Геомеханическое обоснование параметров охранных целиков при разработке удароопасных угольных пластов

Кокоев, Сослан Геннадиевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обоснование параметров охранных целиков при разработке удароопасных угольных пластов
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование параметров охранных целиков при разработке удароопасных угольных пластов"

На правах рукописи

КОКОЕВ Сослан Геннадиевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОХРАННЫХ ЦЕЛИКОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УДАРООПАСНЫХ

УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ (НА ПРИМЕРЕ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»)

Специальность 25.02.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 СЕН 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

4853028

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Олег Владимирович Ковалев,

кандидат технических наук

Александр Александрович Подосенов

Ведущее предприятие - ОАО «Гипрошахт».

Защита диссертации состоится 30 сентября 2011 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, (bogusl@spmi.ru), ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 29 августа 2011 г.

Лев Капитонович Горшков

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Э.И.БОГУСЛАВСКИИ

Актуальность работы.

Проблема обеспечения безопасного состояния подготовительных выработок, охраняемых целиками, на угольных шахтах России, несмотря на многочисленные исследования в этой области, остается актуальной. От ее успешного решения во многом зависят объемы добычи угля, рентабельность и безопасность работы угольных предприятий, так как в сложных условиях отработки удароопасных пластов обеспечение безопасного состояния горных выработок и целиков является сложной технической задачей.

Вопросами безопасного состояния подготовительных выработок и целиков при разработке удароопасных угольных пластов занимались многие исследователи. Существенный вклад в решение этой проблемы внесли С.Г. Авершин, К.А. Ардашев, Н.П. Бажин, Я.А. Бич, Ф.П. Бублик, Ф.Н. Воскобоев, И.Е. Долгий, С.Я. Жихарев, В.П. Зубов, О.И. Ковалев, A.M. Линьков, О.И. Мельников, И.М. Петухов, B.C. Сидоров, В.Д. Слесарев, А.К. Черников и ряд других ученых. Значительных успехов добились исследователи ряда зарубежных стран (О. Якоби, Г. Эверлинг, X. Хервик, Г. Браунер, А. Бетчлор и др.).

По действующим нормативно-методическим документам на пластах, склонных к горным ударам, опасная зона - это участок массива, в пределах которого при ведении очистных работ требуется дополнительные меры безопасности, требующие значительных затрат, что существенно снижает скорость подвигания лавы и объем добываемого угля.

В настоящее время на шахтах Кузбасса, разрабатывающих склонные к горным ударам пласты, широко используется система разработки длинными столбами по простиранию с охраной подготовительных выработок целиками. Высокая газоносность пластов требует дополнительного проветривания лавы, которое осуществляется с помощью передовых выработок, пересекающие отрабатываемый участок. В процессе перехода лавой передовой выработки формируется опасная зона с возможными динамическими проявлениями горного давления.

лавой и передовой выработкой. Поэтому, для повышения безопасного состояния подготовительных выработок вблизи очистных работ актуальной является задача определения параметров охранных целиков, оптимальной глубины разгрузочных скважин и расстояния между ними, буримых со стороны передовой выработки.

Цель диссертационной работы. Определение оптимальных параметров охранных целиков для обеспечения безопасного состояния подготовительных горных выработок в сложных условиях разработки угольных пластов, склонных к горным ударам.

Идея работы: Безопасное состояние подготовительных выработок в сложных условиях разработки угольных пластов осуществляется за счет оптимальной ширины межлавного целика и рациональных параметров профилактических мероприятий, проводимых для разгрузки массива бурением глубоких скважин со стороны передовой выработки.

Основные задачи исследования:

• изучение особенностей системы разработки на удароопасных угольных пластах Кузбасса;

• проведение геофизических исследований проявлений горного давления на участках ведения горных работ;

• создание геомеханической модели деформирования горного массива в зоне влияния очистных работ;

• определение параметров охранных целиков для обеспечения безопасного состояния подготовительных выработок в сложных условиях разработки удароопасных угольных пластов.

Методы исследований.

деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок в сложных условиях разработки угольных пластов;

натурные исследования в шахтных условиях, в частности, геофизические исследования краевой части удароопасных пластов. Научная новнзна работы:

• Определены величины и выявлены закономерности распределения напряжений в окрестности подготовительных выработок с учетом размеров зон неупругих деформаций и ширины межлавного целика.

• Определены параметры напряженно-деформированного состояния в опасной зоне пласта в зависимости от ориентации передовой выработки относительно забоя лавы. Защищаемые научные положения:

1. Параметры напряженно-деформированного состояния целиков и массива в окрестности подготовительных выработок должны определяться, в основном, размерами зон обрушения горных пород при ведении очистных работ.

2. Безопасные размеры межлавного целика определяются критериями его несущей способности и удароопасности с учетом напряжений, возникающих на участках сопряжений лавы с вентиляционным штреком.

3. Ширина участка и расстояния между разгрузочными скважинами при обработке массива со стороны передовой выработки определяются величиной остаточного и временного опорного давления и её ориентацией относительно забоя лавы.

Практическая значимость работы: Рекомендации по данной работе вошли в «Методическое руководство по порядку и контролю безопасного ведения горных работ в опасных зонах при высоких скоростях проходки подготовительных выработок и ведения очистных работ на шахтах ОАО "СУЭК-Кузбасс".

Достоверность н обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием краевой части пласта и деформациями породного контура выработок, исследованием прочностных и деформационных характеристик угля, моделированием напряженно-деформированного состояния массива.

Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на

международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГУ «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 20092010 г.г.) и научно-техническом совете СПГТУ.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, участии в проведении и анализе натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей напряженно-деформированного состояния массива, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень

ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 81 наименований, 86 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 диссертационной работы приведены горногеологические условия Таллинского каменноугольного месторождения, выполнен анализ методов расчета безопасных параметров целиков, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 приведены результаты натурных наблюдений за состоянием краевой части угольного пласта на основе геофизических исследований и по выходу буровой мелочи из прогнозных шпуров. Приведены результаты экспериментальных исследований прочностных и деформационных свойств угля.

В главе 3 выполнено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива с учетом влияния очистных работ, сопоставлены данные геофизических исследований с результатами моделирования, выполнено обоснование и постановка пространственной задачи, учитывающей поэтапный переход лавой передовой выработки. Определены поля нормальных к напластованию напряжений в угольном пласте.

В главе 4 разработаны рекомендации по определению оптимальных параметров охранных целиков и профилактических мероприятий для обеспечения безопасного состояния сопряжения лавы с вентиляционным штреком.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

На шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» и, в частности, на шахте «Таллинская Западная-1» подготовка выемочных участков производится спаренными выработками с широкими неизвлекаемыми целиками между ними и анкерным креплением оконтуривающих выемочный столб выработок. Для определения влияния целиков на устойчивость подготовительных выработок были проведены натурные исследования с целью определения напряженно-деформированного состояния краевой части пласта в зоне влияния очистных работ с использованием метода дипольного электромагнитного профилирования аппаратурой ИПЭШ-1. Деформирование в виде уплотнения или разрушения структуры угольного пласта под действием горного давления сопровождается снижением или возрастанием удельного электрического сопротивления угля, которое функционально связано с амплитудой поля искусственного источника (А, мкВ). Данный метод позволяет определить качественную характеристику НДС краевой части пласта. Для определения полной картины влияния очистного пространства на напряженно-деформированное состояние целиков и массива вокруг подготовительных выработок моделировался массив горных пород с учетом стадии отработки угля и обрушения пород кровли.

Модель представляет собой участок массива 500x500x300 м с подготовительными выработками и межлавными целиками между ними (рис. 1). Обрушение пород кровли моделировалось геометрически призмой обрушения с углом давления, принятым для Кузбасса 63°. Призма обрушения является составной частью

массива, но с другими деформационными свойствами. Модуль деформации массива принят равным 20000 МПа, а призмы обрушения - 700 МПа.

Рис. 1. Конечно-элементная модель массива пород с призмой обрушения

За критерий адекватности модели реальному состоянию участка принята сходимость данных геофизических исследований с результатами математического моделирования (рис. 2). Геофизическое профилирование конвейерного штрека 67-05 шахты «Таллинская Западная-1» качественно соответствуют результатам моделирования. Повышение напряжений в массиве соответствует понижению амплитуды наведенного электромагнитного поля, вызванное уплотнением массива и, следовательно, возрастанием удельного электрического сопротивления угля. Сопоставимость результатов позволяет считать математическую модель адекватной реальной геомеханической обстановке, а результаты моделирования

считать достоверными.

Анализируя результаты математического моделирования, можно выявить места с наибольшей концентрацией напряжений, вызванной влиянием опорного давления от зависания кровли в местах отработки угля (рис. 3). Самой нагруженной областью является ленточный межлавный целик 1, оставляемый при отработке угля, за счет влияния отработанной и отрабатываемой лавы. Концентрация напряжений на данном участке достигает 2,5 -н ЗуН .

а)

С 2

-100

<Г

50 0 50 100 150

Длина измерений, м -400

50 100 150 Длина измерений, м

200

300-

250200150-

бой лавы

-100 -50 0 50 100 150 Длина измерений, м

200

50 100 150

Длина измерений, м

200

Рис. 2. Сопоставление данных геофизических исследований с результатами математического моделирования: а) конвейерный штрек 67-05; б) лава 67-04

Рис. 3. Участки с повышенной концентрацией напряжений

На участке сопряжения вентиляционного штрека с лавой (цифра 2 на рис. 3) концентрация напряжений достигает 2 ^ 2,5 у\\ .

Участок 3, находясь в зоне повышенных напряжений, попадает в зону влияния лавы 2. Концентрация напряжений на этом участке достигает 1,5 4- 2 /II .

2. Безопасные размеры межлавного целика определяется критериями его несущей способности и удароопасности с учетом напряжений, возникающих на участках сопряжений

лавы с вентиляционным штреком.

Сопряжение вентиляционного штрека с лавой находится в зоне наибольшего проявления горного давления, от безопасного состояния которого зависит производительность ведения горных работ.

Для выявления закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива в зоне сопряжения от ширины межлавного целика разработана математическая модель формирования поля напряжений в угольном пласте.

Вертикальные сжимающие напряжения нетронутого массива горных пород принимаются равными весу столба горных пород до земной поверхности (Н=300 м). Мощность пласта угля 4 м, длина лавы 200 м, скорость подвигания - 10 м/сутки, породы кровли при обнажении легко и среднеобрушаемые. Выработки имеют прямоугольную форму поперечного сечения шириной 5 м и высотой 4 м. Физико-механические свойства пород, слагающих массив, представлен в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства пород

№ п/п Зона Модуль деформации, Е, МПа Плотность, у, кг/м1 Коэффициент Пуассона, V Сцепление С, МПа Угол внутреннего трения, у

1 Вмещающие породы (алевролит к/з) 10 000 2 400 0,3 - -

2 Непосредственная кровля (алевролит м/з) 6 000 2 000 0,3 - -

3 Пласт угля 1 000 1 340 0,24 2,5 38

4 Непосредственная почва (алевролит м/з) 6 000 2 000 0,3 - -

5 Зона обрушения 700 1 800 0,3 - -

Для полного анализа напряженно-деформированного состояния массива впереди отрабатываемой лавы были получены напряжения по направлению отработки лавы (рис. 4). Самый высокий уровень напряжений наблюдается непосредственно у лавы, уменьшаясь по мере отдаления вглубь массива. На расстоянии 100 м от забоя лавы у откаточного штрека (ОШ) напряжения равны фоновому значению.

Целик у отработанной лавы находится в зоне повышенных вертикальных напряжений, которые составляют 15-18 МПа. Под воздействием отрабатываемой лавы величина напряжений в целике у забоя лавы возрастает до 20-22 МПа.

Длина измерений, м Рис. 4. Вертикальные напряжения по длине отрабатываемой лавы в зависимости от

расстояния до забоя лавы

Для оценки безопасного состояния сопряжения лавы с вентиляционным штреком (ВШ) использовалась методика, разработанная на основе теории трещин (И.М. Петухов, A.M. Линьков) (рис. 5). Расчетная и допускаемая величины коэффициента интенсивности напряжений определяются по

формулам: К] = ay-hnR , к. ма = , где <уу- расчетное

напряжение, МПа; R - расстояние от кромки пласта до расчетной точки, определяемой по максимальному выходу буровой мелочи из прогнозных шпуров (рис. 6), м; Н0 - глубина, с которой пласт

отнесен к опасным по горным ударам, (200 м); а выработанного пространства, (200 м).

ширина

, ед

¡.доп 1.1

0.9

0.8

0.7

13 м

N / У

2 5 13

яГ 4 ю

2 §3

§ 2

а 2-

га ,

Ширина целика, м Рис. 5. Выбор оптимальной ширины целика

"11 I л 1

V 1 7 1

л 1 1 1

1 1

„ 8 Л

ч 6 га

1 1

л N 1 1 2 1Г. —

N 0 1 1 Ж г

\ 1

? 1

0123456789 10 Длина шпура, м

012345678

Длина шпура, м

9 10

Рис. 6. Данные прогнозных шпуров в районе сопряжения: 1 - целик; 2 - лава

Для шахты «Талдинская-Западная-1» целик шириной больше 18 м обеспечит безопасное состояние сопряжения лавы с вентиляционным штреком. Зоны необратимых деформаций и максимумы опорного давления, формирующиеся у его краев, не сливаются. Меньший максимум с напряжениями 20,5 МПа находится на расстоянии 2,2 м от обнажения со стороны вентиляционного штрека, а больший с напряжениями 23 МПа - на расстоянии 3 м со стороны очистной выработки. Между ними наблюдается некоторый спад напряжений. Суммарный размер

предельно напряженных зон равен 5,2 м (предельный размер целика). Целик полностью переходит в предельно-напряженное состояние, когда сумма соответствующих зон превышает его ширину. В данном случае целик сохраняет свою несущую способность, так как ширина целика больше предельного размера.

При ведении очистных работ существует опасность динамических проявлений горного давления в целике. Наибольшую опасность представляют целики с предельными размерами. Безопасный размер целика с точки зрения его удароопасности определяется неравенством: Ьц > 1,25 Ln (И.М. Петухов, A.M. Линьков), где Ьц - безопасный размер целика, м; L„ -предельный размер целика, м. Следовательно, в условиях шахты «Таллинская Западная-1» ширина целика больше 6,5 м обеспечит его безопасное состояние.

Таким образом, оставляемый межлавный целик должен соответствовать следующим критериям: должен обеспечивать безопасное состояние сопряжения вентиляционного штрека с лавой {L4 = 18 м) и сохранять свою несущую способность (Ьц = 5,2 м), не разрушаясь в динамической форме (1Ц = 6,5 м).

5. Ширина участка и расстояния между разгрузочными скважинами при обработке массива со стороны передовой выработки определяются величиной остаточного и временного опорного давления и её ориентацией относительно забоя лавы.

К сложным условиям отработки пластов относят ведение горных работ в направлении на передовую выработку. Намечаемые к отработке опасные участки пласта следует приводить в неудароопасное состояние заблаговременно, до возникновения в них высокой степени удароопасности.

При подходе очистного забоя к передовой выработке на расстояние 0,7/ должен быть составлен паспорт заблаговременной обработки участка шириной 0,4/ со стороны передовой выработки (/ - ширина зоны опорного давления).

При ведении горных работ на опасных участках возможна потеря устойчивости выработок. Об этом свидетельствует динамическое явление, произошедшее 18.04.2011 г. в вентиляционном штреке лавы 3-32 в районе передовой выработки

на шахте «Алардинская». Часть сечения вентиляционного штрека 332 оказалась заполненной горной массой, из-за чего не обеспечивалось прохождение расчетного количества воздуха из лавы 3-32 (рис. 7).

Для оценки степени влияния очистных работ на НДС пласта между лавой и передовой выработкой была построена объемная конечно-элементная модель с 6 этапами отработки (рис. 8). В первоначальной ситуации расстояние между очистной и передовой выработкой составляет 50 м. С шагом 20 м лава приближается к передовой выработке, тем самым происходит перераспределение напряжений в массиве впереди лавы.

На первом этапе отработки часть передовой выработки находится под незначительным влиянием остаточного и временного опорного давления. Самым нагруженным участком является

сопряжение между лавой и вентиляционным штреком, а также сопряжение между передовой выработкой и вентиляционным штреком. Вертикальные напряжения на участке сопряжения забоя лавы с вентиляционным штреком составляют 20 МПа, а на участке сопряжения передовой выработки с вентиляционным штреком -17 МПа.

На третьем этапе развития очистных работ образуется сопряжение между забоем лавы, вентиляционным штреком и передовой выработкой. Сформировавшиеся при этом два острых угла являются концентраторами напряжений, так как находятся в зоне наибольшего влияния опорного давления от ранее отработанной и отрабатываемой лавой. Величина вертикальных напряжений составляет 21 МПа.

На четвертом и последующих этапах передовая выработка переходит под влияние только временного опорного давления. Концентратором значительных напряжений так же будут являться

сопряжение забоя лавы с вентиляционным штреком и сопряжение между забоем лавы и передовой выработкой.

Анализ результатов моделирования показывает, что при развитии очистных работ в сторону передовой выработки формируется сокращающийся целик, напряжения в котором могут быть критическими и спровоцировать горный удар. Во избежание динамического разрушения опасной зоны необходимо проводить профилактические мероприятия по приведению ее в неудароопасное состояние.

Создание защищенных зон для ведения очистных работ осуществляются путем бурения рядов разгрузочных скважин большого диаметра. Длина скважин не должна быть меньше ширины сокращающегося целика, при которой возможно его разрушение в динамической форме (1кр = 14 м). Целик является неудароопасным, если его ширина равна 1,25 критической ширины. Согласно этому зона бурения разбивается на 3 участка (рис. 9) с соответствующими расстояниями между скважинами (Сскв) и длиной скважин (1скв).

Предложенные параметры длины и расстояния между разгрузочными скважинами позволят сократить объем буровых работ на 30 - 40 % по сравнению с действующими (таб. 2).

Рис. 9. Участки бурения в зависимости от расположения передовой выработки: 1 -при отработке со стороны конвейерного штрека, 2 -со стороны вентиляционного

штрека

Таблица 2

Параметры буровых работ

Схема при отработке с Схема при отработке с Действующие параметры

конвейерного штрека (рис. 9 схема 1) вентиляционного штрека (рис. 9 схема 2)

№ 1скв> ^СКВ) с ^СКВ) № ^скв> с ^скв 1скв> г ^СКВ)

уч м ММ М уч м мм ,М м ММ М

100 0.6 100 0.7 100 0.9

200 1.2 200 1.5 200 1.2

III 17 300 1.8 I 26 300 2.2 300 1.6

400 2.4 400 3.0 400 2.0

500 3.0 500 3.7 500 2.5

100 0.7 100 0.6 100 0.9

200 1.3 200 1.3 200 1.2

II 21 300 2.0 II 22 300 2.0 30 300 1.6

400 2.6 400 2.6 400 2.0

500 3.2 500 3.2 500 2.5

100 0.7 100 0.6 100 0.9

200 1.4 200 1.2 200 1.2

I 24 300 2.2 III 18 300 1.8 300 1.6

400 2.9 400 2.4 400 2.0

500 3.6 500 3.1 500 2.5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи - обеспечение безопасного состояния подготовительных выработок за счет оптимальных размеров межлавных целиков в сложных условиях разработки удароопасных угольных пластов.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Разработана пространственная геомеханическая модель напряжённо-деформированного состояния массива при ведении очистных работ, учитывающая прочностные и деформационные характеристики угля и вмещающих пород, зоны обрушения,

взаимное расположение выработок, а также их геометрические размеры.

2. По результатам математического моделирования выявлены зоны с наибольшей концентрацией нормальных к напластованию напряжений. Самой нагруженной областью является ленточный межлавный целик. Концентрация напряжений на данном участке достигает 2,5 -г- 3 уН .Менее нагруженным участком является сопряжения вентиляционного штрека с лавой 2 -ь 2,5 /Н .

3. Для обеспечения безопасного состояния сопряжения лавы с вентиляционным штреком был выполнен расчет ширины межлавного целика. Оставляемый межлавный целик должен соответствовать следующим критериям: должен обеспечивать безопасное состояние сопряжения вентиляционного штрека с лавой (Ьч = 18 м) и сохранять свою несущую способность (Ьц = 5,2 м), не разрушаясь в динамической форме (/,,, = 6,5 м).

4. Установлены особенности напряженно-деформированного состояния межлавного целика за весь период его существования. Проведение (расположение) выработок в непосредственной близости от краевой части пласта вызывает изменение первоначального напряженного состояния как вокруг самой выработки, так и в образовавшемся целике угля. Напряженное состояние целика зависит от его ширины и уровня нагрузки на него со стороны парной подготовительной выработки и со стороны выработанного пространства. За весь период эксплуатации целика напряжения в нем возрастают в 3 раза, причем по ширине целика возрастание напряжений происходит неравномерно.

5. С помощью пространственной пошаговой математической модели определена степень влияния очистных работ на напряженно-деформированное состояние пласта между лавой и передовой выработкой. По мере приближения лавы к передовой выработке формируется сокращающийся целик, который является концентратором опасных нагрузок.

6. Предложены параметры профилактических мероприятий в опасной зоне на основе результатов пространственной математической модели, которая позволит сократить объем буровых работ на 30 - 40%.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Кокоев С.Г. Оценка напряженного состояния системы межштрековых целиков при подготовке к выемке удароопасных пластов // Известия вузов. Горный журнал. - 2010. - № 3. - С. 39-42.

2. Кокоев С.Г. Прогноз и оценка удароопасности угольных пластов / Л.К. Горшков, В.Н. Монахов, Е.В. Шишкин, С.Г. Кокоев // Экология и развитие общества. Материалы ХП Международной конференции. - СПб.: МАНЭБ, 2009. - С. 112-116.

3. Кокоев С.Г. Опыт охраны подготовительных выработок на угольных шахтах / Л.К. Горшков, В.Н. Монахов, Е.В. Шишкин, С.Г. Кокоев // Народное хозяйство Республики Коми. Т. 19, №1. - Воркута - Сыктывкар - Ухта, 2010. - С. 31-35.

4. Кокоев С.Г. Обеспечение устойчивости горных выработок целиками различной жесткости / Л.К. Горшков, С.Г. Кокоев // Записки Горного института. Т.189. - СПб.: СПГГИ(ТУ), 2011.-С. 206-208;

5. Кокоев С.Г. Геомеханическое обоснование оптимальных параметров целиков при многоштрековой схеме подготовки угольных пластов // Записки Горного института. Т.189. — СПб.: СПГГИ(ТУ), 2011. - С. 226-228;

6. Kokoev S.G. Geomechanische Begrundung der optimalen Parameter von ungleichartigen Streckenfesten / KokoevS.G. // Scientific Reports on Resource Issues - 2010, vol. 3. - P. 228-230.

РИЦСПГГУ. 25.08.2011. 3.481. ТЛООэкз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кокоев, Сослан Геннадиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современное состояние изученности вопроса.

1.2 Горногеологические и горнотнхнологические условия разработки угольных пластов на шахтах Кузбасса.

1.3 Выбор метода исследований.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕЛИКОВ И КРАЕВОЙ ЧАСТИ ПЛАСТА.

2.1 НДС угольного пласта по данным геофизических исследований.

2.1.1 Методика проведения геофизических исследований

2.1.2 Результаты исследования НДС угольного пласта по данным геофизических исследований.

2.2 Исследование НДС угольного пласта по выходу буровой мелочи из прогнозных шпуров.

2.2.1 Методика проведения исследований.

2.2.2 Результаты исследования НДС угольного пласта по выходу буровой мелочи.

2.3 Экспериментальные исследования прочностных и деформационных свойств угля.

2.3.1 Методика определения показателей паспорта прочности горных пород:.

2.3 ;2"Результаты определения показателей паспорта прочности угля.

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ПОД ВЛИЯНИЕМ ОЧИСТНЫХ РАБОТ.

3:1. Моделирование напряженно-деформированного состояния участка ведения горных работ на пласте 67 шахты «Талдинская Западная-1».

3.1.1. Постановка задачи.

3.1.2. Результаты численного моделирования.

3.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива при отработке выемочных участков системой длинными столбами по простиранию.

3.2.1. Постановка задачи.

3.2.2. Результаты численного моделирования.

3.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива с поэтапным приближением забоя лавы к передовой выработке.

3.3.1. Постановка задачи.

3.2.2. Результаты численного моделирования.

ГЛАВА 4 СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНЫХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ МЕЖШТРЕКОВЫХ ЦЕЛИКОВ.

4.1. Обоснование безопасного состояния сопряжения между забоем лавы и вентиляционным штреком.

4.2. Обоснование оптимальных параметров профилактических мероприятий в сложных условиях разработки удароопасных угольных пластов.

4.3 Прогноз и оценка удароопасности угольных пластов 116 4.4. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок на угольных шахтах.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование параметров охранных целиков при разработке удароопасных угольных пластов"

Актуальность работы.

Вопросами безопасного состояния подготовительных выработок и целиков при разработке удароопасных угольных пластов занимались многие исследователи. Существенный вклад в решение этой проблемы внесли С.Г. Авершин, К.А. Ардашев, Н.П. Бажин, Я.А. Бич, Ф.П. Бублик, Ф.Н. Воскобоев, И.Е. Долгий, С .Я. Жихарев, В.П. Зубов, О.В. Ковалев, A.M. Линьков, О.И. Мельников, И.М. Петухов, B.C. Сидоров, В.Д. Слесарев, А.К. Черников и ряд других ученых. Значительных успехов добились исследователи ряда зарубежных стран (О. Якоби, Г. Эверлинг, X. Хервик, Г. Браунер, А. Бетчлор и др.).

В настоящее время на шахтах Кузбасса, разрабатывающих склонные к горным ударам пласты, широко используется система разработки длинными столбами по простиранию с охраной подготовительных выработок целиками и проведением передовых выработок, пересекающие отрабатываемый участок для обеспечения требуемого количества воздуха и дополнительного выхода людей. В процессе перехода лавой передовой выработки формируется опасная зона с возможными динамическими проявлениями горного давления.

Профилактические мероприятия по предотвращению динамических проявлений горного давления должны определяться с учетом напряженно-деформированного состояния массива между лавой и передовой выработкой. Поэтому для повышения безопасного состояния подготовительных выработок вблизи очистных работ актуальной является задача определения параметров охранных целиков и разгрузочных скважин в окрестности передовой выработки.

Цель работы:

Определение оптимальных параметров охранных целиков для обеспечения безопасного состояния подготовительных горных выработок в сложных условиях разработки угольных пластов, склонных к горным ударам.

Идея работы:

Безопасное состояние подготовительных выработок в сложных условиях разработки угольных пластов осуществляется за счет оптимальной ширины межлавного целика и рациональных параметров профилактических мероприятий, проводимых для разгрузки массива бурением глубоких скважин со стороны передовой выработки.

Основные задачи исследования:

- изучение особенностей системы разработки на удароопасных угольных пластах Кузбасса;

- проведение геофизических исследований проявлений горного давления на участках ведения горных работ;

- создание геомеханической модели деформирования горного массива в зоне влияния очистных работ;

- определение параметров охранных целиков для обеспечения безопасного состояния подготовительных выработок в сложных условиях разработки удароопасных угольных пластов.

Методы исследований.

Обоснование задач исследований; теоретические исследования напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок и целиков; лабораторные исследования прочностных и деформационных свойств образцов угля; математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок в сложных условиях разработки угольных пластов; натурные исследования в шахтных условиях, в частности, геофизические исследования краевой части удароопасных пластов.

Научная новизна работы:

- определены величины, и выявлены закономерности распределения напряжений в окрестности подготовительных выработок с учетом размеров зон неупругих деформаций и ширины'межлавного целика;

- определены, параметры напряженно-деформированного состояния в опасной зоне пласта в зависимости от ориентации' передовой выработки относительно забоя лавы.

Защищаемые научные положения:

Практическая значимость работы:

Рекомендации по данной работе вошли в «Методическое руководство по порядку и контролю безопасного ведения горных работ в опасных зонах при высоких скоростях проходки подготовительных выработок и ведения очистных работ на шахтах ОАО "СУЭК-Кузбасс".

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается значительным объемом экспериментальных, натурных наблюдений за состоянием краевой части пласта и деформациями породного контура выработок, исследованием прочностных и деформационных характеристик угля, моделированием, напряженно-деформированного состояния массива.

Апробация диссертации:

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов ОПГГУ «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009-2010 г.г.) и научно-техническом совете СПГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение,

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Кокоев, Сослан Геннадиевич

Основные результаты выполненных исследований: г

1. Разработана пространственная геомеханическая модель напряжённо-деформированного состояния массива, при ведении очистных работ, учитывающая прочностные и деформационные характеристики угля и вмещающих пород, зоны обрушения, взаимное расположение выработок, а также их геометрические размеры.

2. По результатам математического моделирования выявлены зоны с наибольшей концентрацией нормальных к напластованию напряжений.

Самой нагруженной областью является ленточный межлавный- целик. I

Концентрация напряжений на данном участке достигает 2,5 -ь 3 уИ-Менее

1 нагруженным участком является сопряжения: вентиляционного штрека с лавой ¿ +

3. Для обеспечения безопасного состояния сопряжения, лавы с вентиляционным штреком был выполнен расчет ширины межлавного целика. Оставляемый межлавный целик должен соответствовать следующим критериям: должен обеспечивать безопасное состояние сопряжения вентиляционного штрека с лавой (Хг/=18 м) и сохранять свою» несущую способность (Ьц-5,2 м), не разрушаясь в динамической форме (Д/=6,5 м).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кокоев, Сослан Геннадиевич, Санкт-Петербург

1. Слесарев В.Д. Вопросы управления кровлей. Ч. 1. ОНТИ. НКТП1. СССР, 1935. 223 с.

2. Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Сб. LXXXI. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной'геомеханики. JL, изд. ВНИМИ, 1970, 333 с.

3. Крупенников Г. А. Горнотехнические и механико-статические критерии выбора аналитических методов исследования проблем горной геомеханики. Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Сб. LXXVI. Л., изд. ВНИМИ, 1970, с. 33-55.

4. Крижановская Т.А. Исследования давления горных пород на крепь горизонтальных выработок на основе теории вязко-пластического течения. -В кн.: Исследования горного.давления. М., Госгортехиздат, 1960, с. 392-410:

5. Родин И.В. Снимаемая- нагрузка и горное давление. — В' кн.: Исследование горного давления. М., Госгортехиздат, I960,1 с. 343-374.

6. Бажин HXL, Мельников О.И. Охрана» подрабатываемых подготовительных выработок. М., «Недра», 1978. 253 С.

7. Авершин С.Г. Горные удары. Углетехиздат, М., 1955. 272 С.

8. Петухов И.М., Раевская Г.Г.,.Сидоров B.C. О зоне опорного давления. Труды ВНИМИ, сб. 46, 1968.

9. Петухов И.М., Литвинова В.А., Кучерский Л.В. и др. Горные.удары и борьба с ними. Пермь, 1969. 399 С.

10. Петухов И.М. Горные удары на угольных шахтах. М.: Недра, 1972. -222 С.

11. Петухов И.М., Линьков A.M. Волны разрушения при горных ударах и выбросах. Труды ВНИМИ, сб. 88, 1973.

12. Петухов И.М., Линьков A.M. Распределение напряжений в пласте угля в случае совместного влияния нескольких зон опорного давления. Труды ВНИМИ, сб. №74, 1970.

13. Бич Я.А., Баженова А.И. Приборы для определения механического состояния угля вокруг выработки. Тр. ВНИМИ; сб. №66,-Л: 1966.

14. Баженова А.И; Разработка метода прогноза степени удароопасности участков. пластов, основанного; на вдавливании пуансона.в забой; скважины: Тр. ВНИМИ, сб. №74, 1970. ' ,

15. Барановский В.И., Бесков М.И. О размерах- предохранительныхцеликов угля для глубоких шахт. Уголь. 1966, №1, стр. 22-27.' • 1

16. Барановский В.И., Бесков М.И. Об охране подготовительныхвыработок, проходимых по пластам со склонными к пучению вмещающими: породами. Уголь Украины, 1970, № 12, с. 8-9.

17. Воскобоев Ф.Н., Распопов В.И., Махно Е.Я. и др. Совершенствование очистных работ на крутых пластах Донбасса. ЦНИЭИуголь, М., 1971--149 С.

18. Липкович С.М., Костоманов А.И. На статью В.И. Барановского, М.И. Бескова. О размерах предохранительных целиков для глубоких шахт. Уголь №2, 1976, с. 69-71.

19. Сапицкий К.Ф. Расчет податливых целиков при камерно-столбовых системах разработки угольных- пластов. Уголь, 1964, № 3, с. 13-16.

20. Юков В.А. О размере целика при бурошнековой выемке глинистых руд. Горный журнал «Известия высших учебных заведений», 1971, № 6, с.24-27.

21. Борщ-Компаниец В.И., Макаров А.Б. Управление горным, давлением посредством* придания* искусственной- податливости междукамерным целикам. В сборнике «Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей. М:, «Недра», 1986, с.181-203.

22. Проскуряков Н.М. Деформирование элементов соляного массива в-очистных камерах. Сборник «Управление состоянием массива горных пород», М., «Недра», 1991, с. 265-268.

23. Проскуряков Н.М., Антонов A.A. Исследование деформаций неоднородных по форме и строению соляных целиков. Сборник «Физические процессы горного производства», Л., ЛГИ, 1984, с. 64-68.

24. Савченко C.B. Управление горным давлением и сдвижением массива при разработке угольных пластов короткими забоями с разрушающимися целиками в условиях многолетней мерзлоты. Автореферат кандидатской диссертации. СПб, 1998, с. 19.

25. Бублик Ф.Щ Иванов Г.А. Исследование длительной прочности и ползучести неоднородных целиков. Труды ВНИМИ, сборник № 78, 1970.

26. Фисенко Г. Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М., «Недра», 1976. 272 С.

27. Воскобоев Ф.Н., Чубенко П.Ф. Изменение несущей способности угольного массива во времени в натурных условиях. В сборнике «Технология добычи угля подземным способом. ЦНИЭИуголь, № 8, «Недра», 1967.

28. Бич Я.А. Установка для исследования деформируемости! угольного пласта; Научно-техническая информация; ЦИТИ, Углетехиздат, 1959.

29. Ержанов Ж.С. Теория ползучести; горных; пород? и ее приложения. Алма-Ата, 1964.- 175 С. . ,

30. Вовк А.И. Диссертация на соискание ученой степени; кандидата технических; .наук на: тему «геомеханическое обоснование и разработка параметров; подготовки, парными выработками угольных пластов воркутского месторождения». СПб.: 2003 г. • ,

31. Линьков А.М., Петухов И.М., Тлеужанов М.А. Новые методы расчета целиков. ФТПРПИ, 1984, № 3, с. 13-28.39: Рекомендации. по расчету целиков с учетом опасности горных ударов. Л., ВНИМИ; 1983.-27 С. . . ; ; >

32. Методические указания по оценке напряженного ■ состояния угля« и пород электрометрическим.методом.-Л.; ВНИМИ; 19744, 59 с. '

33. Петухов И.М., Смирнов В .А. Методика геофизического прогноза удароопасности участков угольных1 пластов1 и рудных залежей; М., Недра, 1980.-88 с. '

34. Проскуряков В.М., Шабаров А.Н., Фрид В.И. и др. Экспресс — оценка динамических явлений на угольных пластах методом ЭМИ. Кемерово^ 1991.-96 с.

35. Слесарев В.Д Основы метода приближенного решения задач горного давления. // Тр. ВНИМИ, сб. 18./ 1949: С. 7 - 12.

36. Временное методическое указание по прогнозу степени удароопасности участков пластов угля геофизическими методами (для шахт Кузбасса). Прокопьевск, 1989. -29 с.

37. Скакун А.П. Разработка методов оценки степени удароопасности участков массива угля и пород на основе геоэлектрических измерений / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Л., ВНИМИ, 1985. - 20 с.

38. Смирнов, В.А., Скакун А.П. Контроль удароопасности угольных пластов .и рудных залежей с помощью высокочастотных электромагнитных методов. В сб.: Методика и; техника скважинной геологии и геофизики. -Л., ВНИМИ, 1982, с. 46 - 51.

39. Инструкция по безопасному ведению' горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. Санкт-Петербург., 1999, 100 с.

40. Методические указания по прогнозу степени удароопасностиiучастков массива горных пород, руд и угля по разделению, керна на диски и выходу буровой мелочи. Л., ВНИМИ, 1985. 24'с.

41. Расчет и экспериментальная оценка напряжений в целиках и краевых частях пласта угля (методические указания). Л., ВНИМИ, 1973. 130 с.

42. Запрягаев А.П., Исаев A.B., Генкин В.А. и др. К прогнозу удароопасности пород по< дискованию» керна. Безопасность труда в промышленности, 1980; №7, С. 50 51.

43. Методические указания по сейсмоакустическим и электромагнитным методам получения критериев степени удароопасности. Л., ВНИМИ, 1986.-32 с.

44. Методические указания по прогнозированию динамических явлений на угольных пластах по их фазово-физическим свойствам / Сост. Б.Т. Акиныиин. Л., - ВНИМИ, 1981. - 21 с.

45. Протодьяконов М. М., Вобликов В. С. Определение крепости горных пород на образцах неправильной формы. Уголь, 1957, № 4. 19-21 С.

46. Broch E., Franklin J. A. The point-load strength test. Int. J. Rock Mech. Min. Sei. Vol. 9, pp. 669-697, 1972.

47. Bieniawski Z. T. The point-load strength test in geotechnical practice. Engineering Geology, 9 (1975), 1-11.

48. Dismuke T. D., Chen W. F., Fang H. Y. Tensile Strength of Rock by the Double-Punch Method. Rock Mechanics 4, 79-87 (1972).

49. Методические указания по испытанию горных пород на растяжение методом сжатия цилиндрических образцов по образующей. JL: ВНИМИ, 1969.-21 с.

50. ГОСТ 24941-81. Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами.

51. Кузнецов Г. Н., Ардашев К. А., Филатов Н. А. и др. Методы и средства решения задач горной геомеханики. / — М.: Недра, 1987. — 248 с.

52. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. Нью-Йорк, 1967'. Пер. с англ. А. П. Троицкого и С. В. Соловьёва под ред. докт. техн наук Ю- К. Зарецкого. М., «Недра» 1974. 240 с.

53. Лановский Ю.М. Метод конечных элементов (основы теории, задачи). Новосибирск: Изд-во НГУ., 1999 г.

54. Стренг Г.,Фикс Дж. Теория метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1977. - 349 С.

55. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-430 С.1' " . ' ' '' 137 . ' -'. '■-'■. ■ .

56. Вайсман A.M., Вдовин В.Е., Кунин И.А. О горном давлении; в окрестности выработок в горизонтальных пластах. Сб. «Математические методы в горном деле. Часть 2». Новосибирск, СО ЛИ СССР, 1963.

57. Вайсман ■ A.M., Вдовин В iE. О постановке и методах решения некоторых задач горного давления. Сб. «Горное давление», № 59, ВНИМИ,• ' Л:, 1965.

58. Зубкова И.А. Влияние пространственного характера ведения очистных* работ на распределение напряжений около очистной выработки.

59. В кн.: Вопросы внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах. М., ИГД > им. A.A. Скочинского, вып. 195, 1981, с. 67-71. '■.;• '

60. Сидоров В. С. Исследование границ и< степени действия защитных; пластов на основе решения пространственной задачи- о распределении напряжений около очистных;выработок: Авт'ореф: дисс. . кандьтехн! наук,-М., 1971. (ИГД им. А. А. Скочинского). • . ; ■

61. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред -М.: Недра, 1974. 240 с. ; i ,

62. Кокоев C.I'. Оценка напряженного состояния системымежштрековых целиков при подготовке к выемке удароопасных пластов // i Известия вузов. Горный журнал; 2010. - № 3. - С. 39-42.

63. Нётухов'ИМ., Линьков A'.Mi, Сидоров В;С. и др. Теория;защитных пластов:-М;: Недра,Л 976.

64. Петухов И:М., Линьков А.М!,,Фельдман И.А. Защитные пласты. Л.: Недра. 1972. 424 с.

65. Кокоев С.Г. Геомеханическое; обоснование оптимальных параметров целиков при многоштрековой: схеме подготовки: угольных пластов // Записки Горного института. Т. 189: СПб.: СПГГИ(ТУ)^ 2011. - С. 226-228:

66. Kokoev S.G. Geomechanische Begründung der optimalen Parameter von ungleichartigen Streckenfesten / KokoevS.G. // Scientific Reports on Resource Issues 2010, vol. 3. - P. 228-230.

67. Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов. М.: Недра, 1983.-280 С.

68. Бич Я.А. Борьба с горными ударами при отработке антрацитового пласта / Я.А. Бич, Б.Н. Яворский, Ю.Я. Дьяконов // Уголь, 1987, №1. С. 1921.

69. Немец А.И., Монахов В.Н. Методика определения запредельных характеристик пород в массиве // Шахтное строительство, 1982, № 9. — С.18-20.

70. Кокоев С.Г. Обеспечение устойчивости горных выработок целиками различной жесткости / Л.К. Горшков, С.Г. Кокоев // Записки Горного института. Т.189. СПб.: СПГГИ(ТУ), 2011. - С. 206-208;

71. Горшков Л.К. Прогноз и оценка удароопасности угольных пластов / Сб.: Экология и развитие общества. Доп. вып. //Л.К. Горшков, В.Н. Монахов, Е.В. Шишкин, С.Г. Кокоев. СПб.: МАНЭБ, 2010-112-116.

72. Горшков Л.К. Опыт охраны подготовительных выработок на угольных шахтах // Народное хозяйство Республики Коми. Т. 19, №1/ Л.К. Горшков, В.Н. Монахов, С.Г. Кокоев. Воркута - Сыктывкар - Ухта, 2010. -с. 31-35.

73. Артемьев В.Б. Охрана подготовительных выработок целиками на угольных шахтах / В.Б. Артемьев, Г.И. Коршунов, А.К. Логинов и др. СПб.: Наука, 2009.-231 С.

Информация о работе

Кокоев, Сослан Геннадиевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2011
ВАК 25.00.20

Диссертация

Геомеханическое обоснование параметров охранных целиков при разработке удароопасных угольных пластов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы