автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Закономерности проявлений горного давления в очистных забоях и рекомендации по ведению горных работ под целиками и краевыми частями угольных пластов в условиях шахт Челябинского бассейна

Г' Г и в н

На правах рукописи

Голотвин Алексей Дмитриевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В

ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЕДЕНИЮ ГОРНЫХ РАБОТ ПОД ЦЕЛИКАМИ И КРАЕВЫМИ ЧАСТЯМИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ЧЕЛЯБИНСКОГО

БАССЕЙНА

Специальность 05 . 15 . 02 Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1996

Работа выполнена в Уральском филиале Государственного научно исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского, (ВНИМИ) и Уральской государственной горно-геологической академш

Научный руководитель - доктор технических наук . профессор

Корнилков Виктор Николаевич :

«

Официальные оппоненты : доктор технических наук

Славиковский Олег Валерьянович ;

кандидат технических наук Вольхин Борис Алексеевич.

Ведущая организация - АООТ "Уралгипрошахт"

г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 1996 г . в ча

на заседании диссертационного совета К 063 . 03 . 03 в Уральской государственной горно - геологической академии по адресу : 620144, г.Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно - геологической академии.

.Автореферат разослан 1996

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В . П . Тюлькин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Обеспечение экономичной и

безопасной добычи угля на шахтах и разрезах требует совершенствования технологии горных работ на основе научно-обоснованных рекомендаций, учитывающих многообразие геомеханических процессов , протекающих в горном массиве .

Одной из важных задач подземной добычи угля является повышение эффективности выемки запасов свиты сближенных пластов. При этом особые сложности возникают при работе очистных забоев под и над целиками и краевыми частями угольных пластов: возможно значительное ухудшение нагрузочных свойств кровли и её устойчивости, рост отжима угля груди забоя, повышение вероятности динамических явлений, что в итоге отрицательно отражается на производительности и безопасности работ добычного участка .

К настоящему времени разработаны методики и рекомендации по управлению горным давлением в очистных забоях подрабатывающих и надрабатывающих целики и краевые части пластов угля. Однако, как показал анализ, прогноз проявлений горного давления, выполненный согласно действующим отраслевым документам в ряде случаев-значительно отличался от фактических проявлений,-. наблюдаемы* в Челябинском - угольномбассейне, имеющем слабые вмещающие породы. При этом рекомендации по управлению кровлей в лавах были недостаточно эффективны. Причиной сложившейся ситуации явилось отсутствие систематических исследований влияния целиков и краевых частей пластов на очистные заОси ь условиях шахт Цьль6«мско[о бассейна.

В связи с этим установление закономерностей влияния целиков и краевых частей пластов на проявления горного давления в лавах, последующее совершенствование методики прогноза проявлений горного давления. и технологии очистных работ в этих условиях являются актуальными.

В основу диссертации положены результаты исследований лаборатории горного давления Уральского филиала ВНИМИ, выполненных по темам НИР отраслевых планов института и договорных работ с АО'Челябинскуголь" за период с 1980 по 1995 гг. В проведенных исследованиях автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка методики прогноза проявлений горного давления и совершенствование технических решений по управлению кровлей в очистных забоях при выемке запасов угля под целиками и краевыми частями пластов в условиях месторождений со слабыми вмещающими породами.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в установлении закономерностей влияния целиков и краевых частей пластов на параметры проявлений горного давления в очистных забоях с учетом основных геологических и горнотехнических факторов.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ , защищаемые в диссертационной работе , и их новизна:

закономерности проявлений горного давления в очистных забоях при подработке цэликов и краевых и?стей "плтстов"*'на" шахтах Челябинского бассейна со слабыми вмещающими породами, впервые установленные на основе комплексных исследований, что обеспечивает более достоверный прогноз проявлений горного давления и говершенствование рекомендаций по управлению кровлей в лавах,

экспериментально-аналитическая оценка напряженности-, пород под целиками и краевыми частями пластов, отличающаяся тем, что в основу аналитических решений положены параметры распределения опорного давления и давления. в зоне разгрузки одиночной лавы, определенные на основе экспериментальных исследований в зависимости от основных геологических и горнотехнических условий, в том числе фактора времени;

механизм поведения кровли лавы при работе под целиками и краевыми частями пластов ;

методика прогноза проявлений горного давления в очистных забоях, отличающаяся тем, что в основу методики положена экспериментально-аналитическая оценка напряженности пород по-д целиками и краевыми частями пластов;

рекомендации по рациональному планированию горных работ и управлению кровлей лав, основанные на прогнозируемых параметрах проявлений горного давления в очистных забоях при, выемке запасов угля под целиками и краевыми частями пластов, определяемые согласно предложенной методике.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ и рекомендаций подтверждается представительным объемом натурных, лабораторных и аналитических исследований; удовлетворительной сходимостью результатов расчета по предложенной методике прогноза проявлений горного давления с результатами шахтных наблюдений; производственным опытом положительного внедрения" рекомендаций по управлению кровлей в очистных забоях при работе под целиками и краевыми частями пластов.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА в получении научных результатов заключается: в проведении натурных , лабораторных и аналитических исследований, анализе и обобщении результатов исследований, разработке методики прогноза и рекомендаций по управлению горным давлением при работе очистных забоев под целиками и краевыми частями пластов угля с учетом ряда основных геологических и горнотехнических факторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в возможности предрассчета влияния целиков и краевых частей пластов на очистные забои и принятии адекватных технических решений по управлению горным давлением применительно к месторождениям со слабыми вмещающими породами.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ . Результаты исследований, полученные автором, доведены до практического использования. Часть результатов вошла в нормативный отраслевой документ "Указания по управлению горным давлением в очистных забоях под(над) целиками и краевыми частями при разработке свиты угольных пластов мощностью до 3,5 м с углом падения до 35 град. (П.: ВНИМИ,1984г.)". Отдельные, более поздние результаты исследований, используются для решения вопросов управления горным давлением в очистных забоях инженерно-техническими работниками шахт АО "Челябинскуголь" и сотрудниками лаборатории горного давления Уральского филиала ВНИМИ. Общий экономический эффект, полученный на шахтах АО "Челябинскуголь", составил 50 тыс.рублей в год (в ценах 1990 г.).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ . Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на : Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны" . (г.Свердловск , 1984г. ); научно-технических конференциях СГЙ (г.Свердловск, 1983, 1985, 1986, 1987, 1990 гг.), ПО "Челябинсукголь" (1988г.), отделе горных работ АО "Уралгипрошахт" (1996г.), научном семинаре кафедры разработки пластовых месторождений Уральской государственной горно-геологической академии (1996г.), на заседаниях НТС Уральского филиала ВНИМИ (г.Екатеринбург,1982-1996гг.).

ПУБЛИКАЦИИ . По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ .

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ . Диссертационная работа состоит из введения , 4 разделов , заключения . Содержит 190 страниц машинописного текста , 72 рисунка и 7 таблиц. Список использованных источников включает 106 наименований .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Влияние целиков и краевых угольных пластов на поведение прилегающих участков горных пород изучалось для обоснования рациональной отработки свиты сближенных гГластов.

Значительный вклад в исследования данного направления внесли учёные: С.Г. Авершин, A.A. Борисов, Н.П. Бажин, Ю.И. Бурчаков, В.П. Зубов, A.M. Ильштейн, Г.Н. Кузнецов, В.Н. Корнилков, С.Н. Комиссаров, С.А. Летов, A.M. Линьков, Й.М. Петухов, И .А. Петухов, В.В. Ржевский, И.А. Турчанинов, И.Л. Черняк, В.И. Чернов, Г. Эверлинг, О. Якоби, Я. Фармер и др. При этом в большей мере были изучены вопросы, связанные с состоянием подготовительных выработок и динамическими явлениями и в меньшей - закономерности поведения пород кровли очистного забоя и её взаимодействия с крепью при ведении горных работ в зонах влияния целиков и краевых частей пластов.

К настоящему времени установлено, что целики и краевые части пластов могут вызывать значительное снижение устойчивости пород кровли лавы, возрастание сближений кровли с почвой, увеличение нагрузок на крепь, усиление отжима угля груди забоя. Степень .вредного влияния при этом во многом определяется глубиной горных работ, мощностью междупластья, взаимным расположением очистного забоя относительно неотработанных участков и их размерами в плане, вынимаемой мощностью пластов. Такие ситуации наблюдаются практически во всех угольных бассейнах.

Согласно известным исследованиям о перераспределении горного давления при выемке пластов угля в толще пород под(над) целиками и краевыми частями пластов возникают зоны повышенного горного давления ,(ПГД) с прилегающими к ним зонами разгрузки. Исходя из этого, исследователи связывают влияния целиков и краевых частей пластов с увеличением напряженности пород.

Установлено, что, как правило, негативные проявления горного давления выражены тем сильнее, чем выше напряженность пород, кроме того, наличие в междупластье более прочных пород приводит к снижению различий в проявлениях горного давления в очистных забоях под(над) целиками и краевыми частями в сравнении с обычными условиями. Однако механизм влияния повышенного горного давления на нагрузочные свойства кровли лавы и её устойчивость изучен недостаточно, что не всегда позволяет принять эффективные решения по управлению кровлей в очистных забоях.

Действующие отраслевые инструкции, основанные на обобщении исследований НИИ о влиянии целиков и краевых частей пластов угля на очистные забои, позволяют дать прогноз проявлений горного давления и содержат рекомендации по ведению горных работ в этих условиях. При этом, с учетом пространственного расположения забоя, относительные дальности влияния целиков и краевых частей определяются в долях от ширины

зоны опорного давления ( £ ) по влияющему пласту, принятой постоянной для всех месторождений, не зависимой от размеров отработанных участков и прочностных свойств вмещающих пород.

Анализ рассчитанных параметров влияния целиков и краевых частей пластов, выполненный согласно нормативным документам, показал, что для условий шахт Челябинского бассейна размеры зон влияния, как правило, были существенно завышены, а мероприятия по управлению кровлей адекватны не во всех случаях.

Причиной сложившейся ситуации явилась недостаточная изученность закономерностей влияния целиков и краевых частей пластов на поведение пород кровли очистных забоев вообще и, в частности, для условий шахт Челябинского бассейна, где ранее такие систематические исследования не проводились. Вместе с тем необходимо отметить, что в Челябинском бассейне в настоящее время 30-50% лав отрабатывает участки под целиками и краевыми частями пластов.

Исходя из выполненного анализа состояния изученности вопросов были сформулированы следующие ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ:

определение параметров проявлений горного давления в очистных забоях подрабатываюмпчх целики и краевые части пластов в условиях шахт Челябинского бассейна;

зкспепиментально-аналитичесная оценка напряженности пород под целиками и краевыми частями пластов с учетом основных геологических и горнотехнических факторов, последующее установление проявлений горного давления в очистных забоях с напряженностью пород и их прочностью, механизма влияния повышенного горного давления на поведение пород кровли лавы;

разработка методики прогноза проявлений горного давления в очистных забоях подрабатывающих целики и краевые части пластов, составление рекомендаций по рациональному планированию горных работ и управлению кровлей в лавах, работающих в зонах повышенного горного давления смежных угольных пластов.

Для решения этих задач наряду с анализом и обобщением ранее выполненных исследований использовану апробированные м-;тоды_ шантных инструментальных—наблюдений-'{в очистных- забоях Лг° подготовительных выработках), моделирования на моделях из эквивалентных материалов и аналитические решения.

Шахтные наблюдения выполнены в 31 очистном забое. Диапазон глубины составлял 80-460 м, мощность междупластьев Ьмп составляла 0-120 м.

Методика шахтных исследований включала предварительный анализ геологических и горнотехнических условий отработки выемочного столба лавы, предполагаемой для наблюдений.

При этом расположение забоев относительно целиков и краевых частей на влияющем пласте подразделялось на следующие-схемы:

целики и краевые части пластов, расположенные параллельно направлению подвигания забоя ("параллельные");

целики и краевые части пластов, расположенные перпендикулярно направлению подвиганию забоя ("перпендикулярные");

"перпендикулярные" краевые части пластов подразделялись ещё на две схемы: движение забоя в направлении массив выработанное пространство ("выход"), движение забоя в направлении выработанное пространство - массив ("вход").

К целикам относились неотработанные участки размером менее чем удвоенная ширина зоны опорного давления.

В зависимости от выбора участка наблюдений рассматривалось строение пород, размеры отработанных и неотработанных участков, время, прошедшее после оформления целиков и краевых частей на момент начала их подработки ("возраст").

Прочность боковых пород определялась эталонным молотком в шахте или же в лабораторных условиях, отдельные сведения о прочности пород принимались на основе данных геолого-маркшейдерских отделов шахт и ранее выполненных исследований Уральского филиала ВНИМИ.

При наблюдениях за устойчивостью кровли в призабойном пространстве принят показатель Р (мЗ/м2 ):

ь =- . (1)

8

где XV - суммарный объем вывалов из кровли вновь вынутой полосы, мЗ;

8 - площадь кровли этой полосы, м2.

В отдельных случаях производилось измерение только высоты вывалов Ьв (м) , при наблюдениях также определялась величина отжима угля груди забоя.

Нагрузки на стойки механизированных крепей определялись с помощью самопишущих, манометров типа СП-63, М66-А и РД-72. В лавах с индивидуальной крепью нагрузка оценивалась на основе измерения деформаций сжатия деревянных верхняков.

Сближения и скорости сближений кровли с почвой измерялись с помощью рулетки ВНИМИ и стойки СУИ-И с индикатором часового типа.

Визуально оценивалось зависание кровли за крепью и характер обрушения пород в выработанном пространстве.

Для определения границ зон влияния в лаве при подработке целика или краевой части пласта принимался уровень возрастания показателя К , высоты вывалов Ьв и скоростей сближений кровли

почвой V на 15-20% больше в сравнении с участком, где влияние повышенного горного давления заведомо отсутствует. При этом к признакам, характерным для зоны повышенной опасности (ЗЛО), относились случаи, когда отмечались посадки гидростоек механизированной крепи "нажестко" или разрушения индивидуальной крепи, значительное ухудшение устойчивости кровли (Р > 0,2мЗ/м2 , высота вывалов 0,5-1,0 м и более, потребность в опережающем креплении неустойчивой кровли).

Опасная зона (ОЗ) характеризовалась снижением устойчивости кроет- (Р < 0, 2 " мЗ/м2, "высоте " вывалбв не более 0,5 '«), разрушение индивидуальной крепи или посадки гидростоек механизированной крепи "нажестко" не имеют места.

Результаты наблюдений показали, что влияния "параллельных" целиков и краевых частей пластов выражались в ухудшении устойчивости кровли, увеличении скоростей сближений кровли с почвой, незначительном увеличении нагрузки на крепь лавы.

Определенный интерес в плане изучения влияния "параллельных" краевых частей представляли очистные забои, работающие по бесцеликовой схеме. В данном случае участок лавы, прилегающий к выработанному пространству, рассматривался как "параллельная" краевая часть с междупластьем, равным "О".

Проявления горного давления под "параллельными" целиками в условиях шахт Челябинского бассейна, в основном, аналогичны проявлениям в других бассейнах, однако в ряде случаев влияние целиков было выражено менее значительно или не имело места, а в отдельных ситуациях носило даже более положительный характер (в сравнении с надработанными участками).

Наиболее вредные проявления горного давления установлены при рабо1е очистных забоев под "перпендикулярными' целиками и краевыми частями (в направлон-ии "выход"). Проявления, как правило, характеризовались значительным ухудшением устойчивости кровли, ростом скоростей сближений кровли с почвой, увеличением отжима угля груди забоя. В отдельных случаях имели место посадки гидростоек механизированных крепей "нажестко" .

При "входе" очистною забоя под перпендикулярную краевую часть пласта проявления горного давления гораздо менее вредные и относятся к проявлениям, характерным для опасной зоны ил/, прогнозной.

Влияние "перпендикулярных " целиков аналогично влиянию таких целиков в других бассейнах, однако размеры зон повышенного горного давления меньше.

В результате шахтных исследований установлено : вредное влияние целиков краевых частей пластов в Челябинском бассейне в основном соответствует наблюдаемым в других бассейнах, однако размеры зон ПГД, как правило,меньше;

при работе очистных забоев под "параллельными" краевыми частями зон повышенной опасности со значительным ухудшением нагрузочных свойств кровли не установлено (по крайней мере если лавы оборудованы механизированными крепями), опасная зона на уровне влияющего пласта распространяется на расстояние (0,6-1,1)£ , а по глубине на (0,7-1,0) )£ ;

влияние "параллельных" целиков шириной 0,5 £ , и "возрасте" более 4 лет даже при мощности междупластья "О" и не имеет места, в остальных случаях проявления горного давления аналогичны наблюдаемым в других бассейнах;

наиболее негативные проявления давления отмечены при работе очистных забоев под "перпендикулярными" целиками и краевыми частями пластов (в направлении " выход") ; при этом установлено, что опасная зона на уровне влияющего пласта при "выходе" лавы из под краевой части пласта распространяется на расстояние до

(0,8-1,1) )£, в глубину не менее чем на 0,9 , зона повышенной опасности на уровне влияющего пласта до (0,3-0,4) ) £ , а в глубину не более чем 0,4 £ , влияние краевой части прекращается при выходе лавы из-под створа с кромкой краевой части на расстояние ±0,1 £ ;

при работе лавы в направлении "вход" -под перпендикулярную краевую часть зоны повышенной опасности не установлено;

при работе лавы под "перпендикулярными" целиками зона

влияния на уровне пласта распространяется на (0-0,Л)£ , от створа с кромками пласта в сторону выработанных пространств, по глубине зона повышенной опасности распространяется не менее чем на 0,2 .

Для дополнения шахтных исследований, развития представлений о механизме влияния целиков и краевых частей пластов выполнено моделирование на моделях из эквивалентных материалов по общеизвестной методике Г.Н.Кузнецова.

Отработано 5 моделей, глубина 53-166 см, мощность междупластий 0-60 см, вынимаемые мощности пластов 3 см.,М1:100.

При моделировании установлено:

результаты моделирования согласуются с результатами шахтных наблюдений;

подтверждаются известные "исследования о том, что негативные проявления горного давления в очистных забоях под целиками и* краевыми частями обусловлены более высокой напряженностью пород;

наиболее вредные проявления горного давления отмечены при "выходе" забоя из-под краевой части пласта при срезе _ междупластья: нагрузки на крепь возрастают в 2.0 и более раз, напряжения у груди забоя увеличиваются в 2.15-3.30 раза, в сравнении с максимумом опорного давления впереди забоя при отработке лавы в ординарных условиях, достигая значений, близких к пределу прочности пород ;

в случаях "входа" забоя под краевую часть пласта вредные проявления горного давления выражены значительно в меньшей мере, чем при "выходе", напряжения у груди забоя увеличиваются не более чем в 1.3 раза ;

нагрузки на крепь очистного забоя, характер обрушений кровли изменяются не монотонно по мере роста напряженности пород в призабойной области, а лишь при достижении определенных значений напряженности , зависящих от прочностных свойств пород.

Считая, что влияние целиков и краевых частей пластов на очистные забои определяется возникающей повышенной

напряженностью пород, выполнена оценка напряженности для различных горнотехнических ситуаций применительно к условиям шахт Челябинского бассейна.

Расчеты основывались на параметрах опорного давления и давления в выработанном пространстве одиночной лавы, полученных экспериментальным путем в зависимости от глубины горны работ , размеров выработанного пространства, вынимаемой мощности и прочности пласта, фактора времени и последующих аналитических решениях с использованием теории упругости.

На рис.1, приведена схема распределения давления на уровне пласта одиночной лавы (краевой части пласта).

Ниже даны общие, достаточно известные, уравнения, характеризующие распределение давления на том или ином участке:

б£ = -уН^1+2х/Цн) , при -0.5ЬтН<х<0 ; (2)

бу^сжпл^+^бх/т^-уН , при ; (3)

бу = бутах ехр[(-х+а)/в] , при Х^б , (4)

где - дополнительное давление/дополнительное нормальное

напряжение) на уровне пласта,МПа;.

У - объемный вес пород, МПа/ м (у = 0,025ГИПа/м);

н - глубина горных работ,м;

- минимальный размер выработанного пространства, при котором в центре возникает давление, близкое к исходное/,м; бсжпл. " прочность пласта угля на сжатие,МПа; Шв - вынимаемая мощность пласта,м;

б^тоах " максимальное дополнительное давление в опорной зоне,МПа;

с! - расстояние от груди забоя до точки максимума опорного давления,м;

В - параметр, характеризующий затухание давления в упругой области опорной зоны.м.

В соответствии с этими уравнениями и условием баланса сил в зоне разгрузки и опорной зоне определяются значения величин (I 'й 1 бА

4 ушах ■

К

^Уптссх

1 \ ТПТтг^__ ^

\у 0,5. Г

сС

Рис. 1. Схема распределения давления в опорной зоне и выработанном пространстве лавы .

На основе изучения экспериментальных данных, полученных Уральским филиалом ВНИМИ в различные периоды, и других источников для условий шахт Челябинского бассейна установлены зависимости:

Ь7н=0.4Нт033 , (5)

бСЖ1|Л=0.25(2.7+0.03Н)

(6)

в = (4+0.04Н)т<Р3 -

Исходя из анапиза исследований о протекании процесса сдвижения, характера сближений кровли с почвой в охраняемых позади забоя выработках, размеров зон остаточного опорного давления, зон опорного давления и зон разгрузок при отработке вторых слоев мощных пластов получено изменение вышеприведенных параметров во времени :

Цш=Цн(0.6+0.4ехр(-1.51/Т)) ; (8) в4=в|0.75+0.25ехр(-1.51/Т)) ; О)

бСжПД1 = бсжп^0.4+0.6ехр(-1.5<;/Т)) , (Ю)

где X • время,мес.;

Т - общая продолжительность процесса сдвижения.мес.

Согласно установленным параметрам распределения давления для краевой части пласта аналитическим путем найдены распределения давления на целик угля в зависимости от его ширины и размеров прилегающих отработанных участков.

Опираясь на полученные распределения давления на краевую часть пласта и целик угля в зависимости от основных геологических и горнотехнических факторов и решения теории упругости, выполнены расчеты напряженности пород в призабойной области лавы отрабатываемого пласта для различных направлений подвигания забоя относительно неотработанных и отработанных участков на вышележащем пласте.

При этом, согласно анализу исследований и учитывая, что породы Челябинского бассейна слабые, исходное поле напряжений принято, в первом приближении, гидростатическим.

Напряженность характеризовалась г«?^фициентом к , определяемый как отношение напряженности пород в максимуме опорного давления у груди забоя при работе лавы под ^-¿-н-. кг ¡..и или краевыми частями пластов к той же величине вне влияния целиков и краевых частей при прочих равных условиях. Напряженность пород также характеризовалась отношением напряженности в максимуме опорного давления к прочности пород основной

б ¿г и непосредственной кровли б .с:

ут яхЮСЖ01С утах/Осжнк

Для всех наблюдаемых- случаев влияния (отсутствия влияния) целиков и краевых частей были просчитаны значения коэффициента

к и величин 6 Л И О гг

У™ ЖО К >"т ЖII К

В результате анализа установлено , что зона повышенной опасности характеризуется :

к г 2.о

б „<: > 1.6

ушахУОСЖ0К

^лтпахУбг.....

(10)

а опасная зона 1.1< к < 2.0

О < 1.6

Утах/ОСЖ0К

О

лтп ах/'

б,..

<4.0

(11)

На рис.2 приведены результаты анализа сопоставления коэффициента к с характером проявлений горного давления, наблюдаемых в натурных условиях и при экспериментах на моделях.

10

Рис.2. Сопоставление увеличения напряженности к

2.0

коэффициента относительного с характером проявлений горного давления в лаве ;

^параллельные краевые части и целики пластов угля Сшахтные наблюдения ) ;

Л"

■-„перпендикулярные краевые части и целики пластов угля (шахтные наблюдения ) ;

//

а- „перпендикулярные краевые части пластов угля (моделирование);

Для объяснения механизма влияния повышенного горного давления под целиками и краевыми частями пластов на поведение кровли очистного забоя предложены следующие схемы .

Согласно одной из них нагрузочные свойства кровли зависят от состояния "шарниров" блока основной кровли , находящегося над

призабойным пространством . При повышенном горном давлении возрастают закрепляющая нагрузка и пригрузка на основную кровлю. В силу этого происходит уменьшение шага обрушения основной кровли, но в связи .-с большой иригрузкои на (Злом кровли,»усилия б "шарнирах" возрастают. Это приводит к увеличению деформаций "шарниров", росту просадки и поворота блока, что вызывает усиление давления на непосредственную кровлю и соответственно на крепь лавы.

Другой механизм изменения нагрузочных свойств кровли заключается в перемещении больших объемов пород при "срезе" междупластья, что возможно при весьма высокой напряженности пород.

Механизм воздействия повышенного горного давления на устойчивость кровли сводится, с одной стороны, к уменьшению устойчивых пролетов обнажения и углов обрушений пород в результате действия большей закрепляющей нагрузки, с другой, к увеличению незакрепленной площади и из-за отжима угля груди забоя, позволяя тем самым развиваться вывалообразованию на большую высоту и площадь.

На основе выполненной оценки напряженности пород под целиками и краевыми частями пластов, сопоставления результатов расчетов с проявлениями горного давления в очистных забоях, рассмотренного механизма поведения пород кровли лавы разработана методика прогноза проявлений горного давления в этих условиях, составлена программа для персонального компьютера. Программа позволяет рассчитывать проявления горного давления в очистном забое в зависимости от ряда основных геологических и горнотехнических факторов.

В соответствии с прогнозируемыг,',ЕТ~проявлеНИямй горного давления составлены рекомендации по ведению очистных работ в зонах влияния целиков и краевых частей пластов,

Рекомендации по ведению горных работ заключаются в рациональном планировании горных работ на стадии проектирования и применении соответствующих технических решений по управлению кровлей при работе лавы в зонах ПГД.

При составлении проектов вскрытия и подготовки выемочных участков рекомендуется:

применять бесцеликовую технологию или допускать оставление таких целиков, которые в соответствии с прогнозом находятся полностью в предельном состоянии, при гтом коэффициент напряженности к не должен превышать значения 1.2 с учетом фактора времени;

исключать случаи "выхода" очистных забоев из-под "перпендикулярных" краевых частей пластов и проход под "перпендикулярными" и "параллельными" целиками, имеющими коэффициент напряженности более чем 2.0 (зона повышенной опасности со значительным ухудшением нагрузочных свойств);

разрыв во времени между оформлением краевой части или целика угля на влияющем пласте и началом горных работ под ними должен быть не менее периода общей продолжительности процесса сдвижения горных работ. ( рис.3.).

АРАГлЯШК-Г ¡ПЛЕМЯ ЧАСТЬ И ЦСЛИК УГЛН

"ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫЕ" КРАЕВАЯ ЧАСТЬ И ЦЕЛИК УГЛЯ

не= 400 м те = 2,0 м ЬСТР= 200 м

- С-Омес,

---I = 50м ее.

Рис 3. Примеры построения зон ПГД под целиками и краевыми частями пластов .

предусматривать снижение напряженности горных пород в зонах влияния целиков и краевых частей пластов путем их разупрочнения или использован*«™ ириле»егк>*цих

выработанных пространств ( рис.4 ).

При работе механизированных комплексов в зонах ПГД рекомендуется:

в ЗПО применять крепи с повышенным сопротивлением как для кровель с тяжелыми нагрузочными свойствами;

при "выходе" из-под "перпендикулярных" краевых частей и проходе под "перпендикулярными" целиками (при к >= 2.0) по возможности производить закладку выработанного пространства позади лавы с целью избежания "среза" междупластья;

при работе в зонах со значительным снижением устойчивости кровли применять крепи с коэффициентом перекрытия кровли не менее 0,9 с поддомкраченными верхняками, применять известные мероприятия по поддержанию неустойчивых кровель (затяжка досками, анкерование, химическое укрепление, передвижка крепи с подпором при минимальном отставании от комбайна), крепление груди забоя;

осуществлять контроль за запасом гидравлической раздвижности стоек крепи, при уменьшении раздвижности до 300 мм, производить доворот винтов стоек механической раздвижности, соответствующую подрезку почвы;

при применении крепей типа М-87, М-88 возможна временная установка стоек индивидуальной крепи под козырьки секций.

При работе очистных забоев с индивидуальной крепью рекомендуе.тся:

в ЗПО под "параллельными" целиками(краевыми частями) суммарное сопротивление крепи должно быть не менее как для тяжелой по нагрузочным свойствам кровли, в 03 - как для средней кровли;

работа очистных забоев с индивидуальной крепью в ЗПО под "перпендикулярными" целиками и "выходе" из-под "перпендикулярных" краевых частей не допускается;

применять гидравлические стойки или стойки трения с высоким начальным распором, при слабых почвах производить их установку на увеличенные механические опоры;

при неустойчивых кровлях применять известные для обычных условий мероприятия;

не допускать перестановку стоек призабойной крепи в течение цикла между посадками кровли.

При работе лав в зонах ПГД под целиками и краевыми частями пластов у границ зон устанавливать предупреждающие знаки, вести наблюдения за поведением кровли и её взаимодействием с крепью.

влияш ций пласт

0.1 И

,!ва ь/

аш

влияющий пласг

аш

Путем разупрочнения с помощью Путем закладки выработанного

скважин . пространства

Рис.4. Примеры специальных способов снижения вредного влияния целиков и краевых частей угольных пластов .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящее в установлении закономерностей влияния целиков и краевых частей угольных пластов на очистные забои в условиях месторождений со слабыми вмещающими породами с учетом основных геологических и горнотехических факторов, что позволило существенно улучшить методику прогноза проявлений горного давления и усовершенствовать технологию ведения горных работ. ' \

Основные выводы и рекомендации по работе сводятся к следующему :

1. Получены *ювые закономерности влияния целиков и краевых частей пластов на очистные забои в условиях шахт Челябинского бассейна , имеющего слабые вмещающие породы.

Установлено , что размеры зон повышенного горного давления под целиками и краевыми частями , как правило , меньше , чем зоны , наблюдаемые в других бассейнах с более прочными породами. При этом зона повышенной опасности под "параллельными" краевыми частями со значительным увеличением нагрузочных свойств кровли не имеет места. Опасная зона в ппоскости влияющего пласта распространяется на расстояние до 1.1 £,по глубине до 1.0 £ .

При выходе из-под "перпендикулярных" краевых частей и проходе под "перпендикулярными" целиками зона повышенной опасности по глубине распространяется до 0.4£ . В плоскости влияющего пласта при выходе из-под "перпендикулярной краевой части" ЗПО распространяется на расстояние (0.3-0.4)£ , а ОЗ до 0.8 I .

При гвходе" лавы под "перпендикулярную" краевую часть зона повышенной опасности не проявляется.

2. На основе экспериментально-аналитического подхода выполнена оценка напряженности пород кровли при работе очистных забоев под целиками и краевыми частями пластов в зависимости от размеров отработанных участков на влияющем пласте, глубины, "возраста" и направления отработки лавы относительно расположения целиков и краевых частей пластов. Установлено , что зона повышенной опасности имеет место при соотношении напряженности пород в сравнении с ординарной в максимуме опорного давления одиночной лавы в два и более раз, и отношении напряженности в максимуме опорного давления отрабатываемой лавы к прочности пород основной кровли на сжатие в образце 1.31.9. Опасная зона характеризуется увеличением напряженности в максимуме опорного давления в 1.1-2.0 раза в сравнении с ординарной.

3. Рассмотрен механизм влияния повышенного опорного горного давления , возникающего под целиками и краевыми частями пластов , на нагрузочные свойства кровли лавы и её устойчивость. 16 ' .

4. На основе выполненных исследований разработана методика прогноза влияния целиков и краевых частей пластов на очистные забои в условиях месторождений со слабыми вмещающими породами , учитывающая основные геологические и горнотехнические факторы. Методика прогноза проявлений горного давления реализована в виде программного обеспечения для персонального компьютера.

5. Полученные качественные и количественные параметры воздействия целиков и краевых частей пластов угля позволили разработать рекомендации по рациональному планированию и ведению очистных работ . управлению кровлей в лавах при выемке запасов в зонах ПГД.

6. Внедрение основных результатов диссертационной работы как на шахтах Челябинского бассейна , так и на других месторождениях с аналогичными условиями подтвердило правильность принятых решений по данному вопросу. Полученный фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций на шахтах АО "Челябинскуголь" составил 50 тыс. рублей в год (в ценах 1990 г.) .

7. Рассмотренная в диссертационной работе методология оценки воздействия краевых частей и целиков пластов угля может также использоваться и для решения других вопросов , связанных с рациональной разработкой свиты сближенных пластов в различных угледобывающих регионах

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих источниках :

1.Летов С.А., Слинкин Б.П., Голотвин А.Д. Влияние подрабатываемых целиков и краевых частей пласта на очистные забои при отработке сближенных пластов // Изв.ВУЗов. Горный журнал .-1983.-N3.-С.15-18.

2.Летов С.А., Слинкин Б.П., Голотвин А.Д. Влияние краевых частей соседних пластов на очистные забои // Изв.ВУЗов. Горный журнал .-1984.-N9.-С.19-21.

3.Летов С.А., Слинкин Б.П., Голотвин А.Д. Механизм взаимодействия основной и непосредственной кровли в очистных забоях под "параллельными" целиками // Изв.ВУЗов. Горный журнал .-1984.-N7.-С.19-21.

4. Летов С .А. , Голотвин А.Д. , Барсуков И.В. Определение величин максимального оседания земной поверхности // в кн. "Научно- технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны" Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания,- Свердловск ,-1984 .- С. 96-97 .

5. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях под (над) целиками и краевыми частями угольных пластов

мощностью до 3,5 м с углом падения до 35° .-П.: (МУП СССР , ВНИМИ , Донуги , Кузниуи , Печорниипроект , КНИУИ ), - 1984 .-62 с.

6. Барсуков И.В. , Голотвин А.Д. , "Расчет деформаций в краевой части мульды сдвижения при выемке пологих пластов угля "Изв. ВУЗов. Горный журнал ,- 198& N3.- С. 42-44.

7. Расчет смещений контура подготовительных выработок в зоне временного опорного давления / Сост. Голотвин А.Д., Кутепов Ю.П./ г.Свердловск : ЦНТИ , инф.листок N 119-86 , 1986 г. , -4 с.