Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое

На підставі прогнозу стійкості безпосередньої кровлі очісного забою обгрунтовані раціо- нальні заходи щодо забезпечення стійкості порід в складних геомеханічних умовах. Optimal measures have been selected to provide immediate roof stability in a longwall face that retreats over abutment zones....

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Геотехническая механика
Date:2007
Main Author: Ефремов, И.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України 2007
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31459
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое / И.А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 290-299. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859901880117755904
author Ефремов, И.А.
author_facet Ефремов, И.А.
citation_txt Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое / И.А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 290-299. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Геотехническая механика
description На підставі прогнозу стійкості безпосередньої кровлі очісного забою обгрунтовані раціо- нальні заходи щодо забезпечення стійкості порід в складних геомеханічних умовах. Optimal measures have been selected to provide immediate roof stability in a longwall face that retreats over abutment zones.
first_indexed 2025-12-07T15:57:39Z
format Article
fulltext 290 Выпуск № 73 УДК 622.283 Ефремов И.А. ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ КРОВЛИ В ДЕЙСТВУЮЩЕМ ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ На підставі прогнозу стійкості безпосередньої кровлі очісного забою обгрунтовані раціо- нальні заходи щодо забезпечення стійкості порід в складних геомеханічних умовах. THE FORECAST OF THE STABILITY OF THE NETHER ROOT IN THE OPERATIVE WORKING FACE Optimal measures have been selected to provide immediate roof stability in a longwall face that retreats over abutment zones. В настоящее время существует множество подходов к оценке и прогнозу ус- тойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое. При проектировании очистных работ обязательно используется стандартная мето- дика, основанная на классификации кровель по ДонУГИ [1] или ВНИМИ [2]. Эти классификации основаны на феноменологическом подходе и позволяют дать качественную оценку кровли с точки зрения ее обрушаемости. Несмотря на то, что методика ДонУГИ или ВНИМИ предельно проста и удобна для ис- пользования, она не дает количественной оценки и носит выраженный качест- венный характер. Отметим также, что указанная методика дает общую оценку обрушаемости, не разделяя обрушаемость непосредственной кровли позади ре- жущего ряда крепи и в рабочее пространство действующего очистного забоя. Если первый физический процесс является благоприятным с точки зрения управления кровлей, то второй играет весьма отрицательную роль, снижая безопасность работ, ухудшая качество добываемого угля и увеличивая износ забойного оборудования. Еще одним серьезным недостатком стандартной методики оценки обрушае- мости кровли является то, что оценка обрушаемости делается только на осно- вании анализа прочности и строения кровли. Вместе с тем обрушение кровли является сложным физическим процессом, который начинается с разрушения пород, слагающих эту кровлю. Обрушение может не последовать сразу за про- цессом разрушения, однако без разрушения кровля не обрушится. Сам процесс разрушения определяется не прочностью пород, а соотношением прочности и действующих напряжений. На этих соотношениях построены все современные теории прочности твердого тела и, в частности, горных пород. В связи с этим в данной работе используется методика, которая применя- лась для прогноза обрушения непосредственной кровли c учетом строения по- род кровли, их прочности, конфигурации смежных с действующей лавой выра- ботанных пространств и скорости подвигания лавы. Методика предусматрива- ет пересчет напряженного состояния массива, окружающего действующую ла- ву по мере ее подвигания и выборку максимальных значений динамического опорного давления впереди лавы. Перед расчетом напряжений вводят и интер- полируют механические свойства вмещающих пород. Интерполяцию произво- дят в каждом узле расчетной сетки, где получают значения действующего "Геотехническая механика" 291 опорного давления. После этого в каждом узле расчетной сетки по площади выемочного столба определяют величину критерия устойчивости по соотноше- нию действующих напряжений и прочности пород. Именно такой подход га- рантирует максимальную достоверность результатов прогноза в пространстве выемочного столба. Прогноз обрушаемости непосредственной кровли в рабочее пространство иллюстрируется на примере 3-й западной лавы пласта l4 Третья западная лава пласта l4 будет работать в сложных горно- геологических условиях и примыкать к ранее отработанному пространству 2-й западной лавы (рис. 1). Средняя глубина разработки составляет 820м, выни- маемая мощность пласта изменяется в пределах 0,9-1,15м. В непосредственной кровле расположен слой неустойчивого аргиллита мощностью до 1м, который склонен к обрушению в рабочее пространство действующего очистного забоя при превышении горного давления допустимого уровня. Прочность породы на одноосное сжатие составляет 30-35МПа, на растяжение 0,8МПа. Вообще такая прочность при надлежащем состоянии механизированной крепи и достаточной скорости подвигания очистного забоя сохраняет устойчивость. Однако опыт отработки 1-й и 2-й западных лав показал, что в определенных условиях устой- чивость указанного слоя не сохраняется, что видно по множеству зафиксиро- ванных участков, где произошло обрушение неустойчивого слоя пород непо- средственной кровли (см. рис. 1). Выше расположен породный слой алевролита, мощность которого составля- ет около 5,7м, а прочность на одноосное сжатие изменяется в пределах 50- 60МПа (рис. 6.4). Далее залегает достаточно прочный песчаник мощностью 6,2м. В непосредственной почве расположен неустойчивый прослоек аргиллита. Мощность этого слоя составляет от 0,6 до 1,2м. Опыт работы 2-й западной лавы показал, что непосредственная почва пласта склонна к разрушению во время передвижки секций механизированной крепи, в результате чего местами возни- кает необходимость подрывки породного слоя. Ниже располагается двухметро- вый слой устойчивого песчаника, подстилаемый породами песчано-глинистого состава. Характерные формы обрушения непосредственной кровли в рабочее про- странство действующего очистного забоя встречаются разные. При работе 2-й западной лавы напротив секции 110 зарегистрирован несимметричный вывал кровли вытянутой формы. Высота обрушения составляет 0,7-0,8м. В районе секции 160 образовалось обрушение высотой 1,6м. При этом осуществлена подрывка неустойчивой почвы пласта. Местами высота вывалов достигает 2,2м, что сильно затрудняет процесс безопасной и производительной выемки уголь- ного пласта. Задача прогноза обрушаемости непосредственной кровли решалась в не- сколько этапов согласно методики, описанной в [3]. Вначале в окрестности вы- емочного столба 3-й и 2-й западных лав были выбраны скважины с таким рас- четом, чтобы охватить равномерно всю площадь отработки западного крыла 292 Выпуск № 73 панели. Затем произведена выборка имеющихся данных по прочностным и де- формационным свойствам кровли и почвы пласта. Деформационные показате- ли вмещающих пород использовались для расчета напряжений, действующих вокруг движущегося очистного забоя. Прочностные показатели нужны для оценки величины критерия устойчивости кровли отрабатываемого пласта. Все прочностные показатели и деформационные свойства вмещающих по- род приводились к уровню кровли пласта исходя из следующего принципа. Прочность каждого слоя учитывалась пропорционально его мощности и обрат- но пропорционально расстоянию от центра тяжести слоя до кровли угольного пласта. Такой подход позволил учесть участие всех слоев кровли в сопротивле- нии силам горного давления. Однако наибольший вклад вносили слои, приле- гающие непосредственно к угольному пласту. Затем расчетная область разбивалась на сетку размером 25м х 25м. В каж- дом узле расчетной сетки приведенная прочность интерполировалась на осно- вании известных данных, заведенных в точки с координатами, в которых име- лись скважины. Таким образом получены распределения приведенной прочно- сти кровли пласта по всей площади выемочных столбов 2-й и 3-й западных лав. Распределение прочности по площади выемочного столба каждой из упомя- нутых лав достаточно неравномерное и изменяется в 1,6 раза. При этом мень- шая приведенная прочность кровли приурочена к восточному участку выемоч- ных столбов. Такой детальный учет прочностных свойств пород кровли повы- шает достоверность результатов прогноза. На следующем этапе необходимо учесть влияние всех выработанных про- странств, которые были отработаны до ведения очистных работ во второй и третьей западных лавах. В связи с тем, что шахта им. Засядько отрабатывает свиту сближенных пластов, необходимо учесть все выработанные пространст- ва, которые оказывали влияние на возмущение напряженного состояния участ- ка пласта l4. Чем дальше располагался смежный пласт от пласта l4, тем большая площадь выработанных пространств учитывалась от этого пласта. Это значит, что влияние вышележащих пластов учитывалось с учетом угла распростране- ния опорного давления по нормали к напластованию, а нижележащих пластов с учетом угла сдвижения [4]. Сложность задачи состояла в том, что выше пласта l4 располагались работы пластов l8 1 и m3 , а ниже пластов k8 и l1. Всего было учтено влияние вырабо- танных пространств от 31 условной лавы на смежных пластах и от двух лав на собственном пласте. Условные лавы объединялись из нескольких лав, если по- сле их отработки прошло 10 лет и более. Недавно отработанные пространства вводились отдельно. Размеры расчетной области были приняты 2800м по про- стиранию и 3000м по падению. При длине выемочного столба 3-й западной ла- вы 1км такой запас гарантирует правильность результатов моделирования пе- рераспределения горного давления и параметров зон ПГД в частности за счет удаления границ расчетной области от краевых частей исследуемого выемочно- го столба на расстояние около 1км. "Геотехническая механика" 293 Рис. 1 – Фрагмент плана горных выработок в окрестности выемочного столба 3-й западной лавы 294 Выпуск № 73 Все пространства вводились в течение восьми этапов развития очистных ра- бот. В отдельные этапы объединялись те лавы, которые отрабатывались при- мерно в одно и то же время независимо от пласта. В тех случаях, когда вырабо- танные пространства в плане имели сложную конфигурация, например изломы, усечения и т.п., они набирались из отдельных участков с таким расчетом, чтобы максимально учесть их форму. Такой подход позволил достичь требуемой точ- ности расчетов за счет учета реальной произвольной формы выработанных про- странств с точностью ±25м. При длине выемочного столба порядка километра такая точность была вполне достаточной для достоверной оценки перераспре- деления горного давления на всех этапах развития очистных работ. Необходимо отметить, что наряду с прочностными свойствами учитывались и реологические параметры вмещающих пород, что позволило учесть релакса- цию напряжений от выработанных пространств, отработанных ранее. На рис. 2 показано окончательное распределение горного давления на момент, предшест- вовавший отработке 3 западной лавы. Видно, что вертикальная компонента горного давления распределена по площади расчетной области весьма нерав- номерно. Минимальный уровень горного давления отмечается в районе выра- ботанных пространств 1-й и 2-й западных лав пласта l4, которые были отрабо- таны последними. У нижней границы выработанного пространства 2-й запад- ной лавы наблюдается зона повышенного горного давления. Вокруг общей проекции всех выработанных пространств, сформированных по всем четырем пластам сформировалась зона остаточного опорного давления. При этом величина этого давления выше напротив верхней границы 1-й запад- ной лавы, отработанной на собственном пласте и минимальна на границах, сформированных по удаленным пластам. В зависимости от степени наложения зон ПГД на смежных пластах коэффициент концентрации опорного давления изменяется от 1,8 до 3,6. Такие особенности распределения напряжений хорошо согласуются с известными закономерностями перераспределения горного дав- ления при развитии очистных работ в свите сближенных угольных пластов. Видно, что вдоль верхней границы с выработанным пространством 2-й за- падной лавы концентрация напряжений достигает 1,7-1,8 в средней части вы- емочного столба. Похожая картина распределения горного давления отмечается с противоположной стороны на уровне конвейерного штрека. Однако здесь величина концентрации несколько ниже. Это объясняется тем, что на уровне вентиляционного штрека происходит наложение зон ПГД от смежных пластов с остаточным опорным давлением от выработанного про- странства 2-й западной лавы, отработанной на собственном пласте. Высокий уровень концентрации наблюдается также у разрезной печи справа на распре- делении. Если печь 3-й западной лавы расположить под этой зоной, возникнут проблемы с обеспечением ее устойчивости, что замедлит подготовку 3-й запад- ной лавы к пуску. Таким образом видно, что исходное распределение горного давления по площади выемочного столба 3-й западной лавы существенно отли- чается от геостатического равномерного распределения. Учет этого отличия "Геотехническая механика" 295 Рис. 2 – Распределение концентрации горного давления в окрестности выемочного столба 3-й западной лавы 500 1000 1500 2000 2500 500 1000 1500 2000 2500 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 2-я западная лава 296 Выпуск № 73 обеспечивает достоверность конечных результатов прогноза устойчивости не- посредственно кровли при отработке планируемой лавы. В процессе подвигания 3-й западной лавы ее выработанное пространство наращивали отрезками по 50м со стороны разрезной печи с учетом скорости подвигания очистного забоя, принятой равной 120-150м/мес. Каждый раз после передвижки лавы пересчитывалось все распределение горного давлении в пре- делах расчетной области. При этом компьютер выбирал максимальные напря- жения в зоне динамического опорного давления впереди движущейся лавы и сопоставлял эти напряжения с приведенной прочностью пород в каждом из расчетных узлов, попадавшим в проекцию выемочного столба 3-й западной ла- вы. При шаге разбивки 25м, длине лавы 260м и длине выемочного столба 1км изменение опорного давления учтено примерно в 400 узлах, что обеспечило высокую точность расчета устойчивости непосредственной кровли. На фрагменте (а) рис. 3 показано итоговое распределение величины крите- рия устойчивости кровли по площади выемочного столба 3-й западной лавы. Величина критерия умножена на 100 для технических целей, которые не влия- ют на результат решения. В общей сложности значение критерия устойчивости изменяется в широких пределах от 0,3 до 1,8, что свидетельствует о сильной вариации геомеханических условий управления кровлей в данном очистном за- бое. Однако для того, чтобы определить места вероятных обрушений непосред- ственной кровли в рабочее пространство действующего очистного забоя необ- ходимо определить критическую величину критерия, при которой реально про- исходит такое обрушение. Теоретическое решение такой задачи связано с большими трудностями и не гарантирует получения достоверного результата. Для этой цели использована 2-я западная лава, выработанное пространство которой расположено выше на границе с выемочным столбом планируемой к отработке 3-й западной. Операции, описанные при анализе обрушаемости не- посредственной кровли в 3-й западной лаве повторили для условий 2-й запад- ной. Для этого решение задачи начали с этапа развития очистных работ, кото- рый закончился отработкой 1-й западной лавы. Именно ее отработка оконча- тельно сформировала исходное напряженное состояние массива перед отработ- кой второй западной лавы. Затем выработанное пространство 2-й западной ла- вы увеличивали путем аналогичных приращений по 50м и пересчитывали рас- пределение опорного давления впереди движущегося забоя 2-й западной лавы. После этого определили отношение действующих напряжений к приведенной прочности пород кровли в соответствующих узлах расчетной сетки, попавших в проекцию площади выемочного столба 2-й западной лавы. Критическую ве- личину критерия устойчивости определили по уровню критерия устойчивости на границах фактически произошедших обрушений непосредственной кровли, указанных на фрагменте плана горных выработок на рис. 1. В результате сопоставления величины критерия и границ фактических об- рушений в пределах выработанного пространства 2-й западной лавы установ- лено следующее. Средняя величина критерия устойчивости, которая чаще всего встречается на границах фактических обрушений составляет 0,63. "Геотехническая механика" 297 Рис. 3 – Прогнозное распределение зон неустойчивой непосредственной кровли по площади выемочного столба 3-й западной лавы: (а) при использовании традиционной технологии ли- квидации обрушений; (б) – при применении новой технологии а 1400 1600 1800 2000 2200 2400 1550 1600 1650 1700 1750 б 1400 1600 1800 2000 2200 2400 1550 1600 1650 1700 1750 1400 1600 1800 2000 2200 2400 1550 1600 1650 1700 1750 298 Выпуск № 73 Откалибровав модель по фактическому местоположению зон обрушений в выработанном пространстве 2 западной лавы, легко очертить границы про- гнозных зон возможных обрушений в пределах площади 3-й западной лавы. На рис. 3,а выделены зоны, в пределах которых возможны обрушения непо- средственной крови в рабочее пространство движущейся 3-й лавы. Границы зон обрушений выделены по критическому значению критерия устойчивости, равному 0,63. Видно, что обрушения непосредственной кровли ожидаются в разрезной печи и в западной половине выемочного столба. В верхней части ла- вы зоны обрушений распространяются на расстояние 800м от разрезной печи. При этом участки обрушений распределены по длине столба примерно через 100м, что связано с динамикой изменения опорного давления впереди движу- щейся лавы. В нижней части интенсивность обрушений меньше а зоны вывалов распространяются на расстояние не более 450м. Вывалы кровли связаны с действием зон остаточного повышенного горного давления, которые возникли в результате наложения проекций очистных работ на сближенных пластах. Поскольку уровень повышенного горного давления у нижней границы выемочного поля в 1,2-1,3 раза меньше, чем уровень остаточ- ных напряжений в верхней части выемочного столба, интенсивность обруше- ний и площадь их развития почти в три раза меньше. Однако следует подчерк- нуть, что величина остаточного горного давления определяет общую интенсив- ность обрушений и суммарную площадь их проявлений. Конкретные места вы- валов зависят от периодики сдвижения подрабатываемой толщи, то есть связа- ны с динамикой сдвижений массива горных пород вокруг движущегося очист- ного забоя, которая в первую очередь определяется скоростью его подвигания. Оценка эффективности повышения устойчивости непосредственной кровли в результате применения усовершенствованной технологии ликвидации обру- шений путем установки дополнительных боковых анкеров на границе полости обрушения [5] дала возможность учесть уменьшение площади вывалов при ис- пользовании разработанной технологии. На фрагменте (б) рисунка 3 показано прогнозное распределение обрушений непосредственной кровли с учетом при- менения усовершенствованной технологии ликвидации вывалов. Видно, что суммарная площадь обрушений снизилась в 2,8 раза, что является существен- ным техническим эффектом. Такой эффект позволяет получить экономический выигрыш в виде уменьшения зольности добываемого рядового угля и повыше- ния его качества. Необходимо отметить, что калибровка критической величины критерия ус- тойчивости пород кровли осуществлялась по данным работы реальной лавы, в которой не выполнялись специальные мероприятия по повышению надежности работы механизированной крепи очистного забоя. Опыт показал, что при вы- полнении простых мероприятий и организации надлежащего надзора за состоя- нием механизированных крепей обрушения непосредственной кровли удается снизить в полтора-два раза. Такой эффект достигается при регулярной проверке секций на дораспор и правильной организации профилактики износа основных элементов механизированной крепи. "Геотехническая механика" 299 На нижнем распределении фрагмента (б) рисунка 3 показаны границы воз- можных обрушений непосредственной кровли в случае применения указанных дополнительных мероприятий по обеспечению надежности работы секций ме- ханизированной крепи. Как видим, площадь вывалов сократилась до минимума. Три зоны обрушений ограниченной площади наблюдаются в зоне наложения динамического и остаточного опорного давления у границы с ранее отработан- ным пространством 2-й западной лавы и несколько зон вдоль разрезной печи. В итоге площадь обрушений непосредственной кровли в рабочее пространство действующей 3-й западной лавы можно сократить до минимума, что даст суще- ственный технический, экономический и социальный эффект в результате по- вышения качества рядового угля и уровня безопасности очистных работ в лаве. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кузнецов С.Т., Орлов А.А., Глушихин Ф.П., Садыков Н.М. Проявление горного давления в очистных выработках при применении механизированных крепей.-М.:Недра, -318с. 2. Давидянц В.Т. Совершенствование способов и средств управлением кровлей и крепления.-М.: Госгор- техиздат, 1961.-248с. 3. Назимко Е.В., Канин В.А., Демченко А.И., Ефремов И.А. Прогноз динамики обрушений при отработ- ке примыкающей к ранее выработанному пространству лавы //Наукові праці УкрНДМІ.-Донецьк: УкрНДМІ, 2007.-С.173-189. 4. Ефремов И.А., Пожитько И.И., Бокий Б.В., Шевченко В.В.,. Папазов Н.М. Характер изменения гор- ного давления в региональной зоне разгрузки при бесцеликовой отработке запасов// Геотехническая меха- ника. Сборник научных трудов.- Днепропетровск, ИГТМ НАНУ, 2003, вып.44.- С. 78-90. 5. Ефремов И.А. Обоснование критериев оценки проявлений горного давления // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Материалы 16-й Международной научной школы им. Акад. С.А. Христиановича.-Алушта: ТНУ, 2006.-С.93-96.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31459
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1607-4556
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:57:39Z
publishDate 2007
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
record_format dspace
spelling Ефремов, И.А.
2012-03-08T23:02:25Z
2012-03-08T23:02:25Z
2007
Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое / И.А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 290-299. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1607-4556
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31459
622.283
На підставі прогнозу стійкості безпосередньої кровлі очісного забою обгрунтовані раціо- нальні заходи щодо забезпечення стійкості порід в складних геомеханічних умовах.
Optimal measures have been selected to provide immediate roof stability in a longwall face that retreats over abutment zones.
ru
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
Геотехническая механика
Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
The forecast of the stability of the nether root in the operative working face
Article
published earlier
spellingShingle Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
Ефремов, И.А.
title Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
title_alt The forecast of the stability of the nether root in the operative working face
title_full Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
title_fullStr Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
title_full_unstemmed Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
title_short Прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
title_sort прогноз устойчивости непосредственной кровли в действующем очистном забое
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31459
work_keys_str_mv AT efremovia prognozustoičivostineposredstvennoikrovlivdeistvuûŝemočistnomzaboe
AT efremovia theforecastofthestabilityofthenetherrootintheoperativeworkingface