«ПРОГНОЗ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ УДАРООПАСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

КВЯТКОВСКАЯ Екатерина Евгеньевна

ПРОГНОЗ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО

ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ УДАРООПАСНЫХ

УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, старший научный сотрудник В.В. Зубков Санкт-Петербург –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА И ПОСТРОЕНИЯ ЗОН

ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

1.1 Характеристика и анализ зон повышенного горного давления

1.2 Анализ существующих методов определения параметров зон повышенного горного давления

1.3 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 КРИТЕРИЙ ПОСТРОЕНИЯ ГРАНИЦ ЗОН ПОВЫШЕННОГО

ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВОРКУТИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ............. 2.1 Общая характеристика Воркутинского месторождения

2.2 Применимость метода численного моделирования для условий Воркутинского месторождения

2.3 Анализ динамических явлений и разработка критерия построения зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения

2.4 Анализ сейсмической обстановки на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь»

2.5 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО

ДАВЛЕНИЯ

3.1 Влияние ширины выработанного пространства на формирование зоны повышенного горного давления в краевой части пласта

3.2 Влияние ширины целика на формирование зоны повышенного горного давления

3.3 Расчет ширины зоны опорного давления

3.4 Влияние угла падения пласта на размеры и конфигурацию зоны повышенного горного давления

3.5 Взаимовлияние зон повышенного горного давления от целиков на смежных пластах свиты

3.6 Влияние глубины отработки на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта

3.7 Влияние мощности междупластья на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта................ 3.8 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЛАНИРУЕМЫХ

ВАРИАНТОВ ОТРАБОТКИ СВИТЫ ПЛАСТОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО

ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОГО ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

4.1 Прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская»

4.2 Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская»

4.3 Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Пятый и Мощный шахты «Северная»

4.4 Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На угольных месторождениях России отрабатываются свиты пластов. В ряде случаев зоны повышенного горного давления, построенные в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам РД 05-328-99, не отвечают безопасным условиям отработки пластов свиты. Связано это с тем, что на размеры и конфигурацию зон повышенного горного давления влияет ряд факторов, которые не учитываются в данном нормативном документе. Исходя из этого, разработка рекомендаций по безопасному ведению горных работ требует создания новых эффективных методов прогноза зон повышенного горного давления, формирующихся в процессе ведения очистных работ. В них должны учитываться главные влияющие факторы, а именно: большие площади очистных пространств горные работы на смежных пластах свиты, влияние целиков и краевых частей на смежных пластах свиты. Результаты шахтных исследований по изучению напряженного состояния окружающего массива отражают сочетание конкретных геологических и горнотехнических факторов, но их трудно перенести на другие горногеологические условия.

Поэтому наряду с развитием экспериментальных исследований остаются актуальными работы по использованию математических методов моделирования геомеханических процессов при отработке пластовых месторождений.

Значительный вклад в теорию и практику геомеханического обоснования безопасного ведения горных работ при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как С.Г. Авершин, И.В. Баклашов, Я.А. Бич, А.А. Борисов, Н.С. Булычёв, А.П. Господариков, В.П. Зубов, В.В. Зубков, Б.А.

Картозия, О.В. Ковалев, А.А. Козырев, А.В. Леонтьев, Ю.М. Либерман, А.М.

Линьков, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, Н.М. Проскуряков, В.В. Ржевский, А.Н.

Ставрогин, С.Е. Чирков, А.Б. Фадеев и многие другие.

Принимая во внимание, что при планировании этапов ведения горных работ в отрабатываемых блоках необходимо заблаговременно установить местоположение зон повышенного горного давления, следовательно, рассмотрение вопросов их прогнозирования является актуальной задачей для безопасной отработки свиты удароопасных угольных пластов.

Цель работы состоит в установлении геомеханически обоснованного критерия построения границ зон повышенного горного давления для условий отработки свиты угольных пластов Воркутинского месторождения.

Идея диссертационной работы. Для геомеханического обоснования проектов отработки пластов свиты границы зон повышенного горного давления следует устанавливать по критерию, полученному на основе анализа и обобщения данных о проявлении динамических явлений, для условий конкретного месторождения.

Основные задачи исследований:

- выполнить анализ существующих методов математического моделирования напряженно – деформированного состояния массива горных пород около очистных выработок при отработке свиты угольных пластов и выбрать подходящий для условий Воркутинского месторождения;

- выполнить анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»;

- установить критерий построения границ зон повышенного горного давления для условий Воркутинского месторождения;

- установить закономерности формирования зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов и выявить их соответствие с Инструкцией по безопасному ведению горных работ … РД 05-328-99;

- провести геомеханический анализ и разработать рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались:

результаты ранее выполненных исследований в области прогноза зон повышенного горного давления для их анализа и сопоставления; данные шахтных экспериментов за изменением напряженного состояния породного массива;

данные о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; данные сейсмической активности при отработке угольных пластов; методы современной геомеханики для моделирования напряженного состояния массива горных пород около очистных выработок; достижения в современных вычислительных средствах, информатики и компьютерной графике для представления результатов исследований.

Научная новизна:

- установлен критерий построения границ зон повышенного горного давления, в которых возможно проявление динамических явлений, для условий отработки свиты угольных пластов Воркутинского месторождения;

- установлена степень влияния ряда основных горнотехнических факторов на формирование зон повышенного горного давления при отработке свиты угольных пластов, а в ряде случаев выявлено различие размеров зон повышенного горного давления от инструктивной методики.

Основные защищаемые положения:

1. Критический уровень вертикальных напряжений, определяющий границу зоны повышенного горного давления, в которой возможно проявление динамических явлений, на шахтах ОАО «Воркутауголь» составляет y / H=1,25.

2. Численными экспериментами установлены закономерности формирования зон повышенного горного давления в зависимости от основных горнотехнических факторов, в том числе: взаимного расположения очистных выработок в свите, продавливающего действия целиков и краевых частей на смежных пластах свиты, величины мощности междупластья и глубины ведения горных работ.

3. При геомеханическом обосновании проектов отработки свиты угольных пластов и расчете безопасных параметров межшахтных и межпанельных целиков построение границ зон повышенного горного давления на шахтах ОАО «Воркутауголь» следует вести по установленному критерию.

Практическая значимость работы.

1. Установлен критерий построения границ зон повышенного горного давления, позволяющий при перспективном планировании очистных работ проводить прогноз формирования зон повышенного горного давления для геомеханического обоснования планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь». Для других угольных установления критерия построения границ зон повышенного горного давления для условий конкретного месторождения.

2. Установлены закономерности формирования зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов, позволяющие, для ряда типовых вариантов отработки пластов в свите, определять размеры и конфигурацию зон повышенного горного давления.

Реализация результатов работы. Установленный в процессе выполнения диссертационного исследования критерий построения границ зон повышенного горного давления был использован при геомеханическом анализе планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов и установлении безопасных параметров межшахтных и межпанельных целиков на шахтах «Комсомольская», «Северная» и «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь».

обеспечивается значительным объемом проанализированной и обобщенной информации о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; применением современных методов математического моделирования и их сопоставление с данными шахтных наблюдений; высокой сходимостью данных сейсмической активности с результатами расчета;

безопасной отработкой выемочных блоков на шахтах ОАО «Воркутауголь» в соответствии с предложенными рекомендациями; экспертной оценкой специалистов ОАО «Воркутауголь».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и российских научно-технических конференциях, симпозиумах и заседаниях, в том числе: Научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, г.

Москва, 2014 г.); XLXII научно-практической конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2011, 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами; международном симпозиуме горняков «День горняка и металлурга» (Фрайберг, 2013 г.);

заседаниях Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования; анализе существующих методов математического моделирования;

анализе и обобщении шахтных экспериментов и их сопоставлении с данными расчетов, установлении параметров граничных условий, подтверждающих правомерность использования выбранного метода расчета для условий Воркутинского месторождения; сборе и анализе фактического материала о динамических явлениях на шахтах ОАО «Воркутауголь»; оценке напряженного состояния массива горных пород на момент возникновения динамического явления и установлении критерия, определяющего границу зоны повышенного горного давления для Воркутинского месторождения; моделировании влияния основных горнотехнических факторов на формирование зоны повышенного горного давления; геомеханическом анализе и разработке рекомендаций для планируемых к отработке участков шахт ОАО «Воркутауголь»; анализе результатов исследований и формулировке выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 136 страница машинописного текста, содержит 87 рисунков и 13 таблиц, а также список литературы из 94 источников.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих методов прогноза и построения зон повышенного горного давления, и поставлены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе приводится анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь», и серия расчетов напряженного состояния для конкретных ситуаций отработки угольных пластов, при которых произошли динамические явления. По результатам анализа установлен критерий построения границ зон повышенного горного давления, который подтверждается сопоставлением с данными сейсмических наблюдений.

В третьей главе представлены закономерности формирования зоны повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов.

Приводится сопоставление расчетных и инструктивных размеров зон повышенного горного давления.

В четвертой главе представлены результаты геомеханического анализа планируемых вариантов отработки свиты пластов и рекомендации по ведению горных работ в ряде выемочных блоках на шахтах ОАО «Воркутауголь».

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. В.В. Зубкову, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета за ценные советы и полезные замечания.

ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА И ПОСТРОЕНИЯ

ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

1.1 Характеристика и анализ зон повышенного горного давления При разработке угольного пласта вес пород, залегающих в его кровле над выработанным пространством и не получивших опоры на почве выработки, перераспределяется на краевые части нетронутого пласта или целики, пигружая их. Эта пригрузка формирует зоны опорного давления [92]. А часть зоны опорного давления, в которой возможно проявление динамических явлений, согласно [25,33] принято называть зона повышенного горного давления (зона ПГД). В дальнейшем изложении под термином «зона опасная по проявлению динамических явлений» будем считать, что это зона ПГД.

Следует отметить, что наличие зон ПГД не является обязательным условием для негативного проявления горного давления в выработках, пересекающих эти зоны. Но вероятность такого проявления повышается. Исходя из классификации [74] зоны ПГД являются наиболее опасными. Производственный опыт указывает порождение зонами ПГД серьезных газодинамических явлений [23]. Это горные удары, внезапные выбросы угля и газа, разрушение механизированных крепей, завалы лав, повышенное газовыделение. При ведении горных работ в зонах ПГД зонах значительно ухудшается состояние горных выработок. Это приводит к масштабным обвалам горного массива, ломает проходческое оборудование, разрушает проектные сечения выработок. Тем самым нарушается нормальный режим работы предприятия, повышается стоимость добычи полезного ископаемого и подвергаются опасности занятые в шахте люди [17,52,63,71,88].

Например, анализ выбросов происшедших на особо выбросоопасном пласте h8 Прасковиевский (Донецко – Макеевский район) показал, что частота и плотность выбросов в зонах повышенной концентрации напряжений возрастает более чем в 3 раза по сравнению с другими участками [63]. Установлено, что длительное действие повышенных нагрузок в зонах ПГД приводит к образованию отличающимися деформационными свойствами. После прекращения действия повышенного горного давления эти аномалии сохраняются и продолжают оставаться опасными [49,63].

горнопромышленных районов мира при разработке угольных месторождений необходимо отметить ряд причин.

В настоящее время, много угольных шахт разрабатывают свиты пологих, наклонных и крутопадающих пластов, опасных по внезапным выбросам угля, породы, газа и горным ударам. А целики и краевые части, оставленных на соседних пластах, ведут к значительному росту количества зон ПГД, а также их взаимному перекрытию [9,10,13,15,65]. Это доказывается анализом множества случаев прохождения очистными забоями этих зон. Исследованиями, проведенными в нижележащем пласте при пересечении очистными работами зон вышележащего пласта на нижний пласт в виде деформации пласта и нарушения сплошности его кровли, а также наличие в нижележащей лаве множества техногенных трещин и нарушений залегания угольного пласта и пород в виде взбросов, сбросов и грабенов. Все это результат действия зоны ПГД от верхнего пласта. По данным геологической службы шахты установлено, что приближение лавы нижнего пласта к зоне ПГД от краевой части верхнего пласта сопровождается резким возрастанием вывалов в призабойном пространстве [90].

Из-за сложных горно-геологических условий и для охраны различного рода объектов оставляют угольные целики, которые, находясь предельно-напряженном состоянии, являются концентраторами напряжений и создают в окружающем массиве и на соседних пластах зоны ПГД. По исследованиям ВНИМИ и УкрНИМИ [71,78] установлено, что целики с недостаточно большими размерами могут быть потенциально опасными по проявлению горных ударов [91]. При выемке целиков на удароопасных пластах зафиксирован ряд проявлений горных ударов на шахтах Донецкого (в Украине) и Кизеловского (в Российской Федерации) каменноугольных бассейнов [41,70].

На многих угольных месторождениях усложняются условия отработки в связи с возрастающей глубиной разработки месторождений и переходом на более сложные и часто изменяющиеся горно-геологические и горнотехнические условия. Рост глубины разработки, большие площади выработанных пространств в сочетании с влиянием многократной под- и надработкой пластов приводит к появлению большого количества зон ПГД, увеличивает их размер, усиливает вредное влияние горного и газового давления на всю технологию горного производства. В настоящее время, средняя глубина отработки превысила 700 м, а многие шахты разрабатывают пласты на глубинах, превышающих 1000 м [23,87].

В связи с этим количество шахт, опасных по внезапным выбросам возросло в 3, раза, а опасных по горным ударам – в 10 раз [87].

Изменение напряженного состояния массива в зонах ПГД отрицательно сказывается на безопасности ведения горных работ, сложнее становится управлять горным давлением в очистных и подготовительных выработках [63].

Это обеспечивает угрозу для жизни людей и нарушает нормальное ведение горных работ. Анализ производственного травматизма показал, что большинство несчастных случаев (примерно 70% из всех) происходит при переходе зон ПГД очистными забоями. Так на шахте «Юр-Шор» Воркутинского месторождения при отработке свиты угольных пластов, опасных по горным ударам и внезапным выбросам, при переходе зон ПГД сложной формы от вышележащих пластов Тройной и Четвертый в 1984-1989 гг. произошел 21 случай травматизма из 29. А на шахте «Юнь-Яга» данного месторождения, когда лава пласта n11 находилась в зоне повышенного горного давления от краевой части вышележащего пласта n14, анализ производственного травматизма шахты показал, что в лаве произошло случаев производственного травматизма, из них 7 – в зоне ПГД [93].

Необходимо сказать, что в зонах ПГД себестоимость угля увеличивается в 1,2 – 5 раз, а скорость продвигания очистных забоев уменьшается в 1,5 – 5 раз [63]. Затраты на ремонт подготовительных выработок, расположенных в зонах повышенного горного давления, в 2-2,5 раза и более превышают соответствующие показатели для подготовительных выработок, поддерживаемых в нетронутом массиве. При этом потери добычи достигают 20-25% и более, повышается зольность угля [80,91]. Исследование по сопоставлению влияния глубины разработки на стоимость поддержания выработок и величину зоны опорного давления показало, что они возрастают с глубиной примерно в одинаковой степени. При увеличении глубины ведения горных работ от 300 м до 900 м различие в их значениях не превысило 10-12%. Это позволяет утверждать, что стоимость поддержания выемочных выработок при прочих равных условиях обусловлено величиной опорного давления [94].

Отмечая еще раз важность определения зон повышенного горного давления хочется подчеркнуть, что ответственность за надлежащее и своевременное выполнение мероприятий при переходе зоны повышенного горного давления несут такие службы, как служба прогноза и борьбы с горными ударами, служба по технике безопасности, отдел главного маркшейдера, служба главного технолога, заместитель директора по производству, начальник выемочного участка. А «Книга указаний и уведомлений маркшейдерской службы» является юридическим документом, который лежит в основе рассмотрения причин и виновных аварий, связанных с переходом зоны повышенного горного давления [21].

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что для эффективной и безопасной отработки угольных пластов, склонным к горным ударам и выбросам, большое практическое значение имеет надежное и достоверное определение параметров зон повышенного горного давления при планировании и ведении горных работ. Для этого требуются эффективные методы прогноза напряженного состояния горного массива, которые должны учитывать геомеханическую обстановку, формирующуюся в зонах влияния очистных работ. Это позволит обосновано выбирать группирование пластов в свите и не поместить наиболее ответственные выработки в зоны ПГД, своевременно предотвращать опасные проявления горного давления, выбирая оптимальный порядок применения комплекса мер борьбы с динамическими явлениями, повысить безопасность ведения горных работ и минимизировать затраты на проведение и эксплуатацию горных выработок при разработке удароопасных и выбросоопасных пластов [35,36,52,53,63,65,68,94]. Стоит отметить тот факт, что одними из главных задач маркшейдерской службы являются оконтуривание зон ПГД на планах горных работ и разработка мер безопасного ведения горных работ в них. На решение этих задач традиционными методами на глубоких шахтах уходит до 30-40% рабочего времени маркшейдеров. Поэтому автоматизация расчетов напряженного состояния горного массива в зонах влияния очистных работ и оконтуривание зон ПГД является достаточно актуальной задачей [15].

Поэтому проведем обзор существующих методов определения зон повышенного горного давления.

1.2 Анализ существующих методов определения параметров зон сформулирована проблема горных ударов и намечены пути ее решения [71]. На первом этапе (около десяти лет) были выполнены широкомасштабные инструментальные наблюдения в удароопасных шахтах. Разработанные в этот период методы и приборы использовались для установления особенностей деформирования угольных пластов, образования зон опорного давления и разгрузки, в том числе зон предельного состояния в краевых частях пластов.

Результаты этих исследований позволили сформулировать «рабочую гипотезу» о природе и механизме возникновения горных ударов. В начале 60-х годов начались исследования на моделях из эквивалентных и оптически активных материалах. Результаты этих исследований позволили уточнить представления о сдвижении горных пород, образовании зон опорного давления и разгрузки около очистных выработок.

Изучение сдвижения, деформирования и перераспределения напряжений в массиве горных пород и деформирования горных пород под влиянием очистных работ на моделях из эквивалентных материалов, на моделях из оптически активных материалов и непосредственно в натурных условиях проводились С.Г.

Авершиным, А.Г. Акимовым, К.А. Ардашевым, Я.А. Бичом, Ф.Н. Воскобоевым, В.Т. Глушко, В.Н. Земесовым, А.А. Орловым, И.М. Петуховым, С.Е. Чирковым, И.А. Фельдманом, В.М. Шиком В.Д. Слесаревым, А.А. Борисовым, Н.П.

Бажиным, Ю.И. Бурчаковым, В.И. Дорошенко, В.П. Зубовым, А.М. Ильштейном, Г.Н. Кузнецовым, С.Н. Комиссаровым, С.А. Летовым, И.А. Петуховым, В.В.

Ржевским, И.А. Турчаниновым, И.Л. Черняком, В.И. Барановским, С.Т.

Кузнецовым, А.П. Федотовым, И.А. Фельдманом, М.Ф. Шклярским, В.М.

Барковским, Г.А. Иевлевым, Г.А. Крупенниковым, Н.А. Филатовым, А.Т.

Карманским, Ю.М. Карташовым, Е.В. Лодусом, А.Н. Ставрогиным, Б.Г.

Тарасовым, С.Е. Чирковым и другими [1,22,51,70,82].

Их исследования охватывали следующие направления: изучение и анализ геологических и горнотехнических условий возникновения горных ударов;

изучение деформаций и сдвижения горных пород; изучение механических свойств горных пород и угля на образцах; натурные испытания угольных пластов под давлением; изучение проявлений горного давления геофизическими методами; относительная оценка напряженности угольного пласта;

моделирование горных ударов, условий и процессов их вызывающих;

аналитические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в области влияния горной выработки; создание мер борьбы с горными ударами; проведение экспериментальных работ в шахтных условиях [71].

Для проведения этих исследований был разработан широкий спектр новых методов и приборов. В частности разработаны: метод наблюдения за сдвижением горных пород и угля при помощи глубинных реперов, позволяющий отслеживать изменения их напряженного состояния; реостатные и импульсные датчики для дистанционного и автоматического измерения сдвижений пород; скважинные деформометры; метод натурных испытаний угольных пластов при помощи давильных устройств; методы относительного напряженного состояния краевой части пласта путем регистрации процессов и явлений, протекающих при бурении (сейсмоакустическая активность, выход штыба и его крупность), по изменению электрического сопротивления, за счет вдавливания штампа в забой и стенки скважины; давильные установки с автоматической регистрацией электропроводности, пористости и проницаемости образцов горных пород в условиях объемного напряженного состояния и др. [71].

Описанные комплексные исследования горных ударов, разработка и внедрение мер борьбы выполнялись совместно с научно-исследовательскими институтами СССР в сотрудничестве с комбинатами Кизелуголь, Приморскуголь, Воркутауголь, Киргизуголь, Кузбассуголь, Грузуголь, рудоуправлением Таджикуголь, институтами ВНИМИ, ПермНИУИ, Уралгипрошахт, ПечорНИУИ, ВостНИИ, Грузгипрошахт, Дальгипрошахт, Пермгипрогормаш, а также Пермским, Печорским, и Приморским округами Госгортехнадзора страны.

Таким образом, за последние 50 лет накоплен и обобщен обширный фактический материал, решены теоретические и практические задачи.

Широкомасштабные комплексные исследования позволили разработать теорию горных ударов, внедрить ряд эффективных способов и средств прогноза и борьбы с горными ударами на шахтах [73,77,79,85]. В связи с этим число динамических явлений на шахтах сократилось. Несмотря на достигнутые успехи, в настоящее время, еще наблюдаются случаи горных ударов, в том числе с тяжелыми предотвращению и прогнозу горных ударов на шахтах, и опасность их проявления остается [79].

Рассмотрим основные методы определения зон, опасных по проявлению динамических явлений, существующие к моменту настоящих исследований.

Например, экспериментальный метод позволяет наиболее достоверно оценить напряжения в зоне ПГД. При этом определяются ориентировочные величины, характеризующие напряженное состояние в пласте, а не абсолютные значения. Реализация этого метода выполняется различными способами: по выходу буровой мелочи, по сейсмоакустической активности, по величине начальной скорости газовыделения и др. Применяются также другие методы, которые косвенно связаны с уровнем горного давления. Например, подсчитывают удельную площадь обрушений в очистном забое, производят мониторинг давления в гидростойках механизированных крепей и т.п. Степень надежности оценки параметров зоны ПГД повышается при комбинировании или дублировании способов. [21,63].

Однако они не позволяют выполнять прогноз параметров зон ПГД. И используются с целью окончательного уточнения границ, когда выемочный участок уже находится в зоне ПГД, для выбора оптимального порядка применения комплекса мер борьбы с горными ударами и выбросами [21].

В связи с этим применяются методики определения параметров зоны ПГД, представленные отраслевыми инструкциями и документами [37,38,39,40,63,69,86].

До 1981 года для обеспечения безопасных условий отработки угольных пластов в нормативных документах была приведена методика построения защищенных зон [39,86], а в 1981 году, наряду с существующей методикой построения защищенных зон, появилась методика построения опасных зон – зон повышенного горного давления (зон ПГД) [40]. Но на этом этапе она основывалась на качественном учете влияния целиков, и основная цель сводилась к очерчиванию границ этой зоны в плоскости удароопасного пласта для применения мер предотвращения динамического явления, в соответствии с положениями этой инструкции. Позже, в 1986 году, методика построения зон ПГД дополнилась параметрами, необходимыми для оконтуривания границ зоны, и включала количественную оценку влияния целиков и краевых частей угольных пластов [63]. В дальнейшем методика построения зон ПГД совершенствовалась и, в настоящее время, в угольных объединениях зоны ПГД строят в соответствии с «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (РД 05-328-99)»

[38]. Однако в последнее время встречаются определенные замечания к ней.

Данный нормативный документ позволяет дать количественную оценку размерам зоны ПГД в вертикальном сечении. Основополагающим параметром при построении зоны ПГД в любой плоскости напластования является, в первую очередь, длина зоны опорного давления, определенная от одиночной лавы. Она рассматривается как постоянная величина, неизменяющаяся в данных горногеологических условиях, а размер зоны ПГД не изменяется во времени [21].

Дальность и степень влияния целиков приняты без достаточного учета их ширины и фактора времени [6]. Методика не позволяет отразить полную картину зоны ПГД, особенно при отработке сближенных пластов, которые оказывают взаимовлияние друг на друга. На размер и конфигурацию зоны ПГД не влияет история отработки смежных пластов. Хотя, маловероятно, чтобы размеры зоны ПГД и величина концентрации горного давления от какого-то одного выработанного пространства были соизмеримы с аналогичными параметрами от суммарного воздействия всех выработанных пространств. Такие допущения приводят к погрешности расчетов параметров зон ПГД, поскольку не согласуются с необратимым характером перераспределения напряжений во времени при неизменных границах выработанных пространств [21]. В действительности при отработке свиты пластов происходит нелинейное перераспределение напряжений в породном массиве и его нельзя представлять как линейную суперпозицию опорного давления от одной или двух очистных выработок на смежных пластах [48].

Термодинамический анализ процессов перераспределения горного давления при отработке свиты сближенных пластов свидетельствует о том, что постоянство параметров зон ПГД во времени и их независимость от истории отработки смежных пластов являются достаточно грубыми допущениями [21]. Многие эксперименты подтвердили, что недооценка зоны ПГД и величины концентрации горного давления ведет за собой негативные последствия. Опыт показывает, что, в ряде случаев, инструктивные указания говорят об устойчивости выработки, а в реальных условиях оказывается интенсивное проявление повышенного горного давления, разрыв замков податливости и разрушение крепи, пучение и смещение пород кровли. Прогноз зон ПГД, выполненный согласно Инструкции … РД 05в ряде случаев, значительно отличается от фактических проявлений [6].

Для безопасной отработки размеры зон ПГД, зачастую, завышаются, а наиболее опасные участки таких зон (участки перекрытия нескольких зон ПГД) не выделяются и не оконтуриваются, и дальнейшие рекомендации верны не во всех случаях [6,13].

усовершенствования методов определения зон ПГД. При этом нужно учитывать главные влияющие факторы, а именно: большие площади очистных выработок, конфигурация границ выработанного пространства отрабатываемого пласта, горные работы на смежных пластах, влияние целиков и краевых частей на смежных пластах свиты, пространственный характер перераспределения горного давления, порядок и очередность развития очистных работ [48,59,65,67]. Учет этих факторов требует количественной оценки напряженного состояния породного массива и угольных пластов вокруг очистных выработок с использованием надежных математических методов моделирования, позволяющих осуществлять прогноз зон ПГД в процессе ведения очистных работ. Научно-исследовательские работы и опыт деятельности горных предприятий показали, что на основе методов численного моделирования зон повышенного горного давления даже на больших глубинах в сложных горногеологических условиях можно возможно обеспечить, как правило, безремонтное поддержание выработок со снижением затрат и потерь руды в целиках, при условии правильного выбора их расположения в массиве, способов и параметров охраны и средств поддержания.

посвященных выделению зон ПГД [3,4,6,13,14,15,16,18,20,21,23,65,66,67,81,92].

В ряде публикаций границы зоны ПГД определяется в соответствии с Инструкцией … РД 05-328-99, однако многие авторы проводят моделирование напряженного состояния с использованием численных методов, но принимают за границу зоны ПГД уровень напряжений, превосходящий H. Следует отметить, что при таком подходе мы получаем необоснованное завышение области для проведения профилактических мероприятий по обеспечению безопасных условий ведения горных работ.

Принимая во внимание эти и другие замечания по поводу построения границ зон ПГД при отработке свиты угольных пластов, необходимо ввести некоторые уточнения по истории решения этой проблемы.

По мере накопления данных шахтных и лабораторных экспериментов уточнялись модели среды и разрабатывались новые методы решения задач геомеханики. Обобщение этих достижений приведено в монографиях и обзорных статьях С.Г. Авершина, К.А.

Ардашева, И.В. Баклашова, А.А. Баряха, Я.А. Бича, Н.С. Булычева, Б.В. Власенко, Г.И.

Грицко, В.Н. Земесова, В.П. Зубова, Б.А. Картозии, С.А. Константиновой, Г.А.

Крупенникова, Г.Н. Кузнецова, М.В. Курлени, А.В. Леонтьев, Ю.М. Либермана, А.М.

Линькова, А.Г. Оловянного, А.А. Орлова, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, К.В.

Руппенейта, В.С. Сидорова, А.Б. Фадеева, Н.А. Филатова, Г.Л. Фисенко и других [1,5,7,11,12,19,22,34,57,61,62,70,72,75,79,82,83,84,87,89].

Первые работы по расчету напряжений вокруг одиночной выработки выполнены А.Н. Динником, С.Г. Михлиным, А.Б. Моргаевским, Г.Н. Савиным и Д.И. Шерманом. Хотя представленные ими решения не учитывали взаимное влияние нескольких выработок, но они продемонстрировали перспективность применения методов механики сплошной среды для задач геомеханики.

Примерно до 1970 года для оценки напряженного состояния массива горных пород широко использовался хорошо известный в механике метод конечных элементов [2,24]. Получили свое развитие экпериментально-аналитические методы оценки напряженного состояния [11,12,75]. Существовали также некоторые решения на основе метода интегральных уравнений для ряда частных горнотехнических ситуаций [8].

В середине 70-х годов для математического моделирования напряженного состояния породного массива стал использоваться метод граничных интегральных уравнений [25,33,79,84,87].

Анализ интернет ресурсов показал, что благодаря разработке и применению численных методов (конечно-разностного, вариационно-разностного, конечных и граничных элементов) достигнуты успехи в численном определении напряженнодеформированного состояния структурно-неоднородных массивов с весьма сложными системами выработок. Из публикаций по рассматриваемой проблеме следует, что компьютерные программы в большинстве случаев являются численной реализацией четырех методов: метода конечных элементов (FEM), метода конечных разностей (FDM), метода отдельных элементов (DEM) и метода граничных элементов (BEM) [64].

Общей характерной особенностью первых трех методов является деление среды на сетку конечных элементов, которые работают согласно заданному линейному или нелинейному закону нагружения.

Однако, как справедливо указано в [50], для пластовых залежей «детальное представление геометрии выработок непрактично: для устойчивости решения, длины граничных элементов, используемых при моделировании образующихся поверхностей, должны иметь порядок толщины пласта, что приводит к чрезмерному росту числа алгебраических уравнений». Другими словами методы конечных и отдельных элементов не могут быть использованы для анализа напряженного состояния породного массива около очистных выработок большой площади. Поэтому, для моделирования напряженного состояния породного массива около пластовых очистных выработок целесообразно использовать метод граничных элементов.

В 1973 году В.В. Зубковым был разработан метод оценки напряженного состояния породного массива вокруг очистных выработок пройденных в смежных пластах свиты на разрезах вкрест простирания пластов [25,26,27,29,30,31]. Позже эта методика была распространена В.В. Зубковым и И.А. Зубковой для пространственной задачи [28,32,33]. Разработанные методы расчета позволяют прогнозировать напряженное состояние породного массива при отработке свиты пластов с учетом плана ведения горных работ и особенностей залегания пластов (программы Suit2d [30] и Suit3d [33]). Практическое использование методики построения зон ПГД изложено, например, в методических указаниях [54,55,56,78,86].

Исходная информация для расчетов включает данные о геометрических параметрах горнотехнической обстановки рассматриваемой ситуации по отработке свиты пластов и данные о механических свойствах пород. К ним относятся: глубина залегания, угол падения и мощности пластов, размеры и конфигурация выработанных пространств и целиков в плане, модуль упругости пород, коэффициент Пуассона и прочность на одноосное сжатие угля. В качестве граничных условий задаются напряжения, возникающих на почве очистной выработки от действия подработанных пород, с учетом продавливающего действия целиков, с использованием углов давления [84]. Они получены на основе анализа и теоретического обобщения обширного экспериментального материала и установлены для различных групп месторождений России. Углы давления характеризуют степень нарастания нагрузки на почву выработанного пространства по мере удаления от кромки забоя и с учетом фактора времени. Это позволяет учитывать при формировании граничных условий площадь отработанного пространства, глубину ведения очистных работ, конфигурацию выработанных пространств и целиков в плане, угол падения и вынимаемую мощность пласта. Еще одна отличительная особенность программ Suit2d и Suit3d заключается в том, что в них реализована специальная методика учета продавливающего действия целиков и краевых частей смежных пластов [46].

По результатам расчетов строятся прогнозные карты напряженного состояния. Они представляют собой расчетные схемы планируемой отработки угольных пластов, на которые нанесены изолинии рассчитанных напряжений, действующих в плоскости любого пласта (горизонта). Прогнозные карты позволяют анализировать напряженное состояние отрабатываемых пластов и делать вывод о необходимости тех или иных мероприятий по безопасному и эффективному ведению горных работ с учетом плана отработки пластов в свите.

В.В. Зубковым был также разработан критерий построения границ зон ПГД, речь о котором пойдет в следующей главе [25,26,31].

Дальнейшее развитие подземной добычи угля неизбежно связано с усложнением горно-геологических условий разработки, ростом глубины отработки, увеличением площади выработанных пространств, усилением взаимодействия очистных работ на смежных сближенных пластах. Это оказывает прямое влияние на рост горного давления и образование большого количества зон ПГД. Для обеспечения безопасной и эффективной отработки необходимо заблаговременно осуществлять прогноз зон ПГД. Это позволит выбрать оптимальный порядок планируемых вариантов отработки, а в ряде случаев принять ряд эффективных профилактических мер, направленных на предотвращение динамических явлений.

С другой стороны, границ зон ПГД построенные в соответствии с существующими методиками [38] значительно отличаются от фактических проявлений, зачастую завышаются, а наиболее опасные участки таких зон (участки перекрытия нескольких зон ПГД) не выделяются и не оконтуриваются, и дальнейшие рекомендации верны не во всех случаях [6]. Выбранные методы математического моделирования (программы Suit2d и Suit3d) позволяют оценивать напряженное состояние при отработке свиты угольных пластов и учитывают такие факторы, как: большие площади очистных пространств, горные работы на смежных пластах свиты, влияние целиков и краевых частей смежных пластов.

Исходя из вышеизложенного сформулированы следующие задачи для исследования:

1. Установить критерий построения границ зон повышенного горного давления для условий отработки свиты угольных пластов Воркутинского месторождения.

2. Установить закономерности формирования зон ПГД в зависимости от основных горнотехнических факторов (ширины выработанного пространства, глубины отработки, размеров целиков, угла падения, мощности междупластья, взаимного расположения очистных выработок в свите и продавливающего действия целиков и краевых частей на смежных пластах свиты), и выявить их соответствие инструктивной методики.

3. По установленному критерию провести геомеханический анализ проектов отработки шахтных блоков и разработать рекомендации для планирования безопасной отработки угольных пластов в свите.

ГЛАВА 2 КРИТЕРИЙ ПОСТРОЕНИЯ ГРАНИЦ ЗОН ПОВЫШЕННОГО

ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВОРКУТИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

В процессе развития горных работ на месторождении при выборе безопасного варианта отработки шахтного поля необходимо выявлять опасные зоны с повышенной концентрацией напряжений, возникающие в районах влияния целиков и краевых частей выработок на смежных пластах свиты. Разработанные методы расчета [25,30,32,33] позволяют проводить перспективный прогноз напряженного состояния породного массива при отработке свиты пластов, и моделировать практически любые, изменяющихся по мере отработки свиты, горнотехнические ситуации.

Для решения первой задачи – определение критерия построения зон, опасных по проявлению динамических явлений, при отработке свиты угольных пластов Воркутинского месторождения, необходимо установить какому уровню напряжений соответствует граница зоны ПГД. С этой целью следует проанализировать динамические явления, произошедшие на шахтах ОАО «Воркутауголь», и провести серию расчетов напряженного состояния для конкретных ситуаций отработки угольных пластов. Критический уровень напряжений, соответствующий границе зоны ПГД, определяется по нормальным к напластованию напряжениям, нормированным на вертикальные напряжения нетронутого массива горных пород, а именно y / H=kПГД. Граница зоны ПГД устанавливается из условия, что все динамические явления, происшедшие на данном месторождении, попадают в эту зону [25,26,31]. Коэффициент kПГД необходимо рассчитывать для каждого конкретного месторождения, потому что результаты шахтных исследований по изучению напряженного состояния окружающего массива отражают сочетание конкретных геологических и горнотехнических факторов, но их трудно применять в других горногеологических условиях [46].

2.1 Общая характеристика Воркутинского месторождения Воркутинское месторождение в структурном отношении представляет собой крупную синклинальную чашеобразную складку, ось которой направлена на северо-восток. В настоящее время, запасы месторождения отработаны в северной части мульды, и работы производятся в основном в ее средней части четырьмя шахтами: «Комсомольская», «Северная», «Воркутинская» и «Заполярная». Отработка месторождения ведется от краев мульды к ее оси в направлении на сокращающийся массив [76]. Чашеобразный характер крупной синклинальной складки, образующей месторождение, определяет быстрое увеличение глубины разработки пластов Нижневоркутинской свиты. Углы падения пород в дорабатываемой части мульды колеблются в пределах 8°-16° [51].

Основные рабочие пласты на месторождении – Мощный, Тройной, Четвертый и Пятый. Отличительной особенностью месторождения является “расщеплениие” основного пласта нижневоркутской свиты – Мощного (мощностью до 4,5 м) на отдельные пласты Тройной (мощностью 2,0-2,9 м) и Четвертый (мощностью 1,2-1,5 м). Пласт Тройной, в свою очередь, разделяется на Двойной (мощность не превышает 1,3-1,5 м) и Первый. Двойной – на Второй и Третий. Это обстоятельство определяет разнообразие условий проявления горных ударов на отдельных участках месторождения.

В среднем мощность междупластий составляет: Тройной – Четвертый – 15м, Четвертый — Пятый – 30-40 м, Мощный — Пятый – 25-35 м [51].

Средний литологический состав пород следующий: песчаники — 30%, алевролиты — 31%, аргиллиты — 34,% и угли — 5% [51].

Непосредственная кровля и почва пластов представлены, как правило, аргиллитами и алевролитами, междупластья – перемежающимися слоями песчаников, аргиллитов и алевролитов. Причем песчаники составляют более 50% общей мощности вмещающих пород угленосной толщи.

При простом в геологическом отношении строение Воркутинской мульды:

пологое залегание, выдержанная мощность основных рабочих пластов, месторождение характеризуется сложным геодинамическими условиями, создающейся при доработке месторождения: увеличение глубины ведения горных работ, наличие тектонически напряженных зон, формирование больших выемочных пролетов (площадей) выработанного пространства.

Исследование блочного строения месторождения указало на проявление субширотном направлении 1,2-1,8Н, в меридиональном направлении – 0,7-1,3 Н [76,58].

Результаты замеров напряженно-деформированного состояния горного массива по Воркутинскому месторождению, выполненные Печорниипроектом [76,58], приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Обобщенные результаты замеров напряженно-деформированного состояния горного массива по шахтам, отрабатывающим Воркутинское месторождение Шахта Комсомольская Пласт Четвертый Пласт Четвертый тектонического Шахта Промышленная Шахта Центральная Продолжение таблицы 2. Шахта Северная Шахта Воркутинская Шахта Заполярная 2.2 Применимость метода численного моделирования для условий Прежде чем перейти к решению задачи по определению критерия построения границ зон ПГД для Воркутинского месторождения, проверим применимость выбранного метода математического моделирования для данных условий [25,33].

напряженного состояния массива горных пород, выполненных с использованием Экспериментальные исследования за изменением напряженного состояния массива на шахте «Комсомольская» проводились в выработках пласта Мощного методом буровых скважин в геологических скважинах, пробуренных вдоль конвейерного штрека 522-с пласта Мощного (рисунок 2.1) [58].

измерении деформаций ползучести. Сущность метода заключается в следующем:

из горной выработки на определенную глубину бурится скважина диаметром r, в которой устанавливается деформометр, фиксирующий изменение диаметра измерительной скважины во времени (рисунок 2.2).

Для замеров использовались деформометры балочного типа, точность замеров которых не ниже 0.001 мм. После снятия начальных показаний деформометра на расстоянии L и параллельно измерительной скважине проводится скважина большего радиуса R. В результате этого поле напряжений вокруг измерительной скважины изменяется, что вызывает деформацию ее контура и изменения в показаниях деформометра. При этом оптимальное соотношение размеров скважин характеризуется зависимостью 4 R / r 10, а расстояние между скважинами L лежит в пределах 4r L R.

Рисунок 2.1 – Схема расположения замерных станций вдоль конвейерного Рисунок 2.2 – Схема к определению перемещений контура малой скважины путем возмущения поля напряжений в ее окрестности скважиной большего диаметра Переход от замеренных перемещений к действующим напряжениям в массиве осуществляется расчетным путем. Расчетный аппарат метода получен из решения задачи о напряженном состоянии упругого изотропного массива вокруг перемещений u1, u2 контура скважины малого диаметра (после образования скважины большого диаметра) с напряжениями 1, 2 в массиве и направлением их действия.

Для нахождения искомых значений напряжений 1 и 2, а также угла, определяющего направление их действия в плоскости измерения, необходимо замерить радиальные перемещения контура скважины малого диаметра по направлению действия главных напряжений.

Расчет напряжений проводится по следующим формулам [76]:

где u1, u2 – радиальные перемещения, А1, А2, В1, В2 определяются по формулам:

где L – расстояние между скважиной малого диаметра и скважиной большого диаметра, R – радиус большой скважины, G – модуль сдвига, – коэффициент пригрузки.

Во всех формулах величины R, L, u –безразмерные (отнесены к радиусу малой скважины r).

Результаты замеров горизонтальных напряжений в конвейерном штреке 522-с пласта Мощного методом буровых скважин представлены в таблице 2.2.

Согласно данным замеров горизонтальные напряжения изменяются от 0.45 до 1.69, величины вертикальных напряжений – от 1.0 до 1.8. На некоторых участках значения главных напряжений превосходили уровень 2.0. Позже на этих участках были зафиксированы горные удары.

Таблица 2.2 – Результаты замеров горизонтальных напряжений Была проведена оценка напряженного состояния пласта Мощного (рисунки 2.3-2.4) на участке эксперимента в конвейерном штреке 522-с. По результатам расчетов видно, что горизонтальные напряжения x в районе эксперимента около 0.9 (рисунок 2.3), а горизонтальные напряжения z – в пределах 1.30-1. (рисунок 2.4), т.е. сопоставление результатов расчетов с данными шахтных наблюдений показало их согласие. Следовательно, используемые методы математического моделирования могут применяться для расчетов напряженного состояния массива горных пород на шахтах ОАО «Воркутауголь».

2.3 Анализ динамических явлений и разработка критерия построения зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения Первые горные удары на месторождении были зарегистрированы на пласте Мощном в 1964 – 1965 гг. на глубине 400 м, а внезапные выбросы угля и газа на пласте Пятом начали проявляться в 1950 г. с глубины 420 м. Практически все горные удары проявлялись в предохранительных целиках угля около горизонтальных и наклонных выработок на шахтах «Комсомольская», «Центральная», «Юр-Шор» и «Воркутинская» [51]. Как правило, сопровождались сильной сейсмической волной и распространялись на большое расстояние, подвергая подготовительные выработки существенным разрушениям. В отдельных случаях при проявлении ударов выработки подвергались разрушению на протяжении до 300 м. Внезапные выбросы угля, породы и газа происходили в основном в подготовительных выработках, а также в очистных забоях на шахтах «Юр-Шор», «Заполярная», «Воркутинская», «Комсомольская», «Северная» [60].

Опыты, проведенные ВНИМИ на верхнем слое пласта Мощный и на пластах Тройной и Четвертый, а также на нижнем слое пласта Мощный и пласте Четвертый, показали, что эти пласты способны накапливать энергию упругих деформаций и являются в этом смысле удароопасными, даже независимо от самих фактов горных ударов, которые отмечались на этих шахтах [51].

Был проведен обзор и анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь». Для этого использовать каталоги горных ударов [41,42,43], а также планы горных работ, полученные с ОАО «Воркутауголь».

В каталогах [41,42,43] представлено подробное описание каждого горного удара и имеет следующий вид (таблица 2.3, рисунок 2.5):

Таблица 2.3 – Описание горного удара на шахте «Комсомольская»

Бассейн, шахта Воркутинское месторождение, шахта «Комсомольская»

Дата горного удара 15 апреля 1974 г.

Продолжение таблицы 2. Место удара Центральный людской уклон пл. Мощного Данные о пласте угля Пл. Мощный (m = 4,0 м; = 16) Характеристика Непосредственная кровля – аргиллит, выше – мелкозернистый боковых порол песчаник, почва – аргиллит Положение горных работ на момент удара Явления, предшествовавшие удару Горные работы на Очистные работы в районе посадочной площадки гор. -400 м не момент удара велись. Прогнозом установлена П категория Характеристика Людской уклон между посадочной площадкой и откаточным проявления удара штреком гор.- 400 м: на 20 рамах элементы крепи проскользнули Выполнение мер по Бурение разгрузочных скважин в охранных целиках и предупреждению камуфлетное взрывание. Параметры камуфлетного взрывания горных ударов оказались недостаточно эффективными Рисунок 2.5 – Фрагмент плана горных работ с местоположением горного удара Таким образом, на шахтах ОАО «Воркутауголь» установлено 268 выбросов и 51 горный удар [41,42,43,51,60].

Согласно статистике проявления динамических явлений, к настоящему времени, их число на шахтах ОАО «Воркутауголь» сократилось. Но при дальнейшей доработки Воркутинского месторождения следует учитывать следующие факторы: большая глубина ведения горных работ, сложная блочная структура недр с активными разрывными нарушениями, выбросоопасность и удароопасность угольных пластов и огромные площади выработанного пространства с большим количеством оставленных целиков. Все это создает условия для динамических разрушений.

С ростом глубины ведения горных работ и увеличением отработанных площадей шахтных полей на Воркутинском месторождении существенно изменился характер и интенсивность перераспределения напряжений в горном массиве. Этому замечанию свидетельствует факт возникновения динамических явлений по мере приближения горных работ к оси мульды, глубина которой составляет 1050 – 1100 м. Основными формами газодинамических проявлений на достигнутой глубине ведения горных работ являются: динамические явления комбинированного типа с разрушением угля и породы в глубине массива, динамические разрушения почвы выработок в зонах повышенных напряжений и расслоений пласта, а также техногенные землетрясения при отработке выемочных столбов. Анализом обстоятельств возникновения динамических явлений установлено, что первостепенными являются техногенные факторы, определяемые планированием развития и ведения горных работ [76].

Для расчета напряженного состояния использовались ситуации, позволяющие на плане горных работ возобновить картину отработанного поля на момент возникновения динамического явления. Было установлено местоположение динамических явлений и положение фронта очистных работ на момент проявления каждого из них. Проведена оценка напряженного состояния массива для конкретных ситуаций отработки угольных пластов, на момент возникновения динамического явления. Из сопоставления расчетных значений напряжений с фактическим положением динамического явления определялся уровень вертикальных напряжений, при котором произошел горный удар, а граница определялась из условия, что все динамические явления данного месторождения попадают в эту зону. Рассмотрим некоторые из них.

Например, горные удары № 27, № 29 и № 30 произошли на шахте «Комсомольская» в выработках пласта Мощный. На рисунке 2.6 показан фрагмент плана горных работ с нанесением местоположения этих горных ударов.

Рисунок 2.6 – Фрагмент плана отработки пласта Мощный на Горный удар № 27 (рисунок 2.7) произошел 21.02.90 г. в конвейерном штреке 222-с пласта Мощный при отработке лавы 222-с. Глубина ведения горных работ H=1022 м. Горный удар, вызвавший разлом почвы, по заключению экспертной комиссии произошел в результате перераспределения нагрузки впереди очистного забоя. Проведенная по программе Suit3d [32] оценка напряженного состояния показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.35Н.

Горный удар № 29 (рисунок 2.8) произошел 17.01.92 г. в конвейерном штреке 322-с пласта Мощный при отработке лавы 322-с. Оценка напряженного состояния в данной ситуации показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.4Н.

Горный удар № 30 (рисунок 2.9) произошел 31.10.95 г. в конвейерном штреке 422-с пласта Мощный при отработке лавы 422-с. Оценка напряженного состояния данной ситуации показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.35Н.

На рисунке 2.10 показан фрагмент плана горных работ и нанесен горный удар № 24, произошедший на шахте «Северная» в выработках пласта Мощный.

Рисунок 2.10 – Фрагмент плана отработки пласта Мощный на шахте «Северная»

Рисунок 2.7 – Прогнозная карта напряженного состояния на момент горного Рисунок 2.8 – Прогнозная карта напряженного состояния на момент Рисунок 2.9 – Прогнозная карта напряженного состояния на момент горного Горный удар № 24 произошел 16.07.11 г. в вентиляционном бремсберге 32-2-з пласта Мощный. Горные работы на пласте Пятый опережают отработку пласта Мощный на 1.5 длины лавы и, следовательно, горные работы на нем должны быть в защищенной зоне. Однако после отработки лавы 212-з по пласту Мощный этой защиты оказалось недостаточно при мощности междупластья 34 м между пластами Пятый и Мощный. Следует добавить, что этому способствует восстановление нагрузки на почве пласта Пятый после отработки большей части лавы 412-з. Оценка напряженного состояния данной ситуации показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.25Н.

На рисунке 2.11 видно, что вдоль лавы 212-з пласта Мощный образуется локальная зона ПГД шириной 70 м. Она начинается в 120 м от разрезной печи лавы 312-з пласта Мощный и захватывает вентиляционный бремсберг 32-2-з пласта Мощный на промежутке около 1700 м.

Рисунок 2.11 – Прогнозная зона ПГД на пласте Мощный на момент аварии С другой стороны, на этом же участке имеем горизонтальные напряжения, превосходящие H (рисунки 2.12, 2.13). Следовательно, принимая во внимание наличие повышенных напряжений вдоль вентиляционного бремсберга 32-2-з, при пересечении зон нарушенного угля возможно разрушение и отжим краевой части пласта на незакрепленном участке бремсберга в сторону выработки. Превышение горизонтальных напряжений уровня H способствовало разрушению примыкающей части закрепленной выработки.

Рисунок 2.12 – Прогнозная карта горизонтальных напряжений (х / H) на пласте Рисунок 2.13 - Прогнозная карта горизонтальных напряжений (z / H) на пласте Оценка напряженного состояния проводились также для ряда других динамических явлений и показала, что:

- горный удар №22 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.35Н;

- горный удар №23 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3Н;

- горный удар №25 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3Н;

- горный удар №26 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3Н;

- горный удар №28 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3Н;

- горный удар №31 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.5Н;

- горный удар №32 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3Н;

- горный удар №33 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.5Н;

- горный удар №34 произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3Н.

По результатам анализа установлено, что все динамические явления попали в зону с уровнем вертикальных напряжений, не превосходящим y / H=1. (рисунок 2.14). Следовательно, можно считать, что критическое значение нормальных к напластованию напряжений y / H=1.25 является границей зоны ПГД для Воркутинского месторождения [45].

Рисунок 2.14 – Критерий построения границ зон ПГД для Воркутинского 2.4 Анализ сейсмической1 обстановки на шахте «Комсомольская» ОАО Для уточнения полученного критерия построения границ зон ПГД было проведено сопоставление с данными сейсмических наблюдений на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь».

В 3 квартале 2007 года в зоне влияния отработки лавы 712-с зафиксировано 289 событий с энергией более 1000 Дж (рисунок 2.15). Из них 75.6% события с энергией от 1000 до 2000 Дж, 12.2% – с энергией от 2000 до 3500 Дж, 10.0% – от 3500 до 6000 Дж, 2.2% –от 6000 до 15000 Дж (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Сейсмические данные, зарегистрированные на шахте «Комсомольская»

Сейсмические события с энергией от 1000 до 2000 Дж происходили в зоне ПГД (расчет выполнен по программе Suit3d [32]) со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 160 м.

Сейсмические события с энергией от 2000 до 6000 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 60 м.

Сейсмические события с энергией от 6000 до 15000 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с в диапазоне 90 м с опережением фронта очистных работ на 25 м.

В 4 квартале 2007 года в зоне влияния отработки лавы 712-с зафиксировано 552 события с энергией более 1000 Дж (рисунок 2.16). Из них 54.4% события с Данные о сейсмических событиях представлены Сейсмостанцией ОАО “Воркутауголь”.

энергией от 1000 до 2000 Дж, 28.8% – с энергией от 2000 до 3500 Дж, 10.0% – от Рисунок 2.15 - Сейсмические события, зарегистрированные в 3 квартале 2007 года на шахте «Комсомольская» при отработке лавы 712-с пласта Четвертый 3500 до 6000 Дж, 5.8% – от 6000 до 15000 Дж, 0.9% с энергией более 15000 Дж (таблица 2.4).

Сейсмические события с энергией от 1000 до 2000 Дж в основном происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 245 м. Сейсмические события с энергией от 1000 до 3500 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 150 м. Сейсмические события с энергией от 3500 до 6000 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 160 м. Сейсмические события с энергией от 6000 до 15000 Дж происходили Рисунок 2.17 – Сейсмические события, Рисунок 2.16 – Сейсмические события, зарегистрированные в 1 квартале 2008 года зарегистрированные в 4 квартале 2007 года на шахте «Комсомольская» при отработке на шахте «Комсомольская» при отработке в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до м. Сейсмические события с энергией более 15000 Дж происходили в зоне обрушения пород кровли и поднятия пород почвы.

В 1 квартале 2008 года в зоне влияния отработки лавы 712-с зафиксировано 491 событие с энергией более 1000 Дж (рисунок 2.17). Из них 57.4% события с энергией от 1000 до 2000 Дж, 30.0% – с энергией от 2000 до 3500 Дж, 7.5% – от 3500 до 6000 Дж, 5.1% – от 6000 до 15000 Дж (таблица 2.4).

Сейсмические события с энергией от 1000 до 3500 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 170 м.

Сейсмические события с энергией от 3500 до 6000 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 150 м.

Сейсмические события с энергией от 6000 до 15000 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 90 м.

Во 2 квартале 2008 года в зоне влияния отработки лавы 712-с зафиксировано 295 событий с энергией более 1000 Дж (рисунок 2.18). Из них 40.7% события с энергией от 1000 до 2000 Дж, 31.5% – с энергией от 2000 до Дж, 21.4% – от 3500 до 6000 Дж, 6.4% – от 6000 до 15000 Дж (таблица 2.4).

Сейсмические события с энергией от 1000 до 3500 Дж. происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 490 м.

Сейсмические события с энергией от 3500 до 6000 Дж. происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612-с с опережением фронта очистных работ до 70 м. Сейсмические события с энергией от 6000 до 15000 Дж происходили в зоне ПГД со стороны лавы 612с в диапазоне 90 м с опережением фронта очистных работ на 100 м.

Следует отметить, что большинство зарегистрированных сейсмических событий (более 80%) имеют энергию от 1000 до 3500 Дж. Причем, доля событий с энергией от 1000 до 2000 Дж составляет 50%, а с энергией от 2000 до 3500 Дж – 30%. Необходимо отметить, что эти события происходят в очень узком диапазоне по глубине. На вертикальных разрезах (рисунки 2.19-2.22) показаны сейсмические события с энергией от 1000 до 3500 Дж, зарегистрированные в 3 и 4 кварталах года и 1 и 2 кварталах 2008 года.

Рисунок 2.19 – Сейсмические события, зарегистрированные в 3 квартале года при отработке лавы 712-с пласта Четвертый на шахте «Комсомольская»

Рисунок 2.20 – Сейсмические события, зарегистрированные в 4 квартале года при отработке лавы 712-с пласта Четвертый на шахте «Комсомольская»

Рисунок 2.21 – Сейсмические события, зарегистрированные в 1 квартале года при отработке лавы 712-с пласта Четвертый на шахте «Комсомольская»

Рисунок 2.22 – Сейсмические события, зарегистрированные во 2 квартале года при отработке лавы 712-с пласта Четвертый на шахте «Комсомольская»

Видно, что в основном они произошли между отметками -820 м и -780 м.

Можно считать, что этот диапазон энергии сейсмических событий отвечает основным разрушениям, происходящим впереди фронта очистных работ.

Аналогичная картина наблюдается и на первом этапе отработки лавы 1012-с пласта Четвертый – сейсмические события в основном происходили в зоне ПГД со стороны лавы 912-с (рисунок 2.23).

Рисунок 2.23 – Сейсмические события на шахте Рисунок 2.18 - Сейсмические события, зарегистрированные «Комсомольская» при отработке лавы 1012-с во 2 квартале 2008 года на шахте «Комсомольская»

Результаты сопоставления данных сейсмических наблюдений на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» показали, что подавляющее большинство сейсмических событий происходили в зоне ПГД. Следовательно, можно считать, что полученный критерий, может быть использован при построении зон ПГД на Воркутинском месторождении.

Таким образом, решена первая задача – разработан критерий построения границ зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения Для рационального и безопасного варианта отработки угольных пластов в процессе ведения горных работ необходимо выявлять зоны с повышенной концентрацией напряжений. Границы этих зон следует устанавливать для условий каждого месторождения. С этой целью был проведен обзор и анализ динамических явлений, произошедших на шахтах Воркутинского месторождения, и проведена серия расчетов напряженного состояния для конкретных ситуаций отработки свиты угольных пластов. Применимость используемого метода математического моделирования была подтверждена сопоставлением с данными шахтных экспериментов. Критический уровень, определяющий границу зоны ПГД, устанавливался по нормальным к напластованию напряжениям, из условия, что все динамические явления попали в эту зону. Таким образом, по результатам исследования было выявлено:

1. Уровень вертикальных напряжений, определяющий границу зоны ПГД, в которой возможно проявление динамических явлений, для шахт Воркутинского месторождения составляет y / H=1.25. Результаты расчетов показали, что все динамические явления попали в эту зону.

2. Большинство сейсмических наблюдений на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» происходили в зоне ПГД, построенной по установленному критерию. Следовательно, полученный критерий, может быть использован при построении зон ПГД на Воркутинском месторождении.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ

ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ

ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Для решения второй задачи – установление закономерности формирования зон ПГД в зависимости от основных горнотехнических факторов необходимо провести расчет простых ситуаций, в которых можно оценить степень влияния того или иного горнотехнического фактора, а также сопоставить размеры зон ПГД, построенных по установленному критерию и инструктивной методике.

Для начала проведем обзор основных положений, представленных в Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам РД 05-328-99 [38], которые необходимы для построения зоны ПГД.

В Приложении 1 Инструкции … РД 05-328-99 [38] под целиком понимается «участок опасного, угрожаемого или неопасного угольного пласта, оконтуренный отдельными выработками, выработанным пространством или геологическим нарушением не менее чем с двух противоположных сторон, а наименьший его размер в плоскости напластования не превышает величину зоны опорного давления». С другой стороны, размер целика не должен превосходить величины 2l [92]. В противном случае он будет считаться разделительным массивом, и зона ПГД от него и в нем будет строиться с каждой стороны как от краевой части отрабатываемого пласта. При этом ширина зоны опорного давления l зависит только от глубины разработки и вынимаемой мощности пласта. Ширина выработанного пространства при этом не учитывается, хотя известно, какую важную роль она играет в формировании опорных нагрузок в целиках и краевых частях пластов. В Приложении 5 Инструкции … РД 05-328-99 [38] ширина целика определяется параметром l и коэффициентами, зависящими от ширины прилегающих выработок (выработанных пространств), но только до 250 м.

В прогрессивных технологических схемах, применяемых на шахтах, используются столбовые системы разработки с оборудованием лав механизированными комплексами и отработкой их или без оставления межлавных целиков, или с оставлением податливых неудароопасных целиков, не формирующих на себе опорных нагрузок. При применении механизированных комплексов длину выемочного столба обычно принимают не менее 1000-1500 м.

После последовательной отработки 4-6 лав, длинной по 120-160 м, формируются выработанные пространства, размеры которых соизмеримы с глубиной ведения горных работ. В этих условиях в краевых частях угольных пластов и целиках создаются зоны опорного давления с максимальными значениями концентрации напряжений. В таких условиях при определении ширины угольного целика необходимо учитывать размер прилегающих к нему выработанных пространств.

Так как ширина угольного целика, установленная без учета размера выработанного пространства, сформированного в условиях полной подработки породного массива, может оказаться в некоторых случаях недостаточной.

Поэтому для каждого сочетания конкретных технологических схем необходимо устанавливать определенные размеры барьерных межшахтных целиков с учетом развития очистных работ на всех пластах в соседствующих выемочных блоках.

Также стоит сказать, что при отработке свиты угольных пластов построение зон ПГД должно осуществляться с учетом горных работ на смежных пластах. В Инструкции … РД 05-328-99 [38] указывается, что «в случае наложения зон ПГД от нескольких краевых частей или целиков соседних пластов на один и тот же участок рассматриваемого пласта построение зон ПГД производится отдельно от каждой краевой части или целика». Такие допущения приводят к погрешности расчетов параметров зон ПГД, поскольку не согласуются с необратимым характером перераспределения напряжений.

Известно, что при оценке напряженного состояния породного массива в зоне влияния очистных выработок, для конкретных схем отработки свиты пластов, невозможно оценить степень влияния того или иного горнотехнического фактора. Данные расчетов показывают интегральную характеристику влияния всех факторов. Поэтому для установления формирования зон ПГД в зависимости от горнотехнических факторов необходимо провести расчеты простых ситуаций.

Для моделирования напряженного состояния породного массива и отрабатываемого пласта использовалась программа Suit2d [30]. Для построения границ зон ПГД применялся критерий y / H=1.25, установленный по результатам исследования в Главе 2.

3.1 Влияние ширины выработанного пространства на формирование зоны повышенного горного давления в краевой части пласта Для установления закономерности влияния ширины выработанного пространства на формирование зоны ПГД в краевой части пласта проводилось моделирование напряженного состояния породного массива и отрабатываемого пласта для случая горизонтальной очистной выработки в пласте мощностью 2,5 м, при этом:

- ширина выработанного пространства (а) – 150 м, 200 м, 250 м, 300 м, 500 м, 700 м.

- глубина отработки (Н) – 300 м, 400 м, 500 м, 600 м, 700 м, 800 м, 900 м, 1000 м, 1200 м.

Например, на рисунке 3.1 приведена зона ПГД в краевой части отрабатываемого пласта при ширине выработанного пространства 200 м и глубине отработки 500 м В таблицах 3.1 и 3.2 приведены данные о размерах зоны ПГД в краевой части отрабатываемого пласта, полученные по результатам моделирования и инструктивной методике, в зависимости от перечисленных выше параметров.

На рисунке 3.2 представлены зависимости размера зоны ПГД в плоскости пласта от ширины выработанного пространства при разных глубинах отработки (300 м–1200 м).

(ширина выработанного пространства 200 м, глубина отработки 500 м) —— расчетная зона ПГД, —— зона ПГД по Инструкции [38] Таблица 3.1 – Зона ПГД в краевой части пласта (ширина зоны в плоскости пласта) пространства 250 м зона ПГД стабилизируется, и дальнейшее увеличение ширины выработанного пространства не влияет на ее размер. Результаты расчетов показали, что это справедливо для глубин Н=300–500 м. Из анализа влияния глубин Н=600–1200 м при ширине выработанного пространства более 250 м размер зоны ПГД продолжает увеличиваться (рисунок 3.2). Так на глубине Н=1200 м при увеличении ширины выработанного пространства от а=250 м до а=700 м ширина и глубина зоны ПГД увеличивается в 2 раза: в плоскости пласта – на 66 м, в кровлю – на 107 м, в почву – на 71 м. При этом инструктивные значения не изменяются. По результатам моделирования установлено, что зона ПГД в кровлю пласта превышает зону ПГД в почву пласта в 1,24 раза.

Таблица 3.2 – Зона ПГД в краевой части пласта (в кровлю / почву пласта) Сопоставляя размеры зоны ПГД, полученные по разработанному критерию и инструктивной методике, выявлено существенное завышение инструктивных значений. Минимальное отклонение наблюдается при ширине выработанного пространства 700 м и глубине отработке 1000 м, а максимальное – при ширине выработанного пространства 150 м и глубине отработке 1000 м. Так, например, при ширине выработанного пространства а=150 м на глубине Н=1000 м зоны ПГД различаются в 2 раза в плоскости пласта (на 46 м) и практически в 3 раза в кровлю пласта (на 103 м) и почву пласта (на 94 м), а при ширине выработанного пространства а=700 м – на 11 м в плоскости пласта, на 3 м в кровлю и на 22 м в почву пласта. Анализ результатов показал, что для рассматриваемого диапазона построенная по Инструкции … РД 05-328-99 [38], превосходит расчетную зону в среднем более чем в 2 раза. Это говорит о том, что инструктивные значения размера зоны ПГД взяты с большим запасом. Применяя, установленный критерий для построения границ зон ПГД, можно сократить область для проведения профилактических мероприятий по обеспечению безопасных условий ведения горных работ, что позволит минимизировать затраты на проведение и эксплуатацию горных выработок при разработке удароопасных пластов.

Ширина зоны ПГД в плоскости пласта, м Рисунок 3.2 – Влияние ширины выработанного пространства на размер зоны ПГД Приведенные ниже номограммы позволяют определять размеры зоны ПГД в плоскости пласта (рисунок 3.3), в кровлю пласта (рисунок 3.4) и почву пласта (рисунок 3.5), в зависимости от рассматриваемых диапазонов глубины отработки и ширины выработанного пространства, без проведения расчетов. Для построения использовались данные, полученные по результатам моделирования.

Рисунок 3.3 - Номограмма для определения размера зоны ПГД в краевой части Рисунок 3.4 – Номограмма для определения размера зоны ПГД в краевой части Рисунок 3.5 – Номограмма для определения размера зоны ПГД в краевой части 3.2 Влияние ширины целика на формирование зоны повышенного горного Для установления закономерности влияния ширины одиночного целика на размер зоны ПГД производилось моделирование напряженного состояния для случая двух горизонтальных очистных выработок, разделенных целиком. При этом:

- ширина выработанных пространств (а) – 150 м, 200 м, 250 м, 300 м, 500 м, - ширина целика (L) – 20 м, 40 м, 60 м, 100 м, 150 м, 200 м;

- мощность пласта (m) – 2,5 м;

- глубина отработки (H) – 300 м, 400 м, 500 м, 600 м, 700 м, 800 м, 1000 м, Например, на рисунке 3.6 приведена зоны ПГД от целика шириной 40 м, при этом ширина прилегающих выработанных пространств по 200 м, а глубина отработки 500 м.

Рисунок 3.6 – Зона ПГД от целика шириной 40 м: (ширина прилегающих выработанных пространств по 500 м, глубина отработки 1000 м) —— расчетная зона ПГД, —— зона ПГД по Инструкции В таблицах 3.3 и 3.4 приведены данные о дальности распространения отрабатываемого пласта в зависимости от перечисленных выше параметров.

Таблица 3.3 – Зона ПГД от целиков 20-60 м (глубина зоны в кровлю/почву пласта) Глубина распространения зоны ПГД в кровлю и почву пласта от Продолжение таблицы 3. Таблица 3.4 – Зона ПГД от целиков 100-200 м (глубина зоны в кровлю/почву) Глубина распространения зоны ПГД в кровлю и почву пласта от целика Глубина распространения зоны ПГД в кровлю и почву пласта от целика 150 м Продолжение таблицы 3. Глубина распространения зоны ПГД в кровлю и почву пласта от целика 200 м По результатам моделирования были построены зависимости размера зоны ПГД в кровлю от ширины целика при разных размерах прилегающих выработанных пространств (150 м–700 м), при этом глубина отработки Н=1000 м (рисунок 3.7).

Аналогичные зависимости наблюдаются и для размера зоны ПГД в почву пласта.

Глубина распростронения зоны ПГД в кровлю, м Рисунок 3.7 – Влияние ширины целика на размер зоны ПГД в кровлю Анализируя расчетные значения можно заметить, что с увеличением ширины целика, оставленного между двумя выработанными пространствами, размер зоны ПГД и глубина ее распространения растет [79]. На графике (рисунок 3.7) заметно, что при ширине целика L=150 м и ширине прилегающих говорит о том, что она разделилась на две зоны ПГД от краевых частей пласта. На рисунке 3.8 показано как меняется конфигурация и размер зоны ПГД при разной ширине целика. Когда ширина целика соизмерима с шириной прилегающих выработанных пространств зона ПГД начинает стабилизироваться (оранжевая расчетная линия), дальнейшее изменение ширины целика ведет к разделению зоны ПГД на две. Установлено, что при ширине целика L=1,25a зона ПГД разделяется на две в почве, а в кровле еще остается единая (синяя расчетная расчетная линия), примыкающие к краевым частям. Дальнейшее изменение ширины целика не влияет на размер зоны ПГД, она совпадает с зоной ПГД от краевой части пласта.

Рисунок 3.8 – Конфигурация зона ПГД от целика при а=150 м:

С другой стороны, с увеличением ширины выработанного пространства, примыкающего к целику, зона ПГД увеличивается (рисунок 3.9). Так на глубине отработки Н=1200 м зона ПГД в кровлю пласта, при увеличении ширины прилегающих к целику выработанных пространств от 150 м до 700 м, увеличивается в среднем в 1,8 раза (148 м), а в почву пласта – в 1,7 раза (126 м).

При этом наибольшее отличие наблюдается при ширине целика 200 м, а наименьшее – при ширине целика 20 м. Установлено, что при ширине прилегающих выработанных пространств а=0,67Н (при ширине целика L=20 м) и а=0,75Н (при ширине целика при L=200 м) зона ПГД в кровлю и почву от целика стабилизируется, и дальнейшее увеличение ширины выработанных пространств незначительно влияет на размер зоны ПГД (2-3 м). На глубинах 300–400 м эта стабилизация наступает при а=200–300 м, а возрастание глубины горных работ ведет к стабилизации зоны ПГД при больших размерах прилегающих выработанных пространств.

Рисунок 3.9 – Конфигурация зона ПГД от целика шириной 150 м:

Выполненные исследования показывают, что границы зоны ПГД, построенные по разработанному критерию, отличаются от границ зоны ПГД, построенных в соответствии с Инструкцией … РД 05-328-99. На рисунках 3.8 и 3.9 приведено сравнение расчетной зоны ПГД и инструктивной. Так для целика шириной 100 м при а=150 м инструктивный размера зоны ПГД превышает расчетный в среднем в 1,8 раза в кровлю и в 2 раза в почву пласта. Самые большие отличия наблюдается при глубине Н=1200 м (107 м в кровлю пласта и 93 м в почву пласта). Для этого же целика при ширине прилегающих выработанных пространств по 700 м и Н=1200 м расчетные значения превосходят инструктивные в 1,3 раза (59 м в кровле и 49 м в почве пласта) [47].

Рассмотрим, как с ростом размера выработанного пространства происходит изменение ширины зоны опорного давления. С этой целью для случая горизонтальной очистной выработки в пласте мощностью 2,5 м проведено моделирование напряженного состояния породного массива, при этом:

- ширина выработанного пространства (a) – 150 м - 1000 м;

- глубина отработки (H) – 300 м- 1200 м.

В таблице 3.5 приведена величина ширины зоны опорного давления в зависимости от перечисленных выше факторов. За границу зоны опорного давления принимаем критерий y/H=1.1.

Таблица 3.5 – Ширина зоны опорного давления Ширина зоны опорного давления (расчет/инструкция) 400 80/64 100/64 110/64 110/64 110/64 110/64 110/64 110/64 110 / 500 90/71 110/71 120/71 130/71 140/71 140/71 130/71 130/71 130/ 600 90/77 110/77 130/77 150/77 160/77 160/77 160/77 160/77 160/ 700 95/83 120/83 140/83 160/83 180/83 190/83 190/83 190/83 190/ 800 100/86 120/86 140/86 160/86 200/86 210/86 220/86 220/86 210/ 900 100/90 120/90 150 / 90 170/90 210/90 230/90 240/90 240/90 240/ 1000 100/93 130/93 150 / 93 170/93 210/93 240/93 260/93 270/93 270/ 1200 98/ - 126/ - 154 / - 178/ - 222/ - 259/ - 288/ - 316/ - 316/ По результатам моделирования был построен график, отражающий влияние ширины выработанного пространства на размер зоны опорного давления (рисунок 3.10). Из графика видно, что с увеличением глубины ведения горных работ размер зоны опорного давления увеличивается, а стабилизация ее величины наступает при более больших размерах выработанного пространства. На глубине ведения горных работ Н=300 м величина зоны опорного давления при ширине выработанного пространства 200 м достигает своего максимального значения м, а на глубине Н=1200 м максимального значения, равного 316 м, зона опорного давления достигает при ширине выработанного пространства, равной 800 м.

выработанного пространства а=0,7Н зона опорного давления стабилизируется.

Другими словами происходит стабилизация напряженного состояния, так как имеет место полная подработка массива горных пород. Дальнейшее увеличение ширины выработанного пространства не приводит к изменениям ширины зоны опорного давления. При ширине выработанного пространства, меньшей 150 м, зона опорного давления слабо зависит от глубины ведения горных работ, и при а=100 м при изменении глубины Н от 300 м до 1200 м ширина зоны опорного давления меняется от 56 м до 66 м.

Рисунок 3.10 – График зависимости ширины зоны опорного давления от ширины выработанного пространства (при мощности пласта 2,5 м) Сопоставление инструктивного значения ширины зоны опорного давления с расчетным при мощности пласта 2,5 м показало, что расчетное значение превосходит. И это различие растет с увеличение ширины выработанного пространства и глубины отработки. Так на глубине отработки Н=300 м при ширине выработанного пространства 150 м различие составляет в 1,3 раза (20 м), а при ширине выработанного пространства 1000 м – в 1,4 раза (25 м), а на глубине отработки Н=1000 м – в 1,1 раза (7 м) и 9 раза (177 м) соответственно.

При этом глубину Н=1200 м Инструкция … РД 05-328-99 не учитывает.

3.4 Влияние угла падения пласта на размеры и конфигурацию зоны Рассмотрим, как с ростом угла падения пласта происходит изменение глубины распространения зоны ПГД. С этой целью проведено моделирование напряженного состояния для случая двух очистных выработок, разделенных целиком шириной L=40 м, при этом:

- ширина выработанных пространств (а) – от 150 м до 500 м;

- глубина отработки (H) – 700 м;

- мощность пласта (m) – 2,5 м.

В таблице 3.6 приведены данные о формировании зоны ПГД в кровлю и целика в зависимости от ширины выработанного пространства и угла падения пласта, полученные расчетным и инструктивным методами.

Например, на рисунке 3.11 показана зона ПГД при угле падения пласта 500, построенная по результатам расчета и Инструкции … РД 05-328-99 [38].

На рисунке 3.12 построен график влияния угла падения пласта на размер зоны ПГД в кровлю пласта при разной ширине выработанных пространств. В почву пласта наблюдаются аналогичные зависимости. Видно, что, с изменением угла падения пласта от 0 до 60 и фиксированной глубине залегания, размер зоны ПГД уменьшается. При этом в 1,4 раза (22 м) при ширине выработанного пространства 150 м и в 4 раза (104 м) при ширине выработанного пространства 500 м, а в почве пласта в 1,3 раза (18 м) и 3 раза (79 м) соответственно.

Исключение составляет ситуация при угле падения пласта свыше 600, когда зона ПГД распространяется в горизонтальном направлении.

Таблица 3.6 – Зона ПГД от целика в кровлю и почву пласта Рисунок 3.11. Зона ПГД при угле падения пласта (ширина прилегающих выработанных пространств по 150 м) —— расчетная зона ПГД, —— зона ПГД по Инструкции Глубина распространения зоны ПГД в кровлю пласта, м Рисунок 3.12 - Размер зоны ПГД в кровлю в зависимости от угла наклона пласта При сравнении инструктивных и расчетных размеров зоны ПГД из таблицы 3.6 видно, что при ширине прилегающих выработанных пространств по 150 м инструктивное превосходит расчетное. И чем больше угол наклона пласта, тем больше это различие. Так при а=150 м и угле наклона 00 инструктивный размер зоны ПГД превосходит расчетный размер зоны ПГД в 1,6 раза в кровлю и почву пласта, а при угле наклона 600 – в 2 раза соответственно. При ширине прилегающих выработанных пространств более 200 м расчетная зона ПГД превосходит инструктивную. И чем больше угол наклона пласта, тем их различие меньше. Так при ширине прилегающих выработанных пространств 500 м и угле наклона 00, размер расчетной зоны ПГД превосходит инструктивный в 3 раза в кровлю и почву пласта, а при угле наклона 500 - 600 их значения сравниваются.

3.5 Взаимовлияние зон повышенного горного давления от целиков на Рассмотрим, как с увеличением мощности междупластья происходит изменение глубины распространения зоны ПГД от соосных целиков. С этой целью для случая двух отрабатываемых пластов с целиками шириной L=40 м проведено моделирование напряженного состояния породного массива при ширине прилегающих выработанных пространств (а) от 150 м до 300 м и глубине отработки (Н) 800 м. В таблице 3.7 приведены размеры зон ПГД в зависимости от мощности междупластья, а на рисунке 3.13 приведена конфигурация зоны ПГД для соосных целиков при мощности междупластья 80 м. Для сравнения построена зона ПГД от одиночного целика и по инструктивной методике.

Таблица 3.7 – Зона ПГД от соосных целиков Мощность междупластья, Исследования взаимовлияния зон ПГД от целиков на смежных пластах показали, что в породах междупластья зона ПГД от соосных целиков остается единой при увеличении мощности междупластья от 20 м до 100 м. В том числе при ширине прилегающих выработанных пространств по 300 м. В породах почвы дальность ее распространения практически не меняется. В породах кровли, при увеличении мощности междупластьяот 20 м до 100 м, дальность распространения зоны ПГД уменьшается в 1,2 раза (12 м) при ширине прилегающих выработанных пространств 150 м и в 1,3 раза (29 м) при ширине выработанных пространств м рисунок 3.14).

Рисунок 3.13 – Конфигурация зоны ПГД для соосных целиков около выработанных пространств шириной 150 м при мощности междупластья 80 м:

одиночного целика (это видно на рисунке 3.13). И чем больше мощность междупластья, тем больше становится разница. Например, при мощности междупластья 20 м, зона ПГД в кровлю и почву пласта от соосных целиков меньше в 1,1 раза (6 м), чем от одиночного целика, а при мощности междупластья 100 м – в 1,3 раза (18 м).

Размер зоны ПГД в кровлю пласта, м равной 164 м (когда ширина прилегающих выработанных пространств а=150 м) и 224 м (когда ширина прилегающих выработанных пространств а=300 м) зона ПГД разделяется на две зоны от одиночных целиков. Она разделяется также и при смещении одного из целиков более чем на ширину целика (при смещении более чем 1,5L, где L – ширина целика).

Как видно на рисунке 3.13, построение зоны ПГД по инструктивной методике производится отдельно от каждого целика. Исходя из этого, наблюдаются большие отличия в размерах зоны ПГД. При ширине прилегающих выработанных пространств по 150 м инструктивное превосходит расчетное значение зоны ПГД. И чем больше мощность междупластья, тем больше это различие. Так при а=150 м и мощности междупластья 20 м инструктивный размер зоны ПГД превосходит расчетный размер зоны ПГД в 1,8 раза в кровлю (53 м) и почву (48 м) пласта, а при мощности междупластья 100 м – в 2 раза соответственно (65 м и 53 м). При ширине прилегающих выработанных пространств более 200 м расчетная зона ПГД превосходит инструктивную. И чем больше мощность междупластья, тем их различие меньше. Так при ширине прилегающих выработанных пространств 300 м и мощности междупластья 20 м, размер расчетной зоны ПГД превосходит инструктивный в 2,4 раза (65 м) в кровлю и в 2 раза (42 м) в почву пласта, а при мощности междупластья 100 м - в 1,8 раза (36 м) и в 2 раза (45 м) соответственно.

3.6 Влияние глубины отработки на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта Рассмотрим, как для двух отрабатываемых пластов с увеличением глубины отработки происходит изменение зоны ПГД. С этой целью проведено моделирование напряженного состояния породного массива для схемы отработки пластов Четвертый – Тройной в южном блоке шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь». На пласте Четвертый отработаны лавы 112-ю – 312-ю, а на пласте Тройной – лавы 112-ю – 212-ю (рисунке 3.15). При этом ширина выработанного пространства на пласте Четвертый – 620 м, на пласте Тройной – 390 м, а глубина отработки (Н) меняется от 600 м до 1000 м.

Рисунок 3.15 – Схема отработки пластов Четвертый – Тройной В таблице 3.8 приведена величина зоны ПГД (в кровле, пласте и почве) в зависимости от глубины ведения горных работ.

Таблица 3.8 – Зона ПГД в краевой части подрабатывающего пласта Известно, что при подходе очистных работ к створу краевой части на смежных пластах происходит изменение размеров и конфигураций зон ПГД [79].

Когда очистные работы на нижнем пласте подходят к створу краевой части верхнего пласта, то наблюдается увеличение зоны ПГД в кровле пласта и в плоскости пласта и уменьшение зоны ПГД в почве пласта относительно зоны ПГД от одиночного пласта. Результаты моделирования показали, что в 20 м от створа зона ПГД возрастает в 1,1 раза в плоскости пласта, в 1,3 раза в кровлю пласта, а в почву уменьшается в 1,7 раза. При этом в кровлю зона ПГД значительно больше, чем в почву. В створе образуется одна зона ПГД. Она увеличивается в 1,2 раза в плоскости пласта, в 1,1 раза в кровлю и почву пласта в сравнении с одиночным пластом. После перехода створа на 30 м образуется зона ПГД на нижнем пласте. При этом в почву она значительно больше, чем в кровлю.

Для схемы, представленной на рисунке 3.15, когда пласт Четвертый опережает пласт Тройной на 230 м, результаты расчетов показали, что зона ПГД уменьшилась в кровлю – в 1,8 раза, в плоскости пласта – в 1,3 раза, а в почву увеличилась – в 1,1 раза относительно одиночной лавы, длинной 620 м. Причем наибольшее отличие в кровлю и почву пласта наблюдается при глубине отработки 1200 м (68 м и 25 м), а в плоскости пласта – при глубине отработки 900 м (23 м). При этом зона ПГД выглядит, как показано на рисунках 3.16–3.20.

При изменении глубины отработки от 600 м до 1200 м заметно, что зона ПГД от пласта Четвертый увеличивается в среднем в 2,3 раза. Результаты расчетов показали, что наблюдается ощутимое различие в размерах зон ПГД при отработке двух пластов с опережением на одну лаву. Наибольшее отличие от одиночного пласта (в два раза) распространения зоны ПГД в кровлю наблюдается при глубине отработки 900 м (65 м), а почву (15 м) при глубине отработки 700 м Инструктивная зона ПГД превосходит расчетную и тем больше, чем меньше глубина. Так на глубине 600 м различие в плоскости пласта – в 2 раза (56 м), в кровлю пласта – в 2,8 раза (90 м), а в почву пласта – в 1,6 раза (53 м), а при Н=1200 м – в плоскости пласта в 1,1 раза (15 м), в кровлю пласта – в 1,5 раза (68 м), а в почву – в 1,2 раза (15 м).