Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями

У поданій статті розглянуто питання, що стосуються вивчення структури покрівель, які важко обрушуються, й запропоновано методи безпечного керування цим видом покрівлі у виробленому просторі крутого і крутопохилого падіння. In this article we consider problems related to study of the structure of poo...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Date:2010
Main Authors: Питаленко, Е.И., Васютина, В.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2010
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99638
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:Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями / Е.И. Питаленко, В.В. Васютина // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 7. — С. 166-177. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99638
record_format dspace
spelling Питаленко, Е.И.
Васютина, В.В.
2016-05-01T12:54:24Z
2016-05-01T12:54:24Z
2010
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями / Е.И. Питаленко, В.В. Васютина // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 7. — С. 166-177. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1996-885X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99638
622.831.24
У поданій статті розглянуто питання, що стосуються вивчення структури покрівель, які важко обрушуються, й запропоновано методи безпечного керування цим видом покрівлі у виробленому просторі крутого і крутопохилого падіння.
In this article we consider problems related to study of the structure of poorly caving roofs and propose methods for safe control of this roof type in pitching and steeply dipping mined-out space.
ru
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
spellingShingle Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
Питаленко, Е.И.
Васютина, В.В.
title_short Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
title_full Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
title_fullStr Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
title_full_unstemmed Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
title_sort управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями
author Питаленко, Е.И.
Васютина, В.В.
author_facet Питаленко, Е.И.
Васютина, В.В.
publishDate 2010
language Russian
container_title Наукові праці УкрНДМІ НАН України
publisher Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
format Article
description У поданій статті розглянуто питання, що стосуються вивчення структури покрівель, які важко обрушуються, й запропоновано методи безпечного керування цим видом покрівлі у виробленому просторі крутого і крутопохилого падіння. In this article we consider problems related to study of the structure of poorly caving roofs and propose methods for safe control of this roof type in pitching and steeply dipping mined-out space.
issn 1996-885X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99638
citation_txt Управление горным давлением в очистных забоях на крутых и крутонаклонных пластах с труднообрушаемыми кровлями / Е.И. Питаленко, В.В. Васютина // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 7. — С. 166-177. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT pitalenkoei upravleniegornymdavleniemvočistnyhzaboâhnakrutyhikrutonaklonnyhplastahstrudnoobrušaemymikrovlâmi
AT vasûtinavv upravleniegornymdavleniemvočistnyhzaboâhnakrutyhikrutonaklonnyhplastahstrudnoobrušaemymikrovlâmi
first_indexed 2025-11-26T00:10:39Z
last_indexed 2025-11-26T00:10:39Z
_version_ 1850595200575995904
fulltext Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 166 УДК 622.831.24 УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ НА КРУТЫХ И КРУТОНАКЛОННЫХ ПЛАСТАХ С ТРУДНООБРУШАЕМЫМИ КРОВЛЯМИ Питаленко Е. И., Васютина В. В. (УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина) У поданій статті розглянуто питання, що стосуються ви- вчення структури покрівель, які важко обрушуються, й запропо- новано методи безпечного керування цим видом покрівлі у вироб- леному просторі крутого і крутопохилого падіння. In this article we consider problems related to study of the struc- ture of poorly caving roofs and propose methods for safe control of this roof type in pitching and steeply dipping mined-out space. Повышение объема подземной добычи угля в значительной степени зависит от эффективности разработки угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями. При очистной выемке пластов с труднообрушаемыми кров- лями управление этими кровлями осложняется по причине про- явления первых и последующих осадок прочных слоев пород, за- висающих в выработанном пространстве. Это приводит к повы- шенным нагрузкам на крепь, нарушению их податливости, де- формации перекрытий, стоек и обрушениям кровли в призабой- ном пространстве [1]. Вместе с тем выбор и совершенствование способов и средств управления труднообрушаемыми кровлями осуществля- ются без необходимого научного и технико-экономического обоснования. Этим в значительной степени объясняется недоста- точная эффективность управления горным давлением при труд- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 167 нообрушаемых кровлях, что сдерживает нагрузку на очистной забой, приводит к потерям крепи и снижает безопасность труда. На основании экспериментальных исследований, в настоя- щее время разработана технология и определены параметры раз- личных способов ослабления труднообрушаемых кровель [6]. К труднообрушаемым относятся кровли, осадки которых в призабойном пространстве, происходят при разрушении по ли- нии забоя зависающих на значительных площадях прочных слоев пород основной кровли. Труднообрушаемые кровли характери- зуются строением, отношением мощности непосредственной кровли к мощности пласта, мощностью и шагом обрушения ос- новной кровли. В периоды между осадками состояние кровли и угольного пласта характеризуется повышенными напряжениями, связанного с процессом зависания труднообрушаемых пород. Над призабой- ным пространством имеют место значительные горизонтальные растягивающие напряжения. Для более детального изучения вопроса управления горным давлением в очистном забое на крутых пластах с труднообру- шаемыми кровлями был проведен анализ горно-геологических и горнотехнических условий при отработке пласта k8 “Каменка” на шх. “Торецкая”, а также проведены лабораторные исследования физико-механических свойств кровли на установке БУ-39 конст- рукции ВНИМИ. Начиная с горизонта 810 м, отработка пласта k8 “Каменка” затруднена систематическими завалами очистного забоя. По дан- ным технической и геологической служб шахты, завалы проис- ходили, как правило, непосредственно у груди забоя, причем вы- валы в кровле достигают 2 - 3 м, по высоте, и по падению – 10 - 15 м. Какой либо закономерности в расположении вывалов по длине лавы и по размерам пролета основной кровли не установ- лено. По данным геологической службы непосредственно над пластом залегает глинистый сланец слоистый, общей мощностью 10 - 11 м. В кровле выявлена система трещин, ориентированная по линии падения пласта и наклоненных к плоскости пласта под углом 75 - 80°. Характер этой трещиноватости определен как тек- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 168 тонический. Выше глинистого сланца залегает мощный слой прочного песчаника. Для детального изучения физико-механических свойств по- род кровли пласта k8 “Каменка” были выполнены лабораторные исследования керна, взятого из пород кровли откаточного штрека по пласту на горизонте 810 м, на трехосном прессе конструкции ИФГП и с применением упрощенных методик [3]. При этом оп- ределялись предел прочности на растяжение и сжатие, как по на- пластованию, так и по нормали к напластованию, а также модуль упругости. Для проведения экспериментальных исследований были пробурены две скважины с откаточного штрека на всю мощность глинистых сланцев, залегающих в кровле, вплоть до песчаников. Место заложения первой скважины от квершлага, в выработан- ном пространстве на 110 м, вторая скважина пробурена на 265 м в неотработанном массиве. Исследование керна, извлеченного из скважины, позволило установить следующее. Скважина на 110 м. Кровля представлена глинистым слан- цем с примесями слюды и песчаного материала, сланец слоистый, слои от 1 до 50 см. Наиболее мелкослоистый глинистый сланец на 1,5 - 2,2 м и 5,3 - 6,0 м, где эти слои составляют 1 - 5 см. Вме- сте с тем, уже на расстоянии 0,3 м находится слой мощностью 15 см. Далее слои такой же или большей мощности находятся в диапазоне 1,1 - 1,25 м, 2,3 - 2,5 м, 3,6 - 4,3 м. По данным керново- го бурения установлены места пересечения скважиной тектони- ческих (кливажных) трещин на расстоянии 0,5 м, 1,43 м, 2,95 м, 7,80 м по длине скважины. Кливажные трещины – это расщепле- ние горных пород на тонкие пластины, наблюдаемые в местах распространения линейных складок слоев горного массива, кото- рые возникают вследствие тектонических движений. На рис. 1 представлены данные по исследованиям пород кровли на прочность по напластованию (рис. 1а) и по нормали к напластованию (рис. 1б). Как следует из графиков, кровля сложе- на достаточно прочными породами, причем прочные слои чере- дуются с менее прочными. С удалением от пласта прочность по- род возрастает. Это связано с увеличением песчаного материала в сланце. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 169 а) б) Рис. 1. Прочностные характеристики пород кровли по сква- жине № 2 (265 м) Прочность по слоям также непостоянна и колеблется в до- вольно широком диапазоне от 8 до 40 МПа. Можно выделить Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 170 участки с наиболее прочными слоями: на участке с 3 по 4 м и на- чиная с 7-го метра. При этом поверхность скола также неровная. Звездочками на графиках отмечены участки кливажных трещин. Из приведенных данных можно сделать вывод, что кровля представлена породами прочностью 55,0 - 80,0 МПа по нормали к напластованию и до 44,6 МПа по плоскости напластования. Сле- дует отметить, что прочность породы в мощных слоях мало от- личается по нормали и по напластованию, что говорит об одно- родности ее свойств. Скол по напластованию неровный, четкой слоистости не наблюдается [4]. Скважина на 265 м. Кровля пласта представлена слоями глинистого и песчано-глинистого сланца мощностью от 1 до 45 – 50 см, причем песчано-глинистые сланцы залегают ближе к слою песчаника, находящегося выше сланцев. При изучении керна ус- тановлено, что породы кровли на всем протяжении подготови- тельного участка разбиты трещинами на блоки длиной 1 – 1,5 м по простиранию. На рис. 2 представлена схема деформирования пород кровли при наличии кливажных трещин. Связь по трещи- нам обычно отсутствует, а при отборе керна происходит отделе- ние пород кровли. Рис. 2. Схема деформирования пород кровли при наличии кливажных трещин (265 м) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 171 Поверхность контактов неровная, шероховатая. В ряде слу- чаев отмечено заполнение трещин кальцитом. При этом образу- ется прочный контакт, не разрушающийся при бурении и извле- чении керна [5]. Как известно, устойчивость пород кровли в первую очередь определяется прочностью пород кровли и мощностью слагающих ее слоев [6]. Поэтому, анализируя устойчивость слоев кровли пласта “Каменка” следует учитывать ее блочное строение, опре- деляющееся тектоническим кливажем, а так же, как было уже от- мечено, мощностью каждого слоя и его прочностью. Как извест- но из данных геологического прогноза, кливажные трещины рас- полагаются практически параллельно линии забоя, а по ориента- ции к плоскости пласта, под углом 75 – 80°. В соответствии с рекомендациями [9], в целях предотвраще- ния завалов, лава разделяется на предельные пролеты угольными целиками. Всего формируется 4 предельных пролета длиной по падению 12 – 14 м. Под вентиляционным штреком выкладывает- ся бутовая полоса. Призабойное крепление состоит из деревян- ных стоек под распил, установленных по 2 через 1 м по падению и простиранию. В качестве специальной крепи применяется кус- ты из 16 – 18 стоек, установленных по схеме 3 × 3 м. Направле- ние отработки пласта выбрано таким образом, что линии кливажа направлены под углом 10 – 15° на завал. В районе скважины в кровле пласта залегают прочные слои глинистого сланца мощностью до 0,4 – 0,55 м, причем предел прочности по нормали к напластованию достигает 60 – 70 МПа. При наличии таких достаточно прочных и относительно изо- тропных по физико-механическим свойствам боковых пород в кровле механизм ее разрушения может качественно отличаться от обычного. Вместо послойного прогиба и разрушения, кровля де- формируется одновременно достаточно мощными слоями, по- этому разрушение ее происходит от скола или среза на короткие блоки по простиранию. Это хорошо согласуется с реальной си- туацией с обрушением кровли в лаве. Причем обрушение может происходить непосредственно у кромки угольного пласта. Спе- цифика характера обрушения пород кровли состоит также в том, что наличие дополнительных плоскостей ослабления - кливаж Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 172 повышают вероятность обрушения. Схема деформирования по- род кровли для данного варианта представлена на рис. 3. Рис. 3. Схема деформирования пород кровли (в районе скважины № 1) на 110 м, при разрушении от скола Выполним анализ действующего паспорта крепления лавы с учетом полученных новых данных о физико-механических и гео- логических свойствах пород кровли. При выемке пласта породы кровли поддерживаются только крепью от обрушения в вырабо- танное пространство. При данной геологии [5] следует ожидать образование призм в кровле, оконтуренных по бокам трещинами кливажа, а по высоте – наиболее слабыми породами. С учетом угла падения пласта (30° в среднем) нагрузка на 1 м2 составит: αγ coshGN = ; (1) где γ – удельная плотность пород кровли, γ=25 кН/м2; h – высота пород кровли. По данным геологии и нашего анализа, h может составлять до 5 м. Оценим силы, действующие в призабойном пространстве со стороны кровли. Если разложить силу GN по направлениям, па- раллельному и перпендикулярному линии кливажа, получатся силы T и Q (см. рис. 2). Сила T равна: Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 173 ϕsinNGT = (2) Сила Q равна: ϕcosNGQ = (3) Сила T способствует раздвиганию блоков и увеличивают смещение боковых пород по простиранию, которое по данным шахтных исследований [7] составляет до 20 – 25 мм на 1 м под- вигания забоя. Под действием силы T возникает также сила тре- ния, препятствующая перемещению блоков, которую можно оце- нить как ϕcos. NGQfTF == (4) где f – коэффициент трения по трещине кливажа (f = 0,7). Кроме того, под действием силы веса и при опирании блока пород на кромку угольного забоя, образуется момент, равный: lGM N= (5) где l – плечо силы, которую можно определить исходя из угла кливажа 15° равной 1,7 м. Составим уравнение равновесия сил, при котором реакция призабойной крепи препятствует обрушению кровли: fTRQ += (6) где R – суммарная реакция крепи. Это выражение характеризует усилия без разделения блоков пород кровли. Подставим значение каждой из величин и опреде- лим необходимую реакцию крепи. Как видно из схемы, такая ре- акция крепи должна реализоваться непосредственно у очистного забоя [10], где еще не установлена специальная крепь. Деревян- ные стойки развивают реакцию 50 кН при деформациях до 10 %, что реализуется на удалении 4 – 5 м от забоя при нормальном ха- рактере смещения кровли. В момент установки реальный распор стойки не превышает 10 кН. С учетом паспорта крепления сум- марная реакция крепи будет 30 кН, т.е. меньше 50 кН. )(50)(30)(103 кНкНкН p=× Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 174 Это свидетельствует о том, что в случае отрыва пород кров- ли на высоту до 5 м, крепление недостаточно, и оно не будет пре- дупреждать завалы лавы. В случае же отделения блоков [7] и соз- дания момента сил, завал может происходить и при меньшем объеме пород кровли (см. рис. 3). Как было установлено [6], на крутом падении породы кров- ли и почвы смещаются относительно друг друга за добычной цикл на угол до 3°. Поэтому обрушение кровли приводит к до- полнительным смещениям и призабойная крепь опрокидывается без разрушения. При определении величины пролета блока кров- ли по падению, способного сохранять устойчивость, можно вос- пользоваться эмпирической формулой из [7]: 8,42.1/3,1 −+= fmmL П (7) где mп – мощность пород кровли; m – мощность угольного пласта; f – крепость пород кровли по Протодьяконову. мL 98,462,10,1/0,53.1 ≅−×+×= А с учетом несимметричного характера нагружения и плос- костей ослабления от трещин кливажа, шаг обрушения может быть и меньше. Для сравнения проанализируем схему, получающуюся при движении забоя лавы в противоположном направлении. Паспорт крепления очистного забоя сохранен тот же, что и на рис. 3. В данном случае сила T направлена в противоположную сторону и способствует смыканию блоков. Уравнение устойчиво- сти блока кровли записывается следующим выражением: QfTR =+ 2 (8) Поскольку блоки кровли смыкаются, силы трения сущест- вуют по обоим контактам: )sin2(coscos2 ϕϕαγ fhfTQR −=−= (9) Таким образом, нагрузка на призабойную крепь по сравне- нию со схемой на рис. 3 уменьшилась на 30 %. Вместе с тем, в критическом случае, который наступает при отслоении пород Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 175 кровли мощностью до 5 м, призабойная крепь не сможет предот- вратить обрушение. Из приведенного следует вывод, что реакция принятой в паспорте призабойной крепи недостаточна для предотвращения обрушения кровли. Разделение лавы на предельные пролеты так- же может оказаться малоэффективным, т.к. шаг обрушения кров- ли составляет менее 9 м. Обрушение пород кровли происходит вследствие среза бло- ков по плоскостям ослабления, которые образуются при расслое- нии кливажных трещин. Специальные крепи (кусты, костры, ор- ганные ряды) в этом случае не могут эффективно управлять про- цессом обрушения, поскольку они возводятся позже, когда приз- мы обрушения уже сформировались, а сопротивление их еще не- достаточное. Наиболее жесткими, т.е. набирающими более быст- ро нагрузку являются тумбы ОКУ и опоры из плит железобетона с податливыми прокладками. В этом случае уменьшаются де- формации боковых пород по всем направлениям, что позволит уменьшить нагрузки на призабойную крепь. Если же применять тумбы ОКУ с установкой непосредственно у груди забоя, то соз- даются более благоприятные условия для управления горным давлением [10]. Выполненный анализ горногеологических и горно- технических условий отработки пласта на гор. 810 м, а также проведенные лабораторные экспериментальные исследования физико-механических свойств кровли, позволили установить, что залегающие в кровле породы склонны обрушатся короткими бло- ками (призмами), образующимися в результате среза или по плоскости ослабления, образованными трещинами в кровле. Принятый паспорт управления горным давлением не обеспечива- ет эффективной и безопасной отработки лавы. Предложены сле- дующие мероприятия по управлению горным давлением в кон- кретных горно-геологических условиях [8]. ВЫВОДЫ 1. Направление отработки пласта на данном участке целе- сообразно изменить на обратное. По приведенным выше расче- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 176 там это позволит уменьшить давление пород кровли на приза- бойную крепь ориентировочно на 30 – 40 %. 2. Достаточно эффективным средством управления горным давлением в рассматриваемых горно-геологических условиях по опыту работы других шахт являются крепь "Спутник" (2СПТМ) и стойки посадочные ОКУ разных модификаций. 3. Разделение лавы на предельные пролеты не эффективно, а оставление целиков как показало, сдерживает процесс подвига- ния очистного забоя. 4. Возможно сохранение ориентации забоя по падению, по- скольку эффективный в условиях кливажа кровли наклон забоя на 20 – 25° может привести к трудностям при транспортировке угля в забое, т.к. угол падения пласта (27 – 32°) критический и применение даже эмалированных рештаков может быть не эф- фективным [7]. СПИСОК ССЫЛОК 1. Борисов А. А. Механика горных пород и массивов [Текст] / А. А. Борисов. - М.: Недра, 1980. – 320 с. 2. Ардашев К.А. Методы и приборы исследования проявле- ний горного давления [Текст] / К.А.Ардашев, В.И. Ахма- тов, Г.Н. Катков. – М.: Недра, 1981. – 128 с. 3. Алексеев А. Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений. [Текст] / А. Д. Алексеев, Ревва В. Н., Рязанцев Н. А. - К: Наукова думка, 1989. - 168 с. 4. Зубов В. П. Особенности управления горным давлением в ла- вах на больших глубинах разработки [Текст] / В. П. Зубов - Л.: ЛГИ, 1990. – 103 с. 5. Черняк И. Л. Управление состоянием массива горных пород [Текст] / И. Л. Черняк, С. А. Ярунин. - М.: Недра, 1995. - 395 с. 6. Мэркс И. Горная механика [Текст] / И. Мэркс, Г. Юнгниц. Углетехиздат, 1957. - 756 с. 7. Питаленко Е. И. Геомеханическое обоснование кинематиче- ских параметров механизированных крепей для крутых и кру- тонаклонных пластов Донбасса [Текст]: дис… канд. техн. на- ук / Е. И. Питаленко. - Л.: 1984. – 180 с. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 7, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 7, 2010 177 8. Указания по управлению горным давлением в очистных забо- ях на пластах с углом падения до 35°. [Текст]. - Л.: ВНИМИ, 1982. - 136 с. 9. Управление горным давлением при разработке угольных пла- стов. Справочное пособие. [Текст]. Донецк. 1990. - 303 с. 10. Совершенствование средств и способов поддержания подго- товительных выработок на шахтах Центрального района Дон- басса [Текст]: монограф. /А. П. Калфакчиян, В. Г. Александ- ров, Воробьев Е.А., Питаленко Е. И / Днепропетровск: “Січ”, 1994. - 207 с.