«ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ СВИТ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ ...»

По данным акта технического расследования причин аварии, происшедшей 25.02.2011 [3] отмечается, что расчетный расход воздуха для проветривания шахты составляет 23096 м3/мин при фактической подаче воздуха в шахту – 23259 м3/мин. Производительность вентилятора TAF 45,2 по расчету должна составлять 23603 м3/мин, фактически составляет 24759 м3/мин. Внешние утечки воздуха по шахте составляют 1500 м3/мин, внутренние утечки – 1863 м3/мин.

газовоздушной смеси через выработанное пространство с помощью газоотсасывающей установки 2УВЦГ-15, расположенной на скважинах (поверхность). Расчетный расход воздуха для проветривания лавы 6-1- составляет 2656 м3/мин, фактически поступает 2900 м3/мин.

Схема проветривания лавы 3-32 комбинированная с отводом газовоздушной смеси через выработанное пространство с помощью газоотсасывающей установки 2УВЦГ-15, расположенной на устье флангового бремсберга 2/3. Расчетный расход воздуха для проветривания лавы 3-32 составляет 3495 м3/мин, фактически поступает 4060 м3/мин.

На поверхности смонтирована мобильная дегазационная установка PGN Lennetal-229, обеспечивающая дегазацию лавы 3-32.

Исходя из имеющихся данных о проветривании путевого уклона 3/3 в результате моделирования вентиляционной сети установлено, что у изолирующих сооружений 1032 и 1033 имелись условия формирования местного скопления метана. Поэтому, в случае образования очага самонагревания и впоследствии самовозгорания произошло воспламенение и взрыв метановоздушной смеси в сохранившейся части выработки, прилегающей к изолирующим сооружениям 1032 (конвейерный штрек 3-1-24) и 1033 (вентиляционный штрек 3-1-26).

Лава 3-1-24 была отработана до нарушения, поэтому сохранилась часть конвейерного штрека 3-1-24 длиной 250 м, объемом около 3000 м3 и часть вентиляционного штрека 3-1-26 длиной 100 м объемом около 1200 м3.

В шахте смонтирована аппаратура Davis Derbi. Поскольку непосредственно во входящей и на исходящей путевого уклона 3/3 аппаратура аэрогазового контроля не установлена, информация о содержании СО и СН4 в процессе развития аварии выведена от газоотсасывающего вентилятора лавы 6-1-14.

Анализ представленных данных [3] показал, что нарастание СО началось перемычками 1032 и 1033 произошел в 12:25. Концентрация метана при этом существенно не изменялась.

изолированном выработанном пространстве пласта 3-3а. Взрыв произошел в сохранившихся выработках, изолированных от действующих в результате остановки ведения очистных работ в лавах 3-1-26 и 3-1-24.

Как показали материалы расследования аварий, одним из значимых аэродинамическая связь между выработанными пространствами сближенных пространствами в материалах расследования установлено путем расчета границ зоны водопроводящих трещин в междупластьях пластов. Данная методика представлена в «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [62]. В соответствии с [62], высота зоны водопроводящих трещин зависит от вынимаемой мощности пласта, литологического состава и структуры подрабатываемой толщи, физико-механических свойств, слагающих её горных пород. Высоту зоны определяют специальными методами в конкретных условиях, а при отсутствии фактических данных принимают равной безопасной глубине разработки Нб угольного пласта под водным объектом.

При последовательной отработке двух пластов Нб определяется в такой последовательности:

- определяется Нб отдельно для каждого пласта При вынимаемой мощности пласта более 2 метров безопасная глубина определяется как 20 мощностей вынимаемого пласта (1):

где m – вынимаемая мощность пласта.

- определяется безопасная глубина разработки двух пластов (2):

Расчеты показали, что безопасная глубина разработки двух пластов составляет 113,59 метров, что превышает величину междупластья пластов 1, 3-3а и 6. Данный расчет указывает на наличие аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов, но не позволяет количественно оценить увеличение проницаемости массива и пространственно позиционировать места расположения трещин. Помимо этого, как уже было указано ранее, в данной методике учитываются только горно-геологические выемочных участков не рассматриваются [67]. Наличие аэродинамической связи подтверждается результатами проведенного трассирования.

Анализ газового режима и его изменений в процессе формирования аварийной ситуации по данным актов [3, 4] позволяет отметить общность причин обеих аварий: наличие угля в выработанных пространствах рабочих пластов, подвергшегося механическому воздействию в результате опорного давления, а также под- и (или) надработки; отсутствие качественной изоляции выработанного пространства в сочетании с комбинированными схемами проветривания и изолированным отводом метановоздушной смеси через выработанное пространство; аэродинамическая связь между выработанными пространствами пластов 1, 3-3а и 6; движение воздуха по объединенному выработанному пространству вследствие депрессии, создаваемой газоотсасывающими установками УВЦГ-15, а также естественной тягой, что подтверждается цикличным (в зависимости от сезона и атмосферного давления) характером изменения концентраций диоксида углерода, кислорода, метана, индикаторных газов в пробах воздуха.

При анализе газового режима шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» и шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь», были выявлены схожие параметры способов и средств управления газовыделением, схем подготовки и отработки выемочных участков:

';

Отработка свит пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию или перспектива перехода на нижележащие пласты;

Бессистемное оставление межлавных целиков различной конфигурации;

Абсолютная газообильность выемочных участков достигает 100 м3/мин участков с выдачей части исходящей струи воздуха через выработанное Применение различных средств дегазации на выемочных участках, включая передвижные поверхностные дегазационные установки;

Применение изолированного отвода метановоздушной смеси через выработанное пространство;

Объемы утечек воздуха через выработанное пространство достигают Проведенные исследования газового режима выемочных участков при интенсивной отработке свит пологих пластов на шахтах Кузбасса, а также аварий, связанных с самовозгоранием угля, позволяет сделать следующие выводы:

При интенсивной отработке свит газоносных пластов длинными столбами абсолютное метановыделение на выемочных участках может превышать 100 м3/мин, а для эффективного управления газовыделением необходимо совместное применение вентиляции, дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси;

необходимого для управления газовыделением, приводит к увеличению количества воздуха, проходящего через выработанное пространство, увеличивает депрессию между выработанным пространством и выемочными выработками, что повышает опасность формирования очагов самовозгорания угля;

При использовании комбинированных схем проветривания выемочных участков с изолированным отводом метановоздушной смеси объемы утечек воздуха через выработанное пространство могут достигать 500 м 3/мин и более, размеры проветриваемой части выработанного пространства – до 1500 метров, а время проветривания – более 300 суток, что при наличии аэродинамической связи между выработанными пространствами сближенных пластов формирует опасность самовозгорания угля в выработанном пространстве;

оставлением между выемочными участками неизвлекаемых ленточных целиков без учета возможности формирования аэродинамической связи между поверхностью в ряде случаев приводит к появлению очагов самовозгорания и последующим взрывам метановоздушной смеси в выработанном пространстве (шахта «Алардинская»);

При планировании совместной отработки пластов в свите необходимо определение степени влияния параметров технологических схем, очередности отработки пластов в свите, порядка отработки выемочных участков на пластах, а также взаимного расположения целиков на сближенных пластах на возможность формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов и поверхностью.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ

СВИТ ПЛАСТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН ПРОНИЦАЕМОСТИ

МАССИВА

Проведенный во второй главе анализ газового режима при отработке свит пластов выявил несовершенство применяемых способов и средств управления газовыделением на выемочных участках в сочетании с применяемыми способами подготовки выемочных столбов, что в свою очередь неоднократно являлось причиной формирования аэродинамических связей и очагов самовозгорания угля в выработанных пространствах отрабатываемых пластов. Установлено, что наиболее часты случаи аварийных ситуаций на выемочных участках с применением комбинированного способа проветривания с изолированным отводом метановоздушной смеси через выработанное пространство.

аэродинамических связей в зонах влияния очистных работ являются параметры напряженно-деформированного состояния горных пород (напряжения и деформации).

Как показывает опыт решения задач горной геомеханики, сложность строения, свойств и состояний изучаемых объектов, требуют комплексного подхода при проведении исследований, в частности эмпирико-аналитического метода. Его спецификой является обобщение данных натурных исследований, построение на этой основе геомеханических моделей изучаемых объектов, формирование с их помощью расчетных схем. Обычно, в качестве горногеомеханической модели, в горной геомеханике используют представления о массиве горных пород как среды, обладающей квазисплошностью, что дает возможность использовать общие подходы к решению задач на базе методов сплошной среды (МСС).

Основным достоинством этих методов является универсальность, применимость для широкого класса случаев и относительная простота вычислений. Их недостатком является большой объем вычислений, однако применение современной вычислительной техники и программного обеспечения помогает его преодолеть.

использованием МСС позволил установить, что получающий все большее распространение метод конечных элементов (МКЭ) дает возможность получения решений, охватывающих широкий класс условий. При этом точность решения определяется степенью и полнотой учета действующих факторов, а так же степенью соответствия основных параметров, используемых в решениях, параметрам реальных массивов горных пород.

совокупности плоских или пространственных элементов типа стержневых или рамных конструкций. При этом соблюдается ясная физическая трактовка решаемых задач. Вместе с тем необходимость определения свойств каждого элемента в отдельности дает возможность учитывать неоднородность свойств деформируемой области, а так же рассчитывать область сколь угодно сложной конфигурации.

Выполненный анализ методических особенностей численного решения задач с применением МКЭ достаточен для использования его при исследовании НДС геомеханических моделей, отражающих поведение элементарного массива вмещающего пласт, при рассмотренных технологических схемах его выемки.

Основной задачей рассматриваемых исследований является установление связи между механическим состоянием надрабатываемого-подрабатываемого массива (т.е. его НДС) и газодинамическими его параметрами (коллекторскими, фильтрационными). При этом необходим анализ не только собственно компонентов тензоров ij, ij и вектора i, а некоторых их «производных», более адекватно оценивающих изменение состояния фильтрующей среды в процессе нестационарного НДС пород, обусловленного их надработкой-подработкой.

Такой «производной» величиной могут являться объемные деформации, их приращение, трещиноватость среды (как функция действующих растягивающих деформаций) и др.

Также выполняемые исследования должны выявить функциональную зависимость между эффективной пористостью фильтрующей среды («n») и действующими в МГП напряжениями – их средними значениями (ср).

Угольный пласт представляет собой трещиновато-пористое тело. Размеры пустот колеблются от нескольких ангстрем до миллиметров. С учетом характера движения метана поры в угле принято разделять согласно их размерам на несколько классов:

- молекулярные (0,40,7 нм – это наиболее мелкие поры, их размер соизмерим с размером молекулы метана – 0,416 нм);

- фольмеровские (110 нм – длина свободного пробега меньше диаметра пор: число столкновений молекул газа со стенками превышает число столкновений между молекулами);

- кнудсеновские (10100 нм – в этих порах характер течения газа является молекулярным);

- макропоры (более 100 нм – по таким каналам происходит газовая диффузия, определяемая градиентом концентрации).

Далее по принятому классификационному признаку целесообразно было бы выделить поры, в которых течение газа подчиняется законам ламинарной и турбулентной фильтрации. Поры размером более 1000 нм (1мкм) классифицируют обычно по генетическому признаку. В классе от 10-6 до 10-4 м присутствуют микротрещины, трещины выветривания и иные пустоты.

Раскрытие (зияние) экзогенных и эндогенных трещин изменяется в основном от 3 мкм до 2 мм, при этом преобладают трещины с зиянием менее 10 3 см. Пустотность угля, связанная с его трещиноватостью, оценивается величиной в 312 %. При этом на долю эндогенных трещин (эффективная пористость) приходится не более 3 % микропустотности угля [98].

Проницаемость угольных пластов и вмещающих пород значительно колеблется и составляет 0,10,001 мД. В весьма нарушенных зонах мощных угольных пластов проницаемость может достигать 5100 мД.

Проницаемость угольных пластов и вмещающих пород практически полностью определяется трещинами.

Проницаемость трещины Ктр (Д) определяется уравнением Буссинеска:

где b – раскрытие (зияние) трещины, см.

Одним из основных способов повышения проницаемости угольных пластов и слагающих пород кровли и почвы является их под- или надработка.

В качестве обобщающего параметра НДС в «точке» массива принимается параметр « », т.е. среднее действующее напряжение или объемная деформация массива ().

предопределяются уровнем действующих в конкретной фильтрующей среде механических напряжений (параметр ), то пригрузка и разгрузка массива горных пород будет обуславливать изменение его газодинамических свойств.

Характерными для них являются – эффективная пористость массива и его Структура зависимости, определяющей взаимосвязь параметра коллекторских характеристик горных пород (параметр « Г ») и объемных деформаций в породах (), в общем случае имеет вид: Г Ф(). В инженерной (конкретизированной) интерпретации указанное соотношение может быть представлено зависимостью:

где: n – эффективная пористость пород (углей); n0 – эффективная пористость тех же пород (углей) в разгруженном от механических напряжений состоянии; b – эмпирический коэффициент, функционально определяемый для углей параметром V Г (выход летучих); – среднедействующее в исследуемой зоне массива (пласта) напряжение.

Информативным показателем, отражающим фильтрационные свойства пород, является объёмная деформация ( ) и её изменение в пределах исследуемых зон ( ). Параметр « », как известно, записывается в виде:

– действующее в конкретной «точке» массива напряжение; К 0 – где коэффициент определяемый «объёмным модулем деформации», т.е. может быть представлен в виде:

быть аппроксимирована (при коэффициенте вариации V 20% ) упрощенным («оценочным») выражением, а именно:

где n0 – вышеприведённое значение для « n » при ср – эмпирический параметр (размерность: 1/ср).

Выполненные по приведённой зависимости оценки показали [83], что фильтрующая (эффективная) пористость в массиве существенно переменна. Так в зонах разгрузки массивов (при, например, H 700 м ) от напряжений, указанный параметр может на 50% и более превосходить аналогичные его значения, характерные для пластов в их естественном состоянии.

Напомним, что выполненные ранее в ИГД им. А.А. Скочинского исследования показали, что при геостатическом нагружении угленосных толщ – вплоть до глубин порядка 1500 м – механические напряжения в массиве мало влияют на изменение объёма ультрапор (т.е. на основную часть сорбционного объёма), предопределяя, в тоже время, превалирующее изменение лишь фильтрующего (т.н. «эффективного») порового объёма.

Выше отмечалось, что информативной характеристикой, определяющей фильтрующую способность угленосной толщи является коэффициент её газопроницаемости (k). Удобной в практическом приложении формой интерпретации этой характеристики может быть её представление в виде среднего значения, отвечающего среднему уровню механических напряжений, действующих в рассматриваемой «точке» массива (пласта), т.е. в виде:

kср ( ср ). Отметим, что по данным ранее выполненных исследований (институты ИГД, МакНИИ и др.) для характерных марок углей и условий разгруженного массива (т.е. kср при ср 0 ) рассматриваемый параметр может быть оценен как: К ср 0,06 10 см ( 60Д, при V 30% ).

Вид функции kср ( ср ) структурно аналогичен таковой, приведённой выше для параметра « n ». Для инженерных оценок параметра «k» указанную функцию удобно представить в упрощённой аппроксимационной форме в виде:

где d – эмпирический параметр (м2/МПа) для рассмотренных условий (глубины, марки углей) количественно соответствует значению 104·10-3.

Параметр при этом будет характеризоваться «разбросом», т.е.

коэффициентом вариации V 30%. Выше рассмотрены некоторые обобщённые данные, характеризующие взаимовлияние факторов: геомеханического и газодинамического. Конкретизация их для условий тех или иных месторождений требует соответствующих данных о геологическом строении углевмещающих толщ, данных об их механических и газодинамических характеристиках. В частности, имея указанные данные, далее реализуются подходы к определению таких конкретных параметров как компоненты полей (соответственно, и полей i ), определяющих функционально и изменения газодинамических характеристик исследуемых зон (коэффициентов проницаемости пластов, в т.ч. с учетом пространственно-временных факторов).

Основополагающая часть рассматриваемой проблемы – оценка параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) углевмещающего массива – базируется на работах профессора А.А. Борисова, позволивших мотивированно разработать необходимые для оценки НДС угольного массива соответствующие горно-геомеханические модели и расчетные схемы.

В работе [99] был подробно рассмотрен вопрос связи объемных преобразований получена зависимость, которая представляется в виде:

где kср – средняя проницаемость рассматриваемого участка массива, Дарси; k0ср – проницаемость пород в разгруженном состоянии, Дарси; Е – модуль деформаций пород, МПа; – коэффициент Пуассона; – приращение объемной деформации в рассматриваемой зоне.

характерных зон массива по значениям приращения деформаций массива, формирующихся вследствие отработки запасов свиты.

3.2 Исследование взаимовлияния сближенных пластов на формирование аэродинамической связи верхнего пласта в свите с земной поверхностью Для исследования напряженно-деформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе отработки выемочных участков по пластам 1, 3-3а, 6 была разработана горно-геомеханическая модель, конечно-элементная схема которой представленна на рисунке 3.2. Данная модель адекватно отражает основные физико-механические (в том числе деформационно-прочностные свойства) реального горного массива, включает: вмещающие породы, угольные пласты, горные выработки, выработанные пространства. Задача решается в плоской постановке, и массив горных пород рассматривается как сплошной неоднородный изотропный. При моделировании поведения пород для оценки поведения пород на запредельной стадии деформирования была использована модель Кулона-Мора. Возможность и целесообразность использования описываемой горно-геомеханической модели массива подтверждается широким применением использованных при моделировании принципов при решении задач горной геомеханики и хорошей сходимостью результатов моделирования и натурных (шахтных) наблюдений.

Основной задачей рассматриваемых исследований является установление связи между механическим состоянием надрабатываемого-подрабатываемого массива (т.е. его НДС) и наличием устойчивом аэродинамической связи верхнего пласта в свите с земной поверхностью. При этом необходим анализ не только собственно компонентов тензоров ij, ij и вектора i, а некоторых их «производных», более адекватно оценивающих изменение состояния проницаемости массива в процессе нестационарного НДС пород, обусловленного их надработкой-подработкой. Такой «производной» величиной могут являться растягивающие деформации, их приращение, трещиноватость среды и др.

Так как задача решается в плоской постановке и рассматривается разрез массива вкрест простирания, то при моделировании рассматривается разрез, достаточно удаленный от краевых частей массива – в центральной части отработанных столбов - как наиболее вероятному место развития максимальный смещений и деформаций массива.

Для установления общих закономерностей изменения НДС МГП в исследуемой области были разработаны расчетные схемы (рисунок 3.1), соответствующие следующим горнотехническим ситуациям:

а) Последовательная отработка запасов свиты пологих угольных пластов (1, 3-3а и 6) на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь». Мощности разрабатываемых пластов 1, 3-3а и 6 соответственно равны 2; 5,5 и 7,1.

Расстояния между пластами 1 – 3-3а и 3-3а – 6 равны 40 и 27 метров соответственно. Глубина верхней границы шахтного поля составляет 250 метров.

Схема подготовки пласта 1 не предусматривает оставления межлавных целиков.

Данная схема отработки реализована на шахте. Моделируется нисходящий и восходящий порядки отработки свиты (рисунок 3.1а).

б) Последовательная отработка запасов свиты пологих угольных пластов (1, 3-3а и 6) на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь». Горногеологические условия отработки остаются без изменений. Схема подготовки пласта 1 предусматривает оставление межлавных неразрушаемых целиков.

Моделируется нисходящий и восходящий порядки отработки свиты (Рисунок 3.1б).

Выполненные исследования позволили установить напряженнодеформированное состояние массива горных пород в зоне ведения горных работ и закономерности его изменений в процессе отработки запасов [64].

а) без оставления целиков по пласту 1 (реализовано на шахте);

б) с оставлением двух неразрушаемых межлавных целиков на пласте 1.

Рисунок 3.1 – Рассматриваемые варианты отработки свиты пластов на шахте Для исследования напряженного состояния массива горных пород и его изменения в процессе отработки запасов на 1-м этапе моделирования была выполнена оценка естественного поля напряжений – поля вертикальных напряжений ( H ) – до начала ведения горных работ.

На последующих этапах было выполнено моделирование последовательной нисходящей отработки пластов 1, 3-3а, 6 на аварийном участке. Результаты моделирования представлены на рисунках 3.3-3.5. Рассмотрим напряженное состояние массива на различных этапах моделирования.

На рисунке 3.3 представлены изолинии вертикальных напряжений соответствующие полной отработке запасов лавами 1-45, 1-46, 1-47, 1-48 пласта 1.

Как видно из рисунка 3.3 вследствие отработки запасов пласта на значительных площадях в краевых частях массива – выше лавы 1-48 и ниже лавы 1-45 сформировались зоны опорного давления, характеризуемые повышенным уровнем напряжений. В тоже время непосредственно под отработанными участками пласта 1 образуются зоны разгрузки, охватывающие не только всю межслоевую толщу пластов 1, 3-3а, 6, но и распространяющиеся на значительную глубину в почву пласта 6.

На рисунке 3.4 приведены изолинии вертикальных напряжений в ситуации, соответствующей полной отработке запасов лавами 3-1-27, 3-1-24, 3-1-26. Как видно из рисунка 3.4 в краевых частях пласта 3-3а вследствие отработки формируются зоны опорного давления. Однако зона повышенного горного давления четко прослеживается только для участка, располагаемого над лавой 3в то время как участок пласта 3-3а – ниже лавы 3-1-27 – характеризуется лишь незначительным повышением напряжений, вследствие того, что он находится под выработанным пространством пласта 1 в зоне разгрузки. Кроме того, на рисунке 4 четко прослеживаются «всплески» напряжений, приуроченные к местам оставления межлавных целиков по пласту 3-3а. Таким образом, после отработки запасов пласта 3-3а, вследствие оставления в выработанном пространстве целиков угля, в горном массиве формируются зоны разгрузки и повышенного горного давления (ПГД), оказывающие существенное влияние на напряженное состояние межслоевой толщи и нижерасположенного пласта 6.

Рисунок 3.2 – Конечно-элементная схема горно-геомеханической модели горного массива №1 для оценки изменения НДС массива горных пород по мере отработки запасов пластов 1, 3-3а, На рисунке 3.5 представлена картина распределения вертикальных напряжений в массиве на этапе доработки запасов по пласту 6. Как видно из рисунка 3.5 в краевой части пласта 6 – на участке над лавой 6-1-12, формируется зона опорного давления, в тоже время зона опорного давления на участке ниже лавы 6-1-14 менее выражена, так как по вышерасположенному пласту 3-3а целики отсутствуют, а краевая часть пласта 6 на рассматриваемом участке расположена в зоне разгрузки массива, сформированной в результате отработки пласта 1.

В тоже время в массиве наблюдается развитие зон повышенного горного давления в области оставления межлавных целиков по пласту 6. Вследствие оставления целиков по пласту 6 под целиками пласта 3-3а происходит резкое повышение напряжений, приводящее к переходу большей части целиков в запредельное состояние.

При отработке запасов свиты в восходящем порядке, формирующаяся картина распределения вертикальных напряжений в массиве схожа с картинами напряженного состояния участка при отработке в нисходящем порядке. Однако, после отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 в восходящем порядке, поля вертикальных напряжений под краевой частью лавы 6-1-12 распространяются на гораздо меньшей глубине, чем при отработке свиты пластов в нисходящем порядке.

Рисунок 3.3 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки запасов пласта Рисунок 3.4 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки запасов пластов 1 и 3-3а Рисунок 3.5 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а, Полученные результаты моделирования позволяют оценить также уровень деформаций в пределах рассматриваемого участка массива горных пород. На рисунках 6-8 представлены поля горизонтальных деформаций соответствующие последовательной отработке пластов: пласта 1 – рисунок 3.6, пласта 3-3а – рисунок 3.7 и пласта 6 – рисунок 3.8. Для удобства восприятия информации на рисунках отражены изолинии только горизонтальных растягивающих деформаций.

Величина указанных деформаций позволяет прогнозировать места расположения областей повышенной трещиноватости. Для оценки областей достаточно выделить зоны со значениями деформаций по модулю более -0,001.

Указанные зоны характеризуются предельными и запредельным состоянием, соответствующем разрушению горных пород от растяжения. Зоны указанного диапазона значений менее соответствуют областям возможного формирования трещин [96].

Таким образом, как видно из рисунка 3.6, в результате отработки запасов участка по пласту 1, в массиве сформировались зоны предельного состояния горных пород: как в породах кровли – над выработанным пространством пласта и над его краевыми частями, так и в породах почвы – под краевыми частями отработанного пласта. Зоны предельного состояния горных пород над краевыми частями пласта 1 распространяются вплоть до земной поверхности. В указанных зонах происходит разрушение пород вследствие превышения деформациями предельного для горных пород уровня деформаций. Необходимо отметить, что трещинообразование в кровле пластов приводит к их обрушению, в то время как образование подобных зон предельного состояния в почве будет не столь очевидным.

рассматриваемом участке не приводит к дальнейшему развитию зон предельного состояния.

Доработка запасов пласта 6 (рисунок 3.8) на рассматриваемом участке приводит к развитию зон предельного состояния. Как видно из рисунка область предельных деформаций охватывает междупластье пластов 3-3а и 6 в районе лавы 6-1-10 и 6-1-14. Кроме того зона предельного состояния формируется в почве лавы 1-45, охватывая междупластье пластов 1 и 3-3а. В указанных областях деформации достигают предельных значений на ограниченных участках, что позволяет говорить только о высокой вероятности аэродинамической связи, а не о ее наличии.

формирование зон предельных растягивающих деформаций, свидетельствующих о развитии трещиноватости в горном массиве, обуславливающей возможность формирования аэродинамической связи выработанных пространств пласта 1 и земной поверхностью. На этапе отработки пласта 6 наблюдается формирование зон предельных растягивающих деформаций, охватывающих обширный участок пород междупластья пластов 3-3а и 6, что позволяет говорить о высокой вероятности формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов 3-3а и 6.

Таким образом, отработка свиты пластов 1, 3-3а и 6 в нисходящем порядке без оставления целиков по пласту 1 приводит к формирования устойчивой аэродинамической связи выработанных пространств пласта 1 и земной поверхности, что в свою очередь обеспечивает перетоки газовоздушных смесей и, как следствие, может явиться причиной возникновения эндогенного пожара в выработанных пространствах верхнего пласта в свите. Также необходимо отметить высокую вероятность формирования аэродинамической связи выработанных пространств лав 6-1-10, 6-1-14, 3-1-26 и 3-1-27.

На следующих этапах было выполнено моделирование последовательной восходящей отработки пластов 1, 3-3а, 6 на аварийном участке (рисунок 3.1а).

Результаты моделирования представлены на рисунках 3.9-3.11. Рассмотрим напряженное состояние массива на различных этапах моделирования.

Рисунок 3.6 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пласта Рисунок 3.7 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1 и 3-3а Рисунок 3.8 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и На рисунке 3.9 представлены изолинии горизонтальных растягивающих деформаций соответствующие полной отработке запасов лавами 6-1-12, 6-1-10 и 6-1-14 пласта 6. Как видно из рисунка 3.9 вследствие отработки запасов пласта в краевых частях выработанного пространства пласта 6 сформировались зоны предельных растягивающих деформаций, распространяющиеся до земной поверхности. Также, вследствие отработки пласта 6 формируются зоны предельного и запредельного напряженно-деформированного состояния массива над межлавными целиками, характеризуемые повышенными значениями растягивающих деформаций.

Последующая отработка запасов лавами 3-1-24, 3-1-26 и 3-1-27 пласта 3-3а представлена на рисунке 3.10. Результаты моделирования показывают, что зоны предельных растягивающих деформаций над краевыми частями выработанных пространств угольных пластов 3-3а и 6 значительно увеличились по площади и по значениям данного показателя. Помимо этого, формируется зона предельного состояния, охватывающая междупластье пластов 3-3а и 1 над выработанным пространством лавы 3-1-27 на значительном участке примерно равным метрам.

Кроме того рисунок 3.10 позволяет также выделить еще две зоны запредельного состояния, характеризуемые высокой вероятностью формирования аэродинамической связи. Указанные зоны охватывают междупластье пластов 3а и 6 на незначительных участках, расположенных над межлавными целиками лав 6-1-12, 6-1-10 и 6-1-14; помимо этого формируются запредельные растягивающие деформации над всеми тремя выработанными пространствами пласта 6.

Рисунок 3.9 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пласта Рисунок 3.10 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 3-3а и Рисунок 3.11 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и На рисунке 3.11 представлено напряженное состояние массива вследствие отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6. Как видно из рисунка, последующая отработка пласта 1 без оставления целиков приводит к пространственному увеличению зон запредельных растягивающих деформаций от краевых частей выработанных пространств пласта к земной поверхности. Эти зоны простираются на 350 – 400 метров в горизонтальной плоскости у земной поверхности. Помимо этого, происходит увеличение значений растягивающих напряжений в междупластьях пластов 1, 3-3а и 6, особенно в местах оставления межлавных целиков. По мере отработки запасов свиты, вероятность возникновения аэродинамической связи как верхнего пласта в свите с поверхностью, так и в междупластьях отрабатываемых пластов увеличивается.

На следующих этапах исследования проводилось моделирование схемы отработки запасов свиты пластов 1, 3-3а и 6 с оставление двух межлавных неразрушаемых целиков по пласту 1 как в нисходящем, так и в восходящем порядках отработки (рисунок 3.1 б). Конечно-элементная схема горногеомеханическойя модели отработки запасов свиты представлена на рисунке 3.12.

Результаты моделирования последовательной отработки запасов пластов представлены на рисунках 3.13-3.15. Рассмотрим напряженное состояние массива на различных этапах моделирования.

Рисунок 3.12 – Конечно-элементная схема горно-геомеханической модели горного массива №2 для оценки изменения НДС массива горных пород по мере отработки запасов пластов 1, 3-3а, 6 (с учетом целиков по пласту 1) На рисунке 3.13 представлены изолинии предельных растягивающих деформаций в ситуации, соответствующей полной отработке запасов пласта 1 в свите с оставлением двух межлавных целиков шириной 28 метров. Как видно из рисунка 3.13, вследствие отработки запасов пласта 1 в почве и кровле межлавных целиков формируются зоны предельных растягивающих деформаций, высота влияния которых достигает порядка 200-230 метров в кровлю, а также охватывает междупластья пластов 1, 3-3а и 6 на незначительных участках. Помимо этого необходимо заметить незначительное развитие трещиноватости массива у земной поверхности над краевыми частями выработанного пространства пласта 1, вследствие сдвижения пород у поверхности в результате отработки пласта. По результатам моделирования отработки верхнего пласта в свите формирование аэродинамической связи свиты пластов с поверхностью на данном этапе не наблюдается.

Последующая отработка запасов пласта 3-3а представлена на рисунке 3.14.

Ведение горных работ по пласту 3-3а приводит к значительному развитию зон предельного и запредельного напряженно-деформированного состояния массива на рассматриваемом участке. Над краевыми частями выработанного пространства пласта 1 формируются ярко выраженные зоны подверженные растягивающим деформациям. Данные зоны деформации располагаются непосредственно по линиям граничных и полных углов сдвижения пород вследствие отработки пласта 1 и 3-3а. Помимо этого, развиваются трещины между выработанными пространствами пластов 1 и 3-3а; наиболее выраженные формируются над выработанным пространством лавы 3-1-26 и над краевыми частями лав 3-1-24 и 3Рисунок 3.13 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пласта Рисунок 3.14 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1 и 3-3а Рисунок 3.15 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и На рисунке 3.15 представлена картина распределения предельных растягивающих деформаций на этапе полной отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6. Вследствие отработки запасов пласта 6 существенных изменений в формировании зон повышенной трещиноватости массива не происходит.

Наиболее характерная зона предельных растягивающих деформаций формируется над выработанным пространством лавы 6-1-14, охватывающая междупластье пластов 3-3а и 6. В результате последовательной нисходящей отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 формируются зоны предельных и запредельных растягивающих деформаций как в междупластьях пластов, так и надработанном массиве между верхнем пластом в свите и земной поверхностью. Однако, максимальные значения данного показателя в десятки раз меньше, чем в вариантах отработки запасов пластов в свите без оставления межлавных целиков по пласту 1 как в нисходящем, так и в восходящем порядках отработки.

На следующих этапах проводилось моделирование последовательной отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 с оставлением двух неразрушаемых моделирования представлены на рисунках 3.16-3.18.

На рисунке 3.16 представлена картина распределения предельных растягивающих деформаций на этапе полной отработки запасов пласта 6. Как видно из рисунка, вследствие отработки пласта формируются зоны предельного состояния от краевых частей выработанного пространства пласта 6, простирающихся до земной поверхности. Помимо этого, формируются ещё две зоны предельного состояния над межлавными целиками, которые охватывают междупластья пластов 1, 3-3а и 6, а также часть надрабатываемого массива.

Макисмальные значения растягивающих деформаций формируются непосредственно над целиками в междупластье пластов 3-3а и 6.

Изолинии растягивающих деформаций на этапе полной отработки запасов пластов 3-3а и 6 представлены на рисунке 3.17. Отработка запасов пласта 3-3а приводит к развитию уже сформировавшихся зон повышенной Рисунок 3.16 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пласта Рисунок 3.17 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 6 и 3-3а Рисунок 3.18 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 6, 3-3а и трещиноватости массива как в надрабатываемой толще, так и в междупластьях пластов. Развитие зон предельного состояния между верхним пластом в свите и земной поверхностью заключается как в увеличении зоны влияния по горизонтали, так и в увеличении количественного показателя. Помимо этого формируются ещё три зоны предельного состояния в выработанных пространствах лав 6-1-12, 6-1-10 и 6-1-14. Также «всплеск» деформаций на растяжение формируется под краевой частью лавы 3-1-24.

На рисунке 3.18 представлена картина распределения растягивающих деформаций на этапе полной отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6. Как видно из рисунка, полная отработка запасов пластов способствует значительному развитию зон предельных растягивающих деформаций, сформировавшихся в надрабатываемой толще. Суммарная ширина влияния этих зон простирается на участке более 800 метров у земной поверхности.

Исходя из результатов моделирования, представленных на рисунках 3.16при отработке запасов пластов 1, 3-3а и 6 в восходящем порядке с оставлением двух межлавных целиков по пласту 1 возможность формирования аэродинамической связи выработанных пространств пласта 1 с земной поверхностью достаточно высока. Формирование повышенной трещиноватости надрабатываемого массива происходит уже на этапе отработки нижнего пласта 6.

Последующая отработка пластов в свите приводит к значительному развитию указанных выше зон как количественно, так и пространственно, создавая необходимые условия для установления устойчивой аэродинамической связи и перетоков газовоздушной смеси в выработанные пространства отрабатываемых участков в свите.

комбинированных порядков отработки свиты пластов с оставлением межлавных целиков по пласту 1 и без оставления.

По результатам проведенного моделирования отработки свит пластов по двум схемам подготовки (рисунок 3.1а, 3.1б) в нисходящем, восходящем и комбинированном порядках (всего 12 вариантов) была составлена таблица, в которой отображены результаты моделирования с позиции формирования аэродинамической связи свиты пластов с земной поверхностью на различных этапах отработки (таблица 3.1).

Таблица 3.1 – Варианты отработки пластов в свите на шахте «Алардинская ОАО «ОУК Южкузбассуголь» ( «+» – наличие связи, «-» – отсутсвие связи) Порядок отработки пластов в свите Отработка свиты без оставления целиков по (рисунок 1а) Отработка оставлением целиков по (рисунок 1б) Как видно из таблицы 3.1, отработка запасов свиты на шахте «Алардинская ОАО «ОУК Южкузбассуголь» без оставления целиков по пласту 1 независимо от аэродинамической связи с земной поверхностью уже на первых этапах ведения горных работ. Отработка запасов свиты по схеме с оставлением межлавных целиков по пласту 1 позволяет исключить формирование аэродинамической связи с поверхностью на первом этапе ведения горных работ при отработке пласта 1 в первую очередь.

Рисунок 3.18 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пласта 1 с оставлением комбинированном, начиная с пласта 6 или 3-3а, оставление целиков по пласту не оказывает влияние на исключение формирования аэродинамической связи с поверхностью.

Помимо этого, проанализировав результаты геомеханического моделирования отработки свиты пластов в условиях шахты «Алардинская»

можно сделать вывод о том, что применяемые схемы отработки пластов, формирующие большепролетные выработанные пространства создают благоприятные условия для возникновения устойчивых аэродинамических связей между выработанным пространством верхнего пласта с земной поверхностью.

3.3 Исследование взаимовлияния параметров подготовки выемочных участков на формирование аэродинамической связи между выработанными пространствами смежных пластов и дневной поверхностью Результаты исследования напряженно-деформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе отработки свиты пластов на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» представленные в пункте главы 3, наглядно иллюстрируют формирование обширных зон предельных растягивающих деформаций между выработанными пространствами верхнего пласта в свите и земной поверхностью уже на первых этапах ведения горных работ без оставления целиков по пласту 1, независимо от порядка отработки пластов в свите; на последующих этапах отработки отчетливо наблюдается «площадной» рост вышеуказанных зон запредельного состояния.

Следует также отметить, что образование благоприятных условий для формирования аэродинамических связей с дневной поверхностью на первых этапах ведения горных работ в свите оказывает отрицательное влияние на продолжительность перетоков газовоздушных смесей, в свою очередь, повышается возможность возникновения эндогенного пожара.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что образование подобных зон запредельного состояния связано с ведением горных работ в свите по бесцеликовой технологии, что в свою очередь приводит к формированию единых большепролетных выработанных пространств.

Так, вследствие ведения горных работ на шахте «Алардинская» по пласту без оставления межлавных целиков сформировалось большепролетное выработанное пространство общей протяженностью 680 метров (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 – Выкопировка с плана горных работ по пласту 1 на шахте С целью определения предельного значения размера выработанного пространства с точки зрения формирования аэродинамической связи с поверхностью в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь»

было проведено исследование напряженно-деформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе ведения горных работ по пласту 1 методом конечных элементов (МКЭ). Для данного исследования была разработана горно-геомеханическая модель №3. Данная модель адекватно отражает основные физико-механические (в том числе деформационнопрочностные свойства) реального горного массива, включает: вмещающие породы, угольные пласты, горные выработки, выработанные пространства. Задача решается в плоской постановке, и массив горных пород рассматривается как сплошной неоднородный изотропный. При моделировании поведения пород для оценки поведения пород на запредельной стадии деформирования была использована модель Кулона-Мора. Возможность и целесообразность использования описываемой горно-геомеханической модели массива подтверждается широким применением использованных при моделировании принципов при решении задач горной геомеханики и хорошей сходимостью результатов моделирования и натурных (шахтных) наблюдений.

Так как задача решается в плоской постановке и рассматривается разрез массива вкрест простирания, то при моделировании рассматривается разрез, достаточно удаленный от краевых частей массива – в центральной части отработанных столбов – как наиболее вероятное место развития максимальных смещений и деформаций массива.

Для установления предельных размеров ширины выработанного пространства было проведено геомеханическое моделирование отработки выемочного участка в диапазоне от 100 до 450 метров с шагом 10 метров.

Выполненные исследования позволили установить напряженно-деформированное состояние массива горных пород в зоне ведения горных работ и закономерности его изменений в процессе отработки запасов.

Было выполнено моделирование отработки выемочного участка по пласту с последовательным увеличением ширины выемочного столба на 10 метров.

Результаты моделирования соответствующие отработке выемочного участка шириной 150, 200, 250, 300, 350, 400 и 450 представлены на рисунке 3.20.

Рассмотрим напряженное состояние массива при различных величинах ширины выемочного столба.

в) 250 метров г) 300 метров Рисунок 3.20 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки выемочного участка по пласту 1 при различных На рисунке 3.20 представлены изолинии вертикальных напряжений соответствующие отработке выемочного участка различной ширины по пласту 1.

Как видно из рисунка вследствие отработки выемочного участка пласта на значительных площадях в краевых частях сформировались зоны опорного давления, характеризуемые повышенным уровнем напряжений. В тоже время непосредственно под отработанным участком пласта 1 образуются зоны разгрузки.

формирующегося выработанного пространства увеличивается высота зон повышенного горного давления над краевыми частями пролета выработанного пространства. Вместе с тем, увеличивается в размерах и зона разгрузки пород.

Наиболее ярко выраженные «всплески» вертикальных напряжений над краевыми частями выработанного пространства наблюдаются при отработке выемочного участка шириной 400 метров и более. Помимо этого, происходит резкий скачок высоты зоны разгрузки пород в кровле пласта. При отработке выемочного участка шириной 400 метров и более происходит формирование областей повышенного горного давления над краевой частью выработанного пространства слева, со соответствующие показатели нормального распределения напряжений в десятки раз.

Полученные результаты моделирования позволяют оценить также уровень деформаций в пределах рассматриваемого участка массива горных пород. На рисунке 3.21 представлены наиболее значимые картины распределения полей горизонтальных деформаций соответствующие отработке выемочного участка различной ширины от 400 до 450 метров с шагом в 10 метров. Для удобства восприятия информации на рисунках отражены изолинии только горизонтальных растягивающих деформаций.

а) 400 метров б) 410 метров в) 420 метров г) 430 метров Рисунок 3.21 – поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки выемочного участка по пласту Таким образом, как видно из рисунка 3.21, в результате отработки выемочного участка по пласту 1, в массиве сформировались зоны предельного состояния горных пород: как в породах кровли – над выработанным пространством пласта 1 и над его краевыми частями, так и в породах почвы. В указанных зонах происходит разрушение пород вследствие превышения деформациями предельного для горных пород уровня деформаций. Необходимо отметить, что трещинообразование в кровле пластов приводит к их обрушению, в то время как образование подобных зон предельного состояния в почве будет не столь очевидным. Зоны предельного состояния горных пород над краевыми частями пласта 1 распространяются вплоть до земной поверхности.

Результаты моделирования отработки выемочного участка со значениями длины лавы от 100 до 390 метров не представлены, так как сформировавшиеся картины распределения горизонтальных растягивающих деформаций слабо выражены и не требуют отдельного представления и описания.

Картина распределения зон горизонтальных растягивающих деформаций на рисунке 3.21 в) наглядно иллюстрирует формирование зон предельного состояния пород непосредственно от выработанного пространства пласта до дневной поверхности. Данная картина соответствует отработке выемочного участка шириной 420 метров. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что предельным значением ширины выработанного пространства с позиции исключения формирования аэродинамической связи выработанного пространства пласта с дневной поверхностью в условиях шахты «Алардинская» ОАО «Южкузбассуголь» является 410 метров. При дальнейшем увеличении ширины выемочного участка формируются благоприятные условия для возникновения перетоков газовоздушных смесей между выработанным пространством пласта 1 и дневной поверхностью, следовательно, для исключения формирования данной связи при увеличении пролета выработанного пространства необходимо оставлять межлавные целики.

3.4 Исследование влияния расположения межлавных целиков при отработке сближенных пластов склонных к самовозгоранию на формирование зон В последнее время на угольных шахтах России наблюдается повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев.

Техническое перевооружение в последние годы позволило увеличить нагрузки на очистные забои в несколько раз. Помимо этого отчетливо наблюдается тенденция увеличения геометрических параметров выемочных столбов связанная с ростом технико-технологических показателей. С каждым годом принимаемые длина выемочного столба и длина лавы неуклонно растут, при этом на большинство шахт России ведет отработку пластов по схемам со спаренными штреками Современные угольные шахты, разрабатывающие свиты пластов в своей перспективе планируют переход ведения горных работ на нижележащие пласты.

Временной промежуток между началом ведения горных работ на действующем горизонте и переходом на нижележащие пласты может достигать более 10 лет. В связи с этим, схемы подготовки выемочных участков, а также планирование горных работ при переходе на сближенные пласты могут незначительно отличаться. Так, на некоторых шахт, разрабатывающих свиты пологих угольных пластов с оставлением межлавных целиков, ширина выемочных участках на сближенных пластах различна. При использовании подобных технологических решений, связанных с увеличением ширины выемочных участков, межлавные целики формируются по действующему пласту с некоторым смещением относительно межлавных целиков на сближенных, ранее отработанных пластах.

В условиях шахты «Алардинская» горные работы по пластам 3-3а и проводились по схемам подготовки выемочных участках с оставлением межлавных целиков угля, помимо этого очистные работы по пласту 6 велись с увеличением ширины выемочных столбов по отношению к схемам подготовки по пласту 3-3а. Вследствие этого, целики, оставленные по пласту 6, располагаются с некоторым смещением относительно целиков оставленных по пласту 3-3а. Таким образом, целики по пласту 6 располагаются в зонах влияния повышенного горного давления, сформированные целиками по пласту 3-3а (первая пара целиков); непосредственно под выработанными пространствами пласта 3-3а, тем самым оказывая влияние подработки вышележащего пласта (вторая пара целиков).

С целью исследования влияния схем подготовки на формирование аэродинамической связи вежду выработанными пространствами сближенных пластов было проведено геомеханическое моделирование напряженнодеформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе последовательной отработки запасов свиты в условиях шахты «Алардинская»

ОАО «Южкузбассуголь».

Для данного исследование было проведено геомеханическое моделирование горно-геологической модели №2, разработанной ранее (рисунок 3.12), а также на основе расчетной схемы №3 (рисунок 3.22) была разработана горно-геологическая модель массива с соосным расположением целиков по сближенным пластам 3-3а и 6 (рисунок 3.23).

Рисунок 3.22 – Расчетная схема отработки свиты пластов на шахте «Алардинская»

ОАО «Южкузбассуголь» с соосным расположением целиков по пластам Для исследования напряженного состояния массива горных пород и его изменения в процессе отработки запасов на 1-м этапе моделирования была выполнена оценка естественного поля напряжений – поля вертикальных напряжений ( H ) – до начала ведения горных работ.

Рисунок 3.23 – Конечно-элементая схема горно-геомеханической модели горного массива №4 для оценки изменения НДС массива горных с соосным расположением целиков по пластам 1, 3-3а и На последующих этапах было выполнено моделирование последовательной отработки пластов 1, 6, 3-3а. Результаты моделирования представлены на рисунках 3.24-3.26. Рассмотрим напряженное состояние массива на различных этапах моделирования.

На рисунке 3.24 представлены изолинии вертикальных напряжений соответствующие полной отработке запасов пласта 1. Как видно из рисунка 3. вследствие отработки запасов пласта на значительных площадях в краевых частях массива сформировались зоны опорного давления, характеризуемые повышенным уровнем напряжений. В тоже время непосредственно под отработанными участками пласта 1 образуются зоны разгрузки, охватывающие межслоевую толщу пластов 1 и 3-3а, помимо этого наблюдаются зоны разгрузки в междупластии пластов 3-3а и 6.

На рисунке 3.25 приведены изолинии вертикальных напряжений в ситуации, соответствующей полной отработке запасов пласта 6. Как видно из рисунка 3.25 в краевых частях пласта 6 вследствие отработки формируются зоны сформировавшаяся над краевой частью лавы 3-1-14 менее выражена и распространяется на небольшую высоту, в то время как зона повышенного горного давления, образовавшаяся над краевой частью лавы 6-1-12 оказывает гораздо больше влияния и накладывается на сформировавшуюся ранее зону повышенного горного давления вследствие отработки запасов по пласту 1. Кроме приуроченные к местам оставления межлавных целиков по пласту 6. Таким выработанном пространстве целиков угля, в горном массиве формируются зоны разгрузки и повышенного горного давления (ПГД), оказывающие существенное влияние на напряженное состояние межслоевой толщи и вышерасположенного пласта 3-3а. На рисунке 3.26 представлена картина распределения вертикальных напряжений в массиве на этапе доработки запасов по пласту 3-3а. Как видно из рисунка 3.26 в краевой части пласта 3-3а в районе выемочного участка 3-1- Рисунок 3.24 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки запасов пласта Рисунок 3.25 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки запасов пластов 1 и Рисунок 3.26 – Поля вертикальных напряжений на этапе отработки запасов пластов 1 и зоны повышенного горного давления не формируются, так как данная краевая часть находится в зонах над- и подработки пластов 1 и 6 соответственно. В районе краевой части пласта 3-3а выемочного участка 3-1-24 формируется обширная зона ПГД, которая накладывается на зоны уже сформированные вследствие отработки запасов пластов 1 и 6. Это происходит в связи с тем, что краевые части всех трех пластов располагаются непосредственно друг под другом, образуя соосносность.

В тоже время в массиве наблюдается развитие зон повышенного горного давления в области оставления межлавных целиков по пласту 3-3а. Вследствие оставления целиков по пласту 3-3а над целиками пласта 6 происходит резкое повышение напряжений, приводящее к переходу большей части целиков в запредельное состояние.

Полученные результаты моделирования позволяют оценить также уровень деформаций в пределах рассматриваемого участка массива горных пород. На рисунке 3.27 представлены поля горизонтальных деформаций соответствующие полной отработке запасов пластов 1, 3-3а и 6. Для сравнения на рисунке 3. представлена картина распределения предельных горизонтальных растягивающих деформаций, соответствующая полной отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 с расположением межлавных целиков со смещением. Для удобства восприятия информации на рисунках отражены изолинии только горизонтальных растягивающих деформаций.

Таким образом, как видно из рисунка 3.27, в результате полной отработки запасов участка, в массиве сформировались зоны предельного состояния горных пород: как в породах кровли – над выработанным пространством пласта 1 и над Рисунок 3.27 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 с Рисунок 3.28 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 с его краевыми частями, так и в породах междупластья пластов. Зоны предельного состояния горных пород над краевыми частями пласта 1 распространяются вплоть до земной поверхности. В указанных зонах происходит растяжение пород вследствие превышения деформациями предельного для горных пород уровня деформаций. Необходимо отметить, что трещинообразование в кровле пластов приводит к их обрушению, в то время как образование подобных зон предельного состояния в почве будет не столь очевидным.

В данном вопросе исследуется взаимовлияние расположения целиков на сближенных пластах на формирование аэродинамической связи в породах междупластья, в связи с чем, подробно рассматривается именно эта область.

На рисунках 3.29 и 3.30 представлены картины распределения предельных горизонтальных растягивающих деформаций на этапах полной отработки запасов в породах междупластья пластов по схемам с соосным расположением межлавных целиков и со смещением.

На рисунке 3.29 представлены зоны растягивающих деформаций в породах междупластья пластов при схеме расположения целиков со смещением относительно друг друга на этапе полной отработки запасов свиты. Как видно из рисунка, наблюдается хаотичное формирование зон предельных растягивающих деформаций в междупластиях пород. Благоприятные условия для формирования аэродинамической создаются повсеместно. Формирование растягивающих деформаций не только между выработанными пространствами выемочных участков расположенных друг под другом, но и с соседними выработанными пространствами на смежных пластах создают условия для непредсказуемых и неконтролируемых аэродинамических связей в породах междупластья.

Применение схем подготовки выемочных участков с расположением целиков на сближенных пластах со смещением позволяет говорить лишь о возможности формирования аэродинамических связей между выработанными пространствами отрабатываемых пластов, но не позволяет с уверенностью утверждать о конкретных местах позиционирования данных связей. В связи с этим, при Рисунок 3.29 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 с Рисунок 3.30 – Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, 3-3а и 6 с возникновении очага самовозгорания в выработанном пространстве отрабатываемого пласта, процесс обнаружения местоположения очага может значительно усложниться горизонтальных растягивающих деформаций в междупластье пластов при схеме соосного расположения межлавных целиков на этапе полной отработки запасов свиты. Как видно из рисунка, вследствие оставления межлавных целиков непосредственно друг под другом, зоны предельного состояния пород формируются в окрестностях целиков, в районах участковых штреков.

Применение схем подготовки выемочных участков на сближенных пластах с подобных расположением межлавных целиков не позволяет полностью исключить создание благоприятных условий для образования перетоков газовоздушных смесей, но позволяет уйти от хаотичного порядка формирования секущих трещин и говорить об их пространственном позиционировании в породах междупластья. Помимо этого, соосное расположение межлавных целиков на сближенных пластах создает «эффект тисков» в породах междупластья – продавливающего действия, тем самым создаются дополнительные условия изоляции выработанных пространств от перетоков газовоздушных смесей с действующих выемочных участков одного пласта в выработанные пространства сближенного пласта. Также необходимо отметить, что при возникновении очагов самовозгорания угля при применении подобных схем подготовки выемочных участков упрощает процесс их обнаружения.

Проведенные численные исследования напряженно-деформированного состояния массива и его изменений в процессе ведения горных работ по пластам в свите в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь», позволяет сделать следующие выводы:

Моделирование НДС углепородного массива и его изменений в процессе ведения горных работ в рамках разработанных ГГМ позволило выявить зоны растягивающих деформаций, оценить их предельные значения, а также оценить динамику изменения этих зон в процессе поэтапной отработки выемочных участков по пластам в свите.

Сформировавшиеся предельные горизонтальные растягивающие деформации позволяют говорить о возможности формирования в этих зонах устойчивой аэродинамической связи, тем самым создавая благоприятные условия для перетоков газовоздушной среды в выработанные пространства отрабатываемых пластов за счет депрессии.

При отработке свит пластов по схеме, реализованной на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь», в породах междупластья пластов 1, 3-3а и 6, а также в подрабатываемом свитой пластов массиве формируются обширные зоны горизонтальных растягивающих деформаций, которые распространяются непосредственно до земной поверхности уже на первоначальных этапах ведения очистных работ по пласту 1.

Исследование НДС массива и его изменений в процессе ведения горных работ по 12 различных вариантам отработки пластов в свите позволило оценить формирующиеся зоны растягивающих деформаций в каждом из них, а также определить стадии отработки свиты, на которых формируется аэродинамическая связь выработанных пространств пластов с земной поверхностью.

Для исключения возникновения очагов самовозгорания в выработанном пространстве очередность отработки пластов в свите следует принимать с учетом склонности пластов к самовозгоранию и возможности формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью.

Ведение горных работ с образованием большепролетных выработанных пространств приводит к образованию обширных по площади зон растягивающих деформаций, позволяющих говорит об образовании благоприятных условий для формирования аэродинамических связей с поверхностью.

Оставление межлавных целиков по сближенным пластам необходимо производить с учетом их взаимовлияния на процессы формирования трещин.

4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРИ

ОТРАБОТКЕ СВИТ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К

САМОВОЗГОРАНИЮ

4.1 Обоснование очередности отработки пластов в свите Очередность отработки пластов в свите зависит от множества факторов и регламентируется соответствующими нормативными документами. На шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» пласты 1, 3-3а и 6 являются склонными к самовозгоранию, опасными по горным ударам, угрожаемыми по внезапным выбросам угля и газа.

В соответствии с требованиями «Перспективных схем» [61] при разработке свит пластов в первую очередь следует производить выемку неопасного защитного пласта. Если все пласты свиты угрожаемые или опасные, разработку надо начинать с пласта менее опасного и обеспечивающего наибольшую эффективность защитного действия.

Пласты в свите могут разрабатываться в нисходящем, восходящем и смешанном порядках. Порядок разработки пластов в свите выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить эффективную защиту наибольшего числа пластов, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам.

При наличии в свите невыбросоопасных пластов (пропластков) или угрожаемых пластов следует предусматривать их первоочередную разработку в качестве защитных. Если все пласты в свите отнесены к выбросоопасным, то в первую очередь следует разрабатывать менее опасный пласт или пласт, при разработке которого наиболее эффективно применение комплекса мер по предотвращению внезапных выбросов угля и газа, и обеспечивается максимальная защита соседних пластов по площади [61].

Сближенные пласты рекомендуется отрабатывать в нисходящем порядке без оставления целиков угля и на полную мощность [62].

Таким образом, существующие нормативные документы не рассматривают комплексное взаимовлияние осложняющих работу горно-геологических факторов пластов. Порядок отработки пластов в свите определяется в каждом конкретном случае отдельно.

На шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» отработка свиты пластов 1, 3-3а и 6 велась в нисходящем порядке по разным схемам подготовки выемочных участков по рабочим пластам. Так, отработка пласта 1 велась по бесцеликовой схеме подготовки выемочных участков, отработка пластов 3-3а и с оставлением межлавных целиков. На шахте с разницей меньше года произошло два взрыва. Результаты расследования инцидентов показали, что причиной аварий послужили очаги самовозгорания, которые возникли в выработанном пространстве пласта 3-3а вследствие формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов.

Существующие методики расчета высоты влияния зон повышенной трещиноватости дают возможность говорить лишь о факте наличия данной связи, но не о пространственном позиционировании мест вероятного возникновения перетоков газовоздушных смесей. Помимо этого, используемые при расчетах по данным методикам параметры являются горно-геологическими, то есть неизменными; отсутствуют зависимости высоты зоны влияния повышенной трещиноватости от технологических параметров (порядок отработки пластов, геометрия выемочных участков, взаимное расположение целиков на сближенных пластах). Расчеты по данным методикам показывают, что высота влияния данных зон не зависит от применяемых систем разработки и зависит исключительно от горно-геологических особенностей месторождения.

Для установления безопасной и эффективной очередности отработки пластов в свите в условиях шахты «Алардинская» с позиции эндогенной пожаробезопасности были проведены исследования напряженнодеформированного состояния массива и его изменений в процессе ведения горных работ при различных вариантах подготовки и отработки пластов в свите (глава 3).

На рисунке 4.1 представлены варианты очередности отработки пластов на аэродинамической связи пластов с поверхности на первых этапах отработки свиты.

а) нисходящий порядок отработки пластов с оставлением межлавных целиков по пласту 1;

б) комбинированный порядок отработки пластов с оставлением межлавных целиков по пласту (отработка свиты начинается с пласта 1).

Рисунок 4.1 Варианты очередности отработки пластов в свите с позиции минимизации формирования аэродинамической связи пластов с поверхностью на Проведенные исследования показали, что с точки зрения минимизации возможности формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов и поверхностью рекомендуется вести отработку пластов в свите по представленным выше вариантам (в условиях шахты Алардинская).

Отработка запасов свиты по схеме с оставлением межлавных целиков по пласту 1 позволяет исключить формирование аэродинамической связи с поверхностью на первом этапе ведения горных работ при отработке пласта 1 в первую очередь. При восходящем порядке отработки пластов в свите и при комбинированном, начиная с пласта 6 или 3-3а, оставление целиков по пласту не оказывает влияние на исключение формирования аэродинамической связи с поверхностью.

Таким образом, на примере шахты Алардинская показано, что при отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию, предварительная оценка возможности формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов и поверхностью должна быть неотъемлемой частью процесса планирования развития горных работ.

4.2 Обоснование параметров подготовки выемочных участков В настоящее время большинство шахт России ведут разработку угольных пластов с применением схем подготовки спаренными выработками с оставлением целиков между выемочными участками.

Возможность применения различных схем подготовки выемочных участков регламентируется рядом нормативных документов. Так как пласты на шахте самовозгоранию, опасными по горным ударам, угрожаемыми по внезапным выбросам угля и газа, их отработка должна вестись в соответствии с нормативными документами, регламентирующими отработку пластов, осложненных данными факторами.

Анализ нормативных документов показывает, что в данной ситуации допускается оставление межлавных целиков на пластах опасных по горным ударам, но размер целиков должен быть либо менее 0,1l, либо более 0,5l, где l – ширина зоны опорного давления, которая определяется по номограмме в зависимости от мощности разрабатываемого пласта и глубины разработке.

Однако межлавные целики шириной менее 0,1l являются податливыми и в процессе ведения горных работ, со временем будут разрушаться, создавая разрабатываемого пласта, что в свою очередь может привести к образованию очага самовозгорания в выработанном пространстве. Следовательно, в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» горные работы по пласту один могут вестись с оставлением неразрушаемых межлавных целиков шириной более 0,5l, то есть более 25 метров.

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния массива и его изменений в процессе ведения горных работ на шахте «Алардинская» в нисходящем и комбинированном порядках с оставлением целиков по пласту 1 показывают, что аэродинамическая связь на этапе отработки верхнего пласта в свите аэродинамическая связь с поверхностью не формируется.

На основе проведенных ранее исследований был сделан вывод, что образование большепролетных выработанных пространств в процессе ведения горных работ приводит к формированию устойчивой аэродинамической связи между сближенными пластами в свите и дневной поверхностью.

С целью определения предельного значения ширины большепролетного выработанного пространства с точки зрения образования аэродинамической связи между выработанным пространством и дневной поверхностью были проведены исследования напряженно-деформированного состояния массива и его изменений в процессе отработки выемочного участка по верхнего пласту в свите. В исследовании проводилось геомеханическое моделирование отработки выемочного участка по пласту 1 шириной от 100 до 450 метров с шагом 10 метров.

Результаты проведенных исследований показали, что при образовании выработанного пространства в ходе ведения горных работ шириной 420 метров формируется устойчивая аэродинамическая связь выработанного пространства с земной поверхностью, что в свою очередь создает благоприятные условия для перетоков газовоздушной смеси (рисунок 3.21 в). На рисунке 3.21 б) приведена картина распределения горизонтальных растягивающих деформаций при отработке выемочного участка шириной 410 метров.

На основе проведенных исследований был сделан вывод о том, что предельным размером выработанного пространства с точки зрения исключения образования аэродинамической связи с дневной поверхностью является 410 метров. При увеличении ширины пролета выработанного пространства необходимо оставлять неразрушаемый целик шириной не менее 25 метров.

Следует отметить, что данные размеры ширины пролета выработанного пространства с позиции эндогенной пожаробезопасности справедливы для шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» и для шахт со схожими горногеологическими условиями.

На рисунке 4.2 представлены возможные варианты схем подготовки выемочных участков с исключением образования большепролетных выработанных пространств в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь».

а) схема подготовки выемочного участка одиночными выработками б) схема подготовки выемочного участка спаренными выработками Рисунок 4.2 – Варианты схем подготовки выемочных участков с исключением образования большепролетных выработанных пространств.

При бесцеликовой подготовке выемочных участков, ширина выемочных столбов не должна превышать 200 метров, а после отработки двух выемочных участков необходимо оставлять межлавный неразрушаемый целик шириной не менее 25 метров (рисунок 4.2 а).

неизвлекаемым целиком между ними рекомендуется ширина выемочного участка не более 410 метров, то есть не превышающая максимальный размер выработанного пространства с позиции исключения формирования аэродинамической связи пласта с поверхностью, установленного по результатам численных исследований. Ширина целика должна составлять, так же как и в первом варианте не менее 25 метров (рисунок 4.2 б). Данные рекомендации по подготовке и отработке выемочных участков справедливы для условий шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь».

4.3 Обоснование взаимного расположения целиков на сближенных пластах Как уже было отмечено ранее в главе 3 пункте 3.3, на шахте «Алардинская»

горные работы по пластам 3-3а и 6 проводились по схемам подготовки выемочных участках с оставлением межлавных целиков угля, помимо этого очистные работы по пласту 6 велись с увеличением ширины выемочных столбов по отношению к схемам подготовки по пласту 3-3а. Вследствие этого, целики, оставленные по пласту 6, располагаются с некоторым смещением относительно целиков, оставленных по пласту 3-3а. Таким образом, целики по пласту располагаются в зонах повышенного горного давления, сформированные целиками по пласту 3-3а (первая пара целиков); непосредственно под выработанными пространствами пласта 3-3а в зонах надработки (вторая пара целиков).

С целью определения взаимовлияния расположения межлавных целиков на сближенных пластах и формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов в свите были проведено исследование напряженно деформированного состояния массива и его изменений в процессе отработки пластов по двум схема взаимного расположения целиков по пластам 1, 3-3а и 6. Расчетные схемы отработки свиты пластов на шахте «Алардинская представлены на рисунках 4.3 и 4.4.

Рисунок 4.3 – Расчетная схема отработки свиты пластов на шахте «Алардинская» ОАО «Южкузбассуголь» с расположением целиков по пластам 1, 3-3а и 6 со смещением относительно друг друга.

Рисунок 4.4 – Расчетная схема отработки свиты пластов на шахте «Алардинская» ОАО «Южкузбассуголь» с соосным расположением целиков по Результаты исследования показывают, при отработке выемочных участков по схемам подготовки с оставлением целиков со смещениями относительно друг друга формируются аэродинамические связи в хаотичном порядке на всей площади междупластья отрабатываемых пластов. Подобное хаотичное образование зон повышенной трещиноватости обуславливается подработкой краевых частей межлавных целиков на вышележащих пластах, а также расположением целиков на нижележащих пластах непосредственно под выработанными пространствами вышележащих пластов в свите (рисунок 3.29).

пространства резко снижается, так как аэродинамическая связь может сформироваться между любыми выработанными пространствами на сближенных пластах, осложняя контроль над утечками воздуха в выработанные пространства и также обнаружение очага самовозгорания.

На рисунке 3.30 представлена картина распределения зон предельного обеспечивает уплотнение пород в междупластьях пластов непосредственно между междупластья от смежных выработанных пространств. Такое взаимное расположение целиков не исключает формирование перетоков газовоздушных смесей полностью, но определяет их четкие границы формирования, снижая трудоемкость определения местоположения очагов самовозгорания.

4.4 Экономическая оценка разработанных рекомендаций В последние годы в угольной промышленности России отмечается тенденция к увеличению размеров выемочных участков и повышению нагрузки на очистной забой за счет оснащения их дорогостоящими механизированными комплексами. Экономический ущерб от изоляции такого участка при эндогенном пожаре составляет от 1,0 млн. долл. и более.

Особенно актуальна эта проблема для шахт Кузбасса, на долю которых приходится более 70% пожаров и 80% взрывов, регистрируемых в шахтах России (рисунок 4.5, 4.6).

Рисунок 4.5 – Распределение эндогенных пожаров по регионам РФ за 1998гг.

Несмотря на тенденцию к уменьшению количества ежегодно возникающих пожаров, степень тяжести, а вместе с тем и сложность ведения горноспасательных работ возрастают. Почти каждый второй эндогенный пожар осложняется пламенным горением или взрывоопасной ситуацией (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 – Эндогенные пожары за 1998-2012 гг. и взрывы, инициируемые ими.

При этом частота эндогенных пожаров в различных выработках зависит от горно-геологических условий месторождения, своевременности и качества изоляции, а также объема проводимых профилактических мероприятий [46].

Предотвращение самовозгорания угля в выработанном пространстве действующих очистных забоев затруднено в связи со сложностью изоляции оставленного угля от утечек воздуха. Помимо этого, как было проанализировано ранее, в настоящее время применяемые способы управления газовыделением несовершенны. Повышение уровней производительности очистных забоев, оборудованных современными механизированными комплексами, приводит к значительному росту абсолютной метанообильности на выемочном участке.

Разбавление значительных объемов газа до безопасных концентраций невозможно использованием лишь средств вентиляции. Применение комбинированных схем проветривания с изолированным отводом метановоздушной смеси обуславливает неконтролируемые притоки воздуха в выработанные пространства отрабатываемых выемочных участков.

Эндогенные пожары как вид аварий на шахтах уверенно лидируют по количествам и по размеру причиненного ущерба. Материальный ущерб от аварий, связанных с эндогенными пожарами представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Материальный ущерб от аварий, связанных с эндогенными пожарами Как видно из таблицы, размер минимального материального ущерба от эндогенного пожара составляет десятки миллионов рублей. Однако материальный ущерб дифференцируется в зависимости от особенностей каждой аварии отдельно. Объективные трудности профилактики, локализации и тушения эндогенных пожаров в Кузбассе обусловлены тем, что большинство из них (80%) возникает в отработанной части пластов. Очаги таких пожаров недоступны для локации и прямого тушения с температурным контролем эффективности.

Проблема усугубляется ростом глубины работ с темпами 5 метров в год. Глубина ряда шахт, в том числе и освоенных в последние годы месторождений, достигает 400 метров и более [106]. Процесс обнаружения очага самовозгорания может составлять от нескольких дней до нескольких недель, а одни сутки простоя очистного забоя оценивается в среднем 35 миллионов рублей. Однако необходимо заметить, что помимо материального ущерба в связи с простоем очистного забоя, ущерб от аварии на опасном производственном объекте оценивается по нескольким составляющим (рисунок 4.7) [86].

Рисунок 4.7 – Структура ущерба от аварии на опасном производственном объекте В связи с чем, материальный ущерб от аварий может превышать отметку в миллиард рублей и выше. Так, например, материальный ущерб от аварии на шахте «Распадская», которая произошла с 8 на 9 мая 2010 года, по некоторым оценкам составил 10 млрд. рублей.

Одной из причин возникновения очагов самовозгорания угля является сформированная в ходе ведение очистных работ аэродинамическая связь между выработанными пространствами отрабатываемых пластов и земной поверхностью. Проведенные ранее исследования напряженно-деформированного состояния пород и его изменения в процессе ведения очистных работа показали, что существенно мерой по минимизации формирования аэродинамической связи является исключение образования большепролетных выработанных пространств путем оставления межлавных целиков через каждые 410 метров для условий шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь». Экономический ущерб от оставления целиков будет определяться объемами потерь угля и рыночной ценой на уголь. В данном случае в качестве меры по минимизации формирования аэродинамической связи выработанного пространства пласта 1 и земной поверхностью является оставление двух межлавных неразрушаемых целика шириной 28 метров. В данном случае потери от двух целиков по пласту 1 будут составлять 291200 тонн угля, при мощности пласта 2 метра и длине выемочного столба 2000 метров. Принимая к расчету среднерозничную цену за одну тонну добытого угля в 800 рублей, материальный ущерб от потерь полезного ископаемого в двух целиках угля составит порядка 233 млн. рублей.

Материальный ущерб по потерям полезного ископаемого в целиках угля сопоставим с недельным простоем очистного забоя, однако, как было замечено ранее, время обнаружения очага самовозгорания может занимать гораздо больший временной промежуток, без учета средств на тушение очага самовозгорания.

На основе проведенных исследований было дано обоснование параметров технологических схем отработки свиты пластов, склонных к самовозгоранию и сделаны следующие выводы:

Очередность отработки пластов в свите следует принимать с учетом склонности пластов к самовозгоранию и возможности формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью;

Отработку пластов в свите необходимо вести с исключением формирования аэродинамических связей пластов с земной поверхностью;

спаренными штреками, межлавные целики на сближенных пластах с позиции эндогенной пожароопасность следует располагать соосно;

При отработке пластов опасных по горным ударам, а также склонных к самовозгоранию, ширина оставляемых межлавных целиков определяется в соответствии с нормативными документами и должна составлять не менее половины ширины зоны опорного давления;

Материальный ущерб от потерь полезного ископаемого в целиках возникновения очага самовозгорания, время на его обнаружение может составлять значительно большие сроки, достигая нескольких недель в зависимости от каждого конкретного случая в отдельности, а также помимо этого

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования параметров технологических схем интенсивной совместной отработки пологих сближенных газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, обеспечивающих эффективность и безопасность подземной угледобычи. Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей очистных работ, в качестве основных для пологих пластов на шахтах РФ применяются и в обозримом будущем будут применяться системы разработки длинными столбами с подготовкой выемочных участков спаренными выработками с неизвлекаемыми целиками между ними.

2. При интенсивной отработке свит газоносных пластов длинными столбами абсолютное метановыделение на выемочных участках может превышать 100 м3/мин, поэтому для эффективного управления газовыделением необходимо совместное применение вентиляции, дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси.

3. При использовании комбинированных схем проветривания выемочных участков с изолированным отводом метановоздушной смеси объемы утечек воздуха через выработанное пространство могут достигать 500 м3/мин и более, размеры проветриваемой части выработанного пространства – до 1500 метров, а время проветривания – более 300 суток, что при наличии аэродинамической связи между выработанными пространствами сближенных пластов повышает опасность самовозгорания угля в выработанном пространстве.

4. Убытки от эндогенных пожаров могут достигать 0,5 – 10 млрд. руб. и более, в том числе от простоев современного оборудования – до 40 млн. руб./сут.

самовозгоранию, необходимо учитывать возможность формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью. В случае формирования связи, очередность выемки пластов целесообразно изменить таким образом, чтобы аэродинамическая связь не формировалась, либо формировалась лишь на заключительном этапе отработки пластов в свите.

6. При использовании систем разработки пластов длинными столбами с оставлением ленточных целиков и анкерном креплении выработок после прохода лавы на границе целик-выработанное пространство сохраняется остаточное сечение выработки, по которому возможно движение воздуха на всем протяжении отработанной части выемочного столба.

7. Показано, что в условиях шахты «Алардинская» при соосном расположении межлавных ленточных целиков на сближенных пластах минимизируется взаимное влияние выработанных пространств.

8. Разработаны методические рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов, склонных к самовозгоранию, обеспечивающие снижение взаимного влияния сближенных пластов с точки зрения формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами.

9. Реализация разработанных рекомендаций позволяет при сохранении высоких нагрузок на очистные забои получить экономический эффект от исключения затрат на ликвидацию аварий, связанных с самовозгоранием угля в выработанном пространстве и снижения связанных с этим простоев оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Авершин С.Г. Горные удары / С.Г Авершин. – М. : Углетехиздат, Агафонова В.И. Роль влажности при низкотемпературном окислении углей / В.И. Агафонова // Химия твердого тела. – 1970. - №1. – С. 26Акт технического расследования причин аварии (эндогенного пожара №79осложненного взрывом метановоздушной смеси в ранее отработанном пространстве пласта 3-3а), происшедшей 25.02. года на филиале «Шахта «Алардинская»» ОАО «ОУК Южкузбассуголь»

Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 30.07.2010 года на филиале «Шахта «Алардинская»» ОАО «ОУК Южкузбассуголь»

Александров В.А. Физические условия самовозгорания углей в шахтах / В.А. Александров, Е.И. Глузберг. – Фрунзе: Илим, 1973. – Алексеева Н.Д. Действие воды и антипирогенов на кинетику низкотемпературного окисления каменных углей /Н.Д. Алексеева // Химия твердого топлива. – 1968. - №1. – С. 48-54.

Альперович В.Я. Инкубационный период самовозгорания углей / В.Я.

альперович, Г.И. Чунту, П.С. Пашковский // Безопасность труда в промышленности. – 1973. - №9. – С. 43-44.

Альперович В.Я. Определение опасности самовозгорания угля / В.Я.

Альперовчи, Г.И. Чунту, П.С. Пашковский // Горноспасательное дело:

сб. ст. – Донецк, 1974. – С. 12-15.

Альперович В.Я. Прогноз склонности углей к самовозгоранию по данным их испытаний в хроматографическом режиме / В.А.

Альперович, Г.И. Чунту, П.С. Пашковский // Горноспасательное дело:

сб. ст. – Донецк, 1973. – С. 17-23.

Амусин Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной 10.

геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. - М. : Недра, 1975. – 112 с.

Ардашев К.А. Методы и приборы для исследования проявления 11.

горного давления / К.А. Ардашев, В.И. Ахматов, Г.А. Катков. - М.:

Недра, 1981. - 128 с.

Баев Х.А. Определение пожароопасной скорости фильтрации воздуха 12.

через угольные скопления / Х.А. Баев // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. – 1969. - №1. – С. 11-12.

Бажин Н.П. Охрана подрабатываемых подготовительных выработок / 13.

Н.П. Бажин, О.И. Мельников, В.С. Пиховкин. М.: Недра, 1976. – 253 с.

Баймухаметов С.К., К вопросу определения инкубационного периода 14.

самовзогорания углей при разработке мощных пожароопасных пластов высокопроизводительными лавами / С.К. Баймухаметов, Ю.Н.

Бобнев, П.В. Емелин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2004. – №8. – С. 201-203.

Балтайтис В.Я. Влияние некоторых факторов на самовозгорание углей 15.

в Донбассе / В.Я. Балтайтис, И.Р. Овчаренко, В.Г. Хорольских // Безопасность труда в промышленности. – 1968. - №12. – С. 34-36.

Беляев Н.М. Методы нестационарной теплопроводности / Н.М.

16.

Беляев, А.А. Рядно. – М.: Высшая школа, 1978. – 328 с.

Бич Я.А. Управление состоянием массива горных пород / Я.А Бич, 17.

Б.И. Емельянов, Н.А. Муратов. – Владивосток : Изд-во Дальневосточного университета, 1988. - 261 с.

Бонецкий В.А. Классификация и оценка выемочных полей по фактору 18.

эндогенной пожароопасности / В.А. Бонецкий, В.Д. Богатырев, С.П.

Казаков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1981. - №5. – С. 72-76.

Борисов А.А. Механика горных пород и массивов / А.А. Борисов. М. : Недра, 1980. - 360 с.

Бугримов В.И. К определению степени пожароопасности различных 20.

систем разработки в Прокопьевско-Киселевском районе / В.И.

Бугримов, Л.В. Самец, В.А. Шиморин // Уголь. – 1967. - №9. – С. 44Быков Л.Н. Оценка и прогноз пожароопасности шахт Подмосковного 21.

бассейна / Л.Н. Быков, Е.И. Захаров, Э.М. Соколов // Известия вузов.

Горный журнал. – 1968. - №8. – С. 62-65.

Веселовский В.С. Научные основы борьбы с самовозгоранием углей / 22.

В.С. Веселовский. - М.: Наука, 1964. – 189 с.

Веселовский В.С. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров / В.С.

23.

Веселовский. – М.: Недра, 1975. – 160 с.

Веселовский В.С. Самовозгорание промышленных материалов / В.С.

24.

Веселовский. – М.: Наука, 1964. – 247 с.

Веселовский В.С. Физические основы самовозгорания угля и руд / 25.

В.С. Веселовский. – М.: Наука, 1972. – 122 с.

Викман Г.В. Количественная оценка пожароопасности потерь угля в 26.

выработанном пространстве / Г.В. Викман, Г.И. Крикунов, Е.И.

Глузберг // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. – 1972. - №7. – С. 27-28.

Виноградова Л.П. Влиянияе газоносности угольных пластов на их 27.

самовозгораемость / Л.П. Виноградова, Б.А. Сурначев, Е.А.

Терпогосова // Уголь. – 1977. - №9. – С. 24-26.

Виноградова Л.П. Прогноз опасности самовозгорания улей пластов 28.

Южно-Сахалинского месторождения / Л.П. Виноградова, Л.В.

Одинокова // Вопросы аэрологии и безопасности в угольных шахтах. – 1976. – Вып. 143. – С. 70-73.

Временные методические указания по прогнозу степени 29.

удароопасности участков пластов угля геофизическими методами (для шахт Кузбасса). – Прокопьевск, 1989. – 29 с.

Гвоздева Н.П. Угли Подмосковного бассейна и их классификация по 30.

физико-механическим свойствам / Н.П. Гвоздева. – М.: Углетехиздат, Геодинамическое районирование недр: Метод. указание / И.М.

31.

Петухов, И.М. Батугина, В.В. Зубков. ВНИИ горн. геомех. и маркш.

дела. Л., 1990. – 129 с.

Глузберг Е.И. Аналитическое и экспериментальное исследование 32.

самонагревания угля в выработанном пространстве / Е.И. Глузберг, С.П. Кузминский // Известия АН Киргиз. ССР. – 1973. - №2. – С. 32Глузберг Е.И. Аналитическое исследование самонагревания угля в 33.

штабеле/ Е.И. Глузберг, К.М. Ахметов, А.В. Роганкова // Известия вузов. Горный журнал. – 1987. – №11. – С. 54-57.

Глузберг Е.И. Влияние сезонных колебаний температуры на 34.

самонагревание угля в штабеле штабеля / Е.И. Глузберг, А.В.

Роганкова, Р.З. Симкина // Охрана окружающей среды – М: Недра, Глузберг Е.И. Некоторые закономерности процесса самонагревания 35.

угля / Е.И. Глузберг // Известия АН Каз. ССР. – 1974. - №5. – С. 85-87.

Глузберг Е.И. О влиянии скорости подвигания очистного забоя на 36.

самонагревание угля в выработанном пространстве / Е.И. Глузберг, Г.Н. Крикунов, Е.М. Кудрявцева // Известия вузов. Горный журнал. – Глузберг Е.И. Прогнозирование самонагревания угля в выработанном 37.

пространстве и предупреждение шахтных эндогенных пожаров / Е.И.

Глузберг // Проблемы охраны труда: сб. ст. – Казань, 1974. – С. 83-85.

Глузберг Е.И. Самонагревание слоевого скопления угля на почве / 38.

Е.И. Глузберг // Известия вузов. Горный журнал. – 19080. – №6. – С.

Глузберг Е.И. Теоретические основы прогноза и профилактики 39.

шахтных эндогенных пожаров / Е.И. Глузберг. – М.: Недра. 1986. – Глузберг Е.И. Физический критерий эндогенной пожароопасности / 40.

Е.И. Глузберг // Предупреждение, обнаружение и тушение эндогенных пожаров: Сб. ст. – Донецк, 1978. – С. 63-64.

41.

самовозгорание углей / Ф.Я. Голынская // Разведка и охрана недр. – Грицко Г.И. О математической модели прогноза эндогенной 42.

пожароопасности / Г.И. Грицко, В.Н. Вылегжанин // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1973. – Егоров П.В. О разработке мер борьбы с горными ударами на шахтах 43.

Кузбасса / П.В. Егоров, Т.И. Долгополова // Тр. ВНИМИ. – 1968. – Егошин В.В. Разработка месторождений полезных ископаемых, 44.

склонных к самовозгоранию: учеб. пособие / В.В. Егошин. – Гос.учреждение Кузбасс.гос.техн.ун-т. Кемерово, 2002. – 242 с.

45.

воздухопроницаемости на самонагревание угольных пластов / Л.А.

Жижимов // Известия АН Киргиз. ССР. – 1975. – №2. – С. 36-43.

Завиркина Т.В. Анализ статистики эндогенных пожаров на угольных 46.

шахтах России / Т.В. Завиркина // Научный вестник МГГУ. - 2014. - № Захаров Е.И. Борьба с эндогенными пожарами в Подмосковном 47.

бассейне / Е.И. Захаров, В.В. Колотушкин // Вентиляция шахт и рудников: сб. ст. – Л., 1974. – С.56-59.

Захаров Е.И. К вопросу об оценке условий способствующих 48.