Оценка устойчивости выработок на удароопасных пластах в различных геодинамических условиях воркутского угольного месторождения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования устойчивости и удароопасности выработок, закрепленных податливыми сталеполимерными анкерами и с длительным сроком службы (более двух лет), включали в себя инструментальные наблюдения за смещением кровли и сдвижением породоугольного массива с применением телескопических датчиков смещения кровли «Tell-Talle», формированием зон дезинтеграции, напряженно-деформированным состоянием и категорией удароопасности пласта по изменению выхода буровой мелочи при бурении прогнозных скважин и с использованием датчиков КДМ. Экспериментальные участки выбраны в различных геомеханических условиях расположения подготовительных выработок на шахтах «Северная», «Комсомольская», «Заполярная», «Воркутинская».

На основании результатов исследований процесса сдвижения углепородного массива получено выражение для оценки устойчивости кровли и расчета основных параметров анкерной крепи по прогнозу высоты зоны разрушения пород над выработкой в зависимости от напряженно-деформированного состояния горного массива и «угла встречи» между направлением горизонтальных напряжений и выработкой:

, м (1)

где h_р – высота зоны расслоения пород над выработкой, м; В – ширина выработки, м; m – мощность пласта, м; σ_р – прочность породы на растяжение, МПа; е – основание натуральных логарифмов; γ – объемный вес пород, равный 0,025 МПа/м; Н – глубина ведения работ, м; _сж – прочность пород на сжатие, МПа; К – коэффициент концентрации напряжений в массиве до проведения выработки;  – угол между направлением выработки и максимальным горизонтальным напряжением, град.

Анализ результатов наблюдений за смещением кровли выработок в специфических условиях шахт ОАО «Воркутауголь» позволил определить высоту зоны расслоения пород кровли, параметры устойчивости выработок вне зоны и в зонах влияния очистных работ (рис.1).



Рисунок 1 – Результаты определения смещений пород над выработками вне зоны и в зонах опорного давления в зависимости от времени поддержания

h – смещение контура кровли, мм; h_р – высота расслоения пород, м; В – относительное изменение ширины выработки, м; t_под – время поддержания выработки, мес.

Из анализа графиков смещений кровли следует, что в зоне опорного давления в процессе перераспределения напряжений значение h_р увеличивается на 20-30%, поэтому эффективность использования анкерной крепи с высотой анкерования 2,1 м в выработках шириной свыше 4,5 м значительно снижается.

Необходимая величина заанкерованного слоя кровли выработки расположенной вне зоны опорного давления должна определятся из выражения:

где h_а – величина заанкерованного слоя, м; l – величина устойчивого пролета заанкерованного слоя, м (при ширине выработки В = 4 6м); σ_р – прочность породы на растяжение, МПа (при σ_р = 3-5 МПа).

Оценка напряженно-деформированного состояния и категории удароопасности показала, что в длительно поддерживаемых выработках (более двух лет) признаков удароопасности пластов не установлено. Результаты исследований представлены на рис.2.



Рисунок 2 – Оценка удароопасности горных выработок по изменению выхода буровой мелочи при бурении скважин

P – объем буровой мелочи с одного метра скважины, л/м;

l – расстояние от устья скважины.

Обследование выработок показало их удовлетворительное состояние. Вне зоны опорного давления смещения кровли выработок не превышали 40-50 мм. В зонах влияния очистных работ смещения кровли выработок не превысили критических значений.

При определении параметров зон дезинтеграции исследовались изменения прочностных свойств и структурных характеристик массива в течение длительного срока поддержания выработок.

Анализ результатов наблюдений позволил установить закономерности формирования зон дезинтеграции в породах кровли удароопасных пластов. Зональная дезинтеграция приводит к увеличению пролета во время поддержания выработки, соответственно, высоты расслоения пород кровли, что требует установку крепи усиления или применение двухуровневого анкерования сталеполимерными и канатными анкерами.

Перераспределение напряжений во вмещающих породах выработок на удароопасных и подработанных пластах (рис.3) сопровождается значительными горизонтальными и вертикальными смещениями на контуре и в массиве в зоне влияния очистных работ и геологических нарушений. В этих условиях, особенно при длительном поддержании выработок, для предотвращения внезапного обрушения заанкерованных слоев первого уровня рекомендуется применение двухуровневой анкерной крепи, путем установки канатных анкеров. В основу расчетов параметров канатной анкерной крепи положен следующий порядок: на базе исходных данных определяются параметры анкерной крепи I–уровня, необходимая длина анкеров и их количество, определяется величина эффективного пролета В_эф, высота расслоения кровли при эффективном пролете и соответствие длины анкеров I уровня высоте расслоения кровли. По величине высоты расслоения определяется нормативная удельная нагрузка и параметры анкеров II уровня.

Рисунок 3 – Распределение напряжений вокруг выработки вне зоны опорного давления с учетом зоны дезинтеграции и формирования зоны расслоения пород кровли

h - высота зоны расслоения пород кровли, м; l_б - расстояние до зоны дезинтеграции от контура выработки, м; n - величина защитной зоны в краевой части удароопасного пласта, м; l_ц - величина податливого целика, м.

Расчет анкерной крепи II уровня производится в следующем порядке:

– определяется в

1. 
   
   
2. 
   
   
   1. 
      
      
   2. 
      
      
   3. 
      
      
      1. 
         еличина зоны разрушения углепородного массива:
         

где I – расстояние от контура выработки до зоны дезинтеграции, м; s – действующие напряжения в нетронутом массиве, МПа; R – прочность углепородного массива на сжатие в боках выработки, МПа; r – приведенный радиус выработки, м, ; s – площадь выработки;  = 3,14;­ А и С – экспериментальные константы;

– определяется величина эффективного пролета В_эф:

, м (4)

– определяется высота возможных расслоений h_pII:

, м – на подработанных пластах; (5)

, м – на одиночных пластах. (6)

– производится выбор схемы и необходимое количество анкеров с учетом их несущей способности.

Для повышения устойчивости выработок в зонах влияния очистных работ необходимо использовать для усиления анкерных и рамно-анкерных крепей установку канатных анкеров на высоту превышающую на 1,0-1,5 м зону расслоения кровли.

Предложенные научные критерии, учитывающие зону дезинтеграции пород, и расчетные формулы по определению параметров установки канатных анкеров II уровня позволяют обеспечить качественное поддержание горной выработки с закреплением длинных анкеров в устойчивых породах. Как показали исследования, данный способ закрепления позволяет снизить смещения кровли в 1,4-1,8 раза по сравнению с вариантом закрепления анкеров в пределах возможного свода обрушения.

Таким образом, результаты исследований подтверждают, что податливая сталеполимерная анкерная крепь обеспечивает устойчивое и безопасное состояние выработок при их длительном сроке службы (более двух лет) в геодинамических условиях разработки удароопасных пластов.

2. Экспериментально установлено, что применение сталеполимерной анкерной крепи обеспечивает устойчивость выработок при величинах отношений глубины расположения выработки к расчетному сопротивлению пород кровли до 35.

Критерий Н / R_с ограничен "Инструкцией по анкерному креплению…" значением 25 (рис.4).

Исследованиями при проведении и эксплуатации горных выработок – вентиляционного бремсберга 102-ю и 112-ю на пласте Тройном при подготовке и отработке выемочного столба парными выработками с податливыми межбремсберговыми целиками установлено:

– применение сталеполимерной анкерной крепи обеспечило устойчивое состояние кровли в выработках при их проведении вне зоны опорного давления и при поддержании податливыми целиками величиной 11-12 м после прохода очистного забоя в зоне опорного давления, при значениях критерия H / R_с = 850/ 31,6 = 27 > 25, которое выходит за рамки действия критерия Н / R_с < 25;

– при охране выработки податливым целиком кровля при своевременном возведении боковых анкеров без применения жесткой крепи усиления сохраняет устойчивое состояние при смещениях до 280-350 мм;

– несущая способность анкеров в кровле согласно выполненных замеров прибором ВШГ-20 превышает 12-16 тонн.

Исследованиями способа сталеполимерного анкерного крепления при проведении и эксплуатации горной выработки – вентиляционного бремсберга 22-з пласта Мощного, установлено:

– Н / R_с = 895 / 23 = 39 >25;

– применение сталеполимерной анкерной крепи обеспечило устойчивое состояние кровли в выработке при ее проведении и поддержании;

– перед началом очистных работ вне зоны опорного давления произведено усиление анкерной крепи выработки анкерной крепью второго уровня.

Исследованиями способа сталеполимерного анкерного крепления при проведении и поддержании горной выработки – конвейерного бремсберга 12-з пласта Мощного установлено:

– Н / R_c= 815/ 28,2 = 29 > 25.

– применение сталеполимерной анкерной крепи при несущей способности анкеров 14-15 тонн обеспечило устойчивое состояние выработки при ее проведении и поддержании.

В результате исследований по критерию Н / R_с на подработанных шахтопластах Тройной и Мощный установлено, что величина последнего составила Н / R_с  25 (от 26,9 до 39,4). Увеличение критерия Н / R_с произошло из-за снижения прочностных характеристик горных пород при подработке (до 30 %) по сравнению с прочностными характеристиками пород неподработанного массива и большой глубины ведения горных работ.

Учитывая горно-геологические условия шахт (большую глубину и изменение физико-механических свойств пород при подработке пластов), результаты исследований позволяют сделать вывод, что при критерии Н / R_с  25 проведение горных выработок вне зон опорного давления и при влиянии очистных работ, обеспечивает безопасное поддержание горных выработок.

При определении влияния мощности междупластья на возможность применения анкерной крепи на подрабатываемом пласте "Инструкцией по анкерному креплению…" предусматривается, чтобы величина междупластья была не менее 12m.

Наблюдения осуществлялись в вентиляционном бремсберге 102-ю пласта Тройного, в конвейерном бремсберге 102-ю пласта Тройного и в конвейерном бремсберге 12-з пласта Мощного.

Исследуемые участки пласта Тройного подработаны лавами пласта Четвертого. Мощность пород междупластья пластов Четвертого и Тройного колеблется от 17,5 до 19 м, а вынимаемая мощность Четвертого пласта колеблется от 1,7 до 1,8 м. Соотношение величины междупластья к вынимаемой мощности пласта M / m_т пласта Четвертого на рассматриваемых участках колеблется от 10 до 11.

По пласту Мощному (m = 4,2 м) исследования проводились на подработанном участке в вентиляционном бремсберге 22-з. Пласт подработан лавами по пласту Пятому (n₇), вынимаемая мощность которого составляла 1 м. Мощность междупластья равна 35 м и отношение величины междупластья к мощности вынимаемого пласта составляет M / m_т = 35 > 12.

Реперные станции оборудовались вслед за подвиганием забоев бремсбергов. Измерялись конвергенция кровли-почвы и боков выработок с помощью рулетки ВНИМИ. Точность отсчетов составляла ± 1,0 мм, а интервалы между замерами – один месяц.

На каждой станции оборудовалось пять сближенных сечений замеров конвергенции пород, по результатом которых вычислялись средние величины по каждой из замерных станций.

В вентиляционном бремсберге 102-ю было оборудовано 5 станций (25 промерочных сечения). Расстояние между станциями 150 м.

В конвейерном бремсберге 102-ю две замерные станции располагались в 150 м от сопряжения с южным конвейерным штреком, с интервалом 150 м между собой.

Десять станций в конвейерном бремсберге 12-з располагались по длине выработки с интервалом 150 м.

Условия поддержания этих выработок имеют различия, как по составу породной толщи, так и по величине вынимаемой мощности подрабатывающего пласта. Поэтому анализ результатов проводился отдельно.

Вентиляционный бремсберг 102-ю. Интервал времени от окончания горных работ по подрабатывающему пласту Четвертому составил более трех лет. Основу свиты составляют песчаники, алевролиты и аргиллиты. Каждый из слоев в междупластье имеет мощную монолитную структуру. Величина их мощности колеблется от 6 до 13 м. Прочность на одноосное сжатие, полученная по результатам испытаний образцов пород, отобранных из разведочных скважин, колеблется от 45 до 65 МПа, для песчаников от 70 до 90 МПа. Эти пачки пород определяют прочность кровли в целом и характер её изгиба, разрушения и рыхления в выработанное пространство пласта Четвертого.

На основании анализа инструментальных наблюдений в обнажениях протяженных выработок шахт Воркутского месторождения установлена зависимость влияния прочности пород на расстояние между естественными трещинами в породном массиве. На рис. 5 эта зависимость представлена в виде графика, по которому значения расстояний между трещинами могут быть найдены из выражения:

, (7)

где R_c – прочность пород на одноосное сжатие, кг/см²; l_ср – средние расстояния между трещинами, м.

Измерялись расслоения породной толщи. Мощности отслаивающихся пород (m) рассматривались в зависимости от расстояния между трещинами. Выявлено, что по величине для песчаников и алевролитов мощность слоя, равна ℓ_ср. Зависимость позволяет оценить кусковатость разрушенных пород в кровле пласта Четвертого при их обрушении и заполнении выработанного пространства на высоту до 1,8 м. Для песчаников с R_с = 70-90 МПа минимальные размеры глыб составят ℓ_ср = 15-30 см, для алевролитов с R_с = 45-65 МПа величина кусков в поперечнике имеет размеры 8-15 см. Эти значения кусковатости обусловлены только естественной трещиноватостью массива, а при разрушении раскрываются не все трещины и фактически разрушенная породная масса состоит из кусков больших размеров.



Рисунок 5 – Зависимость прочности пород и расстояния между трещинами

Для наблюдений за состоянием породного контура по конвергенции отдельно кровли-почвы и боков выработки вентиляционного бремсберга 102-ю закладывались станции. Нулевые смещения породного контура бремсберга на протяжении 110 суток наблюдений указывают на устойчивое состояние в сечениях всей выработки. По характеру поведения выработки можно судить о завершенных процессах усадки и уплотнения слоев пород в подработанной толще междупластья.

Для составления и анализа размеров междупластья (М) по каждому сечению и соотношения их с вынимаемой мощностью пласта Четвертого результаты расчетов обработаны. Минимальное значение отношения мощности междупластья к вынимаемой мощности пласта на первой станции равно M / m_т = 8,6. По другим станциям этот параметр колеблется от 8,6 до 10. А это значение ниже критерия M/m_т ≥ 12.

Условия сооружения и эксплуатации конвейерного бремсберга 12-з отличаются от условий вышерассмотренных выработок. Пласт Мощный подрабатывается пластом Пятым (n₇), вынимаемая мощность которого не превышает 1 м, а мощность междупластья составляет 32 м.

Состав пород междупластья примерно тот же, что и между пластами Тройным и Четвертым и суммарная мощность наиболее прочных пород – песчаников и алевролитов – более 90%. При этом прочность аргиллитов в почве пласта Мощного составляет 40 МПа, песчаников – 86 МПа и алевролитов – 43-45 МПа.

Однако, наличие в междупластье слоев средней мощности и маломощного пласта n₁₀ способствуют мягкому прогибу пачки пород, их обрушению и заполнению отработанного пространства пласта Пятого.

Период между завершением очистных работ по пласту n₇ и началом проходки бремсберга по пласту Мощному составил более одного года. К этому моменту, сдвижения пород заканчиваются и массив приходит в равновесное состояние. С другой стороны безопасное ведение работ по подработанному пласту Мощному обеспечено согласно установке критерия M / m_т ≥ 12.

О благоприятных условиях проходки бремсбергов по пласту Мощному подтверждает и анализ результатов наблюдений за смещениями контура выработки по реперам замерных станций, устанавливаемых вслед за подвиганием забоя.

По конвергенции кровли-почвы и боков бремсберга в течение 180 суток – величина не превышала 10 см (примерно, 5 см со стороны кровли или почвы) и боков – 5 см.

В целом и величина смещений, и характер протекания их во времени указывает на отсутствие влияния оседания подработанной толщи.

Косвенно о завершении процессов сдвижения в подработанной толще за истекший год свидетельствуют возникшие смещения контура выработки от других влияющих факторов. Влияние соседних выработок, как показал наш опыт, существенно больше влияния подработки, например, вторая замерная станция располагалась вблизи узла сопряжения бремсберга с заездом, в районе выпуклой его стенки. Из пяти промерочных сечений три указали на влияние этого сопряжения. Конвергенция кровли-почвы достигла 0,2 м, и бока были выдавлены при взаимном сближении на 0,2-0,8 м. Два других промерочных сечения, как и сечения всех других станций, имели сходный характер смещений и примерно одинаковую величину конвергенции кровли-почвы и боков за весь промежуток времени.

Отличие смещений на второй станции указывает на влияние сопряжения на породный контур выработки, а отсутствие этого влияния на других станциях подтверждает заключение об окончании сдвиговых процессов в надработанной толще.

Проведенные исследования позволяют применять способ сталеполимерного анкерного крепления на удароопасных пластах шахт ОАО "Воркутауголь" при отношении междупластья к технологической мощности подрабатывающего пласта M / m_т ≥ 10.

Заключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи устойчивости горных выработок, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью, в сложных геодинамических условиях Воркутского месторождения.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Решены задачи применения податливой сталеполимерной анкерной крепи при проведении и эксплуатации горных выработок различного функционального назначения по удароопасным пластам на шахтах ОАО "Воркутауголь".

2. Расширена область применения анкерной крепи. Критерий Н / R_с  ­до значения 35, M / m_т ­ до значения 10 для сложных геодинамических условий Воркутского угольного месторождения.

3. Разработаны технические решения, обеспечивающие устойчивость выработок с длительным сроком службы (более двух лет).

4. Разработаны расчетные методы определения параметров анкерной крепи на основе установленных закономерностей, обеспечивающих устойчивость закрепленных выработок на удароопасных и защищенных зонах.

5. Результаты исследований применения сталеполимерной анкерной крепи в условиях шахт ОАО "Воркутауголь" доведены до практического внедрения, учтены нормативными документами и утверждены Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору. Этим обеспечивается устойчивость выработок на удароопасных пластах в различных геодинамических условиях, надежность работы крепи, повышается безопасность ведения горных работ на выемочных участках, расположенных в зонах повышенных напряжений и в зонах влияния тектонических нарушений.

1.  Подосенов А.А. Основные направления повышения устойчивости выработок на удароопасных пластах при использовании анкерной и рамно-анкерной крепи на шахтах ОАО «Воркутауголь» / Бучатский В.М., Табалов А.А., Вельбовец С.Н., Соколов В.Н., Гусельников Л.М., Подосенов А.А. // Горный информационно-аналитический бюллетень, Москва, МГГУ №9, 2006, - стр. 241-247.

2.  Патент № 2300633. Способ извлечения штанг анкерной крепи. Авт.: Руденко А.Г., Коваль А.О., Подосенов А.А., Гусельников Л.М. Приоритет от 19.12.2005. Опубликовано в бюллетене изобретений –2007. –№16.

3.  Подосенов А.А. О геомеханических параметрах оценки устойчивости выработок с анкерной крепью, охраняемых податливыми целиками на пластах опасных по горным ударам / Гусельников Л.М., Подосенов А.А., Вовк А.И., Вьюников А.А. // Народное хозяйство республики КОМИ, Воркута, №1, т.14, 2005, - стр. 74-77.

4.  Подосенов А.А. Промышленная проверка дополнений, внесенных в нормативные документы по применению анкерной крепи / Подосенов А.А., Гусельников Л.М., Соколов В.Н. // Труды 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции, Воркута, апрель 2007 г, - стр. 97-102.

5.  Подосенов А.А. О методических положениях инструментальных и аналитических исследований устойчивости выработок, закрепленных анкерной крепью на пластах опасных по горным ударам при парной подготовке Подосенов А.А., Гусельников Л.М. // Труды 6-ой Межрегиональной научно-практической конференции, Воркута, апрель 2008 г, - стр. 59-63.