Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы
За результатами досліджень поведінки порід над виробленим простором одиночної лави встановлено особливості зсуву породних шарів, що дозволяє прогнозувати опорний тиск на крайові частини вугільного шару. By results of breeds behavior researches over single lava open area, features of layers strata mo...
Saved in:
| Published in: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99570 |
| 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: | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы / И.В. Антипов, Н.И. Лобков, А.В. Савенко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2015. — № 15. — С. 58-67. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859749912420286464 |
|---|---|
| author | Антипов, И.В. Лобков, Н.И. Савенко, А.В. |
| author_facet | Антипов, И.В. Лобков, Н.И. Савенко, А.В. |
| citation_txt | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы / И.В. Антипов, Н.И. Лобков, А.В. Савенко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2015. — № 15. — С. 58-67. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| description | За результатами досліджень поведінки порід над виробленим простором одиночної лави встановлено особливості зсуву породних шарів, що дозволяє прогнозувати опорний тиск на крайові частини вугільного шару.
By results of breeds behavior researches over single lava open area, features of layers strata movement that allows to predict basic pressure upon regional parts of layer are established.
|
| first_indexed | 2025-12-01T23:35:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
58
УДК 622.831.27
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНОГО
ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ ОДИНОЧНОЙ ЛАВЫ
Антипов И. В., Лобков Н. И., Савенко А. В.
(УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина)
За результатами досліджень поведінки порід над виробле-
ним простором одиночної лави встановлено особливості зсуву
породних шарів, що дозволяє прогнозувати опорний тиск на кра-
йові частини вугільного шару.
By results of breeds behavior researches over single lava open
area, features of layers strata movement that allows to predict basic
pressure upon regional parts of layer are established.
Результаты многочисленных исследований проявлений гор-
ного давления в очистных забоях [1- 4] позволяют сделать вывод,
что кроме действия на горную крепь сил, обусловленных геоло-
гическими процессами в земной коре и собственного веса пород,
под горным давлением следует считать опорное давление, фор-
мируемое изгибом породных слоев над выработанным простран-
ством.
Исследования сдвижения вмещающего массива горных по-
род над выработанным пространством [1,4,5], позволили устано-
вить следующее. Над выработанным пространством породные
слои прогибаются и обрушаются последовательно в направлении
от пласта к поверхности. Область сдвижения породных слоев
АБСDE по высоте ограничена, ее высота составляет в среднем 2/3
ширины выработанного пространства (рис.1). Область сдвижения
включает в себя зону беспорядочного обрушения кровли (1), зону
упорядоченного обрушения кровли и прогиба слоев с потерей не-
сущей способности (2), зону прогиба слоев без потери несущей
способности (3).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
59
АВСDE – область сдвижения породного массива в выемоч-
ном поле действующей лавы;
1;2;3 – соответственно зоны беспорядочного обрушения,
упорядоченного обрушения и прогиба слоев без потери несущей
способности
Рис. 1. Область сдвижения пород над выработанным про-
странством действующей лавы
Зоны (1) и (2) ограничены линиями, проведенными под уг-
лом обрушения пород ψ к плоскости залегания пласта, а зона (3)
ограничена линиями, проведенными под углом изгиба пород φ.
Имея область сдвижения кровли логично предположить, что
опорное давление формируется изгибом слоев, входящих в эту
область. Приведенная на рисунке область сдвижения характери-
зует напряженно-деформированное состояние породного массива
над выемочным полем отработанной лавы. Формирование обла-
сти сдвижения начинается с момента отхода лавы от разрезной
печи. Максимальный изгиб породных слоев в пределах упругости
происходит до их первичной посадки.
По мере отхода лавы от разрезной печи растет длина выра-
ботанного пространства l (рис. 2). Увеличение площади вырабо-
танного пространства (при постоянной длине лавы) ведет к уве-
личению числа породных слоев, изгибающихся над ним, под дей-
ствием силы тяжести, что видно на рисунке по увеличению обла-
стей сдвижения пород над выработанным пространством.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
60
АБВ, ГДВ, ЕЖЗВ – области сдвижения породных слоев при отходе
лавы от разрезной печи на расстояние l1, l2, l3 соответственно;
1…12 – порядковые номера породных слоев кровли;
φ = 45…50 ο – угол изгиба породных слоев;
ψ = 78 – 80 ο – угол обрушения породных слоев кровли;
– направление подвигания лавы;
– I, II, III – группы породных слоев
Рис. 2. Формирование области сдвижения пород при отходе
лавы от разрезной печи
При отходе лавы от разрезной печи на расстояние l1 в сдви-
жение приходят слои № 1…№ 4. Причем слои № 1 и № 4 изгиба-
ются в пределах упругости, а слои № 2 и № 3 обрушаются на
слой № 1. С отходом лавы на расстояние l2 в сдвижение приходят
слои № 1 – 10. В этом случае слои № 2 и № 3 обрушаются на
слой № 1, а слои № 5, № 6 и № 7 на слой № 4. Слои № 1 и № 4
изгибаются и служат породами – мостами, т.е. несут на себе вес
обрушившихся породных слоев. Перед первичной посадкой слоя
№ 1 (при отходе лавы на величину l3 предельного пролета слоя
№ 1) в сдвижение приходят породные слои №1–11. Слои № 1,
№ 4, № 8 и № 11 изгибаясь, зависают над выработанным про-
странством. Добавляется обрушение слоев № 9 и № 10 на слой
№ 8.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
61
Таким образом, для породного массива, представленного на
рисунке 2, формировать опорное давление на краевые части пла-
ста перед первичной посадкой слоя №1 будут три группы слоев I,
II, III. При дальнейшем подвигании лавы и превышении предель-
ного пролета слоя №1 произойдет первичная посадка первой
группы слоев. С дальнейшим увеличением длины выработанного
пространства и превышением предельного пролета второй и тре-
тьей групп слоев произойдет последовательное их обрушение. С
обрушением групп слоев значение максимального давления
уменьшается.
Напряжения, возникающие в зоне действия временного
опорного давления от прогиба слоев как плит, жестко защемлен-
ных с четырех сторон, вызывают разрушение породы.
Применение в качестве выемочного оборудования механи-
зированных комплексов предопределяет повсеместное использо-
вание способа управления кровлей полным обрушением. При
этом способе отмечаются максимальные прогибы породных сло-
ев над выработанным пространством и формируются повышен-
ные напряжения в зоне опорного давления [6, 7]. Под действием
повышенных или максимальных напряжений кровля разрушается
крупными блоками или мелкими фракциями в зависимости от
прочности породы, характера и величины действующих напря-
жений. Большой объем наблюдений позволил сделать выводы,
что обрушения кровли в очистных забоях в виде крупных блоков
(более 1 м) происходят при разрушении пород от действия растя-
гивающих напряжений. Мелкими фракциями обрушается кровля,
разрушение которой происходит под действием касательных
напряжений. Указанные обрушения кровли ведут к длительным
остановкам очистных забоев, потерям добычи угля. Кроме того
дополнительные затраты на ликвидацию последствий аварийных
обрушений пород увеличивают себестоимость угля. Вышеука-
занные причины потерь в угольной промышленности требуют
разработки универсального метода прогноза поведения кровли
при проектировании и ведении очистных работ.
Попытки создания расчетных методов разрушения и обру-
шения пород в призабойном пространстве лав пологих пластов
предпринимали научные школы Донбасса, Ленинграда, Москвы,
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
62
Алма-Аты и других регионов СНГ. Однако созданные методы удо-
влетворительно использовались на отдельно исследуемых участках
угольных пластов. Распространение их на другие бассейны или даже
па другие участки одного бассейна давало значительные погрешно-
сти в расчетах и требовало дополнительных исследований.
Главной причиной, тормозящей решение данной проблемы,
является на наш взгляд недостаточно четкое представление раз-
личий в механизме сдвижения породного массива и формирова-
ния опорного давления в процессе работы лавы и над выработан-
ным пространством после отработки выемочного поля лавой.
Последовательный изгиб породных слоев над выработан-
ным пространством в процессе отработки угольного пласта, при-
водящий к развитию области сдвижения в породном массиве,
предопределяет необходимость исследования характера взаимо-
действия породных слоев до первичной посадки основной кров-
ли. Наиболее доступным методом исследований является физи-
ческое моделирование на моделях из эквивалентных материалов.
Согласно методике моделирования [8], для обеспечения макси-
мального подобия моделируемого массива натурным условиям,
применялись модели из эквивалентных материалов масштабом 1:
300, позволяющие моделировать последовательную выемку трех
лав. На рисунке 3 представлена одна из схем образования области
сдвижения пород перед первичной посадкой основной кровли,
наблюдаемых при моделировании.
Вмещающий массив, состоящий из породных слоев, пред-
ставлен балками лежащими одна над другой. По мере выемки
угольного пласта происходит изгиб слоя №1 над выработанным
пространством, при этом слои №2 и №3 изгибаются вместе с ним
и служат пригрузкой первому. Максимальная величина изгиба
(см. рис. 1) слоя № 1 (до обрушения) наблюдается в середине вы-
работанного пространства и ее значение (рис. 4а) говорит об
упругом деформировании слоя.
При выемке следующей заходки, над выработанным про-
странством с течением времени наблюдался процесс нарушения
сплошности массива, последующее обрушение слоя №1 и выше-
лежащих слоев (рис. 4б). Аналогично образуются области сдви-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
63
жения породных слоев над выработанным пространством в по-
родных массивах различного строения.
Рис. 3. Схема образования области сдвижения пород перед
первичной посадкой основной кровли
Последовательность и количество изгибающихся и обру-
шающихся слоев в процессе выемки пласта позволили опреде-
лить углы наклона линий изгиба и обрушения над выработанным
пространством, необходимые для построения области сдвижения
пород. В свою очередь, параметры области сдвижения пород над
выработанным пространством позволяют по данным геологораз-
ведки установить число слоев, пришедших в сдвижение, что дает
возможность определять величину опорного давления.
При определении максимальной величины изгиба следует
учитывать, что породные слои в кровле длинных одиночных
очистных забоев (лав) являются тонкими плитами, заделанными с
четырех сторон. Максимальная величина изгиба в центре и
напряжений в заделки плиты над выработанным пространством
до первого их обрушения (посадки), с точностью более 99% мо-
жет быть определена как при изгибе единичной балки-полоски
[9]. Если в породной толще присутствуют мощные породные
слои (мощность слоя более 20м), образующие отношение изги-
бающегося слоя к его пролету 1/5 – 1/10 (граница между толсты-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
64
ми и тонкими плитами), простая замена расчета максимальных
напряжений и смещений плиты расчетом балки будет давать
ошибку до 40%. При таком строении породного массива следует
использовать метод расчета, основанный на определении величи-
ны изгиба двух, пересекающихся в центре плиты, балок-полосок
[10]. Для обоих случаев необходимо рассчитать предельную ве-
личину пролета породного слоя перед обрушением (величину по-
садки слоя). Определив максимальную величину пролета слоя
перед обрушением можно рассчитать максимальную величину
опорного давления, как давление единичной балки – полоски на
опору.
Рис. 4. Вертикальные смещения слоя №1 перед (а) и после
(б) первичной посадки
Обрушение породного слоя (первичная посадка) происходит
при потере им несущей способности над выработанным про-
странством т.е. разрушении вследствие действия разрушающих
напряжений.
Аналитические исследования формирования напряжений в
кровле пласта [10] при отходе лавы от разрезной печи к месту
первичной посадки кровли, позволяют получить картину распре-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
65
деления напряжений в изгибающемся породном слое (рис. 5). Из
рисунка видно, что величина максимальных растягивающих нап-
ряжений на порядок превышает величину максимальных сжима-
ющих. А если учесть, что предел прочности породы на растяже-
ние вдоль напластования также, в среднем, на порядок меньше
предела прочности породы на сжатие, то разрушающими следует
считать горизонтальные растягивающие напряжения.
а)
б)
А и Б – зоны максимальных растягивающих и сжимающих
напряжений
Рис. 5. Распределение вертикальных (а) и горизонтальных
(б) напряжений в изгибающемся слоистом, пород-
ном массиве
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
66
Это подтверждают и результаты физического моделирова-
ния на моделях из эквивалентных материалов. Над пластом, от-
мечается концентрация сжимающих горизонтальных напряжений
(Б). На верхней кромке непосредственной кровли сконцентриро-
ваны растягивающие напряжения (А). Распределение напряжений
в слое над заделкой примет следующий вид (рис. 6).
Рис. 6. Схема распределения напряжений в заделке слоя при
его изгибе
На верхней кромке слоя действуют вертикальные сжимаю-
щие напряжения, вер
сж1 , вызванные опорным давлением Р тах
оп , а так-
же горизонтальные растягивающие гор
р . На нижней кромке слоя
действуют горизонтальные сжимающие напряжения гор
сж от изги-
ба слоя и вер
сж2 , возникшие в результате действия опорного давле-
ния и изгиба слоя. Очевидно, что под действием горизонтальных
растягивающих напряжений гор
р и при отходе лавы на величину
Lп в точке 1 начнет зарождаться трещина. При пересечении тре-
щиной слоя по всей мощности (достижении точки 2) произойдет
обрушение слоя.
Выводы.
1. Установленные особенности формирования опорного
давления позволяют определять количество породных слоев и
разрушающие напряжения в каждом слое, входящем в область
сдвижения пород.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 15, 2015
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 15, 2015
67
2. Применяя энергетический критерий или критерий Куло-
на-Мора для описания предельного состояния пород перед раз-
рушением можно определить шаг обрушения каждого породного
слоя и величину максимального опорного давления в пределах
выемочного поля лавы.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Канлыбаева Ж.М. Закономерности сдвижения пород в масси-
ве.– М.: Наука, 1968.– 108 с.
2. Давидянц В.Т. Измерения проявлений горного давления на
шахтах Донецкого бассейна / Давидянц В.Т., Козелев Г.Л. –
М.: Углетехиздат, 1952. – 116 с.
3. Борисов А.А. Управление горным давлением / Борисов А.А.,
Матанцев В.И., Овчаренко Б.П. – М.: Недра, 1983. – 168 с.
4. Лобков Н.И. К вопросу о механизме формирования горного
давления в лавах пологих пластов / Н.И.Лобков // Физико-
технические проблемы горного производства; под общ. ред.
А.Д. Алексеева.– Вып.№6. – Донецк: ООО «Апекс», 2003. –
C. 81-87.
5. Хохлов И.В. Комплексное исследование массива горных по-
род / Хохлов И.В.– М.: Наука, 1986.- 163 с.
6. Управление кровлей в сложных горно-геологических услови-
ях / В.Ф. Андрушко, Ю.Г. Саратикянц, Н.И. Лобков и др.; под
ред. К.Ф. Сапицкого. – Киев.: Техника, 1985. – 128 с
7. Борисов А.А. Основы геомеханики горных массивов / Бори-
сов А.А. – Л.: ЛГИ, 1989, – 294 с.
8. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов \ Насо-
нов И.Д. – Изд. 2.– М.: Недра, 1978. – 256 с.
9. Бубнов И.Г. Труды по теории пластин / И.Г. Бубнов. – М., Го-
сударственное изд-во технико-теоретической литературы,
1953. – 423 с.
10. Определение разрушающих напряжений от прогиба слоев над
выработанным пространством / Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко,
Л.В. Сергиенко и др. – Физико-технические проблемы горно-
го производства; под общ. ред. А.Д. Алексеева. – Вып.№10. –
Донецк: ИФГП НАНУ, 2007. – C. 119-127.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99570 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T23:35:22Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Антипов, И.В. Лобков, Н.И. Савенко, А.В. 2016-04-30T13:32:43Z 2016-04-30T13:32:43Z 2015 Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы / И.В. Антипов, Н.И. Лобков, А.В. Савенко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2015. — № 15. — С. 58-67. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99570 622.831.27 За результатами досліджень поведінки порід над виробленим простором одиночної лави встановлено особливості зсуву породних шарів, що дозволяє прогнозувати опорний тиск на крайові частини вугільного шару. By results of breeds behavior researches over single lava open area, features of layers strata movement that allows to predict basic pressure upon regional parts of layer are established. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Наукові праці УкрНДМІ НАН України Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы Features of maximum abutment pressure formation by the single lava working Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы Антипов, И.В. Лобков, Н.И. Савенко, А.В. |
| title | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы |
| title_alt | Features of maximum abutment pressure formation by the single lava working |
| title_full | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы |
| title_fullStr | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы |
| title_full_unstemmed | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы |
| title_short | Особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы |
| title_sort | особенности формирования опорного давления в процессе работы одиночной лавы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99570 |
| work_keys_str_mv | AT antipoviv osobennostiformirovaniâopornogodavleniâvprocesserabotyodinočnoilavy AT lobkovni osobennostiformirovaniâopornogodavleniâvprocesserabotyodinočnoilavy AT savenkoav osobennostiformirovaniâopornogodavleniâvprocesserabotyodinočnoilavy AT antipoviv featuresofmaximumabutmentpressureformationbythesinglelavaworking AT lobkovni featuresofmaximumabutmentpressureformationbythesinglelavaworking AT savenkoav featuresofmaximumabutmentpressureformationbythesinglelavaworking |