

Шу+^у[Я^а + /о(Я-Яв) + Ь.(Я-Я1/)] = ^0,75 + 0,25^ . (9

При определении размеров барьерных целиков, которые должнь выполнять свое назначение по поддержанию кровли и поверхности : течение заданного времени, а затем разрушаться, фактическую нагрузк; необходимо определять по формуле (6), а при определении несущей спо собности использовать значение прочности угля на заданный момен времени Я„ которое определяется по формуле (4). Затем, так же как ; предыдущем случае исходные данные подставляют в формулу (5) 1 определяют ширину барьерного целика, который разрушится через за данное время.

Для определения ширины междукамерных целиков Ъ, так ж используют формулу (5).

Фактическую нагрузку на междукамерные целики определяют ] соответствии с расчетной схемой (см. рис. 2) по формуле:

Рфм = уНа(Ь+А),

где Ь - ширина междукамерного целика, м; Я„ - толща пород, под держиваемая междукамерными целиками, м. В соответствии с вы полненными исследованиями Я„ «1,2^4.

При определении несущей способности междукамерных цели-эв так же как и в предыдущем случае определяют длительную рочность угля с таким расчетом, чтобы междукамерные целики одцерживали кровлю в течение всего срока отработки участка паста между барьерными целиками, а затем разрушались. Для ассматриваемых условий он равен 1,5-3 месяца.

Полученная зависимость изменения прочности целиков от вре-ени их нагружения позволяет решить и другую задачу, а именно, ценить долговечность существующих целиков определенных раз-еров. Для этого, решая уравнение (9) относительно Л, определяют ~о длительную прочность, а затем по рис. 1 определяют долговеч-ость оставленных целиков.

Заключение

В диссертации на основе выполненных автором исследований ешена актуальная научно-техническая задача по обеспечению эф-ективного и безопасного управления горным давлением с по-ощью угольных целиков при отработке угольных пластов корот-ими забоями в условиях многолетней мерзлоты.

В работе получены новые научные результаты, которые позво-яют: прогнозировать характер поведения подработанной толщи ноголетнемерзлых пород при управлении горным давлением и движением массива пород с помощью угольных целиков; опреде-ять параметры угольных целиков с таким расчетом, чтобы они, осле выполнения функций по поддержанию кровли и земной по-ерхности в течение заданного времени, саморазрушались; разра-отать эффективные технологические схемы отработки угольных ластов короткими очистными забоями.

Основные выводы и практические рекомендации в целом по аботе сводятся к следующему.

1. При выемке пласта величина максимальных оседаний поверх-ости составила 0,7-0,8т суммарной мощности пласта при одинар-ой подработке и 0,5-0,7т при двойной подработке. Наличие меж-укамерных целиков шириной 2,0-3,5 м, при вынимаемой мощности ласта 3,5-8,0 м, практически не влияет на характер оседания по-ерхности и величину предельного пролета обрушения кровли, т.е. ри достижении общего пролета кровли 50-80 м она обрушается как ри сплошной выемке, а междукамерные целики раздавливаются.

2. Установлено, что прочность угля в целиках уменьшается зависимости от времени их нагружения в 1,8-2 раза. Получена фор мула для определения прочности угля в целиках в любой заданны момент времени от периода их формирования до разрушения.

3. При работе без барьерных целиков междукамерные целик шириной 2,0-3,5 м разрушаются под влиянием горного давленш При разрушении целиков образуются провалы земной повер> ности. Фактическая нагрузка на целики перед их разрушением ра! на весу пород в объеме образовавшегося провала, а разрушающи напряжения могут быть определены как частное от деления этог веса пород на суммарную площадь междукамерных целиков в обг еме образовавшегося провала.

4. При отработке угольных пластов камерными системам наиболее эффективной и безопасной технологической схемой яе ляется схема с управлением горным давлением и сдвижением мае сива с помощью широких барьерных и расположенных между ним сравнительно узких междукамерных целиков, при этом расстояни между барьерными целиками следует принимать равным 0,8 вели чины предельного пролета, который можно определять по и; вестным формулам и зависимостям для сплошной выемки пласта.

5. Определение ширины междукамерных целиков, располс женных между барьерными целиками, следует производить на на грузку от веса толщи пород кровли, мощность которой равна 1, ширины камеры, а их несущую способность следует принимать учетом установленной зависимости уменьшения прочности угля з время отработки выемочного блока.

6. Несущую способность барьерных целиков в случае необходр мости поддержания поверхности рассчитывать по пределу длитель ной прочности угля, который равен 0,57?^ а Для барьерных целу ков, которые должны разрушаться под влиянием горного давления течение заданного времени, по полученной в натурных условиях зг висимости прочности от времени существования целика.

Основные результаты, полученные автором, вошли составно частью во "Временное руководство по применению короткозабойно системы разработки на шахтах производственного объединени "Северовостокуголь", а рекомендации по параметрам барьерных междукамерных целиков для конкретных условий были передан! на шахты "Кадыкчанская", "Пирамида", "Воргашорская", где он прошли промышленное опробование и показали хорошие резуль таты.

Основные положения диссертации отражены в следующих ра-

ботах.

1. Савченко С. В. Отработка угольных пластов короткими очистными забоями в зоне многолетней мерзлоты. В сб. Горное дав-тение, горные удары и сдвижение массива. С.-Петербург, ВНИМИ, 1996, с. 213-216.

2. Савченко С. В. Определение прочности многолетнемерзлых по-юд в полевых условиях. В сб. Горное давление, горные удары и сдвижение массива. С.-Петербург, ВНИМИ, 1996, с. 216-219.

3. Привалов А. А., Савченко С. В., Ковалёв П. И. Разрушение юрных пород взрывом. Новочеркесск, 1996, НГТУ, с. 85.