Шахтные инструментальные наблюдения конвергенции вмещающих пород в действующих очистных забоях

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

The method and some results of concrete bulkheads observed during hydraulic laying of used chambers are considered in the paper. The observations have determined that the watered tailings pressure applied on the bulkheads did not drop lower 0.25 MPa. Growing of concrete deformations due to the creep is also observed.

Key words: hydraulic laying, waterproof bulkhead, concrete deformation.

Sergeev Sergey Valentinovich, doctor of technical sciences, professor, sergeevabsu. edu. ru,Russia, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Zinchenko Aleksey Vladimirovich, senior researcher, lgsgdamail. ru, Russia, Belgorod, JSC "VIOGEM",

Sergeev Andrey Leonidovich, postgraduate, sergeevabsu. edu. ru,Russia,Russia, Belgorod, Belgorod National Research University

УДК 622.834.1

ШАХТНЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ КОНВЕРГЕНЦИИ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД В ДЕЙСТВУЮЩИХ

ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ

Е.Д. Стаднюк

Представлены результаты инструментальных наблюдении за ускорением конвергенции вмещающих пород в 7-й западной лаве пласта 1} шахты им. Челюскинцев и 8-й западной лаве пласта 14 шахты «Трудовская».

Ключевые слова: ускорение конвергенции, движение комбайна, простой комбайна, передвижка секций механизированной крепи, метод группового учета аргументов, интенсивность геомеханических процессов

Горные породы до проведения в них выработок находятся в состоянии напряженного геостатического равновесия. При ведении горных работ равновесие нарушается, и породы приходят в движение. Кинематика сдвижений горных пород является следствием проявления сложных геомеханических процессов, происходящих в толще пород при выемке угля.

Поскольку для наблюдений доступны в большей степени сдвижения слоев, непосредственно прилегающих к угольному пласту, шахтные наблюдения дают возможность изучения принципов проявления горного давления, проявляющегося в видимых сдвижениях кровли и почвы пласта.

_Геомеханика_

Проведенными ранее исследованиями было установлено, что ускорение конвергенции является критерием изменения напряжённо-деформированного состояния массива горных пород [1, 2], получены зависимости для определения ускорения конвергенции вмещающих пород по длине лавы [3-5], обосновано, что абсолютная величина ускорения конвергенции вмещающих пород является критерием определения длины концевых участков лавы [6-8], а также доказано, что максимальное воздействие технологических операций выемки угля и передвижки секций механизированной крепи проявляется на участке лавы длиной 40 м, по 20 м в обе стороны от места выемки, где происходит до 90 % смещений за время очистного цикла [9-12].

Данные, полученные во время инструментальных наблюдений, позволяют сделать выводы о природе сил, проявляющихся при ведении горных работ. Хронометражные наблюдения являются наиболее эффективным инструментом учета результатов функционирования технических и технологических решений с точки зрения их надежности [13].

Проведенные ранее шахтные исследования позволили получить исходные данные для комплексного решения вопросов взаимосвязи технологических операций в лаве и геомеханических процессов в породном массиве [14].

На шахте им. А.Ф.Засядько [3-5, 7-11], шахте им. Г. Димитрова [1, 2, 5], шахте им. В.М.Бажанова [6] и др. были проведены инструментальные исследования в очистных забоях и установлены закономерности протекания геомеханических процессов в горном массиве. При этом было установлено, что при выполнении операций по выемке угля и передвижке секций механизированной крепи скорость конвергенции вмещающих пород изменяется [1]. В зависимости от интенсивности выполнения основных производственных операций в очистном забое изменяется скорость протекания геомеханических процессов в горном массиве [2].

При достаточном удалении комбайна от измерительной стойки скорость опускания кровли составляет около 0,02...0,05 мм/мин и не зависит от операций по выемке угля [5].

Однако при приближении комбайна к измерительной стойке на расстояние 3-5 секций механизированной крепи (4,5.7,5 м) скорость опускания кровли начинает быстро увеличиваться. Наибольшее ее значение наблюдается в период прохода комбайна около измерительной стойки. Далее по мере удаления комбайна от измерительной стойки скорость опускания кровли убывает до 0,02.0,05 мм/мин [7].

Отрезок пути комбайна до измерительной стойки, на котором резко возрастает скорость опускания кровли, представляет собой зону влияния операций выемки угля впереди комбайна, длина которой составляет около 4,5.7,5 м. Аналогичный отрезок пути длиной 7,5.10,5 м был

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

зафиксирован при удалении комбайна от измерительной стойки. На этом участке скорость опускания кровли уменьшается до уровня, который предшествовал началу влияния выемки. Этот участок представляет собой зону влияния операций выемки угля позади комбайна.

Отмеченные изменения интенсивности опускания кровли наблюдались при каждом проходе комбайна в районе измерительной стойки.

Проводимые на шахте им. Челюскинцев и шахте «Трудовская» инструментальные наблюдения являются продолжением выполненных ранее шахтных исследований для дальнейшего изучения геомеханических процессов в горном массиве и влияния на них технологических операций в очистных забоях.

Цель данных инструментальных исследований- уточнить закономерности протекания геомеханических процессов в горном массиве в периоды отсутствия технологических операций по выемке угля и передвижке секций механизированной крепи.

Наблюдения в 7-й западной лаве пласта /1 проводились регулярно с 1 декабря 2011 г. по 15 января 2012 г. При этом было выполнено 46 циклов выемки угля комбайном и передвижки секций механизированной крепи. Общая продолжительность наблюдений составила 8 рабочих смен.

На основании анализа данных шахтных инструментальных наблюдений установлено что, при удалении комбайна более чем 20 м от измерительной стойки (рис. 2) интенсивность конвергенции не велика, а смещения горных пород не превышают 1 мм. Скорость опускания кровли на большом удалении составляла около 0,01.0,02 мм/мин и не зависела от операций по выемке угля и передвижки секций механизированной крепи.

Однако при приближении места выемки в очистном забое на расстояние 20 метров к измерительной стойке наблюдался рост интенсивности процессов сдвижения в боковых породах. Рост интенсивности сдвижений продолжался до момента снятия распора с ближайшей секции механизированной крепи, расположенной выше замерной станции. При этом скорость конвергенции на этом участке увеличивалась до 0,05 мм/мин.

В момент снятия распора в гидравлических стойках механизированной крепи происходило резкое увеличение скорости конвергенции боковых пород. При этом максимальная скорость конвергенции достигала значений 0,45 мм/с. Удаление технологических процессов очистного цикла сопровождалось снижением интенсивности конвергенции вмещающих пород до первоначального уровня.

На участке очистного забоя выше замерной станции выделены зоны влияния выемки угля комбайном, а также технологических операций по передвижке секций механизированной крепи.

Геомеханика

Отрезок пути комбайна длиной 20 м выше измерительной стойки характеризуется скачкообразным ростом интенсивности конвергенции вмещающих пород с последующим затуханием процессов сдвижения в породах кровли и почвы пласта. На этом участке скорость конвергенции боковых пород сначала резко увеличивалась до 26 мм/мин, а потом уменьшалась до уровня, который предшествовал началу влияния технологических операций очистного цикла. Этот участок состоит из зон влияния операций выемки угля за комбайном, а также операций по передвижке механизированной крепи.

Рис.1. График конвергенции боковых пород в лаве

Отмеченные изменения интенсивности опускания кровли наблюдались при каждом проходе комбайна в районе измерительной стойки.

Во время того, как комбайн находился в простое и не двигался в направлении к замерной станции, наблюдалось значительное снижение скорости конвергенции, однако не полное ее исчезновение.

Для более полного анализа результатов измерений было принято решение об обработке их с помощью математического моделирования.

Восстановление зависимостей выполнялось с помощью метода группового учета аргументов (МГУА) [15, 16]. Опорные функции были представлены полиномами второй степени [17]. Поскольку объёма исходных данных достаточно для рассмотрения задачи как определённой (т.е. массив исходных данных содержит достаточное количество отчетов для формализации зависимостей), то использовался однорядный алгоритм.

Массив данных результатов измерений разделен на две части (во время выемки угли и во время простоя комбайна) и обработан при помощи МГУА. В результате обработки получены следующие эмпирические зависимости изменения конвергенции вмещающих пород в лаве по времени.

1. Конвергенция пород в период работы комбайна по выемке угля и передвижке секций механизированной крепи

Ив = 1698 -34,272 • 10-3 • 12,мм.

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

2. Конвергенции в период простоя комбайна и отсутствия операций по передвижке секций крепи

Ип = 1690 -33,552 -10-4 • г2,мм.

По полученным зависимостям построены графики для наглядного сравнения процессов выемки угля и простоя (рис. 2 и 3).

Рис. 2. График зависимости величины конвергенции вмещающих пород от времени при работе комбайна по выемке угля в 7-й западной лаве

пласта

Рис. 3. График зависимости величины конвергенции пород от времени при простое комбайна в 7-й западной лаве пласта ^

Дифференцирование по времени зависимостей 1 и 2 позволило определить ускорение конвергенции вмещающих пород для периодов выемки угля и простоя комбайна:

С2И С2

а

а п =

Ж2 Ж2

С2И = С2

0,0685; 1а1« 0,07 мм/мин2

= - 0,0067 ; |а I« 0,007 мм/мин2.

Л2 С2

Анализ графиков и зависимостей (3) и (4) показал, что при отсут-

_Геомеханика_

ствии операций по передвижке секций механизированной крепи процесс конвергенции не прекращается, однако абсолютная величина ускорения конвергенции вмещающих пород уменьшается на порядок.

Также полученные измерения и зависимости подтверждают следующие полученные ранее результаты измерений конвергенции в действующих очистных забоях.

Зона влияния технологических операций очистного цикла составила 40 м - по 20 м в обе стороны от фиксированной точки в очистном забое. В этой зоне при выемке угля комбайном и передвижке механизированной крепи происходит до 90 % смещений, происходящих за время очистного цикла.

Анализ шахтных инструментальных наблюдений и полученных значений скоростей конвергенции вмещающих пород показал, что до подхода технологических операций очистного цикла к фиксированной точке в очистном забое раздельное влияние операций по выемке угля комбайном и передвижке механизированной крепи установить не представляется возможным. На этом участке смещения не превышают 10 % от абсолютных значений конвергенции в зоне влияния технологических операций очистного цикла. Логично предположение, что эти операции оказывают одинаковое воздействие на интенсивность процесса смещения массива горных пород.

20-метровый участок удаления технологических операций очистного цикла от фиксированной точки в лаве можно разделить на две зоны: влияния выемки угля и совместного влияния операций выемки угля комбайном и передвижки механизированной крепи. Участок влияния технологических операций по выемке угля комбайном расположен позади места выемки в лаве и составляет 11...12 м. На этом участке происходит до 37 % всех смещений в зоне влияния технологических операций очистного цикла или до 42 % смещений на участке удаления технологических операций по выемке угля и передвижке механизированной крепи от фиксированной точки очистного забоя.

Результаты инструментальных наблюдений в 7-й западной лаве пласта 11 шахты им. Челюскинцев подтвердили и уточнили полученные ранее значения ускорения конвергенции вмещающих пород в периоды выемки угля комбайном и передвижки секций механизированной крепи.

Кроме того, при проведении инструментальных наблюдений в 7-й западной лаве пласта 11 шахты им. Челюскинцев было измерено ускорение конвергенции вмещающих пород в период простоя комбайна и отсутствия операций по передвижке секций механизированной крепи.

Впервые установлено, что в периоды простоя комбайна и отсутствия операций по выемке угля и передвижке секций механизированной крепи абсолютное значение ускорения конвергенции вмещающих пород на

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

порядок уменьшается.

Наблюдения в 8-й западной лаве пласта /4 проводились регулярно с 10 января 2013 г. по 20 февраля 2013 г. При этом было выполнено 60 циклов выемки угля комбайном и передвижки секций механизированной крепи. Общая продолжительность наблюдений составила 6 рабочих смен.

По результатам эксперимента построены планограмма работы комбайна и график конвергенции вмещающих пород (рис. 4).

В момент прохода комбайнового уступа мимо замерной станции был зафиксирована краткосрочная (в течение 5 с) дивергенция (расслоение) вмещающих пород. Величина дивергенции составила 0,1 мм.

При передвижке секций было зафиксировано более интенсивное изменение скорости конвергенции, чем во время прохода комбайна мимо замерной станции.

Анализ проведенных измерений показал, что на изменение скорости конвергенции вмещающих пород в большей степени влияет процесс передвижки секций механизированной крепи, чем процесс выемки угля комбайном.

Более интенсивное изменение скорости конвергенции вмещающих пород зафиксировано после прохода комбайна мимо замерной станции, интенсивное изменение скорости смещения краевой части угольного пласта происходило до подхода комбайна к замерной станции.

При удалении комбайна более чем на 20 м от замерной станции интенсивность конвергенции вмещающих пород и отжима краевой части угольного пласта не велика. При этом общее смещение вмещающих пород не превышает 3 мм.

Участок очистного забоя - 20 м впереди первого шнека комбайна и 35 м позади его - характеризуется ростом интенсивности конвергенции вмещающих пород с последующим затуханием процессов сдвижения в породах кровли и почвы пласта. На этом участке конвергенция боковых пород сначала увеличивалась, а потом уменьшалась до уровня, который предшествовал началу влияния технологических операций очистного цикла. Причём снятия распора в гидравлических стойках механизированной крепи при передвижке секции обуславливает резкое увеличение конвергенции боковых пород.

Дальнейшее выполнение технологических операций по передвижке механизированной крепи сопровождается аналогичными резкими изменениями скорости конвергенции вмещающих пород. Однако абсолютные значения скорости конвергенции уменьшаются по мере увеличения расстояния от замерной станции до места передвижки механизированной крепи.

На удалении от замерной станции более 30.35 м технологические операции по передвижке механизированной крепи оказывают незначитель-

Геомеханика

ное влияние на интенсивность смещений.

В момент прохода комбайна замерной станции был зафиксирован эффект дивергенции. Установлено, что в момент прохода первого по ходу комбайна шнека измерительной стойки стрелка ИЧТ-0,01 двигалась в обратную сторону, при этом величина дивергенции составила 0,1 мм. В остальное время при проходе комбайна замерной станции наблюдалась постоянная скорость конвергенции вмещающих пород вплоть до момента передвижки первой секции механизированной крепи позади комбайна. Предполагается, что эффект дивергенции возникает за счёт изгиба пород кровли пласта при их провисании позади комбайна. Провисание обусловлено достаточно большой площадью обнажения кровли пласта из-за не возможности произвести передвижку секции механизированной крепи сразу за проходом первого шнека комбайна.

6

Рис. 4. Планограмма работы комбайна, совмещенная во времени с графиком конвергенции вмещающих пород: а - планограмма работы комбайна

Зона влияния технологических операций очистного цикла составила 20 м до подхода комбайна к замерной станции и 35 м ниже замерной станции. В этой зоне при выемке угля комбайном и передвижке механизированной крепи происходит до 90% смещений вмещающих пород и отжима пласта за всё время очистного цикла.

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

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Результаты инструментальных наблюдений в 7-й западной лаве пласта 11 шахты им. Челюскинцев и 8-й западной лаве пласта /4 шахты «Трудовская» подтвердили и уточнили полученные ранее значения ускорения конвергенции вмещающих пород в периоды выемки угля комбайном и передвижки секций механизированной крепи.

2. При проведении инструментальных наблюдений в 7-й западной лаве пласта /1 шахты им. Челюскинцев было измерено ускорение конвергенции вмещающих пород в период простоя комбайна и отсутствия операций по передвижке секций механизированной крепи.

3. Впервые установлено, что в периоды простоя комбайна и отсутствия операций по выемке угля и передвижке секций механизированной крепи абсолютное значение ускорения конвергенции вмещающих пород на порядок уменьшается.

Список литературы

1. Антипов И.В., Ильюшенко В.Г., Кравченко В.Е. Ускорение конвергенции вмещающих пород в очистных забоях // Физико-технические проблемы горного производства. Донецк: Институт физики горных процессов НАН Украины, 1999. С. 56-63.

2. Антипов И.В., Кравченко В.Е., Щербинин Д.В.Шахтные исследования конвергенции вмещающих пород // Уголь Украины. 2000. № 10. С. 24-27.

3. Ускорение конвергенции вмещающих пород в очистных забоях / Е.Л.Звягильский [и др.] // Уголь Украины. 2002. № 8. С.33-36.

4. Шахтные исследования и моделирование геомеханических процессов / И.В. Антипов [и др.] // Геотехническая механика. ИГТМ НАН Украины 2003. № 30. С. 160-165.

5. Антипов И.В., Савенко А.В., Грядущий В.Б. Комплексные натурные исследования в 6-й западной лаве уклонного поля пласта т3 шахты им. В.М. Бажанова // Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли. Макеевка: МакНИИ, 2004. С. 138-141.

6. Филимонов П.Е. Формализация процесса конвергенции вмещающих пород в высокопроизводительном очистном забое // Геотехническая механика: сб. научн. тр. ИГТМНАНУ. 2004. Вып. 48. С. 153-163.

7. Антипов И.В., Савенко А.В. , Сухаревский Э.Ю. Комплексные натурные исследования в 17-й восточной лаве пласта т3 АП "Шахта им. А.Ф.Засядько" // Проблеми прського тиску. ДонНТУ. 2005. № 13. С.213-222.

8. Савенко А.В. Оценка напряженно-деформированного состояния

_Геомеханика_

массива горных пород по величине ускорения конвергенции // Геотехническая механика: межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехнической механики им. М.С. Полякова НАЛ Украины. Вып. 65. Днепропетровск, 2006. С. 156-166.

9. Антипов И.В., Савенко А.В. Обоснование комбинированной схемы передвижки секций механизированной крепи в высокопроизводительных очистных забоях на глубоких горизонтах / Проблемы горного дела и экологии горного производства: монография. Донецк: "Вебер", 2007. С. 9-15.

10. Антипов И.В., Турбор И.А. Оценка надежности горнодобывающих технологий вероятностно-физическими методами // Физико-технические проблемы горного производства. Вып. 14. Физико-технические основы оценки состояния углепородного массива. Донецк: Институт физики горных процессов НАЛ Украины, 2011. С. 106-114.

11. Ивахненко А.Г. Метод группового учета аргументов в задачах прогнозирования// Автоматика. 1976. № 6. С.24-34.

12. Антипов И.В., Шкуматов А.Н. Моделирование производственных процессов методом группового учета аргументов // Проблемы экологии: общегосударственный научно-технический журнал. 2000. № 1. С. 5-9.

13. Юрачковский Ю.П. Восстановление полиномиальных зависимостей на основе самоорганизации // Автоматика. 1981. № 4. С. 15-20.

Стаднюк Екатерина Дмитриевна, асп., katya. nagornayaggmail. сот, Украина, Донецк, Институт физики горных процессов Национальной академии наук Украины

MINE INSTRUMENTAL OBSERVA TIONS OF SURROUNDING ROCK CONVERGENCE INACTIVE BREAKAGE FACES

E.D. Stadnyuk

The results of instrumental observations of the acceleration of convergence of the country rocks in the 7 th western lava formation lj mine them. Chelyuskintsev and 8 th western lava formation l4 mine "Trudovskaya. " are presented.

Key words: acceleration of convergence, simple combine, shifting of powered roof support sections, group method of data, the movement of the combine, the intensity of the geomechanical processes

Stadnyuk Kateryna Dmitrivna, postgraduate, katya. nagornaya a gmail. com, Ukraine, Donetsk, The Institute Physics of Mining processes of the National Academy Sciences of Ukraine