Исследование влияния высоких скоростей подвигания очистного забоя на характер и параметры процесса сдвижения поверхности

УДК 622.833:622.273.18

А.С. Ягунов

СФ ОАО ВНИМИ

Исследование влияния высоких скоростей подвигания очистного забоя на характер и параметры процесса сдвижения поверхности

Приведен анализ данных частотных инструментальных наблюдений за развитием процесса сдвижения в динамических мульдах при высоких скоростях подвигания забоев лав в условиях Кузбасса.

Выделены и обоснованы характером протекания процесса сдвижения во времени две основные стадии: активная и уплотнения.

Даны предложения по оценке продолжительности этих стадий. Оценено влияние скорости подвигания забоя на величину деформаций поверхности

С вводом на некоторых шахтах Кузбасса высокопроизводительных скоростных лав возросла роль оценки параметров процесса сдвижения подрабатываемой толщи и земной поверхности и их влияния на распределение горного давления вблизи очистного забоя. Это связано с предположением, что при высоких скоростях забоев лав не исключаются такие виды деформирования подработанного массива, как временное зависание толщи пород с последующей ее посадкой на больших площадях, что, безусловно, связано с необходимостью принятия мер по обеспечению безопасности ведения горных работ на выемочном участке. Учитывая, что у нас в стране да и за рубежом отсутствуют нормированные методы расчета сдвижений и деформаций во времени, актуальность экспериментального изучения этого процесса в натурных условиях чрезвычайно велика и может существенно повлиять на выводы комиссий по анализу причин крупных аварий, произошедших в Кузбассе в последнее время.

Для изучения развития сдвижений и деформаций во времени СФ ВНИМИ были выбраны два участка ведения горных работ с высокими скоростями подвигания лав: на шахте «Грамотеин-ская» при отработке лавы №631 по пласту Сычевскому-Ш с вынимаемой мощностью 4,5 м и глубиной ведения горных работ 210-230 м и на шахте «Котинская» при отработке лавы №5205 по пласту 52 с вынимаемой мощностью 4,5 м и глубиной отработки от 156 до 187 м.

На шахте «Грамотеинская» отработка лавы №631 производилась комплексом FAZOC-18/37, оснащенным комбайном KSW-1140Е с шириной захвата бара 0,8 м, добычей 8700 т/сут, скоростью подвигания забоя лавы 6-8 м/сут, при длине очистного забоя Д1=210 м.

На шахте «Котинская» отработка лавы №5205 осуществлялась комплексом DBT немецкого производства, включающим крепь DBT 220/480 243257 КН и комбайн «Айкхофф SL-500» с шириной захвата бара 0,8 м и нагрузкой Асут=15 тыс. т/сут, скоростью подвигания забоя лавы до 9-11 м/сут, при длине очистного забоя Д1=235 м.

Наблюдательные станции в обоих случаях включали по две профильные линии грунтовых реперов длиной 1,8 м, заложенных вкрест простирания и по простиранию лавы. Расстояния между реперами составляли: на шахте «Грамотеинская» - 15 м, на шахте «Котинская» 7-13,1 м; наблюдения проводились через 2-3 сут.

Инструментальные наблюдения были организованы по методике ВНИМИ и состояли из промеров компарированной рулеткой расстояний между реперами и определения их высотных отметок высокоточным нивелиром Koni 007. Одновременно с проведением замеров на станциях

фиксировалось положение очистных забоев относительно реперов профильных линий, заложен-

1

ных по простиранию пласта .

Частотными наблюдениями на станциях, проводимыми в период с 27 июня по 22 ноября 2006 г. (42-44 замера), установлен характер развития сдвижений и деформаций во времени при разных скоростях подвигания забоев лав, в т.ч. процесс затухания сдвижений при остановленном забое на шахте «Грамотеинская».

Анализ полученных данных наблюдений и литературных источников [1, 2] позволил установить, что развитие во времени процесса сдвижения толщи горных пород определяется тремя основными факторами: податливостью обрушенного материала в зоне обрушения, скоростью под-вигания забоя лавы и изгибной жесткостью слоев, которая, в свою очередь, связана со степенью подработанности массива.

Податливость обрушенных пород под действием нагрузки от вышележащей толщи пород зависит от мощности зоны обрушения, конечной величины конвергенции пород в этой зоне, определяемой временем приложения нагрузки, и свойствами обрушенных пород уплотняться с течением времени.

Скорость подвигания забоя, с одной стороны, оказывает влияние на скорость увеличения пролета и, следовательно, на величину их прогиба, и, с другой стороны, на связанное с увеличением прогиба возрастание во времени нагрузки на обрушенные породы. При большой скорости подвигания забоя породные слои успевают быстрее прогнуться, соответственно быстрее возрастает давление на обрушенные породы. С другой стороны, чем больше изгибная жесткость породных слоев, тем позднее начинается их оседание и тем меньше будет их прогиб, создавая тем самым эффект зависания пород. То есть формируемая в процессе отработки лавы динамическая мульда сдвижения горного массива осадочного происхождения - это не просто среда, которую обычно исследователи идентифицируют с разными физическими моделями. Это многовариантная система взаимодействия слоев и блоков пород, в которой величина прогиба на 80% и более определяется соотношением размера выемки к глубине (геометрия выемки), а свойства пород и прочностные условия на контактах между слоями выполняют вспомогательную роль. Этот вывод сделан на основании обобщения экспериментальных данных наблюдений за поведением подрабатываемого массива пород с помощью глубинных реперов в Кузбассе [3], из которых следует, что вся

1 Наблюдения и их компьютерная обработка осуществлялись О .А.Шестаковым и А.Д.Анашкиным

толща пород независимо от литологического состава на подготовительной стадии деформирования впереди забоя и на расстоянии до 6-8 м позади расслаивается на тонкие слои мощностью от 0,5 до 3,5 м (в среднем 2,0 м).

Рассмотрены особенности формирования мульды оседания при разных скоростях подви-гания забоя и выделены среди них те, которые, собственно, и определяют развитие процесса сдвижения на разных стадиях деформирования массива пород.

Частотными наблюдениями на станциях установлен характер развития единичных кривых оседаний поверхности, которые формируются на участке, начиная от репера, попавшего в зону сдвижения с оседанием 15-20 мм, до репера, где полумульда переходит в плоское дно на разрезе по простиранию лавы (рисунок 1). То есть на каждую дату наблюдений получены единичные графики оседаний, которые содержат в себе полный цикл прогиба поверхности при прохождении забоя лавы под профильной линией в период протекания стадии процесса сдвижения, которую следует обозначить как активную. При этом весьма важно фиксировать по маркшейдерским данным положение очистного забоя на дату проведения наблюдений.

Вторая, более продолжительная по времени, - это стадия уплотнения пород в зоне обрушения и зонах трещин и плавного прогиба горных пород. Весьма важно оценить поведение толщи пород в период активной стадии, т.к. ее продолжительность и другие динамические параметры зависят от скорости подвигания забоя лавы.

Установлено фундаментальное свойство динамической мульды, протекающей в период активной стадии процесса сдвижения, которое сформулировано следующим образом: "Размеры динамической мульды и распределения в ней сдвижений и деформаций определяются продолжительностью активной стадии процесса сдвижения, которая функционально зависит от скорости подвигания забоя, степени подработанности и расслаиваемости толщи и прочностных свойств ли-тологических типов пород». При этом основными факторами, влияющими на продолжительность активной стадии процесса сдвижения, являются скорость подвигания забоя лавы с и степень подработанности толщи, выраженная через коэффициенты подработки N1 и N2 [4], где М,2=М1,2/Н). Д12 - размеры лавы соответственно вкрест простирания и по простиранию пласта; Н - средняя глубина разработки в лаве, м.

Получена зависимость продолжительности активной стадии процесса сдвижения Та от вышеперечисленных факторов с и N1 по данным частотных наблюдений за сдвижением поверхности на шести шахтах Кузбасса со скоростями подвигания забоев от с = 2,2 до 10,5 м/сут и значениях N1 = 0,61-1,0:

Та = 134,14

Относительная погрешность расчета по формуле составляет 19,7% с учетом остановок забоев по разным причинам на 1-3 сут. При отсутствии остановок погрешность расчета уменьшается до 10-12%.

Рисунок 1 - Графики оседаний поверхности на разные даты наблюдений

по шахте «Грамотеинская»

Как следует из формулы, зависимость величины Та от скорости с и N1 нелинейная и затухает с увеличением скорости подвигания забоя, что иллюстрируется графиком, приведенным на рисунке 2.

КН)

90

80

70

60

50

40

30

20

10

1 та. сут

\

\

\ V Та - 134,14(1-0,5Ы|)ехр(-0:15с), сут

\

^ N

? \ \

С. М:сут^

12

Рисунок 2 - График зависимости продолжительности протекания активной стадии процесса сдвижения Та от скорости подвигания забоя с и степени подработки толщи N1

Из графика следует, что существует некий предел скорости подвигания забоя с, при превышении которого Та будет стремиться к постоянной величине.

Зная величину Та и максимальное оседание в динамической мульде (г/а) на дату наблюдения, которое допустимо определять по [4], можно по экспериментальным данным построить за-

висимость

п Па =1 {*/та),

которая будет отражать единичное распределение оседаний в мульде, а при проведении частотных наблюдений - серию единичных распределений, при осреднении которых получим типовую кривую оседаний для данных горно-геологических условий. Однако обобщение имеющегося экспериментального материала по выполненным частотным наблюдениям на станциях показало, что единичные мульды сдвижений и деформаций, построенные по зависимости (2), где Па,

достаточно хорошо совпадают между собой, что позволило вывести на разрезе по простиранию типовую кривую оседаний для условий Кузбасса при высоких скоростях подвигания забоев и разной степени подработанности массива (см. таблицу 1).

Таблица 1 - Типовые значения функций оседаний на разрезе по простиранию лавы

Значения в точках 2=1/ Т

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0 0,019 0,045 0,117 0,281 0,519 0,753 0,887 0,957 0,987 1,0

Погрешность типовой кривой для рассматриваемых шахт, выраженная через стандарт отклонения всех наблюдений от средней, составила да^(2)=0,054, т.е. в пределах 5,4%, причем максимальное значение отклонений от средней приурочено к коэффициентам Zf=0,4-0,7.

По аналогии с оседанием построены типовые кривые наклонов и кривизны подрабатываемой поверхности, где погрешность отклонений от средней возрастает примерно в 2 раза по наклонам и в 4 раза по кривизне.

По вопросу оценки влияния скорости подвигания забоя на изменения уровня деформаций у специалистов имеются разные мнения. Одни исследователи считают вполне логичным и обоснованным, что с увеличением скорости с снижаются сдвижения и деформации. Другие с такой же обоснованностью говорят об известной зависимости увеличения скорости деформирования подрабатываемого объекта с увеличением с, что отрицательно сказывается на взаимодействии грунтов с основанием зданий и сооружений.

Причина разных мнений заключается в слабой изученности вопроса и отсутствии условий для постановки экспериментов в шахтах.

Из имеющихся исследований по этому вопросу следует отметить цикл работ С.А.Батугина [5, 6], на базе которых им разработан метод расчета сдвижений и деформаций массива пород и земной поверхности, основанный на функции единичного влияния. Однако практического приме-

нения этот метод не получил из-за разного рода допущений и несоответствия в ряде случаев расчетных значений изменения сдвижений и деформаций во времени экспериментальным данным. Не получил подтверждения по этой же причине метод С. Кнотте [7], где степень уменьшения динамических деформаций в мульде относительно окончательно сформировавшихся изменяется от 9 до 85%, и для рассматриваемых нами скоростей с не применим.

На рисунке 3 приведена схема формирования оседаний и наклонов в динамической мульде на разрезе по простиранию, из которой следует, что на схеме рисунка 3,а мульда более рель-ефна с «крутым» бортом по сравнению со схемой рисунка 3,б, где мульда более сглаженная с пологим бортом. Соответственно деформации в виде наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций будут заведомо всегда выше для схемы рисунка 3,а, так как искривление поверхности здесь всегда выше. Для прямого ответа на этот вопрос нами построены графики зависимости наклонов, кривизны и относительных горизонтальных деформаций от скорости подвигания забоя с. Исследовались максимальные деформации в точках и их средние значения на площадках. Получено, что в том и другом случаях деформации зависят от с, причем для площадок мульды по станции на шахте «Котинская» получены зависимости:

- по наклонам /пл=68,75-3,27с при коэффициенте R=0,75;

- по кривизне Кт =0,79-0,02 с при R=0,18;

- по горизонтальным деформациям епл =21,35-0,9 с при R=0,55.

а - при малой скорости подвигания забоя лавы; б - при увеличенной скорости подвигания забоя лавы

я! /

Oq и уу - динамические граничные углы сдвижения; Oq и уз - граничные углы сдвижения

Рисунок 3 - Схема формирования оседаний и наклонов в мульде на разрезе по простиранию

лавы

То есть по наклонам зависимость 1пк=/(с) достаточно существенная: увеличение скорости подвигания забоя на с=1 м/сут вызывает уменьшение наклонов на 1,8-3,2 мм/м, по кривизне наблюдается ее уменьшение в пропорции около 0,1-10-3 1/м на увеличение скорости с=1 м/сут, по горизонтальным деформациям отмечается их уменьшение в зоне сжатия на £(.^=1,2 мм/м и в зоне растяжения на £+)=0,6 мм/м на увеличение с =1 м/сут.

Следовательно, если рассматривать в целом проблему оценки изменения деформаций в мульде при движущемся забое, то по данным выполненного анализа можно утверждать, что снижение деформаций происходит за счет эффекта выполаживания мульды с увеличением скорости подвигания забоя, причем наибольшее снижение отмечается по наклонам.

Относительно изменения величины оседания точек в мульде с увеличением скорости подвигания забоя такого вывода сделать нельзя. Получено, что величина максимального оседания (па) и оседания других точек в мульде практически не зависит от скорости подвигания забоя с. По

данным повторных наблюдений на станциях, выполненных в мае 2007 г., т.е. через 6 мес, прирост оседаний за счет уплотнения подработанного массива составил около 50-60 мм. То есть активная стадия процесса сдвижения при высоких скоростях подвигания забоя включает в себя 95-98% сдвижений от окончательных величин, получаемых при закончившемся процессе сдвижения, на стадию уплотнения соответственно приходится 2-5%.

ВЫВОДЫ

1 Выполненные исследования по сдвижению поверхности при высоких скоростях подвига-ния забоев лав от 170 до 300 м/мес позволили установить общий характер распределения сдвижений и деформаций в динамической мульде и разработать физически понятную и экспериментально обоснованную концепцию протекания процесса сдвижения: активную стадию и стадию затухания - уплотнения. Причем на активную стадию приходится 95-98% оседаний от окончательных значений, на стадию уплотнения - 2-5%.

2 Установлено, что фундаментальным свойством динамической мульды, ее размеров и распределения в ней сдвижений и деформаций является ее зависимость от продолжительности протекания активной стадии, которая функционально зависит от скорости подвигания забоя и степени подработанности толщи, т.е. от соотношения размера выработки к глубине.

3 Экспериментально наблюдаемое уменьшение деформаций в мульде и массиве пород с увеличением скорости подвигания забоя лавы связано с физическим процессом выполаживания борта мульды и в известной степени определяется изгибной жесткостью подрабатываемого мас-

сива. Однако на величину оседания в мульде скорость подвигания забоя практически не влияет и этим фактором можно пренебречь.

4 В условиях современного использования высокоскоростных лав при сравнительно небольших глубинах разработки 200-300 м и длинах лав 220-250 м весь массив пород, включая поверхность, садится практически сразу в течение 15-25 сут вслед за подвиганием забоя без зависаний, формируя лишь шаги осадки основной кровли. За счет фактора степени подработанности толщи - от неполной до полной подработки (N1=0,3-1,0) продолжительность активной стадии может уменьшаться на 8-10 сут. Эти данные следует использовать при обсуждении и анализе вопросов, связанных с управлением кровли.

5 Слабо изученными в динамической мульде являются процессы, связанные с временным зависанием массива пород в период формирования первого шага осадки основной кровли и при временных остановках забоев, когда развитие процесса сдвижения связано с изгибной жесткостью слоев, а также при сложном рельефе поверхности и мощных наносах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Иофис, М.А. Инженерная геомеханика при подземных разработках / М.А. Иофис, А.И. Шмелев. -М.: Недра, 1985. - 248 с.

2 Кратч, Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений: пер. с нем. К.К.Глазенака. -М.:Недра, 1978. - 496 с.

3 Ягунов, А.С. Особенности проявления и параметры деформационных процессов, формируемых в подрабатываемом горном массиве// Современные проблемы безопасной разработки угольных месторождений: тр. коорд. совещания. - Санкт-Петербург, 2006. - С. 155-165.

4 Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - Санкт-Петербург, 1998. - С. 290. - (ВНИМИ).

5 Батугин, С.А. Сдвижения и деформации земной поверхности и горных пород над движущимся забоем // Тр. ВНИМИ, сб. Х1_У!1. -Л., 1962. -С.159-199.

6 Батугин, С.А. Влияние скорости подвигания очистного забоя на сдвижения и деформации земной поверхности // Тр. ВНИМИ, сб. Ь. - Л., 1963. - С. 83-90.

7 Кнотте, С. Влияние времени на формирование мульды сдвижения // Вопросы расчета сдвижений поверхности под влиянием горных разработок. -М.: Углетехиздат, 1956.