Горное дело

К.т.н. Касьян С.И.

Донбасский государственный технический университет, Украина

Исследование устойчивости подготовительной выработки в зоне влияния лавы при изменении горно-геологических и технологических факторов

Под устойчивостью шахтной выработки [1] подразумевается ее способность находиться в течение определенного промежутка времени в нормальном эксплуатационном состоянии. Одним из самых «проблемных участков» подготовительной выработки является нахождение ее в зоне влияния лавы, где накладываются опорное давление от влияния лавы и напряжения окружающие горную выработку [2], что значительно ухудшает ее эксплуатационное состояние. При современном уровне развития техники и исчерпание угольных ресурсов на небольших глубинах разработки появляется возможность и необходимость увеличения глубины разработки при добыче угля. Но с увеличением глубины ведения горных работ растет гидростатическое давление и, как следствие, усложняются условия работы, увеличивается пучение почвы и выдавливание боков выработки [3], что сопровождается появлением трещиноватости и ростом деформаций в породах окружающих выработку. Поэтому исследования по изменению напряженно-деформированного состояния выработки и, как следствие, ее устойчивости, от влияния горно-геологических факторов (прочности пород основной и непосредственной кровель, глубины разработки, мощности пласта) и технологических факторов (расстояния от примыкающей к лаве выработки по ее длине и в сторону лавы) являются актуальной проблемой.

Целью настоящей работы является изучение влияние горно-геологических и технологических факторов на устойчивость выработки в зоне влияния лавы.

Для исследования влияния горно-геологических и технологических факторов на напряженно-деформированное состояние вокруг выработки принято компьютерное моделирование. Изучение проводились с помощью составленных объёмных моделей методом конечных элементов (МКЭ) каждая из которых представляет собой горный массив с проведенной в нем выработкой, шириной 4 м и высотой 3 м, с одной стороны от которой моделировался массив горных пород, а с другой стороны – очистная выработка, охрана примыкающей к лаве выработки осуществляется двумя рядами БЖБТ. Для выявления влияния геологических факторов на вертикальные напряжения и смещения кровли исследования проведены в широком диапазоне изменения глубины разработки (от 339 м до 1250 м), мощности пласта (от 0,6 м до 2,15 м), литотипа непосредственной и основной кровель (аргиллит, алевролит и песчаник). Согласно поставленной задаче для исследования принимались минимальные, максимальные и средние значения исследуемых факторов. Для охватывания всех условий были составлены 13 задач МКЭ.

При анализе результатов моделирования исследовались вертикальные напряжения для изучения опорного давления, эквивалентные напряжения для определения параметров зон потери устойчивости и смещения вокруг выработки на расстоянии до 5 м от нее в зоне влияния лавы. Расстояния от выработки и выбранные элементы для исследований обозначены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема расположения исследуемых элементов модели

В результате анализа вертикальных напряжений при увеличении глубины разработки максимум опорного давления, как и величина гидростатического напряжения, увеличивается (рисунок 2). Если значение максимума напряжений при минимальной глубине разработки принять за 100%, то при средней глубине разработки величина роста максимума напряжений составит 193%, а при максимальной глубине разработки – 372 %, причем изменение максимума не зависит от расстояния от выработки. Аналогичная картина изменения вертикальных напряжений от глубины разработки при исследовании вертикальных смещений кровли.

Рисунок 2 – График изменения вертикальных напряжений вдоль лавы от глубины разработки

При исследовании эквивалентных напряжений установлено, что концентрации растягивающих напряжений (зоны потери устойчивости), которые могут быть причиной вывалообразования, сосредоточены вокруг выработки. В связи с этим дальнейшие исследования направлены на определение влияющих факторов на сопряжении лавы с примыкающей к ней выработке при изменении глубины разработки, мощности пласта, прочности основной и непосредственной кровель.

Для определения корреляционных зависимостей напряжений и влияющих факторов, результаты решения задач обработаны и получены зависимости для определения основных параметров опорного давления:

– зависимость влияния мощности пласта и глубины разработки на длину зоны опорного давления ()

, м, (1)

где – мощность пласта, м (область применения от 0,6 м до 2,15 м);

– глубина разработки, м (область применения от 339 м до 1250 м).

– максимум опорного давления ()

, МПа, (2)

где – расстояние от примыкающей к лаве выработки в сторону лавы, м (область применения от 0,1 м до 5,0 м);

– предел прочности непосредственной кровли на сжатие, МПа (область применения от 30 МПа до 80 МПа);

– расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления ()

, м. (3)

В результате проделанной работы установлено, что зоны потери устойчивости, представленные растягивающими эквивалентными напряжениями, сосредоточены вокруг подготовительной выработки и могут быть причиной вывалообразования; получены корреляционные зависимости для определения длины зоны опорного давления и расстояния от забоя до максимума зоны опорного давления от горно-геологических и технологических факторов, влияющие на распределение напряжений, а соответственно и устойчивость, вокруг подготовительной выработки в зоне влияния лавы.

Литература:

1. Клішин М.К., Склепович К.З., Касьян С.І., Кізіяров О.Л. Управління станом масиву гірських порід: навчальний посібник для ВНЗ / Алчевськ: ДонДТУ, 2010 – 288 с.

2. Дядюра О. И. Исследование взаимного влияния горного давления спаренных лав // О. И. Дядюра / Уголь Украины. – № 2 – 3. – 2002 год. –
С. 17 – 18.

3. Авдеев Г.Ф. О формировании опорного давления / Авдеев Г.Ф., Штанько Л.А., Лагерь А.И. и др. // Известия вузов «Горный журнал». – 1973. – № 7. – С. 9–13.