Предпосылки формирования вывалов пород кровли в очистных забоях глубоких шахт

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.831

ПРЕДПОСЫЛКИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫВАЛОВ ПОРОД КРОВЛИ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ ГЛУБОКИХ ШАХТ

О.Ю. Белогуб

Представлены результаты анализа формирования вывалов пород кровли в очистных забоях глубоких шахт на основании замеров куполов вывалов при различных литологических составах пород кровли. Также представлены результаты математического моделирования процесса формирования вывала в очистном забое в программном комплексе «БоИ^могкз» при управлении кровлей полным обрушением и при оставлении опор в выработанном пространстве лавы.

Ключевые слова: обрушение, математическая модель, вывал, устойчивость, мощность.

Изменение поля статических напряжений в массиве пород вокруг очистной выработки заключается в деформировании окружающих пород. В первую очередь на контуре выработанного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. В некоторых случаях указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место только при очень крепких породах и высокой степени монолитности массива. Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упругими смещениями пород кровли развиваются неупругие деформации и происходят локальные разрушения пород кровли. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования привлекаются большие объемы пород, а вследствие этого проявляются неоднородности низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате этого в очистных забоях развиваются вывалы пород кровли.

В условиях залегания в основной кровле пласта мощных и достаточно прочных пород возможно существенное пригружение приконтурной части пласта. При этом над опорным контуром пласта происходит интен-

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_

сивное деформирование непосредственной кровли с раскрытием структур-но-литологических трещин. Неудовлетворительное состояние слабой вы-валоопасной кровли в значительной степени усиливается наличием в горном массиве разных пликативных, дизъюнктивных нарушений, и особенно, соотношением мощностей и прочностных характеристик лито-логиических отдельностей пород кровли, которые тяжело поддаются прогнозированию и предварительному выявлению. Вывалы пород непосредственной кровли в призабойное пространство приводят к значительным материальным затратам на ликвидацию их последствий и существенно снижают безопасность работ в лаве.

По мнению авторов работы [1], факт разрушения пород на опорном контуре означает, что действующие на ее контуре максимальные напряжения омах достигли или превысили предел прочности массива на объемное трехосное сжатие. Разрушение кровли - явный признак того, что в массиве максимальными по величине являются горизонтальные напряжения, т.е., что исходное напряженное состояние является гравитационно-тектоническим. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений мало отличается от единицы, в то время как коэффициент концентрации горизонтальных напряжений на границе слоев различных литологических разностей достигает десяти [2].

Автором было исследовано поведение пород кровли очистных забоев ОП «Шахта им. Стаханова» ГП «Красноармейскуголь». При первичной посадке пород основной кровли на расстоянии 210 м от разрезной печи на протяжении 30 м подвигания лавы происходили заколы в кровле очистного забоя, и наблюдалась интенсификация вывалов непосредственной кровли в центральной части лавы. Высота купола этих вывалов составляла от 0,6 до 1,6 м, а размер полостей вывалов разуплотненного песчаника на отдельных участках лавы достигал

Анализ геологических разрезов по длине очистного забоя 1-й северной лавы группового уклона пласта 11 ОП «Шахты им. Стаханова» показал, что максимальные вывалы были зафиксированы в момент первичной посадки основной кровли, а также периодических посадок при максимальном приближения песчаника основной кровликпласту, а также в местах изгиба угольного пласта (и пород кровли) в синклинальную складку (рис. 1).

На геологическом паспорте лавы (рис. 1) синим цветом показаны зоны вывалов пород кровли и их корреляция с максимальным приближением песчаника основной кровли к угольному пласту, т.е. изменением литологии пород кровли (полным выклиниванием сланца непосредственной кровли).

В программном комплексе «БоНё'^гкз» была создана трехмерная

50

_Геотехнология_

модель (рис. 2) участка очистного забоя для проведения инженерного анализа на прочность пород кровли над опорным контуром лавы и выявления напряжений, впоследствии приводящих к образованию вывала. Модель выполнена для условий 1-й северной лавы группового уклона пласта 11 ОП «Шахты им. Стаханова».Длина лавы составляла 280 м.Промышленные запасы - 569 тыс. т.Способ управления кровлей - полное обрушение. Угольный пласт 11 на участке ведения очистных работ имел сложное строение в составе двух угольных пачек и одного разделяющего породного прослоя, представленного глинистым сланцем мощностью от 0,04 до 0,10 м.Угольные пачки аналогичны по характеристике и представлены углем блестящим, тонко-полосчатым, с единичными включениями пирита в виде линз, с тонкими линзами фюзена, вязким. Мощность верхней угольной пачки колебалась от 0,88 до 1,0 м, мощность нижней - от 0,20 до 0,29 м, прочность асж =15 МПа. Общая мощность пласта в пределах выемочного поля составляла от 1,18 до 1,34 м, при средней - 1,25 м. Непосредственная кровля представлена глинистым сланцем темно-серым, слоистым, неустойчивым - Б2, с плоскостями притирания, мощностью до 1,6 м.

Рис. 1. Распределение зон вывалов по площади выемочного поля 1-й северной лавы пласта 11ОП «Шахты им. Стаханова»

Основная кровля представлена песчаником от мелкозернистого до среднезернистого, кварцево-полевошпатового, слоистого, водоносного, выбросоопасного мощностью от 6,4 до 12,2 м (в отдельных интервалах выступал непосредственной кровлей).

На модели представлен очистной забой (вид сбоку), причем смоделированы вертикальные и горизонтальные нагрузки на массив, отпор секций крепи (рис. 2, а), а также отпор стоек в выработанном пространстве (рис. 2, б). Размеры модели составили 18^12x25 м.

Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3

Рис. 2. Модель участка очистного забоя с указанием приложенных нагрузок

Расчетный редактор «СОБМОБХргезз» позволяет получить результаты на основе линейного статического анализа, исходя из того, что материал предполагается изотропным. Линейный статический анализ предполагает, что поведение материала линейно и соответствует закону Гука, вызываемые смещения эквивалентно малы для того, чтобы игнорировать изменения в жесткости вследствие приложенной нагрузки, и нагрузки применяются медленно, чтобы игнорировать динамические эффекты.

Выполнив расчет, получим две модели распределения разрушений над опорным контуром лавы (рис. 3), при различных способах управления кровлей. Причем в первом случае (рис. 3, а) разрушение пород кровли происходило как над опорным контуром, формируя полость вывала в лаве, так и на верней границе слоя пород кровли, приводя к зарождению трещины. Программный комплекс^оШ'^гкз» рассчитывает напряжения по Мизесу. Теория утверждает, что пластичный материал начинает повреждаться в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению. В большинстве случаев предел текучести используется в качестве предельного напряжения. Однако программа позволяет использовать предельное растяжение или задавать свое собственное предельное напряжение, поэтому в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению на растяжение, наблюдается разрушение. Причем контур касательных напряжений в породе описывает контур полости вывала.

А в случае (рис.3, б) оставления опор в выработанном пространстве получаем значительно меньшую зону разрушения только над опорным контуром. Кустовая армированная крепь [3] как способ оставления опор в выработанном пространстве работает в качестве частичной закладки выработанного пространства. А при частичной закладке, как известно, породы кровли существенно устойчивее.

а б

Рис. 3. Модель распределения зон разрушений над опорным контуром лавы при условии: а-управления кровлей полным обрушением; б - оставления опор в выработанном пространстве

Расчет показывает (рис. 4), что при управлении кровлей полным обрушением величина напряжений составляет 133 МПа, что значительно превышает предел прочности пород и соответственно приводит к их разрушению и вывалу в сторону свободной поверхности, т.е. в рабочее пространство лавы. При поддержании консоли пород кровли на расстоянии 5 м за секциями крепи величина напряжений снижается до 95 МПа, что дает основание полагать, что поддержание консоли на большую длину позволит существенно снизить напряжения в массиве впереди очистного забоя.

б

Рис. 4. Модель распределения напряжений по Мизесу над опорным

контуром лавы при условии: а-управления кровлей полным обрушением; б - оставления опор в выработанном пространстве

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_

Ранее автором [4] было установлено, что на вывалообразование в большей степени влияют эффективная поверхностная энергия пород кровли, скорость подвигания очистного забоя, долговечность пород кровли при обнажении, наличие зон ПГД в выемочном поле лавы, наличие в кровле пласта естественной плоскости расслоения в виде слоев угля или резкого контакта слоев пород различных литологических разностей, ориентирование естественной системы трещин в направлении забоя, изменение литологии пород кровли над забоем. А влияние увеличения поддерживаемой консоли пород кровли на характер вывалообразования требует дальнейшего изучения.

Список литературы

1. Рязанцев Н. А. О чем свидетельствует наличие вывалов в кровле и пучение почвы в выработках ОП «Шахта им. Стаханова / Н.А. Рязанцев, А.Н Рязанцев., Н.А Рязанцева// Зб. матер1ал1в регюнально! наук.-практ. конф. «Проблеми прничо! технологи», KII ДонНТУ, 2012. 30 лист. Донецк: ООО «Цифровая типография», 2012. С. 42-45.

2. Хозяйкша Н. В. Законом1рност1 змши граничного напруженого стану у складно структурнш покр1вл1 лав положистих в^ульних плас^в: автореф ... канд. техн. наук. / Дншропетровськ, 2004. 18 с.

3. Пат. № 75593 UA, МПК E21D 15/00 (2012.01). Кущове армоване кршлення/Г. I. Соловйов,О. Ю. Бшогуб, С. В. Чуяшенко, А. Л. Касьяненко; заявник i патентовласник ДонНТУ. - и 2012 05417; заявл. 03.05.2012; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 23. 4 с.

4. Белогуб О. Ю., Соловьев Г. И., Ляшок Я. О Зб. матерiалiв V регь онально! наук.-практ. конф. «Дш науки-2013», 23.05.2013. Красноар-мшськ: KII ДонНТУ, 2013. Т.1. С. 52-55.

Белогуб Оксана Юрьевна, асп., охапа. belogub@,gmail. сот, Украина, Донецк, ДонНТУ

PRECONDITIONS OF FORMING OF FALLING ROOF ROCKS IN THE DEEP MINES COAL FACES

O.I. Bilogub

Results of the analysis formation offalling roof rock in coal face which are based on domes offalling rocks measurements at different lithology of the roof are discussed. Results of mathematical modeling of the formation offalling roof rock in the working coal face with using program complex "Solidworks " in the management of a complete collapse of the roof and leaving pillars in mined-out space coal face were shown.

Key words: collapse, mathematical model, inrush, stability, layer thickness.

Bilogub Oksana Iuriivna, postgraduate, oxana. belogub@,gmail. com, Ukraine, Donetsk, DonNTU

УДК 624.191.8

ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОДЗЕМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

А.Э. Кокосадзе, С.А. Чесноков, В.М. Фридкин

На основе проведенного анализа выявлены достоинства и недостатки различных схем компоновки подземных и поверхностных энергетических инженерных сооружений. Предложены схемы захоронения отходов атомных электростанций и концептуальные аспекты создания подземных энергокомплексов.

Ключевые слова: подземное пространство, энергетические объекты, компоновка подземных сооружений, отходы ядерной энергетики, захоронение отходов

Развитие цивилизации в XXI веке связано с непрерывном ростом энергопотребления, при этом значительная часть генерирующих энергообъектов может быть выполнена в подземной компоновке. В гидроэнергетике это деривационные тоннели и помещения машзалов ГЭС и шахтные водоводы, помещения машзалов и большепролетные выработки нижнего бассейна подземных ГАЭС. Значительный интерес представляют подземные комплексы ГАЭС-АЭС, осуществляющие выработку как пиковой, резервной и аварийной мощности (ГАЭС), так и энергии для базовой части энергопотребления АЭС. Продолжительность эксплуатации гидросооружений может достичь 100 лет. В атомной энергетике это подземные АЭС (эксплуатационный ресурс реакторного отделения станции с реакторами корабельного типа малой мощности составит 20 лет, для других реакторов - 35 40, максимум 60 лет), совмещенные с хранилищами РАО и подземными хранилищами высокоактивных отходов (ВАО) и облученного ядерного топлива (ОЯТ), располагаемых на глубинах более 200...300 м (рекомендации МАГАТЭ). Срок эксплуатации таких хранилищ составит сотни и тысячи лет.

Наметившийся в последние годы интерес к увеличению объёмов подземного энергетического строительства связан с наблюдающимся увеличением внешних динамических нагрузок на энергообъекты.

Для предварительной сортировки твердых отходов рекомендуется использование критериев по мощности дозы гамма-излучения на расстоянии 0,1 м от поверхности (при измерении в соответствии с утвержденными методиками.