автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Устойчивость выработок, поддерживаемых в обрушенной и уплотненной толще пород при повторной отработке мощных угольных пластов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАТЛГАНЛИНСЩ1Й ОРЯКНА ТРУ?'ЛВТР КРАСНОГО ЗНАМЕНИ-ШУ КТЕ чНИЧЕСКИЙ ИК-: ШУТ.

Нт правах пукописи

ПУЛА: Йг"->Ь 'Л!У> НМ'КиЬЫ-^',

УД"/. 622.268:622.835

УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК, ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ В ОБРУ1ЖННОИ и УПЛОТНЕННОЙ ТОЛЩЕ ПОРОД ПРИ ПОВТОРНОЙ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ.

специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

л в т о р г е к р л т

н,к- учено:-! он-■ ■к/л' чкук

Работа выполнена в Карагандинском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте

Научный руководитель

доктор технических наук Колоколов о.Б.

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор Брагин Е.П. кандидат технических наук Элиманов К.К.

Ведущее предприятие - Государственный проектный институт "Карагандагипрошахт".

Защита диссертации состоится " £ " 1994 г

года в 14 часов на заседании Специализированного Совета Л 14.22.01 в. Карагандинском политехническом институте по адресу: 470075, Караганда, бульвар Мира, 56, главный корпус, конференц-зал.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " _ 1994 г. Отзыв на

автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 470075, Караганда, бульвар Мира, 56.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат техн.наук, доцент

К. Б. Кызыров

' ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Несовершенство техники и технологии добычи угля в 30 - 60-х годах обусловило большой процент потерь угля при отработке мощных пологих пластов в Карагандинском бассейне.... Увеличение глубины разработки, ухудшение горно-геологической обстановки, а, следовательно, увеличение себестоимости угля,заставило по-новому оценить ранее оставленные запасы, которые сосредоточены в охранных целиках и частично отработанных мощных пластах угля (К2, К7 , кю, К12)• Институтом "Карагандагипрошахт" совместно с КаэНИИВГЯ, КапНИИуголь и Казахским филиалом ВНИМИ в 1986 году была доказана целесообразность вскрытия и отработки оставленных запа-Ьов угля по пластам кю и К1г, обоснованняа не только сокращением потерь дефицитных коксующихся углей, но и экономическими показателями. Отработке оставшихся запасов угля на полях погашенных шахт предшествует подготовка шахтного поля. т.е. проведение подготовительных выемочных выработок, которые в этом случае должны располагаться в обрушенных и уплотненных породах.

Непременным условием для успешной отработки этих запасов является, помимо прочего, решение проблем горного давления в выработках, пройденных в обрушенных породах и в оставленных при первичной отработке целиках.

Исследования, проводившиеся в условиях иахт Караганды по устойчивости нарезных выработок, расположенных в обрученных и уплотненных породах, имели своей целью выяснить возможность отработки оставшихся запасов угля. Детальных исследований особенностей проведения и поддержания выработок в обрушенных и уплотненных породах не проводилось. Отсутствуют также надежные методы расчета нагрузки на крепь в этих условиях. Все это определяет необходимость исследования закономерностей проявлений горного давления в выработках, пройденных в обрушенных и уплотненных породах для специфических условий карагандинских шахт.

Данное направление исследований имеет особенно важное значение в настоящее время в связи с началом осуществления проекта, разработанного институтом " Карагандагипрошахт", по вскрытию и подготовке гор. 310 разведочно-эксплуатационного участка отработки запасов, оставленных в недрах шахты "Кировская" П.О."Караган-дауголъ". Общие запасы горной массы по пластам кю и кхг на площади погашенных шахт (площадь поля составляет 20.0 кв.км) в пре-

делах Промышленного участка в контуре горных работ, рекомендуемые к отработке на действующих шахтах, составляют 53017 тыс.тонн.

Работа является составной частью исследований, выполненных кафедрой Шахтного и подземного строительства Карагандинского политехнического института (.номер гос. регистрации 01880043916).

Целью работы является установление основных закономерностей формирования горного давления на крепь подготовительных выработок при отработке оставленных после частичной выемки мощных пологих пластов угля в условиях Карагандинского угольного бассейна и разработка на их основе рекомендаций по креплению этих выработок.

Идея работы заключается ь.научном обосновании механизма влияния специфических особенностей строения подработанного массива, степени его нарушенности на устойчивость выработки, расположенной в обрушенной и уплотненной толще.

Задачи исг ледований:

- методами натурных наблюдений установить закономерности проявлений горного давления в подготовительных выработках при подготовке и повторной отработке мощных угольных пластов;

- разработать математическую модель, адекватно отображающую геомеханические процессы, происходящие" в массиве вокруг кырабо-

• ток, расположенных в обрушенных и уплотненных породах;

- исследовать закономерности механических процессов, происходящих в окрестности выработок, расположенных в условиях подработанного массива методом математического моделирования.

Методы исследования: визуальные наблюдения и инструментальные • замеры в шахтных условиях, численное моделирование на ПЭВМ, основанное на использовгнии методов теории упругости (в частности, метода граничных элементов) и предельного равновесия, обработка результатов исследований методами математической статистики.

Основные научные положения,, выносимые на защиту, и их новизна:

- особенностью Проя лений горного давления в одиночных подготовительных выработках, пройденных в обрушенных и уплотненных породрч, является увеличение смещений контура (по сравнению с выработками, расположенными в негзрушенном массиве) преимущественно со стороны боков выработки;

- характер влияния очистных работ на проявления горного давления аналогичен этому влиянию в ненарушенных породах, однако величина дополнительных смещений значительно меньше, чем при пер-

вичной отработке; . <•,'

- разработанная математическая модель процесса вторичного разрушения массива вокруг подготовительных выработок позволяет дать научнее объяснение проявлений горного давления в выработках;

- зона вторичного разрушения вокруг выработки имеет овальную __форму, вытянутую вдоль напластоьан"я пород, причем степень овальности уменьшается с увеличением соотношения ¡гН/бсж за счет роста зоны в кровле;

- наличие слоя прочных пород в кровле выработки ограничивает распространение зоны вторичного разрушения в кровле.

Достоверность подученных результатов обес лечена: достаточным объемом шахтных визуальных и инструментальных наблюдений за особенностями проявлений горного давления в выработках (6 "выработок, 39 замерных станций, 1.1 тыс.замеров), применением апробированных математических методов для численного моделирования процессов, происходящих в окрестности горных выработок, удовлетворительной сходимостью расчетных результатов с результатами натурных наблюдений.

Научное значение работы заключается в раскрытии механизма вторичного разрушения массива вокруг выработки в зависимости от структуры подработанной толщи; создании методики определения нагрузки на крепь методом численного моделирования с учетом изменения прочностных свойств пород при первичной отработке.

Практическое значение работы заключается в возможности использования результатов исследований для определения параметров крепления выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах, е учетом конкретной горни-геологической обстановки и степени нарушенностг массива для условий повторной отработки мощных пологих пластов на шахтах Карагандинского бассейна.

Реализация выводов_и рекомендаций. Разрабс мнная методика

определения нагрузки на крепь была использована при составлении паспорта крепления вентиляционного бремсберга пласта кю шахты " Кировская " Н, о. "Карагандауголь". При этом обеспечено его б зремонтное поддержание. Это позволило при . увеличенном шаге крепи* и уменьшенных затратах на проведение данной выработки обеспечить реальный экономический эффект 27.9 тыс. рублей (в №нчх 1991 г.).

МР^^УМ работьк основные результаты работы обсуждались и получили олобррште на научно технической конференции "Разработка

ноеых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в усложняющихся условиях" (Караганда,1991), на XII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных,и подготовительных выработок (Алма-Ата,1990), на технических советах шахт "Кировская" и "Северная" П. О. "Карагандау-голь" с участием представителей проектного института "Караганда-гипрошахт", на Перзой Международной конференции "Проблемы развития угольной промышленности Республики Казахстан" (Караганда 1993) , научных конференциях Карагандинского политехнического института (1990-1993 г.г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав , заключения, списка литературы из 109 наименований и содержит 173 стр. машинописного текста, 55 рисунков, 5 таблиц и приложения.

Основное содержание работы.

Первая глава посвящена анализу опыта поддержания выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах при повторной отработке мощных угольных пластов в условиях Карагандинского угольного бассейна, а также.обзору суще стиудах представлений об устойчивости выработок в данных условиях.

Исследование процессов, проксходяы« в обрушенных породах, нашло отражение в работах многих ученых: И. Л. Черняка, К». И. Ну Г'" чакова, С.К. Комиссарова, К. Я. Коцклекч, к. А. Ардаик/ва. ,В.А. Потапенко, Н.П. Бажина и др.

Изучению особенностей поведения обрушенных пород для условий Карагандинского бассейна посвящены работы Ж.М. Канлнбаеьой, С.С. Квона, Ш.А.-Г.Еолгожина.Ф.И. Клиновицкого и др. Результаты исс ледований устойчивости нарезных выработок в обрушенных и уплотненных породах изложены в работах А,Г. Саламатина, а.Я. Мирного, Э.Г. Роота, Л.Я. Мамонтова, Я.Я.- Мамонтова. В.Р. Ефимова,' 0.0. Сербо и.др. Накопленный опыт эксплуатации выработок, поддерживаемых в обрушенных породах ъ условиях Карагандинского угольного . бассейна, показывает, что остаются мало изученными вопроси рационального крепления выработок, расположенных г. подработанном массиве .

- у -

о

Большой опыт поддержания выработок, расположенных в обрушенной и уплотненной толще, накоплен в Донбассе, где такое их расположение применяется как способ охраны выработок. Исследования, проведенные учеными Донецкого политехнического института

(М.П.Зборщик, В.В.Назимко, В.И. Пилюгин и др.),._позволили опреде:---------------

лить-рациональное-расположение выработки в подработанном массиве, оценить вертикальную нагрузку на крепь в таких условиях, а также выработать ряд рекомендаций по эффективному расположению и креплению выработок, проводимых в обрушенных и уплотненных породау.

Следует особо отметить, что опыт Донецка может и должен быть использован гак о методологической тс ¡ки зрения изучения обрушенной п уплотненной толщи пород в условиях Караганды, так и как научная база с большим объемом аналитических исследований и разработок. Однако различие горно-геологических и горно-технических условия, существующее между Карагандинским и Донецким бассейнами, делают во многом неприемлемым и некорректным применение разработок донецких ученых в полном объеме для Карагандинского бассейна. Эти исследования проводились только на больших глубинах (500 -1000 м), не свойственных условиям повторной отработки мощных угольных пластов в условиях Караганды. Кроме того, обрушенные породы при данных исследованиях (для условий Донбасса) представлены непосредственной кровлей отработанных пластов - аргиллитами и алевролитами, в то время как для Карагандинского бассейна подработанный массив -это верхняя часть мощных угольных пластов. Предложенные донецкими учеными мэтоды расчета вертикальной нагрузки на крепь основывается на представлении обрушенных и уплотненных пород сыпучей средой и теории свода естественного равновесия, что ограничивает применение этих методов горно-геологическими условиями сильно нарушенных подработкой пород, характерных для больших глубин Донбасса. Эти методы не позволяют учитывать многие факторы: структуру обрушенных пород и их прочностные свойства, исходное напряженное состояние подработанного массива, глубину работ, Форму выработки и т.д. В нормативном документе ВНИМИ вопрос расположения выработок в обрушенных породах рассматривается только как способ их рациональной охраны без учета влиянии очистных работ.

Выполненный -шг»лкя покаран необходимость проведения натурных иссл^догччич пр'^дании горного давления в выработках, пройденных в обрушенных и уплотненных породах, а также разработки математи-

ческой модели, позволяющей отражать механизм взаимодействия крепи и по;юд в широком диапазоне условий повторной отработки мощных угольных пластов.

Вторая глава посвящена исследованиям состояния поддерживаемых выработок в шахтных условиях. Для определения особенностей поведения пород обрушенной и уплотненной толщи в условиях Карагандинского угольного бассейна были проведены исследования в натурных условиях: визуальные наблюдения, инструментальные замеры на наблюдательных станциях с помощью контурных и глубинных реперов, а также измерение относительных смещений элементов крепи в узлах податливости. Всего оыло установлено 36 контурных и 3 глубинных вамерных станций. На основании визуальных наблюдений установлено, что толща обрушенных и уплотненных пород может быть представлена только породами, плавно опустившимися при первичной отработке (1 тип), может содержать слой с хаотическим расположением обломков (II тип), и, наконец, может содержать также и слой мелкодробленых пород (III тип). Во всех этих случаях массив обрушенных и уплотненных пород представляет собой сплошную среду без перемешивания смежных пород угленосной толщи. Характер взаимодействия крепи с окружающим массивом ви многом определяется качественной картиной •обрушенной и уплотненной толщи. . Смещение пород в ,окрестности выработки, расположенной в обрушенной и уплотненной ..толще можно разбить на 3, а в некоторых случая и 4 этапа. Первый этап, протекающий £0 -30 суток, характеризуется активными смещениями на контуре выработки. На этапе реализуется от 40 до 80% всех смещений со стороны боков и почвы выработки и до 100Z смещений со стороны кровли. Второй этап характеризуется частичной стабилизацией смещений. Продолжительность данного этапа составляет от 30 до 200-240 суток. Тлетий этап отличается почти полным прекращением смещений и характере-! только для пород III типа. Продолжительность третьего этапа составляет от 60-80 до 160-200 суток. Четвертый этап характеризуется смещениями только в боках и почве выработки, имеющими плавный слабозатухатаций характер. Наступление данного этапа наблюдается после 200-220 суток.

Устойчивость выработки на участках её пересечения с межлав-ными целиками в диапазоне исследуемых глубин (100 - 200 м) значительно не изменялась в сравнении с участками, расположенными в обрушенных и уплотненных породах. Зона разрушения вокруг выработки, расположенной в обрушенных породах, по данным замеров на глу-

бинных станциях имеет овальную форму, вытянутую вдоль напластования пород. Максимальный коэффициент расширения пород как в кровле, так и в боках выработки составляет 1.0Я в непосредственной близости от контура выработки (0.5 - 1.5 м), при удалении-от контура уменьшается_до_ 1.01_-_-1.003.-Сравнение-проявлений горного давления в выработках, пройден ¡ых в ненарушенном массиве и в выработках, расположенных в обрушенных и уплотненных породах, показывает, что в последних в несколько раз возрастают смещения со стороны боков выработки, в то время как смещения кровли практически остаются на том же уровне.

При расположении выработок в обрушенных и уплотненных породах в зоне опорного давления активная зона влияния очистных работ располагается на расстоянии около 30 м от забоя лавы. В смешениях пород в окр^тн^стч гиработки можно иыделить два этапа. Первый этап - этап незначительных плавных смешений контура выработки. Второй этап - резкого увеличения смещений на контуре Еыработки в зоне влияния очистных работ. Устойчивость выработки на участках ее пересечения с меялавными целиками ухудшается в сравнении с расположением ее в обрушенных и уплотненных породах. Смещения бо-ьов выработки здесь увеличиваются в среднем в 1.5 раза, смещения почвы увеличиваются в среднем до 2.7 раз. смещения в кровле выработки также увеличивается в 1.5 раза.

Третья глава посвящена разработке математической модели для ^писания геомеханических процессов, происходящих при проведении выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах.

Шахтные наблюдения показали, что обрушенные и уплотненные породы представляют сооой сплошной масот с. ослабленные... прочностными свойствами, нто подтверждав гея и другими исследователями СН.):. 1.К 1'айок;".\ Ю, В. Ролкорым, М Н.Зборщиком, С.И.

Комиссаровым к др). Потому ъ качестве модели массива принята сплошная у пру го-пластическая среда.. В отлична от применяемого друг:«*« и;."- л-- лтен?».*.)»».••« ггс;г""чр->')гия массива обрушенных к уюют-н» иных пород сыпучей "редел, ь настоящей работе массив принимается упругим до начапа формирования зон вторичного разрушения. Иод зоной вторичного разрушения понимается разрушение ранее нарушенных, по уплотненных пород. Ослабление прочностных свсйств учитн-\"■."/:) ум"чьп"НК"» >,ц"пл"нкд и прочности на растяжение. Причем в ;;"рад.чх. пд-еир а «уи'-ии* '¡1 и первичней отработке, уменьшение прочностных параметров вводилось только по плоскостям, совпадаю-

ним с основными системами трещин - вертикальной и горизонтальной. Коэффициенты ослабления прочности приняты по данным исследований, проведенных ¿ржановым Ж.О..Кузнецовым Г.Н..Хаимовой-Мальковой Р.И. в зависимое "Си от состава пород. В породах с хаотическим расположением обломков в мелкодробленых породах сцепление и прочность на растяжение принимались равными нулю. Угол внутреннего трения по данным ВНИМИ для пород каменноугольной толщи близок к 30 градусам, причем его величина практически не зависит от степени нару-шенности пород. Это подтверждают и исследования М.П. Зборщика. Поэтому при численном моделировании угол внутреннего трения считается равным 30 градусам для всех типов пород.

Определение гон вторичного разрушении осуществлялось численным методом последовательных нагружении. Оценка прочности производилась одновременно по критерию Кулсна-кора и по деформациям растяжения:

(бу - 62)й + 4х2уз - б1п2ф (ву + б2 - ЯКсЪ^ф)2 (1)

или п\ах С6°а- v(б0в + б°с) + 6да - v(l+v)бДIíЗ - бР (2)

где 6 - нормальные напряжения; х - тангенциальные напряжения; верхний индекс: "о" соответствует состоянию нетронутого массива, "д" - дополнительному напряженному состоянию массива; 'р - угол внутреннего трения; К - сцепление; V - коэффициент Пуассона; 6Р -прочность на растяжение; а, в, с - взаимно ортогональные оси.

Проведение выработки моделируется дополнительным нагружени-ем массива. Это дополнительное нагруженме разбивается на ряд этапов. На каждом этапе нагружения находится напряженно-деформированное состояние упругого массива с новой внутренней границей. Дополнительные упругие смещения на внутренней границе упругой части массива происходят без сопротивления, как для неподкреплен-ного контура. В то же время накопленные на предыдущих этапах напряжения на этом контуре сохраняется неизменными, что обеспечивает учет нелинейности процесса. На каждом этапе нагружения решается плоская упругая задача методом граничных элементов, который данном случае является наиболее эффективным по причине сложности промежуточных контуров зон; равругоещга в процессе ннггуж^ния.

Принимается, что кролъ взаимодействует с зоной вторичного разрушения, нагружаясь весом пород, находящихся ь этой нож-, и йснытырля смещении, Г'.да.ьтшчн расширением порол при р*;фуш<лши. Вертикальный отпор грыт должен быть не мииъге, ч«.-м дшук?и»кг мтн пород сони разрушения в кровле выработки:

- и - 0

Рв - у- пз, кПа (3)

где Рв - отпор крепи, приходящийся на 1 кв.м горизонтальной проекции кровли выработки; г - объемный вес пород, находящихся в зоне разрушения; h3 размер зоны разрушения в кровле выработки.

Таким образом ра.-меры определенных-В-результате численного моделирования зон вторичного разрушения непосредственно используются для вычисления нагрузки на крепь и смещений контура, т.е. для определения необходимого отпора и .податливости крепи. Зона вторичного разрушения находится с учетом глубины, формы сечения выработки и реальной горно-геологической обстановки.

Условия поддержания выработок, подверженных влияний очистных р.аоот. в значительной степени отличаются от условий поддержания одиночных выработок. Сложность анализа напряженного состояния .массива в этом случае заключается в пространственном характере данной задачи. Имеющиеся численные решения пространственной задачи о НДС горных пород в зоне влияния очистных работ известны на современном этапе только з упругой постановке (Жданкин Н.А., Жданкин A.A., Зильберман А.И., Новикова Л. В., Лесников B.C. и др.*. При этом, решение пространственных задач требует большого объема машинного времени,' ч:о также является сдерживающим фактором широкого их использования в современных условиях.

Приближенно пространственная задача определения напряженно- деформированного состояния выработки в'зоне влияния очистных работ может сыть решена в два этапа с разложением ее на две плоские. На первом этапе выполняется решение для большой области по-родногз массива, на границах которой с достаточной точностью задаются условия нагоужения. На этом этапе рассматривается плоская задача для области влияния очистной выработки и определяется характер распределения и величина напряжений вокруг очистного забоя. На Етором этапе решения задачи рассматривается плоское напряженно-деформированное состояние вокруг подготовительной выработки в зоне влияния опорного давления, которое учитывается введением в граничные условия коэффициентов концентраций напряжений, полученных на первом этапе. Отличием настоящей работы является то, что напряженное состояние вокруг очистного забоя определяется с учетом формирования зоны разрушения.

В четвертой главе представлены результаты математического моделирования развития зоны вторичного разрушения вокруг выработки. Численное моделирование осуществлено на ПЭВМ по специально

- IK -

разработанной программе. В качестве базового варианта рассмотрена выработка арочной формы поперечного сечения 12.5 кв.м в свету, пройденная по неотработанному сдою пологого мощного угольного, пласта. Мощность неотработанного слоя - 2.5 м. Непосредственная кровля представлена аргиллитами, основная - песчаниками и алевролитами. Неотрайотанный слой угля представлен хаотически расположенными обломками. Анализ особенностей формирования зоны разрушения осуществлен при варьировании безразмерного параметра *Н/бСж для пород непосредственной кровли повторно отрабатываемого пласта от 0.1 до 0.6 (это соответствует сопротивлению сжатию пород кровли 6С* В пределах от 12.5 до 25.0 МПа при глубине в интервале 100 - 300 м), что характерно для условий Карагандинского угольного бассейна.

Характер зон вторичного разрушения вокруг выработки, полученных в результате моделирования при различных соотношениях гН/бсж, представлен на рис.1. Размеры зоны вторичного разрушения в кровле выработки существенно зависят от величины гН/бсж и изменяются в пределах 0 - 0.83 В (В - -ширина выработки). Напротив, размеры зоны разрушения в боках выработки меняются мало при изменении этого соотношения, что можно объяснить составом данных пород: в боках они представляют собой среду без сцепления.

На основании анализа результатов моделирования можно утверждать, что при тН/бсж <0.1 зона вторичного разрушении развивается в боках выработки и составляет около 0.6 В, а в кровле она практически отсутствует. Увеличение соотношения гН/бСж до 0.2 вызывает образование нерачительной зоны разрушения в кровле выработки, размеры которой составляют около 0.2 В и в 3.0 - 3.5 раза меньше размеров зоны разрушения в боках. Смещения, контура выработки, вызванные расширением пород в зоне разрушения, при гН/бСж-0.1-0.2 составляют в кровле 0-35 мм, в боках 180 - 190 мм. Дальнейшее увеличение гН/бс* приводит к расширению зоны вторичного разрушения в кровле выработки до 0.4 В (при уН/бсж - 0.3). Соотношение между боковыми размерами зоны разрушения и вертикальными здесь составляет 1.5. Смещения контура выработки в этом случае имеют значения в кровле 60 - 65 мм, в боках 190 - 210 мм. В плоскости поперечного сечения выработки зона вторичного разрушения вокруг выработки имеет овальную форму и ориентирована параллельно гап-ластованию пород.

При гН/бсж ? О. \ размеры зоны вторичного разрушения со сто-

/

¿/лш ьгоричвого разрушения вокруг наработки для различных значений/Н/<ГС

роны кровли выработки возрастают до (0.4 - 0.6) В и становятся примерно равными размерам в боках выработки, т. е. зона разрушения достаточно равномерно охватывает кровлю и бока выработки. Смещения контура выработки при гН/бсж - 0.4-0.6 составляют в кровле 90 - 120 мм, в боках 210 - 220 мм. Следует отметить, что выявленные закономерности формирования зоны вторичного разрушения в кровле выработки справедливы в том случае, когда данная зона не достигает пород основной кровли пласта, имеющих значительно большую прочность. Наличие прочных пород в основной кровле пласта (что характерно для условий Карагандинского бассейна) ограничивает распространение гоны разрушения в кровле выработки. Характер зон вторичного разрушения в этих случаях показан на рис.2. Здесь тэк - расстояние до слоя прочных пород (бож > 30 МЛа). На рис.?-. показаны графики зависимости вертикальной оасиределенной нагруяки на крепь от отношения гН/бс.ч в этих, случаях.

При анализе влияния формы сечения, выработки рассмотрены арочная и трапециевидная металлическая крепь с криволинейными боковыми стойками (типа КВВ - 4). Для сопоставимости результатов рассмотрены сечения с равной шириной выработки. Размеры зоны вторичного разрушения в кровле выработки и -соответствующая им распределенная вертикальная нагруз! з на крепь во всем диапазоне исследуемых величин 0.1 < тН/бсх < 0.6 при трапециевидной форм«» в среднем больше на 20 Z, чем для арочного сечения. Поскольку несущая способность металлической трапециевидной крепи (типа КВВ - 4) в 1.5 - 2.0 раза ниже несущей способ .¡ости арочной металлической крепи, применение трапециевидной крепи типа КВВ - 4 заставляет

использовать ее с меньшим шагом или с ."етанонкой третьей дополни-t

тельной стойки. Только при тН/бСж <0.2 трапециевидная .¡орма сечения выработки в обрушенных и уплотненных породах может быть использована с шагом, равным шагу арочного сечения.

Для практических целей прогнозирования реауль^атм математическою моделирования обработаны статистико-детерминированным методом построения многомерных моделей с использованием ПЭВМ. В результате обработки данных математического моделирования. получены простые выражения для размерор зоны разрушения н кровле и интенсивности нагрузки на крепь.

Результаты вышеприведенных исследований <1«4>мир'таиич ■'■•онн вторичного разрушения ч вертикальной нчгру."ки нч кри'\ получены для условий, когда подработанная часть угольного пласта находи-

з

лась в состоянии хаотического обрушения. Однако, как показали наблюдения и расчеты, в условиях Карагандинского бассейна подработанные пласти могут иметь вид как хаотически расположенных обломков, так и упорядочение опустившихся пород.

Математическое моделирование показало, что при изменении характера нарушенности с хаотического на упорядоченный размеры зоны вторичного разрушения уменьшаются не только в боках, но и в кровле выработки, хотя в боках выработки уменьшение более значительное. Уменьшение зоны вторичного разрушения в кровле выработки приводит к соответствующему уменьшению, вертикальной нагрузки на крепь выработки. В диапазоне тН/бс* - 0.3 - 0,6 уменьшение составляет более ЭО %.. Это обстоятельство св! детельствует о том. что при определении устойчивости выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах, необходимо учитывать характер нарушен-ности массива.

Для исследования влияния очистных работ на устойчивость выработок, пройденных в обрушенных и уплотненных породах вначале были определены коэффициенты концентраций напряжений от влияния очистного забоя путем решения упруго-пластической- задачи для массива, содержащего очистную выработку. Установлено, что коэффициент концентрации напряжений вблизи очистного забоя1 (у контура зоны разрушения) составляет величину около 2.0. Путем- сопоставления результатов расчетов при различна значениях коэффициента бокового давления Л с данными натурных наблюдений установлено также.; что наибольшее совпадение имеет место при

/ Анализ особенностей Формирования гоны разрушения в зоне влияния очистных работ осуществлен при значениях гН/бсж для непосредственной кровли отрабатываемого пласта от 0.1 до О.б Для арочной и трапециевидной крепи. В зоне влияния очистных работ размеры зоны разрушения в кровле выработки также существенно зависят от соотношения тН/бСж. изменяясь в пределах от О. Ид до 1.45 В и увеличиваются по сравнению с участками выработки вне зоны влияния очистных работ, в среднем 1.8 раза. Размеры зоны разрушения в бок.чх выработок этих форм сечений при изменении гН/бсж меняются р гораздо меньшей степени н находятся в пределах 1.2 - 1.3 ширины выработки. Таким образом влияние очистных работ проявляется н увеличении зоны разрушения петсруг выработки и, следовательно. ^ /">-полнотелый« смещениях, вызванных этим увеличением. Ы вс»м док»-пазоне исследуемых значений гН/бСж - 0.1 - 0.6 доподнит<'Лы»Л'

. - 17 - •

смещения имеют следующие значения: в кровле 20 - 60 мм и в боках 70 - 120 мм. Увеличение зоны разрушения в кровле выработки в зоне влияния очистных работ повлекло за собой увеличение вертикальной нагрузки на крепь. ¿-Для практических целей и предварительного

прогнозирования высоты зоны разрушения, а также интенсивности ---------------

распределенной вертикальной.. нагрузки на' крепь выработки в зоне -влияния^очистных работ путем обработки результатов математического моделирования были получены простые зависимости высоты зоны разрушения и нагрузки на крепь от гН/бСж- Полученные зависимости справедливы при 0.i< гН/бсх <0.6, когда непосредственная кровля пласта представлена зоной плавного опускания подработаиюй толщи с двумя системами трещин, а высота зоны разрушения не ограничивается более крепкими породами, расположенными в кровле. При ограничении более крепкими породами кровли зоны разрушения ограничивается и вертикальная нагрузка на крепь. При недостаточно прочных породах, расположенных выше слабого слоя пород, залегающего непосредственно над пластом, вертикальная нагрузка на крепь выработки может увеличиваться за счет частичного разрушения более прочных пород кровли пласта. Математическое моделирование показало, что зона разрушения проникает в породы прочного сдоя пород при мощности слабых пород, расположенных непосредственно над пластом, меньшей 3.0 м. Получены значения коэффициентов увеличения вертикальных нагрузок на крепь выработки за счет разрушения прочных пород кровли. Полученные зависимости справедливы при мощности слабых пород кровли, равной 2 м. В случае, когда мощность слабых пород кровли равна 3 м, увеличение вертикальной нагрузки происходит только в выработке трапециевидного сечения и составляет 1СЛ. -15%.

Анализ результатов математического моделирования для выработок в зоне влияния очистных работ показал,что там происходит увеличение вертикальной нагрузки на крепь выработки в среднем в 2.1 раза (по сравнению с одиночной выработкой), которое также зависит от соотношения тН'беж и мощности пород непосредственной кровли. Кроме того, необходимо учитывать возможное частичное разрушение более прочных пород кровли, приводящее к увеличению нагрузки на крепь выработки. Происходит также и увеличение смещений контура выработки. При этом смещения кровли и боков гораздо меньше податливости применяемых стандартных тип"» крепи.

Для проверки достоверности результатов аналитических иссле-

дований было влево математическое моделирование для усло-

вий, в 1.оторых проведены шахтные замеры (вентиляционный

бремсберг пласта кю . вентиляционный бремсберг лавы Икщ - В на вахте " Кировская " П.О. "Карагандауголь"). Кроме того, были использованы результаты шахтных замеров, получинные И.Я.Мирным, В.Г.Стратовым и А.Я.Мамонтовым на шахте им.Горбачева при повторной отработке пласта кг на глубине 160 м по конвейерному штреку лавы 312К2-Э, а также на шахте "Дубовская" при повторной отработке пласта кю ¡!а глубине 60 м в ьентиляционном штреке лавы 12акю-В.

Сравнение результатов математического моделирования и шахтных загеров проводилось по смещениям контура выработки. В результате математического моделирования для различных горно-геологических условий повторной отработки мощных угольных пластов в условиях Карагандинского угольного бассейна полученные при математическом моделировании величины смещений контура выработки (на основании расчетов размеров зон разрушения вокруг выработки) в основном совпадают с экспериментальными данными как вне зоны влияния очистных работ, так и в зоне их влияния. Расхождение составляет не более' ¿6-18%.

Таким образом результаты • шахтных наблюдений подтвердили корректность разработанной математической модели. По результатам исследований были разработаны рекомендации по креплению горных выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах, которые были использованы институтом "Карагандагипрошахт" при разработке проекта "Вскрытие .'и подготовка горизонта 310 шахты Кировская" и рекомендованы к использованию при разработке аналогичных проектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ^

В диссертационной работе хдно новое решение актуальной научной задачи, состоящее в установлении закономерностей разрушения и смешения окружающих пород и формировании нагрузки на крепь в выработках, поддерживаемых .V обрушенной и уплотненной толще при повторной отработке мощных пологих угольных пластов в условиях Карагандинского угольного бассейна. С .юмощью инструментальных наблюдений в натурных условиях Карагандинского бассейна установлены закономерности проявлений горного давления в подготовитель-

ных выработках вне зоны влияния и в зоне влияния очистных работ. Разработана методика математического моделирования процесса формирования зон вторичного разрушения в окружающем выработку массиве и определения на его основе нагрузок ^а крепь________________________________

____Основные научные ~ внводьГ1Г практические результаты работы

заключаются в следующем:

1. В результате натурных наблюдений установлено, что обрушенная и уплотненная толща пород может быть представлена породами. плавно опустившимися при первичной отработке, может содержать слой с хаотическим расположением обломков, и, наконец, может содержать слой мелкодробленых пород. Устойчивость и характер взаимодействия крепи с окружающим массивом во многом определяется качественной картиной обрушенной и уплотненной толщи.

3. Смещения в выработках, пройденных в обрушенных и уплотненных породах, развиваются преимущественно со стороны боков:

3. Зона вторичного разрушения вокруг выработки пру| отсутствии влияния очистных работ имеет овальную форму с преимущественным распространением вдоль напластования пород. Степень овальности уменьшается с увеличением соотношения тН/бсж за счет роста зоны в кровле.

4. Устойчивость выработки, расположенной на участках их пересечения с межлавными целиками на глубине 100 - 200 м, не пре-Т''рп*-'ва"г значительных изменений в сравнении с участками, расположенными в обрушенных и уплотненных породах.

¡1. При расположении выработок в обрушенных и уплотненных породах и агл»' иг :рного давления активная зона влияния очистных оа-'"■от. чолучоннау в результате шахтных наблюдений," находится в :'Р"Д"Лчх .чо м от сбои лапы.

ь. Шинлчие слоя прочных пород в кровле ограничивает распространение зоны вторичного разрушения вверх.

V. При трапециевидной Форм® сечения выработки в- ртиканьная нигру: 'о: на к'р<<пь горних выработок, расположенных вне зоны влия-!»'.' очи снох работ, для 0.1 тН/беж < 0.6 в среднем на 20 X больше, чом при арочной форме поперечного сечения.

И. Влияние очистных работ проявляется в росте в кровле -выработки зоны воосичного разрушения которая, увеличиваясь в среднем ■ : ' ра.-.ч, ь.!:ч.Ч!Ч"Г сооткетотущее увеличение вертикальной наг-на гул:;, б оридием в 2.1 раза.

г; -.ть! исслег.'ч'.ччии позголили разработать рекомендации

- 20 - .

по креплению подготовительных выработок. Внедрение рекомендаций осуществлено на шахте "Кировская" П.О."Карагандауголь". Годовой экономический эффект при проектировании параметров крепления горних выработок, проводимых в обрушенных и уплотненных породах, при строительстве разведочно-эксплуатационного участка (вентиляционный бремсберг KiOi конвейерный штрек кю ) составил 27.9 тыс. рублей в ценах 1991 года.

Основные положения диссертационной работы были использованы при разработке проекта "Вскрытие и подготовка горизонта 310 шахты "Кировская" институтом " Карагандагипрошахт " и рекомендованы им к использованию при выборе крепи выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах на шахтах Карагандинского угольного бассейна.

Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих публикациях:

1. Ьаимульдин м,К., Колоколов С.Б., Судариков A.B. Формирование зоны вторичного разрушения вокруг выработки, расположенной в обрушенных породах// Вопросы горного давления и охраны горных выработок: Сб. науч. тр./Караг. политех., ин-т. Караганда,-1990.-С.72- 77.

2. Судариков А.Е. Устойчивость выработок, расположенных в обрушенных и уплотненных породах// Вопросы горного давления и охраны горных выработок. Сб. науч. тр./Караг. политех, ин-т.-Караганда, 1990.- С.64- 68.

3. Мамонтов А.Я. , Судариков А.Е. Влияние целиков на поддержание выработок при отработке оставленных запасов мощных пластов// Совершенствование технологии выемки полезных ископаемых: Сб.науч.тр./Караг.политех.ин-т.-Караганда, 1991.- С.26-30.

4. Судариков А.Е. Устойчивость выработок, расположенных в сложных условиях обрушенных и уплотненных пород// Разработка и совершенствование новых средств и способов безопасной выемки угля в усложняющихся условиях/Тегисы докладов научно-технической конференции - 'Караганда, 1991. - С. 44 -45.

5. Судариков А.Е., Судариков Е.А. Проблемы устойчивости выработок в обрушенных породах при отработке оставленных йапасов мощных угольных пластов // Тезисы докладов Первой Международной Конференции Проблемы развита:; угольной промышленности Республики Казахстан,- Караганда, Ш<3,- С.71

6. Жабасов Б.Х., Судариков А.Е., Зацепин В.В. Особенности

проявления горного давления в выработках, расположенных в обрушенных породах вне зоны влияния очистных работ // Труды Карагандинского политехнического института / Горное дело, В 1. Караганда, Л993.- С.12-17.

Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах заключается:

/ 1 / - в анализе влияния горно-геологических и горно-технических факторов на устойчпость выработки.

/ 3 / - научном обосновании напряженного состояния межлая-лых целиков угля,

/ 5 / - в анализе закономерностей проявления горного давления.

/ 6 / - в анализе факторов, влия^дих на смешения крепи горной ьырабогки.

Туй I н 1

Диссертация опырнлган жене тыгыздалннгян жыиьгстяр араеындм етк:з!лген дайындау унплер Т1ре> лерию ыцпал егетш жер ^ысыиы-ным цалыптасу зац-дшшгын гылыми зсрттсу меселесине арналган.

Шахта жайындл. ба^ылау арць;лы опырылгаи жэне тыгыздалынган-ца-лымдыцтыи к;урылысы далелдел1нрен. Тазалау жумыстарынын юспалдыгьш есепке ала жене алмай отыра, сонымен к;атар ллвааралын; кен дхнгек-тер1меи циылсын еткенде унгчлер контурынын жылжу зандылыгы енын;-талган.

Унгг тгреулер1н1н цысымынын цалыптасу мехализымынкн математик алы^ модел1 жасалынган. Зерттеу жумыстарып от>п эердо серглад-л1к жэне шект1 тенд1л1к^теориясынын санды здгс! к;олданылган. Жыны-стардын к;опарылу шарты Кулон-.«ор жэне созылу деформаниясынын шект± дзрежес1 бойынша алынган. Унгпйн турлI келденен кималар, жыныстар те31мд1Л1к к;асиет'1ер, массивт^к структура жэне тазалау жумыстяр факторлер1ч1н унгг Т1реужгн куш артылыуына ыцпал етотгн баРланнс-тары зерттелдг. Опырылган жоне тыгыздалынгян жыныстар шгндсг! унг! Т1реулср1Н1н параметрлар1н аныьгтау методикасы жэне орындзлдм. математике лыц моделирование матижесг шахталык ба^ылау маглметтери.'.ен цанагатты сайкес келд!. ^

• Методика "Карагандауголь" ецд1ргст1к {ЧрлестЩнтн "Кировская" шахтасында унг1 Т1реулер1н жобалауда паР.даланылды жэне "Караганда-гипрошахт" институтына паР.дага асыру ушп. уоынган.

SUMMARY

This dissertation is dedicated t.o researching for mechanisines of forming rock pressure on the support of development workings

driven in the caved and consolidated rocks. ------------

---------During the experimental observations in mines the structure

of the caved and consolidated rock mass was determined. The mechanismes of entry contour displacements in the caved and consolidated rocks are determined, taking Into account the influence of the st.opes and regardless of them, and also when crossing intermediate.pillars.

The mat.hematic model of this mechanisme of forming rock pressure ou the roadway support in thest conditions is developed. Th<> numerit/al methods of elasticity theory and of equilibrium limit are accepted according to Coulomb-Mohr and tensil strain limit. The Influence of the shape of the roadway cross-section, of the rock strenght characteristics, of the massiv structure and of t he stopes on roadway support loading is studied. The methods of determination of the supporting parameters of roadways in the ^aved and consolidated agree satisfactorily with ones of mine observations.

The methods are used for designing roadway supports in the nine "K;fovskaja" of It"; Production Association "Karagandaugol" arv! are recommended for using by the Institute

"Karaij;u k tagvprnshahkt,".