Исследование влияния угла падения угольного пласта на распределение смещений подрабатываемых пород кровли

Поэтому деформационные замеры, производимые на контуре выработки характеризовали состояние массива в целом. Предложенный новый параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, позволяющий ввести количественную классификацию со-

1. Физическая макромеханика и компьютерное конструирование материалов. 1995 - Новосибирск: Наука Т.1 СИФР, С. 365

2. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Егорушкин В.Е. и др. Спектр возбужденных состояний и вихревое механическое поле в деформируемом кристалле. // Изв. Вузов. Физика. 1987, №1, с. 34-51.

3. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю.

Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в око-ловыработочном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава. // Горный информационный аналитический бюллетень. - М.: Изд-во

МГГУ. 2003, №11, с. 26-29.

4. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения, состояния геологической гетерогенной среды и их динамики в рамках дискретной и иерархической модели. //Геомеханика в горном деле. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003. с. 30-38.

5. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения и состояния геологической гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной иерархической модели // Российский геофизический журнал, 2004, № 33-34, С. 32-37.

6. Хачай О А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород. // Физика

Земли, 2001, №2, с. 85-92.

стояния массива в рамках трех градаций: устойчивый, неустойчивый и промежуточный. Проверка этого подхода осуществлена на данных пространственно-временного электромагнитного индукционного активного мониторинга.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7. Хачай О.А. Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии. // Физическая мезомеханика 7, Спец.выпуск, Ч.2., 2004, С. 292-295.

8. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Самарский А.А. Нестационарные структуры и диффузионный хаос.1992. - М.: Наука. Гл.ред физ.-мат.лит-ры.

9. Зеленяк Т.И. Качественная теория краевых задач для квазилинейных уравнений второго порядка параболического типа. - Новосибирск: Изд-во НГУ 1972, 147 с.

10. Хенри Д. Геометрическая теория полулинейных параболических уравнений - М.: Мир.- 1985. 376 с.

11. Карасик М.А. Послемагнитные рудные поля и их классификация. АН УССР, ИМР, Киев. 1963, с. 205.

12. Зубков А.В. Гипотеза нелинейного изменения гравитационно-тектонических напряжений с глубиной в верхней части земной коры.// Геомеханика в горном деле. ИГД УрО РАН, Екатеринбург, 2003., с. 17-21.

13. Нечкин Г.С. Естюнинское скарново-

магнетитовое месторождение и его место в Кушвин-ско-Высокогорской рудно-магматической системе. // УГГА, Екатеринбург, 2002г. Тезисы докладов III Все-уральского металлогенического совещания "Металлогения и геодинамика Урала. С. 87-89.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------

Хачай Ольга Александровна - доктор физико-минералогических наук, главный научный сотрудник, зав. гр. СЭМИ, Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург.

Хачай Олег Юрьевич - магистрант математико-механического факультета Уральского государственного университета.

--------------------------------------------------------------- © Л. Д. Павлова, 2005

УДК 622.831.232

Л.Д. Павлова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА ПАДЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СМЕЩЕНИЙ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ПОРОД КРОВЛИ

Семинар № 3

ри выемке угольного пласта слои по-

АЛ род кровли деформируются. Возникающим деформациям изгиба слоев соответствуют касательные напряжения в вертикальных сечениях, параллельных линии очистного забоя выработки. В случае наклонного залегания угольного пласта к этим напряжениям добавляются нормальные напряжения, действующие вдоль слоев кровли по направлению их падения: сжимающие в нижней части выработки и растягивающие - в верхней. Чем меньшей прочностью на изгиб и срез обладают породы непосредственной кровли, тем больше вероятность их обрушения.

Для исследования влияния угла падения угольного пласта на распределение параметров напряженно-деформированного состояния

(НДС) углепородного массива, используя пространственную расчетную модель деформирования и разрушения горных пород, разработанную на основе метода конечных элементов [1, 2], автором был проведен расчет параметров НДС в зоне влияния выемочного участка. Угол падения угольного пласта изменялся от -30 до 30° с шагом 10° по осям ОХ и ОУ Изменение угла падения угольного пласта по оси ОХ. На рис. 1, а приведены изолинии нелинейных горизонтальных смещений пород кровли для случая, когда угол падения угольного пласта по оси ОХ (ах) составляет 0°, на рис. 1, б - для случая, когда ах = 30°, а на рис. 1, в - для случая, когда ах = -30°.

Как следует из рис. 1, а, при горизонтальном залегании пласта изолиния с нулевыми горизонтальными смещениями располагается в выработанном пространстве верхних выемочных столбов 26-26 и 26-28 и почти симметрично относительно границ этих участков по простиранию пласта. Зависание пород кровли над

выработанным пространством выемочного столба 26-30 приводит к перемещению изолинии с нулевыми горизонтальными смещениями в сторону монтажной камеры.

Согласно рис. 1, а верхние секции КМЗ будут испытывать горизонтальные перемещения в сторону угольного массива, а нижние секции - незначительные смещения от линии забоя в сторону выработанного пространства. Над выработанным пространством выявлены два максимума горизонтальных смещений: на расстоянии 120 м от монтажных камер максимальные горизонтальные смещения направлены по оси ОХ в положительном направлении, а у демонтажных камер - обратном направлении.

Зона с максимальными вертикальными смещениями пород непосредственной кровли располагается в центре тяжести геометрической фигуры, образуемой выработанным пространством выемочных участков 26-26, 26-28 и 26-30.

При увеличении угла падения ах по оси ОХ от 0 до 30° с шагом 10° характер распределения постепенно изменяется от симметричного к асимметричному (рис. 1, б). Изолиния с нулевыми горизонтальными сдвижениями смещается по падению пласта почти параллельно монтажным камерам. В пределах почти всего выработанного пространства породы кровли смещены по линии падения пласта. Максимальные горизонтальные сдвижения в 1,5-2,0 раза больше при угле падения ах= 30° по сравнению с аналогичным параметром при отработке горизонтального пласта. Зона с максимальными горизонтальными сдвижениями (рис. 1, б) расположена в выработанном пространстве выемочных участков 26-26 и 26-28 почти в створе с линией очистного забоя 26-30.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

б 600500400300 20010!

‘ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

в 600500400300--200100--

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

По результатам расчета параметров НДС при изменении угла падения угольного пласта ах от -30 до 0° с шагом 10° по оси ОХ установлено, что в выработанном пространстве отра-

Рис. 1. Изолинии нелинейных горизонтальных смещений (и) пород непосредственной кровли: а - ах=0°; б -ах=30°; в - ах=-30°

ботанных выемочных столбов 2626 и 26-28 изолиния с нулевыми горизонтальными смещениями пород кровли смещается по падению пласта к демонтажным камерам, а вблизи очистного забоя отрабатываемого пласта 26-30 положение этой изолинии практически не изменилось (рис. 1, а и 1, в). Таким образом, в очистном забое угольный массив резко ограничивает горизонтальные смещения пород непосредственной кровли по падению пласта в положительном направлении оси ОХ.

На рис. 2 приведены графики смещений пород кровли на сопряжении конвейерного штрека и очистного забоя и на сопряжении вентиляционного штрека и очистного забоя при разных углах падения пласта по оси ОХ. Согласно графикам наибольшие горизонтальные смещения пород непосредственной кровли следует ожидать при отработке выемочного столба по восстанию пласта.

Для оценки устойчивости секций механизированной крепи при выемке угольного столба по падению и по восстанию пласта были вычислены горизонтальные смещения пород почвы пласта. По разности горизонтальных смещений точек на поверхности почвы и кровли пласта установлено, что при отработке выемочного столба по восстанию пласта при угле падения ах= 30° следует ожидать отклонение стоек механизированной крепи от вертикальной оси до 300 мм в сторону выработанного пространства на сопряжении очистного забоя с вентиляционным штреком.

Согласно рис. 1, б и 2, при движении очистного КМЗ на восстание пласта следует ожидать образование трещин и заколов в кровле

-А^— В

30

-200

Угол падения пласта по оси ОХ, град

пласта и перемещение породных блоков на величину 50-100 мм в сторону выработанного пространства. Наиболее интенсивное формирование таких блоков возможно над угольным массивом впереди очистного забоя и на верхнем сопряжении очистного забоя и вентиляционного штрека.

Изменение угла падения угольного пласта по оси 01. Для исследования влияния угла па-

§0о б0о ?0о 800'Жш

Рис. 2. Графики смещений пород непосредственной кровли на нижнем (А) и верхнем (В) сопряжении очистного забоя с выработками

дения пласта по оси ОУ на распределение горизонтальных смещений пород кровли было проведено моделирование отработки выемочных участков системой разработки длинными столбами по простиранию с полным обрушением пород кровли и выемкой угля длинными КМЗ. Выемочные столбы отрабатывались в нисходящем порядке (угол ау изменялся от 0 до 30° с шагом 10°) и в восходящем порядке (угол ау изменялся от -30 до 0° с шагом 10°).

На рис. 3, а приведены изолинии нелинейных горизонтальных смещений пород кровли для случая, когда угол падения угольного пласта по оси ОУ (ау) составляет 0°, на рис. 3, б - для случая, когда ау= 30° и на рисунке 3, в - для случая, когда ау= -30°.

Как следует из рис. 3а, изолиния с нулевыми горизонтальными смещениями расположена почти симметрично в выработанном пространстве выемочных столбов 26-26 и 26-28. Породы кровли смещаются по оси ОУ на 200-250 мм от границ угольного массива. Наибольшие горизонтальные смещения зафиксированы вблизи сопряжения очистного забоя и вентиляционного штрека. Секции механизированной крепи смещаются от конвейерного штрека в сторону вентиляционного штре-

ка. Образование заколов в кровле возможно по всей длине лавы.

При отработке выемочных полей выемочными участками в

Рис. 3. Изолинии нелинейных горизонтальных смещений (V) пород непосредственной кровли: а - Оу=0°; б -ау=30°; в - ау=-30°

100 200 300 400 500 600 70

Рис. 3, в

б 600 500 400 300 200 100

100 200 300 400 500 600 700

нисходящем порядке для случая, когда угольный пласт с углом падения ау= 30° отработан сверху выемочными участками 26-26 и 26-28 (рис. 3, б) горизонтальные смещения пород кровли в зоне влияния выработанного пространства этих участков и отрабатываемого столба 26-30 распределяются следующим образом.

Максимальные горизонтальные смещения по линии падения пласта (рис. 3, б) формируются в верхней части выработанного пространства. Величины максимальных горизонтальных смещений по линии падения пласта в 4-5 раз больше соответствующих смещений при отработке горизонтального пласта (рис. 3, а). Горизонтальные смещения пород кровли на границе отрабатываемого выемочного столба 26-30 близки к нулю и направлены в сторону восстания пласта.

При отработке выемочных полей выемочными участками в восходящем порядке (ау= -

30°) характер распределения изолиний горизонтальных смещений пород кровли (рис. 3, в) существенно отличается от расположения изолиний при отработке горизонтального пласта (рис. 3, а) и в нисходящем порядке (рис. 3, б).

При отработке выемочных полей по восстанию породы кровли смещаются по линии падения пласта как в выработанном пространстве выемочных участков 26-26, 26-28, так и в очистном забое выемочного столба 26-30. Максимальные горизонтальные смещения до 400 мм установлены на сопряжении нижнего штрека и очистного забоя.

Изменение угла падения угольного пласта по осям ОХ и 01. Эта ситуация возникает при необходимости подготовки и отработки угольных пластов выемочными столбами, расположенными диагонально относительно линии падения пласта. Выбор схемы планировки выемочного поля на диагональные выемочные столбы обусловлен следующими причинами:

• высокой обводненностью углепородного массива;

• предельным углом наклона линии очистного комплексно-

механизированного забоя (как правило, не более 25°);

• направлением кливажных трещин относительно поверхности очистного забоя;

• необходимостью расположения оси подготовительных выработок параллельно вектору главного напряжения в нетронутом углепородном массиве и др.

Для оценки горнотехнической и геомеха-нической ситуации при диагональном расположении выемочных столбов проведено численное моделирование распределения горизон-

Рис. 4. Изолинии нелинейных горизонтальных смещений пород непосредственной кровли (угол наклона пласта 30° по осям ОХ и ОУ): а - по оси ОХ

900 1000

600

500

400

300

200

100

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

тальных и вертикальных смещении при одновременном наклоне угольного пласта относительно осей ОХ и ОУ в пределах ±30° с шагом 10°.

Рис. 5. Изолинии нелинейных горизонтальных смещений пород непосредственной кровли (угол наклона пласта -

30°по осям ОХ и ОУ): а - по оси ОХ

На рис. 4, а, б приведены изолинии нелинейных горизонтальных смещений пород кровли по осям ОХ и ОУ соответственно, при нисходящем порядке отработки диагонально расположенных выемочных столбов (угол наклона пласта 30° по осям ОХ и ОУ). В этом случае угол падения пласта составляет 41°.

При отработке диагонально расположенных относительно линии наклона пласта выемочных столбов, отрабатываемых в нисходящем порядке (рис. 4, а), установлено, что изолиния с нулевыми горизонтальными смещениями пород непосредственной кровли смещается в сторону монтажных камер относительно положения этой линии при отработке горизонтального пласта (рис. 1, а). Вблизи очистного забоя смещения пород кровли направлены также в сторону выработанного пространства.

По характеру распределения горизонтальных сдвижений пород кровли при наклоне пласта только по оси ОХ (рис. 2, б) и наклоне пласта по обеим осям ОХ и ОУ (рис. 4, а) можно утверждать, что дополнительный наклон по оси ОУ (ау= 30°) способствует формированию более благоприятной ситуации в очистном забое выемочного участка 26-30, так как смещения пород кровли в сторону выработанного пространства по линии забоя в последнем случае в 2-3 раза уменьшаются, то есть устойчивость секций механизированной крепи при диагональном расположении выемочных столбов увеличивается при отработке

их в нисходящем порядке.

б

в

Этот же вывод подтверждается и по результатам анализа характера распределения горизонтальных смещений по оси ОУ при горизонтальном залегании пласта (рис. 2, а), наклоне пласта по оси ОУ на 30° (рис. 2, б) и при диагональном залегании угольного пласта (рис. 4, б).

Положение изолинии с нулевым горизонтальным сдвижением по оси ОУ, а также характер распределения остальных изолиний при диагональном расположении выемочного пласта (рис. 4, б) и при расположении выемочных столбов по простиранию пласта (рис. 2, б), почти идентичны. Следовательно, наклон пласта по оси ОХ не оказывает существенного влияния на распределение горизонтальных смещений по оси ОУ.

На рис. 5, а, б приведены изолинии нелинейных горизонтальных смещений пород кровли по осям ОХ и ОУ соответственно, при восходящем порядке отработки диагонально расположенных выемочных столбов (угол наклона пласта -30° по осям ОХ и ОУ). В этом случае угол падения пласта составляет -41°.

Следует отметить, что характер распределения горизонтальных смещений при отработке диагональных выемочных столбов в восходящем порядке (рис. 5, а, б) идентичен характеру распределения аналогичных смещений при отработке выемочных столбов по линии простирания (рис. 2, в и 3, в).

Для выявления закономерностей распределения вертикальных смещений пород кровли при разных углах падения пласта было проведено моделирование и вычислены относительные вертикальные смещения пород кровли при

1. Павлова Л.Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности подготовительной выработки / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. - 2003. - №

1. - С. 59 - 63.

Рис. 6. Изолинии относительных вертикальных смещений (№) пород непосредственной кровли: а - аху=0°; б -аху=30°; в - аху=-30°

изменении углов наклона пласта в пределах ±30° с шагом 10°. Относительные вертикальные смещения определялись как отношение вертикальных смещений пород кровли к вынимаемой мощности пласта. В качестве базового принят вариант распределения относительных вертикальных смещений пород кровли при горизонтальном залегании пласта (рис. 6, а).

При отработке выемочных столбов в нисходящем порядке (рис. 6, б) и в восходящем порядке (рис. 6, в) характер распределения вертикальных смещений аналогичен полученному при отработке горизонтального пласта (рис. 6, а), однако величины смещений при отработке наклонного пласта почти в 3 раза больше по сравнению со смещениями пород кровли горизонтального пласта.

Таким образом, по результатам моделирования можно утверждать, что зона с максимальными оседаниями пород кровли и, соответственно, обрушений пород кровли при отработке наклонных пластов существенно превышает аналогичную зону при отработке горизонтального пласта. Следовательно, вероятность обрушения пород кровли и, соответственно, формирование блоков, перемещающихся в выработанном пространстве в направлении падения пласта, выше, чем на пластах пологого падения.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки 2673. Пространственная расчетная модель динамического блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, Фрянов В.Н., Сиб. гос. индустр. ун-т. - №ОФАП 2673, № 50200300498; Дата регистр. 06.06.03.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Павлова Лариса Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк.

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор

Название работы

Специальность Ученая степень

НА УЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ЦЕНТР ПО БЕЗОПА СНОСТИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ГОСГОРТЕХНАДЗОРА РОССИИ

СИЛАНТЬЕВА Разработка методологического и организа- 05.26.03 к.т.н.

Лариса ционного обеспечения повышения качест-

Геннадьевна ва услуг в области промышленной безопасности

------------------------------------------------ © С.А. Рыбак, 2005

УДК 622.83 С.А. Рыбак

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОМ ГОРНОМ МАССИВЕ*

Семинар № 3

П

ри строительстве и эксплуатации никают проблемы с обеспечением их устойчи-

подземных сооружений, располо- вости.

женных в зоне тектонических нарушений, воз-