Методика расчета шагов обрушения кровли и прогноза газовыделения

© С.Б. Алиев, Долгоносов В.Н., К.К. Кушеков, Н.Л. Разумняк, Г.А. Пак, 2012

С.Б. Алиев, Долгоносов В.Н., К.К. Кушеков, Н.Л. Разумняк, Г.А. Пак

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ШАГОВ ОБРУШЕНИЯ КРОВЛИ И ПРОГНОЗА ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ

В результате выполненных исследований разработана методика, алгоритм и компьютерные программы, которые позволяют определить значения первичного и последующих шагов обрушения на всю длину выемочного столба, либо на какой-либо участок отработки лавы. Разработанная методика также позволяет выполнить расчет прогноза газовыделения по любому участку.

Ключевые слова: аналитическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив горных пород, крепление горных выработок.

|^|сследования и многолетние наблюдения на шахтах И »Карагандинского угольного бассейна, а также выполненный в дальнейшем анализ полученных результатов, позволили выявить общие закономерности развития процесса сдвижения внутри массива горных пород при его подработке во взаимосвязи с газовыделением и газодинамическими процессами. Концентрация метана на исходящей струе лавы по данным аэрогазового контроля имеет максимумы (всплески).

Известно, что процессы обрушения основной кровли, сдвижения горных пород и сопутствующие им объемы газовыделения имеют периодический характер с общим, единым периодом, который определяется шагами обрушения основной кровли. По мере подхода лавы к точке обрушения возрастает нагрузка кровли на призабойную часть пласта и происходит «отжим» газа в выработанное пространство и увеличение его концентрации на исходящей струе. После обрушения нагрузка на пласт уменьшается, что проявляется в резком снижении газовыделения при нормальной работе системы проветривания.

Обрушения основной кровли являются мощным источником энергии, которая распространяется в окружающем по-

родном массиве и поглощается им. Неоднородность массива горных пород, наличие нарушенных и ослабленных зон приводит к особенностям распределения энергии обрушения в массиве, которые выражаются в их разрушении и концентрации энергетических потенциалов в окрестностях данных областей.

Таким образом, причиной и энергетическим источником всех геомеханических и газодинамических процессов в шахте являются периодические зависания и обрушения крепких пород основной кровли и «пород-мостов», участвующих в процессе сдвижения.

Вопросами расчета и прогнозирования шагов обрушения основной кровли занимались В.Д. Слесарев, А.А. Борисов и многие другие исследователи, которыми разработан целый ряд методов и формул для расчета первичного и последующих шагов обрушения.

В результате выполненных исследований авторами разработана методика, алгоритм и компьютерные программы, которые позволяют определить значения первичного и последующих шагов обрушения на всю длину выемочного столба, либо на какой-либо участок отработки лавы. Разработанная методика также позволяет выполнить расчет прогноза газовыделения по любому участку.

Проведенные аналитические расчеты получили хорошее практическое подтверждение. На основе богатого практического материала можно утверждать, что процесс обрушения основной кровли неразрывно связан с газодинамическими явлениями, является их причиной. Предлагаемая методика позволяет определить величину абсолютного газовыделения при заданных нагрузках на очистной забой.

Первичный шаг обрушения при горизонтальном залегании пласта и отсутствии непосредственной кровли определяется по формуле

L = h ,

1 I .е.

2-

_.

уИ

где И - глубина разрабатываемого пласта, м; h - мощ-

I .е.

ность основной кровли, м; а - предел прочности пород

ёда.

при изгибе, Па; у — объемный вес пород, Н/м3.

В общем случае, при наличии непосредственной кровли и наклонном залегании разрабатываемых пластов (до 350) формула примет вид

L =

1 í .е. I .е.

2' а

еда пб .

У'И 'СОБа'к

где Л - мощность непосредственной кровли, м; Л -/ .е. I .е.

мощность основной кровли, м; а — угол падения пласта,

град; к — коэффициент надработки (в случае надработки и восстановления геостатического давления к = 0,9), в нетронутом массиве к = 1; а — средневзвешенный предел

ёда.пд

прочности пород при изгибе, Па.

Предел прочности пород при изгибе аёда можно принимать равным пределу прочности пород ад при растяжении

вдоль слоистости.

Средневзвешенный предел прочности пород при изгибе определяется по формуле проф. Ж.М. Канлыбаевой

а = 20 + 0,17-а , кг/см2;

ёда.пд п&.пд

где а — средневзвешенный предел прочности пород

п&.пд

основной и непосредственной кровли на сжатие, кг/см2; Вторичные шаги обрушения вычисляются по формуле

L = (Л + Л

2 н.к. о.

2 - а

изг. ср

3 у И 'СОБа 'к

Следует обратить внимание, что формула (3) имеет внесистемную (система СГС) размерность (кг/см2) для удобства практического применения, так как прочностные характеристики горных пород в большинстве литературных источников приведены в этой размерности. Для дальнейших расчетов необходимо перейти в систему СИ.

Если а задан в МПа, то формула (3) примет вид

п&.пд

а = 2 + 0,17 -а , МПа.

ёдэ.пд п&.пд

Область применения разработанной методики:

— очистные забои с труднообрушаемой кровлей при значениях угла наклона пласта до 35° в условиях нетронутого массива (одиночная лава);

— очистные работы при отработке вышележащего пласта, где процесс сдвижения дошел до поверхности и полностью завершен, восстановлено исходное геостатическое давление;

— очистные забои, примыкающие к ранее отработанным лавам (спаренные, строенные).

Методика расчета позволяет решать следующие задачи:

1) определение значений первичных шагов обрушения при заданных горно-геологических условиях и технологических параметрах;

2) определение значений последующих шагов обрушения на всю длину выемочного поля или на какой-либо участок отрабатываемой лавы;

3) вычисление суммарного объема выделившегося метана на добычном участке по мере движения очистного забоя;

4) выполнение расчетов динамики газовыделения после каждого шага обрушения;

5) исследование зависимостей геомеханических процессов (шагов обрушения, параметров сдвижения в массиве) от длины лавы;

6) определение областей эффективного газоудаления;

7) определение границ зоны сдвижения горных пород в массиве.

Для выполнения расчетов необходимы следующие исходные данные:

1) Планы горных работ по участку в масштабе 1:2000;

2) Геологические разрезы по простиранию и падению в масштабе 1:500 — вертикальный, 1:5000 — горизонтальный, с полной информацией по скважинам с указанием мощности слоев, крепости горных пород, природной газообильности;

3) Горно-геологические и технологические данные (длина лавы, протяженность столба, угол наклона лавы, мощность пласта, объемный вес угля, глубина горных работ, плановая добыча лавы, планируемый объем подачи воздуха в лаву, производительность дегазационной системы на участке, тип механизированного комплекса);

4) Углы полных сдвижений массива для условий разрабатываемого участка.

По разработанной методике был выполнен прогноз шагов обрушения и объемов газовыделения по лаве 62К-10В на шахте «Саранская» Карагандинского бассейна. Дальнейшие наблюдения подтвердили достоверность прогнозов.

Лава 62 К-10-В, начало отработки — август 2000 г, комплекс 2КМ-144; средняя глубина отработки Н ср= 575 м; угол падения а =140; длина лавы Lë¿¿Q = 174 м; непосредственная кровля (аргиллиты): средняя мощность = 3,0 м; предел прочности на сжатие а^, = 25 МПа; основная кровля

(песчаник): средняя мощность =28,5 м; а^ = 62 МПа.

1) Определяем величину а:

а^ =20+0,17а^, = 20+0,17х584 = 119,4 2=1194

2) Определяем величину первичного шага обрушения по формуле

= 11,94 МПа.

где h!ё — мощность непосредственной кровли, м; h!ё-мощность основной кровли, м; уи - средний объёмный вес

горных пород, 3; H ю - средняя глубина лавы от поверхности, м; а - угол падения лавы, град; а^, - прочность пород на сжатие, Па; к1йаб - коэффициент надработки, равный 0,9 — 1,0; к!Ш =1,0 — при отсутствии надработки; к!Ш = 0,9 — если произошло полное оседание массива до поверхности. Подставив исходные данные в формулу (2), получим

2-1194 I-

Ь = (3,0 + 28,5) I-0-= 31,5^/1,91076 = 43,5 м.

1 \2,5-575-СОБ140 -0,9 *

Фактическое обрушение, по данным маркшейдерских замеров, произошло при отходе лавы от целика на 42,6 м.

Определим последующие вторичные шаги обрушения по формуле

= + ^ ),

аеда №

I

р Уп,Нп} ^а- кШд Подставив численные значения, получим

Ь = (3,0 + 28,5)/ 1194 = 17,8 м.

2 )/3-2,5-575-СОБ140 -0,9

Эту же величину можно получить и из формулы

Ь 43,5

ь = —^ = 0,41 - ь = 17,8 м.

2 2,45 1 2,45

Строим вертикальный разрез в масштабе 1:2000 (рисунок 1). Наносим геологию толщи массива горных пород с указанием глубины, мощности, углов сдвижения, углов залегания, крепости «пород — мостов».

Выделяем слои монолитных песчаников мощностью более 15 м. Производим расчёт величины предельного шага обрушения по каждому слою

ЬГ6аа = ^ё

2 ^

уН, СОБа

По первому слою:

L = h

1 Гдаа I ё 1

V

2 а

:28,0

21220

= 40,0 м.

у-Н 1•COSа ^2,5-575-сов130

Здесь предел прочности при изгибе определен в соответствии с формулой проф. Ж.М. Канлыбаевой

а = 20 + 0,17 • а = 20+0,17 х 600 =122,0 кг/см2

ёда.пд 1 п&.гд 1

или 1220 тн/м2.

Рис. 1. Разрез по простиранию лавы 62 К-10В

Аналогично по следующим слоям:

L = h ,

2/ два Гё2

L = Л

3 / два I ё3

V

L = Л

4 / два I ё 1

I = л ,

5 / два ¡ё 5

L = Л <

6 / два ¡ё 6

2 а ёда 2

¡У Н2-сова

2 а ёда 3

У Н3-сова

2 а ёда 4

у Н4-сова

2 а ёда 5

у Н5-сова

2 а ёда 6

у Нс - сова 6

= 17,0

= 48,0

= 35,0

=42,0

:20,0

2-1220 '2,5-552-сов130

2-1220

2,5-420 сов130

I 2-1220 '2,5-420-сов130

I 2-1220 '2,5-380-сов130

= 22,9 м.

= 68,1 м.

= 54,0 м.

= 68,2 м.

2-1220

= 36,6 м.

2,5-299 сов13

0

Первичное обрушение произойдет при отходе от целика монтажной камеры на 43,0 м. Вторичные шаги обрушения периодически будут происходить через каждые 17-18 м на протяжении 650 м. Затем шаг вторичного обрушения станет 27,0 м (в целике). Наблюдения за работой лавы 62 К-10-В позволили выявить средние (через 54,0 м), сильные (через 108 м) и очень сильные (через 216 м) интервалы обрушения основной кровли.

При очень сильных обрушениях угольный забой раздавливался наперед до 8 м, а высота купола обрушения превышала 4 м. В зонах первичного и вторичного обрушения основной кровли происходило разрушение средней части (по высоте) угольного пласта, вывалы из груди забоя и интенсивное куполообразование.

На рис. 2 и 3 представлены графики, сопоставляющие интенсивность газовыделения и нагрузку на лаву 62К-10В шахты «Саранская». Вертикальные линии на графиках соответствуют датам обрушений.

Ноябрь 2000 г.

8000

6000

1 Ц 4000

л ° 3000

х т

В- 2000

л X

1000 0

1 . 1

\ / VI Г \ \

V \ у

\ А 1

и ] . и

1 к

1 1

-1 4- -4— 1

10 15 20

♦ Dоч " Обрушение

25

30

Рис. 2. График нагрузки на очистной забой 62К-10В за ноябрь 2000 г.

Ноябрь 2000 г.

30

25

V Г V

V? V /V

' , 9 1—1

4- 1— и

10 15 20

♦ Jоч " Обрушение

25

30

Рис. 3. График метановыделения по лаве 62К-10В за ноябрь 2000 г.

На краях очистных участков в зоне совместного действия опорного давления лавы 62К-10В и лавы 63К-10В отмечены деформации угольного пласта глубиной до 15-20 м (рис. 4). Конвергенция почвы и кровли достигала 0,5-1,0 м, а мощность пласта уменьшалась с 4,6 до 2,8 м.

0

5

5

0

0

5

Рис. 4. Деформации угольного пласта в зоне совместного действия опорного давления лавы 62К-10В и активного лавы 63К-10В

Таблица

Сравнение фактических и прогнозных значений шагов обрушения основной кровли по лаве 62 К10-В шахты «Саранская»

№ Дата обрушения Фактическое расстояние от целика монтажной камеры, м Прогноз, м

1 18.09.2000 г. 42,6 43,5

2 05.10.2000 г. 95,0 94,4

3 23.10.2000 г. 131,0 128,7

4 13.11.2000 г. 216,0 214,1

5 28.11.2000 г. 269,0 265,0

6 21.02.2001 г. 326,0 332,4

7 08.03.2001 г. 386,0 382,7

8 23.03.2001 г. 432,0 432,6

Для предотвращения завалов и уменьшения отжима угля, как вынужденную меру при прохождении точки обрушения, предложено снизить вынимаемую мощность до 3,50 м, что позволит значительно улучшить работу лавы.

Следует отметить высокую сходимость вычисленных и фактических данных, расхождения между ними не превышают 2,5 %.

Первое обрушение основной кровли слоя № 1 произошло при отходе лавы от целика монтажной камеры на расстояние 43,5 м (рис. 1, таблица); при отходе лавы на 95 м обрушились породы до слоя кровли № 2; при отходе лавы на 131 м обрушились породы до слоя кровли № 3; при отходе лавы на 216 м обрушился слой крепких песчаников № 3; при отходе лавы на 270 м обрушились породы до слоя № 4; при отходе лавы на 324 м обрушился слой № 4 до слоя № 5; при отходе лавы на 378 м обрушился слой № 5; при отходе лавы на 432 м обрушились породы до слоя № 6.

Проверка достоверности прогноза произведена авторами и сотрудниками шахты. Фактические значения шагов обрушения зафиксированы и соответствующим образом документально подтверждены маркшейдерской и геологической службами шахты «Саранская».

Результаты выполненных предварительных расчетов получили хорошее практическое подтверждение. Максималь-

ное расхождение не превышает 5 % и находится в пределах точности инженерных решений.

Совмещение графиков динамики метановыделения с фактическими шагами обрушений убедительно подтверждают принятую гипотезу о взаимосвязи между геомеханическими процессами (обрушением кровли) и газовыделением.

После обрушения основной кровли выделение метана должно резко снижаться. Если после обрушения объем мета-новыделения не снижается, то это свидетельствует о неэффективной работе системы дегазации, т.е. объем поступающего в лаву метана больше, чем производительность всех средств дегазации.

Причины неэффективности работы системы дегазации могут быть следующие: сбои или остановки на вакуум-насосных станциях, неэффективная работа вертикальных скважин, срез или выход ее из строя, переходы от одного вида дегазации на другой и т.д.

По данной методике были выполнены расчеты первичных шагов обрушения основной кровли для многих лав угольных бассейнов стран СНГ (более 30 примеров). Отмечена достаточно высокая сходимость результатов с практическими данными. Расхождения не превышают инженерной точности расчета (в пределах 5-10 %). По нашему мнению расхождения связаны с недостаточной точностью исходных данных, таких как предел прочности на сжатие.

Разработанная методика расчета шагов обрушения и газовыделения может применяться на всех стадиях освоения угольного месторождения: при проектировании, строительстве и эксплуатации шахты. Её использование позволит достичь максимального экономического эффекта, а главное — обеспечить безопасность эксплуатации месторождений за счет объективного прогноза газовыделения и знания времени и места опасных периодов, связанных с обрушением основной кровли.

Выполненные исследования и наблюдения позволили выявить закономерности периодических обрушений основной кровли в зависимости от геометрических размеров очистного

забоя, его подвигания, угла падения пласта, прочности пород основной кровли и глубины разработки. Кроме того, установлена неравномерность проявления горного давления, связанная с шагами обрушения основной кровли.

Повышенное метановыделение из выработанного пространства, которое усиливается при подходе к точке обрушения, вызывает отключение аппаратурой газового контроля электроснабжения забоя (до 30-40 раз в сутки), что отрицательно влияет на ритмичность работы лавы. В этих условиях принципиально важным является достаточно точное предвидение интенсивности метановыделения на различных участках выемочного столба для принятия адекватных решений. Недостаточная точность прогноза газовой обстановки на разрабатываемом участке приводит к ошибкам на стадии проектирования и потере темпов добычи.

Методика прогноза газовыделения позволяет рассчитывать значение абсолютного газовыделения при заданных (плановых) нагрузках на очистной забой и получить прогноз метанообильности и газодинамической опасности разрабатываемых лав. Установлено, что наибольшей информативностью обладают показатели, основанные на определении максимального газовыделения в процессе выемки.

С учетом данных прогноза газообильности должны уточняться технические и технологические решения по безопасности и рассчитываться максимально допустимые нагрузки на очистной забой. На основе прогноза можно определить необходимую производительность дегазационных систем по условию проветривания и спланировать график загрузки системы утилизации каптируемого метана. Прогноз газообильности необходимо использовать начиная со стадии проектирования вентиляции угольных шахт, еш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Алиев С.Б. — доктор технических наук, профессор, Евразийская экономическая комиссия, заместитель директора департамента, Долгоносое В.Н. — доктор технических наук, профессор Карагандинского государственного технического университета,

Кушекое К.К. — кандидат технических наук, докторант, Российский университет дружбы народов,

Разумняк Н.Л. — доктор технических наук, профессор, советник генерального директора «ННЦГП — ИГД им. А.А. Скочинского», Пак Г.А. — горный инженер, УД АО «АрселорМиттал Темиртау».