Исследование геомеханического состояния в краевой части пласта при отработке угольных пластов Ерунаковского района

УДК: 622.272.6:622-112.

С.Н. Гордеев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ И ОСНОВНОЙ КРОВЛИ НА ВЫВАЛООБРАЗОВАНИЕ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ КРОВЛИ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПЛАСТОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Проведены исследования в условиях шахт «Талдинская-Западная», «Талдинская-Южная»,

«Большевик». На пластах 48 (ш. «Талдинская-Южная»), 68 (ш. «Талдинская-Западная»), 29а, 30 (ш. «Большевик»). Характеристика указанных пластов и вмещающих пород, расположенных на глубине 120-210м.

Анализ данных табл. 1 показывает, что пласты относятся к мощным, с повышенными углами падения, имеют "ложную" кровлю и почву, местами неустойчивую непосредственную кровлю. Основная кровля пластов 48, 30 сложена крепкими песчаниками и оценивается, как труднообру-шаемая, у пластов, 68, 29, а - основная кровля относится к среднеобрушаемой или легкообрушае-мой.

В целом условия отработки указанных пластов оцениваются как сложные.Поэтому работа крепей механизированных комплексов будет в значительной мере зависеть от процессов взаимодействия основной и непосредственной кровли.

Отработка пластов производилась следующими механизированными комплексами: пласт 68 -4КМ-130, пласт 48 - КМ138/4, пласт 29а - 20КП-70, пласт 30 - 4КМ-130.

Во всех очистных забоях имела место высокая аварийность, вызванная отжимом угля от забоя, вывалами пород кровли и развитием куполов. Взаимодействие крепей с вмещающими породами периодически нарушалось, крепи теряли контакт с породами кровли, продольную и поперечную ус-

тойчивость.

Отрабатываемые пласты подразделены на две группы: первая (I) - непосредственная кровля пластов средней устойчивости, основная кровля -труднообрушаемая; вторая (II) группа - непосредственная кровля неустойчивая, основная изменяется от среднеобрушаемой до труднообрушаемой.

Для рассмотрения процессов взаимодействия основной и непосредственной кровли при отработке пластов I группы используется схема, приведённая на рис.1.

До обрушения основной кровли система "основная кровля - непосредственная кровля - секция крепи" находятся в устойчивом состоянии. Давление пород на крепь незначительное, стойки крепи работают на уровне заданного начального распора. Отжим угля от забоя отсутствует. При передвижке крепи неустойчивые слои "ложной" кровли отслаиваются от верхних слоёв и обрушаются в призабойное пространство. Непосредственная кровля сохраняет устойчивое состояние, зависает позади крепи на расстоянии до 1,5м.

По мере подвигания лавы и увеличения площади обнажения, происходит рост давления пород кровли на крепь вследствие зависания пород основной кровли. Стойки крепи переходят в режим работы с нарастающим сопротивлением, а краевая часть пласта - в напряжённое состояние. Через 1012м происходят осадки основной кровли. Основная кровля обрушается с образованием впереди забоя заколов. Заколы опережают забой на 4-6 м.

Таблица 1 Характеристика указанных пластов 48, 68, 29а-30 и вмещающих их горных пород

Пласт Шахта Мощость, (м) О С « ли 2 « § Є о ^ пя а Ь Характеристика пород

непосредственная к ровля основная кровля

Мощ- ность,(м) Сопротивл. сжатию, (МПа) Устой- чивость Мощость, (м) Сопро-тивл. сжа-тию,(МПа Обрушае- мость

пл. 48 Талдинская- Южная 3,75 12-21 0,9-1 8-11,7 Ложная 0,3-0,4м алевр. 40 20 от неустойч. до средней 20 песчаник 50-70 от средней до трудно-обруш.

пл. 68 Талдинская- Западная 5,5-6 10-20 0,4-0,9 4-8 алевр. и аргилл. 10-22 9-23 песчаник 30-40 от лёгкой до средней

пл.29а Большевик 3,5-3,7 6-30 0,9-1 6 алевр. 30-40 до 20 алевролит 30-40 от лёгкой до средней

Ложная 0,3-0,4 аргилл. 2,7

пл.30 Большевик 1,8-3,7 3-30 0,9-1 3,3-8,9 алевр. 30 26 песчаник 60-70 труднооб- руш.

ная ,5 І н? ож ,4-^ О аргилл. 1,0-2,0

Рис. 1. Схема взаимодействия основной труднообрушаемой кровли с непосредственной кровлей средней устойчивости: 1зак - длина опережения линии забоя заколом в основной кровле, м; 1раз - длина участка впереди забоя, где происходит разрушение пород непосредственной кровли, м; 1зод - ширина зоны опорного давления, м; Ьот - глубина отжима угля от забоя, м; т - мощность пласта, м; Ьн - мощность непосредственной кровли, м; Ь0 - мощность основной кровли; Ьа.к - мощность активной кровли, м; Рб - давление обрушаемых блоков на крепь и краевую часть пласта

В период образования заколов и отслоения нижних слоёв основной кровли от верхних, возникает резкое увеличение давления на краевую часть пласта и секции крепи.

В зоне максимальных значений опорного давления породы непосредственной кровли деформируются. До образования закола при передвижках крепи они расслаивались, а при образовании закола расслоенные породы непосредственной кровли разрушаются на отдельные блоки, (рис. 1). Уголь в краевой части переходит в предельное напряжённое состояние и разрушается. Таким образом, с потерей несущей способности зависающей консоли основной кровли начинается процесс разрушения непосредственной кровли и угля краевой части пласта. Непосредственная кровля высыпается в подкрепное пространство до момента создания устойчивой системы шарнирно-расклиненных блоков основной кровли.

На рис. 2 показаны графики изменения напряжений в породах основной и непосредственной кровли в зоне временного опорного давления.

В непосредственной кровле напряжения находятся на уровне геостатического и только впереди забоя на расстоянии 1,5-1,8м происходит

рост напряжений до (1,7) уН, под заколом основной кровли образуется зона "дробления" пород непосредственной кровли протяжённостью до 4,5м. С приближением забоя к зоне разрушенных пород происходит их высыпание под крепь комплекса с образованием купола. Вывалу пород непосредственной кровли способствует отжим угля от забоя, глубина которого "Ьот" достигает до 1м.

Изменение напряжения впереди забоя в породах основной кровли представлено графиком (1) на рис. 2. Напряжение начинает возрастать по мере формирования консоли зависания пород основной кровли. В момент образования закола напряжение достигает максимального значения, точка "М" на рис. 2.

С отрывом образовавшегося блока пород от верхних слоёв основной кровли напряжение в породах основной кровли снижается, а под действием веса обрушившегося блока происходит дальнейшее разрушение пород непосредственной кровли. При высыпании пород непосредственной кровли и образовании купола обрушившиеся породы основной кровли, теряя подпор, начинают смещаться и создавать значительно высокие нагрузки на секции крепи.

Оу

Рис. 2. Графики изменения напряжений в породах основной и непосредственной кровли в зоне опорного давления: 1- в основной кровле; 2 - в непосредственной кровле.

При этом происходит посадка стоек крепи "нажёстко", деформируются отдельные элементы крепи. Концентрация напряжений в зоне максимума опорного давления в основной кровле достигает 2,5(уН) и более (рис. 2). Высота куполов определяется мощностью непосредственной кров-

ли,

11-куп — Г1н-

Длина участка разрушения пород непосредственной кровли зависит от местоположения максимума опорного давления.

Установлено, что максимум опорного давления формируется впереди забоя на расстоянии 78м.

Длина зоны опорного давления изменялась от 34 до 62 м, для пластов I группы зону опорного давления можно определять по следующей формуле

1зод = К -

где Шпл — вынимаемая мощность пласта, м;

Н — глубина от дневной поверхности, м;

К — корректировочный коэффициент, величина которого может приниматься равной 1,12-1,3 в зависимости от прочности пород основной кровли.

Зона разрушения пород непосредственной

Рис. 3. Схема расчета параметров вывалообразования при неустойчивой непосредственной кровле (до обрушения основной кровли):Ираз - длина разрушения пород впереди забоя; /3- угол наклона линии обрушения пород, град; Ш - мощность пласта, м; Ин - мощность непосредственной кровли; ha.tr мощность активной кровли; Iраз - длина разрушаемого участка пород непосредственной кровли

кровли определяется зоной максимального опорного давления. Установлено, что в исследуемых условиях максимум опорного давления располагается от линии забоя на расстоянии 4,4-5 м.

Для определения местоположения максимума опорного давления можно использовать установленную эмпирическую зависимость

^шах в ' 1зод ’

где в — эмпирический коэффициент, величина которого составляет 0,12-0,13.

Длина зоны разрушения пород непосредственной кровли определяется величиной удаления максимума опорного давления от линии забоя

1раз 1шах + 1кр в ' 1зод + 1кр ,

где 1Кр — длина поддерживающей части секций крепи применяемого механизированного комплекса.

Условие разрушения пород непосредственной кровли породами основной кровли определяется следующим неравенством

ГК •

а • 1

сж.н раз

где уо —объёмный вес пород основной кровли,

т/м3;

Ио — мощность основной кровли в пределах мощности активной кровли, м;

1б —длина блока, равная длине шага обрушения основной кровли при вторичных осадках, м;

/ — коэффициент трения на контакте пород основной и непосредственной кровли;

1раз — длина участка, на котором происходит разрушение пород непосред ственной кровли, м;

а — угол, под которым происходит опускание породных блоков, составляет 60-70°.

Для пластов II группы, когда непосредственная кровля неустойчивая, а основная труднообру-шаемая схема взаимодействия основной и непосредственной кровли приведена на рис. 3, 4.

При выемке угля комбайном и передвижках крепи неустойчивая непосредственная кровля расслаивается и обрушается под крепь. При отсутствии обрушения основной кровли между выемочными циклами система "основная кровля - непосредственная кровля - крепь" сохраняет устойчивое состояние, хотя разрушение пород непосредственной кровли происходит, зона разрушения опережает забой на 1,5-2м.

Объём разрушенных пород приобретает фор-

Рис. 4. Схема расчета параметров вывалообразования при неустойчивой непосредственной кровле (при обрушении основной кровли): а - угол наклона блока в сторону выработанного пространства, град; I зак - опережение забоя заколом основной кровли; Иот - глубина отжима угля; Ивыт -высота смещения блока основной кровли и вытеснения пород непосредственной кровли; Ираз -

глубина разрушения пород впереди забоя.

му треугольника, рис. 3.

При выемке очередной полосы угля и передвижке секций крепи разрушенные породы непосредственной кровли прорываются в подкрепное пространство, при этом формируются купола на разных участках по длине лавы. Высота куполов зависит от скорости крепления забоя.

Расслоение пород непосредственной кровли происходит в объёме, описываемой фигурой АВСД. Для удобства оценки процессов взаимодействия указанную фигуру заменяем по рекомендациям [3] треугольником АВД, рис.3.

Основанием треугольника является мощность непосредственной кровли - АД, вершина треугольника - "В" опережает очистной забой и удалена вглубь массива на расстояние 1раз, кроме того, она разделяет мощность непосредственной кровли на две части, высота которых составляет кн/2.

При осадках основной кровли (рис.4) процесс вывалов пород непосредственной кровли существенно изменяется. Заколы в основной кровле образуются впереди забоя с опережением до 4-5м, а в непосредственной кровле при этом создаётся зона повышенного давления с опережением закола до 2 м и более. Под действием давления обрушенных пород основной кровли происходит отжим угля от забоя на глубину до 1-1,5м. Отжим угля приводит к обнажению кровли и вывалам разрушенных пород непосредственной кровли в подкрепное пространство, рис. 4.

Вывалообразование происходит со скоростью смещения обрушившихся блоков основной кровли, породы основной кровли сопровождают высыпающиеся породы непосредственной кровли, вытесняя их в подкрепное пространство. При этом образование куполов не происходит. Смещение блоков основной кровли по средним значениям составляют около 0,5Ън.

Таким образом, при обрушении основной кровли происходит два следующих процесса:

- разрушение пород непосредственной кровли и вытеснение их в подкрепное и выработанное пространство со скоростью смещения блоков основной кровли;

- увеличение зоны разрушения пород непосредственной кровли впереди забоя.

При отработке пластов данной группы основными параметрами, характеризующими процесс вывалообразования пород непосредственной кровли, являются те же параметры, которые были установлены при рассмотрении отработки пластов I группы: глубина разрушения пород непосредственной кровли "1раз" достигает до 5 м, глубина отжима угля - до 1,5 м, смещение блоков основной кровли по линии забоя - до 0,5кн, а при малой мощности непосредственной мощности - на величину Нн.

Устойчивое состояние системы "основная кровля - непосредственная кровля - крепь" опре-

деляется в основном мощностью пород непосредственной кровли и их прочностными свойствами.

Устойчивое состояние обеспечивается, если в каждой точке кривой АВД выполняется условие

Т < [т] ,

где т — фактические касательные напряжения, в породах непосредственной кровли;

[т] — предельные касательные напряжения в породах непосредственной кровли,

т - 1 '

. , ]

[т] - —; <7)

Рв - Р уН;

Рг - X- р-уН

в - коэффициент концентрации напряжений в породах непосредственной кровли, принимается 1,7;

к =

- коэффициент бокового распора;

1 — ^

/л - коэффициент Пуассона для пород непосредственной кровли;

[&сж:] - сопротивление пород непосредственной кровли на сжатие.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы..

1. Взаимодействие основной и непосредственной кровли является сложным процессом и зависит от типа пород непосредственной и основной кровли, их мощности, физико-механических свойств.

1.1. В любом случае основная кровля передаёт давление на непосредственную кровлю впереди очистного забоя, создавая в зоне опорного давления повышенные напряжения, вызывающие деформацию пород непосредственной кровли.

1.2. От состояния пород непосредственной кровли зависит процесс взаимодействия механизированной крепи с вмещающими породами, а степень деформации пород непосредственной кровли зависит от её прочности и устойчивости при обнажении.

2. При отработке пластов I группы установлено следующее.

2.1.При породах непосредственной кровли средней устойчивости и труднообрушаемых породах основной кровли до обрушения пород основной кровли непосредственная кровля обруша-ется за крепью с установившимся шагом, сохраняя устойчивое состояние впереди очистного забоя.

2.2.Обрушение пород основной кровли происходит с образованием заколов впереди забоя и созданием высоких напряжений в зоне опорного давления, вызывающих деформацию угля в краевой части пласта и пород непосредственной кровли. Концентрация напряжений при обрушении основной кровли достигает до 2,5(уН) и более.

2.3.Деформированные породы непосредственной кровли при их обнажении отжатой краевой частью пласта, при выемке угля и передвижке крепи обрушаются в подкрепное пространство с образованием куполов высотой, равной мощности непосредственной кровли

2.4.Установлено, что максимум опорного давления формируется впереди забоя в 4,4-5м, а зона разрушения пород непосредственной кровли достигает 5,5-6,5м, при этом условие разрушения пород непосредственной кровли определяется неравенством (4).

3. При неустойчивых породах непосредственной кровли и труднообрушаемых породах основной кровли процесс их взаимодействия и влияние на вывалообразование происходит иначе.

3.1.Непосредственная кровля до обрушения основной кровли деформируется впереди очистного забоя в зоне опорного давления. Форма разрушения пород непосредственной кровли в зоне опорного давления представляет собой треугольник, основание которого равно мощности непосредственной кровли, а высота - длине зоны разрушения пород. Вершина "В" треугольника (рис. 3) делит мощность непосредственной кровли ори-

СПИСОК

ентировочно на две равные части.

3.2.Разрушенные породы прорываются в под-крепное пространство при выемке угля и передвижке крепи, при этом происходит образование куполов с высотой равной мощности непосредственной кровли.

3.3.При обрушении основной кровли процесс вывала пород непосредственной кровли существенно изменяется: создаётся зона повышенных напряжений впереди очистного забоя, увеличивается длина зоны разрушения пород непосредственной кровли, происходит отжим угля от забоя и вытеснение разрушенных пород непосредственной кровли обрушившимися блоками основной кровли в подкрепное и выработанное пространство без образования куполов в кровле.

3.4.Устойчивое состояние пород в промежутках между осадками основной кровли определяется неравенством (5), когда фактические касательные напряжения, под действием которых происходит отрыв блоков пород от массива, не превышают предельные касательные напряжения для данных пород в каждой точке кривой АВД (рис.

3).

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дрейлинг А.И. Исследование геомеханических процессов в очистном забое при отработке мощных пологих и наклонных пластов./ А.И. Дрейлинг, М.И. Рыженков, В.М. Колмогоров, С.И. Калинин.// Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. Сб. науч. тр. №12, КузНИУИ. - Прокопьевск, 1997. - С.19-29.

2. Калинин С.И. Управление горным давлением при разработке пологих пластов с труднообрушае-мой кровлей на шахтах Кузбасса./ С.И. Калинин, А.Ф. Лютенко, П.В. Егоров, С.Г. Дьяконов.// Кемеровское кн. изд-во, 1991. - 247с.

3. Борисов А.А.. Механика горных пород и массивов. -М.: Недра, 1980. - 359с.

Автор статьи:

Гордеев Сергей Николаевич

- ген.дир. ООО «Талдинская горно-добывающая компания» Тел. 8-905-9188530

УДК: 622.272.6:622-112.3

С.Н. Гордеев

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В КРАЕВОЙ ЧАСТИ ПЛАСТА ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЕРУНАКОВСКОГО РАЙОНА

Для угольных пластов Ерунаковского района, как и для других месторождений Восточного Кузбасса, характерна значительная доля пластов с

неустойчивой кровлей, около 50% пластов имеют "ложную" кровлю. Дополнительно почти все пласты пересечены разрывными нарушениями. По фактору тектонической нарушенности в зависимости от отношения амплитуды смещения (Ъ) к

мощности пласта (ш) выделяется 4 группы шах-топластов:

— Ъ/ш < 0,1 - для таких нарушений достаточно большая, однако переход таких нарушений не оказывает какого-либо влияния на показатели работы очистного забоя;

— 0,1 < Ъ/ш < 0,5 - переход таких нарушений сказывается на показателях работы очистного за-

о

уН - давление пород наугольный пласт в нетронутом массиве; 00 - напряжение на краю массива;

Опах - напряжение в зоне максимального опорного давления; оур - нормальное напряжение в зоне предельного напряженного состояния; оу- нормальное напряжение в зоне упругого состояния массива; 1зод - ширин а зоны опорного давления;т - мощность пласта;Х - ширина выработанного пространства; 1шах - удаление максимума опорного давления от линии очистного забоя.

боя, нагрузка на забой снижается на 10-15%, нарушения относятся к легкопереходным;

- 0,5 < к/т < 0,1- эти нарушения относятся к труднопереходным. Доля таких нарушений достигает до 32% от общего числа шахтопластов. Нагрузка на очистной забой снижается при переходе нарушений на 25-40%;

- к/т > 0,1 - нарушения считаются неперехо-димыми механизированными комплексами без специальных мероприятий.

Вмещающие породы угольных пластов представлены преимущественно алевролитами, в меньшей степени - песчаниками и незначительно аргиллитами. Предельное сопротивление пород сжатию составляет соответственно песчаников -40-90МПа, алевролитов 30-60МПа, аргиллитов 2030МПа, устойчивость слоёв пород активной кровли меняется от неустойчивых до устойчивых, а обрушаемость активная кровля - от легко- до труднообрушаемой.

При отработке пластов с неустойчивой кровлей основными факторами, снижающими произ-

водительность очистного забоя, являются отжим угля от забоя и вывалы пород кровли с образованием в кровле куполов.Поэтому появляются дополнительные работы, простои очистного забоя.

По данным хронометража , в табл.1 приведена длительность дополнительных работ при отработке участков пластов в зонах интенсивного выва-лообразования.. В результате появления дополнительных работ производительность очистного забоя на участках с неустойчивой кровлей снижается в зависимости от длины участка с неустойчивой кровлей и определяется уравнением Он.у - 0 [1+0.0044'неуст]-1, где 0 - производительность забоя в нормальных условиях;

1неуст - длина участка с неустойчивой кровлей,

м (10 < 1Неуст < 100).

При отработке пластов с неустойчивой кровлей важным является вопрос знания геомехани-ческого состояния в краевой части пласта. Для

его оценки использовались результаты наблюдений, проведённые на шахтах «Талдинская-

Таблица 1.Длительность дополнительных работ в очистном забое в зонах интенсивного вывалообразования

Наименование дополнительных видов работ Затраты времени

ч/мес. % к общим простоям

Анкерование забоя 3-72 2-19

Заделка куполов 3-33 2-11

Возведение опережающей крепи 3-42 2-13

Разбивка и уборка породы 15-154 5-41

Западная», «Большевик», «Талдинская-Южная». В качестве основных показателей оценки:

- ширина зоны опорного давления;

- удаление максимума опорного давления от линии очистного забоя вглубь массива;

- величина напряжений в зоне максимума опорного давлении;

- концентрация напряжений в зоне максимума;

- высота деформации пород в зоне максимума опорного давления.

При теоретических исследованиях использовались основные положения методов решения задачи об опорном давлении [1, 2].

Схема распределения нормальных напряжений в краевой части пласта представлена на рис.1. Расчёт напряжений в ветвях кривой опорного давления производится по следующим формулам.

В зоне предельного напряжённого состояния

Оур - Оо вхр\-2 ^рх/(ъ'Ш)], где р - угол внутреннего трения угля, град; £

-^/(1-ц) - коэффициент бокового давления, л -коэффициент Пуассона для угля.

В зоне упругого состояния

Оу - уН-^+К'вхр^х/А)],

где К - опах /(уН) - коэффициент концентрации напряжений в зоне максимального опорного давления; X - половина размера выработанного пространства; у - средневзвешенный объёмный вес пород; Н - глубина горных работ.

С использованием указанных формул установлено влияние мощности отрабатываемого пласта, глубины горных работ на изменение параметров зоны опорного давления при отработке пласта 68 в условиях шахты. «Талдинская-Западная» и пластов 29а и 30 в условиях шахты «Большевик».

Длина зоны опорного давления зависит в основном от мощности пласта и глубины горных работ и выражается уравнением вида

1зод - (а + в шв) Нх, где шв - вынимаемая мощность пласта, м; Н - глубина горных работ, м; а, в, х - постоянные коэффициенты, значения которых для пластов с неустойчивой кровлей могут приниматься в пределах соответственно 1,87-1,9; 1,1-1,15 и 0,4-0,42.

На рис.2 представлены графики изменения длины зоны опорного давления от вынимаемой мощности при отработке участков пласта с неустойчивой непосредственной кровлей при легко-обрушаемых породах основной кровли и трудно-обрушаемых породах основной кровли.

Видно, что при легкообрушаемых породах основной кровли длина зоны опорного давления меньше, чем при труднообрушаемых породах. Это объясняется характером и параметрами обрушения пород основной кровли.

Концентрация напряжений в зоне опорного давления зависит от типа пород основной кровли. Труднообрушаемые породы обрушаются с зависанием в выработанном пространстве, при этом в зоне опорного давления формируется высокое давление с коэффициентом концентрации впереди лавы достигающим 4 и более, (К > 4). Величина коэффициента концентрации зависит от многих факторов: длины лавы, скорости подвигания лавы, мощности основной кровли, мощности непосредственной кровли, типа механизированной крепи.

При слабых прочностных свойствах пород непосредственной кровли, непосредственная

кровля раздавливается в зоне опорного давления.

Удаление максимума опорного давления от линии очистного забоя для пологих пластов мож но определять по следующей формуле [2]

Ь-О.д.

80

70 -I-60 50 40 -30 -20 -10 -

1,5 2 2,5 3 3,5 4 т*з,

Рис. 2. Влияние вынимаемой мощности пластана длину зоны опорного давления впереди очистного забоя: 1, 2 - для труднообрушаемыхпород при глубине работ 200 и 400м; 3, 4 - для легкообрушаемых

пород при глубине работ 200 и 400м

уН

2

У' / 1

°

1 2 3

Мощность пласта, м

5 т,

б)

-Стах, м

2 3

Мощность пласта, м

Рис.3. Зависимость удаления максимума опорного давления вглубь массива (б) и коэффициента концентрации напряжений в ээне максимума опорного давления (а) от мощности готаста: 1 - пласты с неустойчивой кровлей; 2 - пласты с труднообрушаемой кровлей

1шах ш'

Л

0,85

КЗ

(Л — 0,08гЛ

I1 — е )•>

0,01г°

где

КЗ

3,6

— 7,28

1 + е

массиве на линии очистного забоя;

напряжение в

/ср - средневзвешенный коэффициент крепости угольного пласта, см.табл. 4.5 [2];

уср - средневзвешенный объёмный вес пород кровли;

^ =15.1./ (в -Ул)- приведённое время между циклами выемки угляж

в - ширина захвата комбайна;

ил - скорость подвигания лавы за сутки;

Гв° - установившийся шаг обрушения основной кровли при вторичных осадках.

в

в

4

5

— 0,33

он ах Ср_ Ос ж

Рис.4. Зависимость кратности отношения максимального напряжения в зоне опорного давления к сопротивлению сжатия породы от коэффициента концентрации напряжений в зоне опорного давления:1 - Осж - 21-ЗОМПа;2 - Осж - 10 - 20МПа;3 - Осж - 8 - 9МПа

Из приведенных на рис.3 результатов расчётов местоположения максимума опорного давления и коэффициента концентрации напряжений в зоне максимального опорного давления видно, что с ростом вынимаемой мощности пласта концентрация напряжений в краевой части снижается, а максимум опорного давления смещается от кромки забоя вглубь массива. На пластах с неустойчивой и труднообрушаемой кровлей разница лишь в количественных значениях указанных параметров зоны опорного давления: при труднооб-рушаемой кровле максимум опорного давления с ростом мощности пласта смещается вглубь массива больше, чем при неустойчивой кровле, и

коэффициент концентрации напряжений имеет большие значения при равных мощностях.

В зоне максимума опорного давления происходит деформация пород непосредственной кровли, степень деформации определяется величиной коэффициента концентрации напряжений в зоне опорного давления. Наибольшей деформации подвергаются слои пород непосредственной кровли, имеющие повышенную слоистость и незначительную прочность. По результатам шахтных наблюдений и исследований, выполненных КузНИ-УИ [3] построена графическая зависимость возможной деформации пород непосредственной кровли в зоне опорного давления. Вынимаемая мощность пластов изменялась от 1,5 до 4м, коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления менялся от 1,6 до 5,0, а местоположение максимума опорного давления от 3,9 до 5,5м. Породы непосредственной кровли по прочностным свойствам были разделены на 3 группы: сопротивление сжатию 30-20, 20-10 и 10-8 МПа.

Возможность деформации пород оценивалась кратностью отношения напряжений в зоне опорного давления к сопротивлению пород сжатию

ф - Ошах / Осж(г) ,

где ошах - максимальные напряжения в зоне опорного давления; осж(г) - сопротивление сжатию пород указанных групп. Изменения значения "ф"

приведены графиками на рис.4.

При ф > 1 породы непосредственной кровли будут деформироваться, а при обнажении и передвижке секций крепи высыпаться в призабойное пространство с образованием куполов в кровле и осложнением взаимодействия крепи с кровлей.

Из рис.4 видно, что породы непосредственной кровли разрушаются в зоне опорного давления при следующих значениях:

- при Осж 21-30МПа — К - 4,5;

- при Осж 10-20МПа — К - 3-3,2;

-при Осж 8-9МПа — К - 2,5-2,8.

При труднообрушаемых породах основной кровли вывалообразование разрушенных пород непосредственной кровли в подкрепное пространство проявляется интенсивнее, чем при породах средней обрушаемости и легкробрушаемых.

Таким образом, установлено следующее:

- оценка геомеханического состояния в краевой части пластов может производиться путём использования параметров зоны опорного давления - длины зоны, удаления максимума опорного давления от краевой части пласта, максимального напряжения в зоне опорного давления, коэффициента концентрации напряжений в зоне максимума опорного давления;

- с увеличением мощности отрабатываемого пласта происходит существенное изменение параметров зоны опорного давления: длина зоны опорного давления при прочих неизменных условиях увеличивается, максимум опорного давления от кромки краевой части пласта удаляется далее вглубь массива, а коэффициент концентрации напряжений в краевой части пласта снижается;

- неустойчивые породы непосредственной кровли в зоне опорного давления разрушаются, нарушая процесс взаимодействия механизированной крепи. Разрушенные породы непосредственной кровли высыпаются в подкрепное пространство, ведут к образованию куполов в кровле, отжиму угля от забоя и аварийным простоям лав.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Расчёт и экспериментальная оценка напряжений в целиках и краевых частях пласта (Методические указания). Л.: ВНИМИ, 1973. - 130.

2. Указания по разработке паспортов крепления очистных забоев с индивидуальной крепью. Прокопьевск, 1981. - 68с.

3. Колмогоров В.М. Разработка и внедрение полимерных композиций и технологий, повышающих эффективность и безопасность отработки угольных пластов с неустойчивыми вмещающими породами на шахтах Кузбасса./В.М. Колмогоров, М.И. Рыженков, В.И. Климов, С.И. Калинин. Под редакцией академика АГН П.В. Егорова. Кемерово, 1999. - 164.

Автор статьи:

Гордеев Сергей Николаевич

- ген.дир. ООО «Талдинская горно-добывающая компания»

Тел. 8-905-9188530