Обоснование количественной оценки показателей, основанных на геомеханических процессах, происходящих в углепородном массиве в окрестности очистного забоя

Д.В. Ботвенко

канд.техн.наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.831.31

ОБОСНОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ, ОСНОВАННЫХ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ, ПРОИСХОДЯЩИХ В УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ В ОКРЕСТНОСТИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

Предложены показатели устойчивости угольного массива, устойчивости пород кровли, ударо- и выбросоопасности, проницаемости подработанного массива, позволяющие на стадии проектирования проводить комплексную оценку геомеханического состояния углепородного массива в окрестности очистного забоя для обеспечения безопасных условий угледобычи.

Ключевые слова: ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО МАССИВА, КРИТЕРИЙ, ПОКАЗАТЕЛЬ, БЕЗОПАСНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ, ОПАСНЫЕ СИТУАЦИИ, РАЗРУШЕНИЕ МАССИВА, УСТОЙЧИВОСТЬ МАССИВА, АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, УДАРО- И ВЫБРОСООПАСНОСТЬ

Возникновение аварийных и опасных ситуаций в шахтах прямо или косвенно связано с состоянием горного массива в окрестности горных выработок различного назначения. В результате нарушения естественного состояния горного массива в нем происходит ряд геомеханических и газодинамических процессов. Это перераспределение напряжений, разрушение породного и угольного массивов, формирование первого и последующих шагов обрушения кровли в очистных забоях, десорбция метана, окисление и др. Состояние горного массива в окрестности подготовительных и очистных выработок существенно отличается друг от друга. Впереди забоя подготовительной выработки, проводимой по угольному массиву, не наблюдается четко выраженного максимума опорного давления, отсутствуют зоны разрушения пород кровли, естественно, что не формируются шаги ее обрушения.

Для предотвращения возникнове-

ния травмоопасных ситуаций, связанных с устойчивостью угольного массива на выемочных участках при ведении горных работ, то есть кливажей, или потери устойчивости части массива в забое и принятия своевременных мер по обеспечению безопасных условий труда необходимо на стадии проектирования или в начале отработки выемочного участка проводить оценку состояния массива при помощи показателя, который включает в себя комплексную оценку устойчивости угольного массива на основе горногеологических и технологических параметров. Таким показателем и является предлагаемый показатель устойчивости угольного массива. Анализируя процессы, происходящие в окрестности очистного забоя, представляется возможным определить условия устойчивости угольного массива (показатель устойчивости угольного массива Уу):

уН-83 па/м (1) у ЮДх

Данный показатель комплексно учитывает уН - напряжение в нетронутом массиве, МПа; З3 - напряжение на линии забоя, МПа; Ах - расстояния от забоя до зоны нормальных

напряжений, которые в зависимо-уН-83

сти

и определяют

10 Ах

устойчивость угольного массива, м.

При величине показателя менее 1 забой теряет устойчивость, тогда как при величине показателя более 1 забой находится в состоянии равновесия, т.е. устойчив.

Определяя численные значения показателя устойчивости угольного массива У для различных горногеологических и горнотехнических условий (т, м; Н, м; V, м/сут, при постоянной вынимаемой ширине заходки /=0,8 м, длине лавы по падению Дл=250 м, угле падения пласта 80, коэффициенте крепости горных пород ¥=7 и естественной влажности угольного массива 1 %), можно сделать вывод о том, что

устойчивость угольного массива в очистном забое согласно установленному показателю достигается при следующих условиях:

• крепости угольного пласта 0,5, вынимаемой мощности пласта

1.5 м, глубине ведения горных работ более 400 м, скорости подвига-ния очистного забоя более 7 м/сут;

• крепости угольного пласта 0,5, вынимаемой мощности пласта

2.5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости под-вигания очистного забоя более 19 м/сут;

• крепости угольного пласта 0,6, вынимаемой мощности пласта более 1,5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости под-вигания очистного забоя более 3 м/сут;

• крепости угольного пласта 0,6, вынимаемой мощности пласта

2.5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости подвига-ния очистного забоя более 7 м/сут;

• крепости угольного пласта 0,6, вынимаемой мощности пласта 3,5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости подвигания очистного забоя более 3 м/сут.

Аналогично устойчивость угольного массива достигается при крепости угольного пласта более 0,7.

Данные факты подтверждаются практикой ведения горных работ на угольных шахтах Кузнецкого бас-

сейна. Например, отработка выемочных участков лав 30-321, 26-322, 26-326 шахты «Полосухинская», выемочного участка 569 шахты «Чертинская-Коксовая», лавы 26-24бис шахты «Есаульская», лавы 15-34 шахты «Абашевская» сопровождалась кливажами и вывалами угля из забоя.

При ведении горных работ в очистных забоях в зоне опорного давления происходят процессы, развитие которых обусловливает возникновение ситуаций, опасных с точки зрения устойчивости пород кровли и, как следствие, повышенную травмоопасность.

В таблице 1 приведены данные [1], нашедшие отражение в актах расследования аварий за длительный период времени (более 30 лет), показывающие, что в результате потери устойчивости кровли вследствие ее разрушения происходит обрушение горной массы, приводящее к травмированию горнорабочих различной степени тяжести вплоть до летального исхода.

Как видно из таблицы 1, при площадях обнажения от 10 до 50 м2 наблюдается самый высокий травматизм (более 70 %). Наиболее опасное положение (более 60 %) возникает при обнажении кровли от 15 до 25 м2. Если говорить об отслоившихся глыбах пород, то наибольшую опасность представляют ку-

ски массой от 100 кг до 3 т (80 %). Подобного рода исследованиями также установлено, что при ведении горных работ в зонах первичного и последующих шагов обрушения кровли наблюдается наиболее высокий травматизм (70 %).

Проводя оценку геомеханического состояния в окрестности очистного забоя и анализируя вышеизложенное, приходим к выводу, что наибольшую опасность, с точки зрения травматизма, представляют процессы, происходящие в зоне интенсивного разрушения пород кровли Ьг Если размер этой зоны превышает вынимаемую мощность пласта, то при наличии незакрепленного пространства возможны вывалы пород кровли в очистной забой, что может привести к травмированию людей и выходу из строя оборудования. Для определения численного значения критерия устойчивости пород кровли необходимо знать вынимаемую мощность угольного пласта т, средневзвешенный коэффициент крепости угля /, ширину вынимаемой полосы угля /, а также определить напряжение в нетронутом массиве од , коэффициент концентрации напряжений К, расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений Хр, прочность пород на одноосное сжатие ё0 . Численные значения

сж

критерия устойчивости пород кровли определяются по зависимости:

Таблица 1 - Влияние размеров незакрепленного пространства кровли и массы вываливающихся кусков породы на уровень производственного травматизма

Площадь незакрепленной кровли, м2 5,1-10 10,1-15,0 15,1-25,0 25,1-35,0 35,1-50,0 50,1-70,0 Более 70,0

Травматизм от обрушения, % 4,8 33,3 28,2 9,5 4,8 19,0 4,8

Масса вываливающихся кусков породы, кг 100-500 510-1000 1100-2000 2100-3000 3100-4000 4300-5000 Более 5000

Травматизм от обрушения, % 40,7 7,4 14,9 14,9 7,4 - 14,7

у = ОМ хсрК50 , м.

* Г \ /61

При значениях критерия устойчивости пород кровли более вынимаемой мощности угольного пласта могут возникать травмоопасные ситуации в незакрепленных участках забоя. При значениях критерия меньше или равных вынимаемой мощности, как показывает практика и расчеты, не стоит ожидать возникновения ситуаций, опасных с точки зрения устойчивости пород кровли.

Для проведения комплексной оценки состояния массива вблизи выемочного участка применимы показатели удароо-пасности, выбросоопасности, предложенные автором [1], но основанные на новых зависимостях шагов обрушения пород кровли (первичного и вторичного) и апробированные в существующих условиях развития техники и технологии. С целью обеспечения пожаробезопасности выемочного участка необходимо проводить оценку зоны проницаемости подработанной толщи пород для определения аэродинамической связи с вышележащими пластами или концентрированными потерями угля, склонными к самовозгоранию.

Показатель выбросоопасности определяется из выражения:

Яп=АХ 0- I, м.

0 ср

При величине показателя выбросоопасности более или равной 0 в очистном забое нет опасности возникновения внезапного выброса угля и газа, тогда как при его отрицательном значении в забое возможно развязывание данного явления.

Значение показателя удароопасности в очистном забое можно получить из зависимости:

77 ___§3_, МПа/м,

у ю*,

где х - расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений, м.

ср

Как показывает практика и многочисленные проверки показателя удароопасности в очистном забое, удароопасные ситуации возникают при величине показателя более 1.

Оценка наличия аэродинамической связи с вышележащими пластами или потерями угля, склонными к самовозгоранию, проводится исходя из величины зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения). При величине этих зон больше либо равных расстоянию до склонных к самовозгоранию пластов или потерь угля в очистном забое возможно появление продуктов горения или возникновение аварийной ситуации, связанной с воспламенением метановоздушной смеси в выработанном пространстве. Размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) определяется выражением:

П = К + К + К ,

к 12 3 ' '

где И1 ’ К ’ - зоны соответственно интенсивного, блочного и крупноблочного разрушения пород кровли, м.

В качестве примера определения комплекса показателей приведем расчеты для условий шахты «Распадская» на выемочном участке лавы 4-9-21бис со следующими условиями: глубина ведения горных работ Н=289 м, вынимаемая мощность пласта т =1,6 м, угол падения а.р = 100, средневзвешенная крепость угля / = 0,8, скорость подвигания V = 9 м/сут, крепость основной кровли ¥=8, длина лавы Д= 265 м, ширина захвата комбайна / = 0,8 м. Для данных условий получаем численные значения:

• показатель удароопасности Д=1,3 МПа. Так как численное значение показателя более 1, то при ведении горных работ существует опасность появления горного удара;

• показатель выбросоопасности Я0 = -0,4 м. Так как численное значение показателя менее 0, то при ведении горных работ возможен выброс угля и газа;

• показатель устойчивости угольного массива У =13 МПа/м. Так как

у

численное значение более 1, то угольный массив в очистном забое устойчив;

• показатель устойчивости пород кровли Ук= 0,7 м. Так как численное значение показателя не превышает вынимаемую мощность угольного пласта (т =1,6 м), то не следует ожидать вывалов породы в очистной забой;

• размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) Пк=11,2 м. Вследствие того, что вышележащий пласт 7 находится на расстоянии 70 м и, следовательно, отсутствует аэродинамическая связь между

пластами, опасности попадания возможных продуктов горения в очистной забой лавы 4-9-21бис нет. В то же время при изменении средневзвешенного коэффициента крепости угольного пласта с 0,8 до 0,7 значение показателей становится равным:

• показатель удароопасности Д =0,67 МПа. Так как численное

у

значение показателя менее 1, то при ведении горных работ нет опасности появления горного удара;

• показатель выбросоопасности R0=0,06 м. Так как численное значение показателя более 0, то при ведении горных работ нет опасности внезапного выброса угля и

газа;

• показатель устойчивости угольного массива У =6,7 МПа/м. Так как

у

численное значение более 1, то угольный массив в очистном забое устойчив;

• показатель устойчивости пород кровли Ук= 1,5 м. Так как численное значение показателя не превышает вынимаемую мощность угольного пласта (т=1,6 м), то не следует ожидать вывалов породы в очистной забой;

• размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) Пк = 12,4 м. Вследствие того, что вышележащий пласт 7 находится на расстоянии 40...45 м и, следователь-

Таблица 2 - Оценка геомеханических параметров в отношении возникновения опасных явлений

Количественные значения показателей опасных явлений Вид явлений

Горные удары в очистном забое Внезапные выбросы угля и газа в очистном забое Вывалы угля в забое Вывалы пород кровли Аэродинамическая связь с вышележащими пластами или концентрированными потерями угля, склонными к самовозгоранию

Показатель удароопасности тт - _63 ^ мпа/м у 1<Ч, <1 неопасно >1 опасно

Показатель выбросоопасности Ко=АХср°-1, м >0 неопасно <0 опасно

Показатель устойчивости угольного массива У.= МПа/м 10 Аж >1 неопасно <1 опасно

Показатель устойчивости пород кровли 0,4т /Хф-КЪо , м  Г \ <вынимаемой мощности неопасно >вынимаемой мощности опасно

Размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) Пк = И] + + Л?, м < расстояния до концентрированных потерь угля либо вышележащих пластов неопасно >расстояния до концентрированных потерь угля либо вышележащих пластов опасно

но, отсутствует аэродинамическая связь между пластами, опасности попадания возможных продуктов горения в очистной забой лавы 4-921 бис нет.

При ведении горных работ в зонах нарушений, где средневзвешенный коэффициент крепости угольного пласта не превышает 0,3, численные значения показателей становятся равными:

• показатель удароопасности Д =

0,02 МПа. Так как численное значение показателя менее 1, то при ведении горных работ не существует опасности появления горного удара;

• показатель выбросоопасности R0=39,2 м. Так как численное значение показателя более 0, то при ведении горных работ нет опасности внезапного выброса угля и газа;

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ на основе исследований геомеханиче-ских процессов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.25.01. - Кемерово, 1979. - 363 с.

JUSTIFICATION OF DATA QUANTITATIVE ASSESSMENT BASED ON Ботвенко

GEOMECHANICAL PROCESSES TAKING PLACE IN COAL-ROCK Денис Вячеславович

MASSIF AROUND THE COAL CUTTING FACE е-mail: 642935@rambler.ru

D.V. Botvenko

The parameters of coal massif and roof rock stability, of shock and outburst

danger, of permeability of underworked massif are suggested which allow

at the stage of project making to make a complex evaluation of coal-rock

massif geomechanical condition around the coal cutting face in order to

provide safe conditions for coal cutting

Key words: GEOMECHANICAL PROCESSES, ROCK MASSIF

CONDITION, CRITERION, INDEX, SAFE OPERATION, DANGEROUS

SITUATIONS, MASSIF DESTRUCTION, MASSIF STABILITY, AIR-

DYNAMIC CONNECTION, SHOCK- AND OUTBURST DANGER

• показатель устойчивости угольного массива У =0,18 МПа/м. Так

у

как численное значение менее 1, то угольный массив в очистном забое неустойчив и необходима разработка и применение специальных мероприятий для обеспечения безопасных условий при ведении горных работ;

• показатель устойчивости пород кровли Ук= 17,9 м. Так как численное значение показателя превышает вынимаемую мощность угольного пласта (т=1,6 м), то следует обратить особое внимание на незакрепленное пространство пород кровли, так как в данных местах возможны вывалы породы в очистной забой;

• размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) Пк=37,1 м. Вследствие того, что вышележащий

пласт 7 находится на расстоянии 70 м и, следовательно, отсутствует аэродинамическая связь между пластами, опасности попадания возможных продуктов горения в очистной забой лавы 4-9-21бис нет.

Расчетные формулы показателей и их граничные условия приведены в таблице 2.

Предлагаемые показатели позволяют на стадии проектирования или подготовки комплексно оценивать негативные явления, возникающие в результате ведения горных работ в очистном забое, и своевременно вносить корректировки в технологические параметры для обеспечения безопасной эксплуатации выемочного участка.

19