Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогноз формирования зон повышенного горного давления при отработке свиты удароопасных угольных пластов

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогноз формирования зон повышенного горного давления при отработке свиты удароопасных угольных пластов"

На правах рукописи

КВЯТКОВСКАЯ Екатерина Евгеньевна

ПРОГНОЗ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ УДАРООПАСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодиналшка и горная теплофизика

С;

Автореферат ^

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005551932

^анкт-Петербург - 2014

005551932

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Зубков Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

Серяков Виктор Михайлович доктор технических наук, профессор, ФГБУН Институт горного дела им. H.A. Чинакала СО РАН, заведующий лабораторией

Оловянный Анатолий Григорьевич кандидат технических наук, ФГБУН Санкт-Петербургское отделение Института геоэкологии РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация - ОАО «ГИПРОШАХТ»

Защита состоится 26 июня 2014 г. в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. №1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www^pmLru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

Ученый секретарь г/л-^УУ^ СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивная отработка как одиночных, так и свиты угольных пластов при определенных условиях приводит к формированию зон повышенного горного давления в угольных пластах. При разработке угольных пластов, склонных и опасных по горным ударам, уровень напряжений, действующий в зоне повышенного горного давления, может превосходить прочность угля, и вызывать его хрупкое разрушение, приводя к потере устойчивости. Определение размеров зоны повышенного горного давления регламентируется «Инструкцией по безопасному ведению горных работ ... РД 05-328-99», и, до настоящего времени, не предполагало выделение в ней зоны, опасной по горным ударам, расположенной в непосредственной близости от обнажений выработок, представляя этим опасность для рабочих и горной техники. Поскольку ее параметры будут зависеть от широкого диапазона влияния геологических и горнотехнических факторов, то поиск закономерностей изменения опасной зоны от их влияния, непосредственно в шахтных условиях, будет носить локальный характер, не позволяя тем самым распространить их на другие участки. Решение данной проблемы может быть достигнуто путем применения современного программного обеспечения, позволяющего эффективно моделировать геомеханические процессы при отработке пластовых месторождений.

Значительный вклад в теорию и практику геомеханического обоснования безопасного ведения горных работ при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как С.Г. Авершин, И.В. Баклашов, З.Т. Бенявски, Я.А. Бич, A.A. Борисов, Н.С. Булычёв, А.П. Господариков, Ю.В. Громов, П.В. Егоров, В.П. Зубов, В.В. Зубков, Б.А. Картозия, О.В. Ковалев, A.A. Козырев, A.B. Леонтьев, A.M. Линьков, А.Г. Оловянный, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, Н.М. Проскуряков, М.А Розенбаум, В.М Серяков, С.Е. Чирков и многие другие.

В виду того, что при планировании горных работ в отрабатываемых блоках необходимо заблаговременное установление местоположения и границ зон повышенного горного давления, то рассмотрение вопросов их прогнозирования является актуальной задачей для безопасной отработки удароопасных угольных пластов.

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании параметров построения границ опасных зон повышенного горного давления для условий отработки удароопасных угольных пластов Воркутинского месторождения.

Идея диссертационной работы. Для геомеханического обоснования проектных решений отработки удароопасных угольных пластов границы опасных зон повышенного горного давления следует строить по критерию, установленному на основе анализа и обобщения данных о проявлении горных ударов на конкретном месторождении.

Основные задачи исследований:

- выполнить анализ существующих методов математического моделирования напряженно - деформированного состояния массива горных пород около очистных выработок при отработке свиты угольных пластов и выбрать подходящий для условий Воркутинского месторождения;

- выполнить анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»;

- установить критерий построения границ опасных зон повышенного горного давления для условий Воркутинского месторождения;

- установить закономерности формирования опасных зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов, и выявить их соответствие «Инструкции по безопасному ведению горных работ ... РД 05-328-99»;

провести геомеханический анализ, и разработать рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: результаты ранее выполненных исследований в области прогноза зон повышенного горного давления для их анализа и сопоставления; данные шахтных экспериментов для оценки изменения напряженного состояния породного массива; данные о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; данные сейсмической активности при отработке угольных пластов; методы современной геомеханики для моделирования напряженного состояния массива горных пород около очистных выработок; достижения в современных вычислительных средствах, информатики и компьютерной графике для представления результатов исследований.

Научная новизна:

- установлен критерий построения границ опасных зон повышенного горного давления, в которых возможно проявление горных ударов, для условий отработки Воркутинского угольного месторождения;

- установлена степень влияния ряда основных горнотехнических факторов на формирование опасных зон повышенного горного давления при отработке угольных пластов, и получено соотношение зоны, опасной по горным ударам, от зоны повышенного горного давления.

Основные защищаемые положения:

1. Критический уровень вертикальных напряжений, определяющий границу опасной зоны повышенного горного давления, в которой возможно проявление горных ударов, на шахтах ОАО «Воркутауголь» составляет сг}/уН=1,25.

2. Для условий разработки Воркутинского угольного месторождения размеры зоны, опасной по горным ударам, в краевой части угольного пласта могут достигать 35 % от зоны повышенного горного давления.

3. Определение параметров межшахтных целиков в условиях разработки Воркутинского угольного месторождения необходимо осуществлять с учетом нелинейного характера изменения размера

зоны, опасной по горным ударам, при увеличении суммарной ширины прилегающих к целику выработанных пространств.

Практическая значимость работы.

1. Предложен критерий построения границ зон, опасных по проявлению горных ударов, позволяющий при перспективном планировании очистных работ проводить прогноз формирования опасных зон повышенного горного давления для выбора геомеханически обоснованного варианта отработки свиты удароопасных угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь».

2. Предложены параметры опасных зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения в зависимости от основных горнотехнических факторов, и произведено сопоставление с параметрами зон повышенного горного давления, определенными в соответствии с Инструкцией ... РД 05-328-99.

3. Разработаны рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов, и предложены безопасные параметры межшахтных целиков на Воркутинском месторождении.

Реализация результатов работы. Установленный в процессе выполнения диссертационного исследования критерий был использован при построении границ опасных зон повышенного горного давления, геомеханическом анализе планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов и определении безопасных параметров межшахтных целиков на шахтах «Комсомольская», «Северная» и «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается значительным объемом проанализированной и обобщенной информации о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; применением современных методов математического моделирования и их сопоставление с данными шахтных наблюдений; высокой сходимостью данных сейсмической активности с результатами расчета; безопасной отработкой выемочных столбов на шахтах ОАО «Воркутауголь» в соответствии

с предложенными рекомендациями; экспертной оценкой специалистов ОАО «Воркутауголь».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и российских научно-технических конференциях, симпозиумах и заседаниях, в том числе: Научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2014 г.); ХЬХП научно-практической конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2011 г., 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами; международном симпозиуме горняков «День горняка и металлурга» (Фрайберг, 2013 г.); заседаниях Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования; анализе существующих методов математического моделирования; анализе и обобщении шахтных экспериментов и их сопоставлении с данными расчетов, подтверждающим правомерность использования выбранного метода расчета для условий Воркутинского месторождения; сборе и анализе фактического материала о динамических явлениях на шахтах ОАО «Воркутауголь»; оценке напряженного состояния массива горных пород и отрабатываемого пласта на участках, где произошли горные удары; установлении критерия, определяющего границу опасной зоны повышенного горного давления для Воркутинского месторождения; моделировании влияния основных горнотехнических факторов на формирование зоны повышенного горного давления; геомеханическом анализе и разработке рекомендаций для планируемых к отработке участков шахт ОАО «Воркутауголь»; анализе результатов исследований и формулировке выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом

136 страница машинописного текста, содержит 87 рисунков и 13 таблиц, а также список литературы из 94 источников.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., с.н.с. В.В. Зубкову, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета за ценные советы и полезные замечания.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность работы, указаны цель и задачи работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих методов прогноза и построения зон повышенного горного давления, и поставлены задачи для дальнейшего исследования.

Во второй главе приводится анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь» и серия расчетов напряженного состояния для конкретных ситуаций отработки угольных пластов, при которых произошли горные удары. По результатам анализа установлен критерий построения границ зон, опасных по горным ударам, который подтверждается сопоставлением с данными сейсмических наблюдений.

В третьей главе представлены закономерности формирования опасных зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов. Приводится сопоставление расчетных размеров зон повышенного горного давления с полученными по Инструкции ... РД 05-328-99.

В четвертой главе представлены результаты геомеханического анализа планируемых вариантов отработки свиты пластов и рекомендации по ведению горных работ в ряде выемочных столбов на шахтах ОАО «Воркутауголь».

В заключении отражены обобщенные выводы, полученные по результатам исследования.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Критический уровень вертикальных напряжений, определяющий границу опасной зоны повышенного горного давления, в которой возможно проявление горных ударов, на шахтах ОАО «Воркутауголь» составляет сту/уН=1,25.

В процессе развития горных работ на месторождении при выборе безопасного варианта отработки шахтного поля необходимо заблаговременно выявлять зоны повышенного горного давления (зоны ПГД), возникающие в районах влияния целиков и краевых частей выработок на смежных пластах свиты. Границы опасной зон ПГД рекомендуется устанавливать для каждого месторождения на основе анализа фактических проявлений горных ударов. При этом определение критерия формирования опасных зон ПГД следует осуществлять по вертикальным напряжениям.

С целью установить какому уровню напряжений соответствует граница опасной зоны ПГД для условий Воркутинского месторождения, были проанализированы горные удары, произошедшие на шахтах. На момент проявления каждого из них было установлено положение фронта очистных работ и проведен расчет напряженного состояния по программам 81ЛТ20 (№ 960011 от 10.01.1996) и БШТЗБ (№ 960012 от 10.01.1996), которые позволяют учитывать план ведения горных работ и особенности залегания пластов в свите.

Рассмотрим некоторые горные удары.

Например, горные удары № 27, № 29 и № 30 произошли на шахте «Комсомольская», а горный удар № 24 на шахте «Северная» в выработках пласта Мощный.

Горный удар № 24 произошел 16.07.2011 г. в вентиляционном бремсберге 32-2-з пласта Мощный. Горные работы на пласте Пятый опережают отработку пласта Мощный на 1.5 длины лавы, и, следовательно, они должны быть в защищенной зоне. Однако после отработки лавы 212-з по пласту Мощный этой защиты оказалось недостаточно при мощности междупластья 34 м между пластами Пятый и Мощный. Следует добавить, что этому способствует восстановление нагрузки на почве пласта Пятый после отработки большей части лавы 412-з. Оценка напряженного состояния данной

9

ситуации показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1,25уН.

Горный удар № 27 произошел 21.02.1990 г. в конвейерном штреке 222-с пласта Мощный при отработке лавы 222-с. Глубина ведения горных работ Н=1022 м. Горный удар, вызвавший разлом почвы, по заключению экспертной комиссии произошел в результате перераспределения нагрузки впереди очистного забоя. Проведенная по программе 81ЛТЗБ оценка напряженного состояния показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.35уН.

Горный удар № 29 произошел 17.01.1992 г. в конвейерном штреке 322-с пласта Мощный при отработке лавы 322-с. Оценка напряженного состояния в данной ситуации показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.4уН.

Горный удар № 30 произошел 31.10.1995 г. в конвейерном штреке 422-с пласта Мощный при отработке лавы 422-с. Оценка напряженного состояния данной ситуации показала, что горный удар произошел в зоне с уровнем концентрации напряжений более 1.3 5уН.

На рисунках 1-4 представлены изолинии вертикальных напряжений, при которых происходили эти горные удары.

По результатам исследования была установлена граница опасной зоны ПГД, в пределы которой попадают все произошедшие горные удары на Воркутинском месторождении. При этом критическое значение нормальных к напластованию напряжений, соответствующее границе опасной зоны ПГД, составляет сту/уН=1,25.

Результаты сопоставления с данными сейсмических наблюдений показали, что подавляющее большинство сейсмических событий происходили в опасной зоне ПГД, построенной по установленному критерию. Следовательно, можно считать, что полученный критерий может быть использован при построении границ опасных зон ПГД на шахтах ОАО «Воркутауголь».

2. Для условий разработки Воркутинского угольного месторояедения размеры зоны, опасной по горным ударам, в краевой части угольного пласта могут достигать 35 % от зоны повышенного горного давления.

Построение границ зон ПГД производится по методике, представленной в «Инструкции по безопасному ведению горных работ ... РД 05-328-99», и не предполагает выделение в рамках зоны ПГД зоны, опасной по горным ударам. Поэтому было проведено исследование изменения параметров зоны, опасной по горным ударам, при отработке одиночного пласта и пластов Четвертый -Тройной Воркутинского месторождения в зависимости от основных влияющих факторов, а именно: ширины выработанного пространства (а), глубины отработки (Н), мощности междупластья (Ь2). Расчет напряженного состояния массива горных пород и отрабатываемого пласта проводился по программе 8ШТ20 (№ 960011 от 10.01.1996). При этом полученные параметры опасной зоны ПГД сопоставлялись с зоной ПГД, определенной в соответствии с «Инструкцией ... РД 05-328-99» (рисунки 5-7).

По результатам исследования влияния ширины выработанного пространства на размер опасной зоны ПГД было выявлено, что стабилизация зоны наступает при а=0,7Н, и дальнейшее увеличение ширины выработанного пространства не влияет на ее размер. В соответствии с «Инструкцией ... РД 05-32899» при ширине выработанного пространства более 250 м параметры зоны ПГД не изменяются.

В таблицах 1 и 2 представлено процентное соотношение зоны, опасной по горным ударам, от зоны ПГД в краевой части пласта. При этом опасная зона ПГД составляет 80 - 90 % от зоны ПГД при ширине выработанного пространства 500 - 700 м и 35 -40 % - при ширине выработанного пространства 150 - 200 м.

На рисунке 8 представлена схема отработки пластов Четвертый - Тройной в южном блоке шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь», для которой проведено моделирование напряженного состояния двух отрабатываемых пластов. При этом

мощность междупластья (Ь2) менялась от 25 м до 60 м, а глубина отработки (Н) - от 600 м до 1200 м.

Таблица 1 - Соотношение опасной зоны ПГД и зоны ПГД в плоскости пласта

Н, м а=150 м а=200 м а=250 м а=300м а=500 м а=700 м

300 60% 55% 50% 50% 45% 45%

400 60% 60% 50% 55% 50% 50%

500 55% 60% 55% 60% 60% 60%

600 55% 60% 55% 60% 65% 65%

700 50% 55% 55% 60% 70% 70%

800 50% 55% 55% 60% 80% 75%

900 50% 55% 55% 60% 80% 85%

1000 50% 55% 55% 60% 85% 90%

1200 - - - - - -

а 2 - Соотношение опасной зоны ПГД и зоны ПГД в кровлю/почву пл

Н, м а=150м а=200м а=250м

кровля почва кровля почва кровля почва

300 45% 35% 45% 35% 45% 35%

400 45% 35% 50% 40% 55% 40%

500 40% 35% 50% 45% 55% 45%

600 40% 35% 50% 45% 60% 50%

700 40% 35% 50% 45% 60% 50%

800 40% 35% 50% 45% 55% 50%

900 35% 35% 45% 45% 55% 50%

1000 35% 35% 45% 45% 55% 50%

1200 35% 35% 40% 45% 50% 50%

Н,м а=300м а=500м а=700м

кровля почва кровля почва кровля почва

300 45% 45% 40% 35% 40% 35%

400 50% 45% 50% 40% 50% 40%

500 60% 50% 60% 50% 60% 50%

600 65% 50% 75% 55% 70% 55%

700 65% 55% 80% 65% 80% 60%

800 65% 60% 90% 70% 85% 70%

900 65% 60% 90% 75% 90% 80%

1000 65% 60% 90% 80% 95% 85%

1200 60% 60% 90% 85% 95% 95%

__Лава 112-ю Лава 212-ю пл. Тройной

Г-.!.-.:-....—: ;......——"Г:. .;;:;;;;:";: '.- -;--.".:.....■- —^—

Лава 112-и Лава 312-ю пл. Четвертый

° I I ! I : ! I I I I \ I I I I ■50 0 50 100 150 230 250 300 350 «0 450 500 550 600 650

Рисунок 8 - Схема отработки пластов Четвертый - Тройной на Воркутинском

месторождении

При изменении глибины отработки (мощность междупластья 25 м) опасная зоны ПГД в краевой части подрабатывающего пласта для двух пластов в кровле и плоскости пласта меньше, а в почве пласта больше, чем при отработке одиночного пласта.

Исследование влияния мощности междупластья (при этом глубина отработки 800 м) на размер и конфигурацию опасной зоны ПГД показало, что изменение мощности междупластья ведет к увеличению опасной зоны ПГД в кровле пласта и уменьшению ее в почве пласта. При этом в плоскости пласта она не меняется.

По результатам исследования было проведено соотношение зоны, опасной по горным ударам, от зоны ПГД в краевой части подрабатывающего пласта (таблица 3), которое показало, что с увеличением глубины отработки и мощности междупластья границы опасной зоны ПГД приближаются к границам зоны ПГД.

Таблица 3 - Соотношение опасной зоны ПГД и зоны ПГД в краевой части подрабатывающего пласта__

В плоскости пласта (мощность междупластья 25 м) В плоскости пласта (глубина отработки 800 м)

Н, м 600 700 800 Ь2, м 25 40 50

<1 50% 55% 60% (1 60% 80% 80%

В кровле пласта В кровле пласта

<11 | 35% | 40% | 50% (11 | 50% | 65% | 70%

В почве пласта В почве пласта

<12 | 60% | 75% | 85% с12 | 85% | 90% | 80%

В плоскости пласта В плоскости пласта

Н, м 900 1000 1200 Ь2, м 60 70 100

(1 70% 80% - (1 80% 80% 80%

Продолжение таблицы 3

В кровле пласта В кровле пласта

(11 | 60% | 70% | 70% с11 | 70% | 70% | 90%

В почве пласта В почве пласта

(12 | 90% | 90% | 95% с12 | 80% | 80% | 85%

Исходя из проанализированных схем отработки, можно сделать вывод, что применяя параметры опасных зон ПГД, можно сократить область, в которой необходимо выполнять профилактические мероприятия, что позволит сократить время и затраты, и также обеспечить безопасность отработки.

3. Определение параметров межшахтных целиков в условиях разработки Воркутинского угольного месторождения необходимо осуществлять с учетом нелинейного характера изменения размера зоны, опасной по горным ударам, при увеличении суммарной ширины прилегающих к целику выработанных пространств.

На рабочих пластах Воркутинского угольного месторождения принята наиболее эффективная для разработки удароопасных пластов система длинных выемочных столбов по падению и по простиранию. При этой системе предусмотрено оставление межшахтных . целиков. После последовательной отработки 4-6 лав, длинной по 120 - 160 м, формируются выработанные пространства, размеры которых соизмеримы с глубиной ведения горных работ. В таких условиях, при определении ширины угольного целика необходимо учитывать размер прилегающих к нему выработанных пространств. Так как ширина угольного целика, установленная без учета размера выработанного пространства, сформированного в условиях полной подработки породного массива, может оказаться в некоторых случаях недостаточной. «Инструкция ... РД 05-328-99» учитывает только ширину прилегающих выработанных пространств до 250 м. Поэтому было проанализировано формирование опасной зоны ПГД в зависимости от ширины одиночных и соосных целиков и размеров

прилегающих выработанных пространств. Расчет напряженного состояния в целике проводился по программе 51ЛТ20 (№ 960011 от 10.01.1996).

Анализ влияния одиночных целиков на формирование опасной зоны ПГД показал (рисунок 9), что когда ширина целика соизмерима с шириной прилегающих выработанных пространств опасная зона ПГД начинает стабилизироваться (оранжевая расчетная линия), дальнейшее изменение ширины целика ведет к разделению ее на две. Установлено, что при ширине целика Ь=1,25а опасная зона ПГД разделяется на две в почве, а в кровле еще остается единая (синяя расчетная линия), а при ширине целика Ь=1,35а опасная зона ПГД разделяется на две (черная расчетная линия), примыкающие к краевым частям, и дальнейшее изменение ширины целика не влияет на ее размер, она совпадает с опасной зоной ПГД от краевой части пласта.

С другой стороны, с увеличением ширины выработанного пространства, примыкающего к целику, происходит нелинейное возрастание параметров опасной зоны ПГД до момента, пока она не начнет стабилизироваться. Установлено, что при ширине прилегающих выработанных пространств, равных а=0,75Н, опасная зона ПГД в кровле и почве от целика стабилизируется, и дальнейшее увеличение ширины выработанных пространств незначительно влияет на размер зоны ПГД (2-3 м). На глубинах 300-400 м эта стабилизация наступает при а=200-300 м, а возрастание глубины горных работ ведет к стабилизации опасной зоны ПГД при больших размерах прилегающих выработанных пространств (рисунок 10).

Исследования взаимовлияния опасной зон ПГД от целиков на смежных пластах показали, что в породах междупластья зона ПГД от соосных целиков остается единой при увеличении мощности междупластья от 20 м до 100 м. В породах почвы дальность ее распространения практически не меняется. В породах кровли, при увеличении мощности междупластьяот 20 м до 100 м, дальность распространения опасной зоны ПГД уменьшается в 1,2 раза.

Следует отметить, что для соосных целиков параметры опасной зоны ПГД меньше, чем от одиночного целика. И чем

больше мощность междупластья, тем больше становится эта разница. Например, при мощности междупластья 20 м зона ПГД в кровлю и почву пласта от соосных целиков меньше в 1,1 раза, чем от одиночного целика, а при мощности междупластья 100 м - в 1,3 раза (рисунок 11).

Влияние ширины прилегающих к целику выработанных пространств на размер опасной зоны ПГД

310

I Н=300 м —» - Н=400 м - * -Н=500м —» -Н=600м —» ■ Н=700 м

. ......Н=800 м

---Н=900 м

-ф—.....Н=1000 м

—Ф—Н= 1200 м

Рисунок 10 - Влияние ширины выработанных пространств, примыкающих к целику, на размер опасной зоны ПГД

Формирующийся целик между шахтами «Центральная» и лавами 112-3 - 512-3 пласта Мощный на шахте «Северная», при рассматриваемых системах разработки, в плане будет иметь сложную форму. Она установлена с учетом размеров выработанного пространства и факта затопления шахты «Центральная».

В соответствии с рекомендациями ВНИМИ (2005 г.) между лавами 114-в—914-в шахты «Центральная» и лавой 512-3 пласта Мощный шахты «Северная» ширина целика принята равной 180 м.

В 2011 году в связи с корректировкой нарезки полей западной части Ill-горизонта руководством ОАО «Воркутауголь» принято решение - провести геомеханический анализ напряженного состояния пласта Мощный для уточнения минимальной ширины целика между шахтами «Центральная» и «Северная».

В соответствии с Инструкцией ... РД 05-328-99 ширина целика регламентируется параметром зоны опорного давления /, которая для пласта Мощный составляет 110 м. Для межшахтных целиков коэффициент запаса принимается 1,2 - 1,7 и, следовательно, ширина целика должна быть от 130 м до 187м.

С другой стороны, для угольных межшахтных целиков в соответствии с требованиями «Рекомендаций по расчету целиков с учетом опасности горных ударов» (ВНИМИ, 1983 г.) для условий шахты «Северная» предельная ширина целика, при котором нагрузка на него достигает максимального значения, составляет 150170 м.

Анализ и обобщение данных о значениях несущей способности межшахтных целиков показывает, что для условий шахты «Северная» напряжение в целике, когда он достигает предела несущей способности, составляет ЗуН в точке максимума опорного давления. Согласно расчетам по программам Suit2d и Suit3d этой нагрузке соответствует целик шириной 150 м.

Поэтому рекомендована ширина целика между шахтами «Центральная» и лавами 112-3 - 512-3 пласта Мощный на шахте «Северная» - 150 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи - усовершенствование метода прогноза зон повышенного горного давления для планирования безопасной и эффективной отработки удароопасных пластовых месторождений.

Основные научные и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. На основании сопоставления результатов расчетов напряжений в массиве горных пород с фактическими данными о возникновении горных ударов установлен критерий, который по результатам моделирования напряженно-деформированного состояния позволяет проводить построение границ опасных зон повышенного горного давления для условий отработки удароопасных угольных пластов Воркутинского месторождения.

2. Установлены параметры опасных зон повышенного горного давления и выявлены закономерности их изменения в зависимости от влияния ряда основных горнотехнических факторов.

3. Проведено сопоставление границ опасных зон повышенного горного давления и зон повышенного горного давления, регламентируемых «Инструкцией ... РД 05-328-99».

4. Проведен геомеханический анализ и разработаны рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь», а также предложены параметры межшахтных целиков на Воркутинском месторождении.

5. Для ряда типовых вариантов отработки свиты пластов составлены таблицы и номограммы, позволяющие определять размеры и конфигурацию опасных зон ПГД.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Квятковская Е. Е. О построении зон повышенного горного давления при анализе проектов отработки свиты угольных пластов /

угольный пласт

Рисунок 1 - Уровень вертикальных напряжений при горном ударе № 24

Рисунок 2 - Уровень вертикальных напряжений при горном ударе № 27

пл.Тройной

пл. Четвертый лава 312-1

Рисунок 3 - Уровень вертикальных напряжений при горном ударе № 29

угольный пласт

Рисунок 4 - Уровень вертикальных напряжений при горном ударе № 30

Рисунок 7 - Опасная зона ПГД и зона ПГД

Рисунок 8 - Опасная зона ПГД и зона ПГД

при глубине 600 м и мощности междупластья 25 м: при глубине 800 и мощности междупластья 50 м:

---- опасная зона ПГД от одиночного пласта

- опасная зона ПГД от двух пластов

- зона ПГД по Инструкции

О

~1-1-[-1-1--г

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Рисунок 5 - Опасная зона ПГД и зона ПГД в краевой части пласта: ширина выработанного пространства 200 м, глубина отработки 500: м: —— опасная зона ПГД, нн - зона ПГД по Инструкции

Рисунок 9 - Опасная зона ПГД и зона ПГД от одиночного целика при а=150 м

опасная зона ПГД при Ь=50 м. -зона ПГД по Инструкции

опасная зова ПГД при Ь=100 м.-зона ПГД по Инструкции

1 опасная зона ПГД при Ь=180 ы;-зона ПГД по Инструкции

опасная зона ПГД при Ь=200 м,-зона ПГД по Инструкции

Рисунок 11 - Конфигурация опасной зоны ПГД и зоны ПГД от соосных целиков 40 м при мощности междупластья 80 м:

- опасная зона ПГД от соосных целиков

---- опасная зона ПГД от одного целика

- зона ПГД по Инструкции

В. В. Зубков, И. А. Зубкова, Е. Е. Квятковская // Маркшейдерский вестник. - 2013. - №1. - С. 60-63.

2. Квятковская Е. Е. О расчете межшахтных целиков // Маркшейдерский вестник. - 2013. - №2. - С. 44-46.

3. Квятковская Е. Е. Влияние мощности междупластья на формирование зон ПГД / В. В. Зубков, Е. Е. Квятковская // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №6. - С. 18-22.

4. Квятковская Е. Е. Формирование зон повышенного горного давления при отработке многопластовых свит / В. В. Зубков, Е. Е. Квятковская // Маркшейдерский вестник. - 2013. - №3. -С. 61-62.

5. Квятковская Е. Е. Критерий построения опасных зон для Воркутинского месторождения / Е. Е. Квятковская, П. В. Мартыненко // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2014.-№4.-С. 398-402.

РИД Горного университета. 25.04.2014. 3.352. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Квятковская, Екатерина Евгеньевна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ПРОГНОЗ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ УДАРООПАСНЫХ

УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная

аэрогазодинамика и горная теплофизика

Л 11(11 I ¿.П'57Л

На правах рукописи

КВЯТКОВСКАЯ Екатерина Евгеньевна

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, старший научный сотрудник

В.В. Зубков

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА И ПОСТРОЕНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ...............................................................10

1.1 Характеристика и анализ зон повышенного горного давления.......................10

1.2 Анализ существующих методов определения параметров зон повышенного горного давления..........................................................................................................................14

1.3 Выводы по главе 1.....................................................................................................23

ГЛАВА 2 КРИТЕРИЙ ПОСТРОЕНИЯ ГРАНИЦ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВОРКУТИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.............25

2.1 Общая характеристика Воркутинского месторождения...................................26

2.2 Применимость метода численного моделирования для условий Воркутинского месторождения..............................................................................................................................28

2.3 Анализ динамических явлений и разработка критерия построения зон повышенного горного давления для Воркутинского месторождения.............................33

2.4 Анализ сейсмической обстановки на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь»............................................................................................................................45

2.5 Выводы по главе 2.....................................................................................................51

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ....................................................................................................................52

3.1 Влияние ширины выработанного пространства на формирование зоны повышенного горного давления в краевой части пласта....................................................54

3.2 Влияние ширины целика на формирование зоны повышенного горного давления.........................................................................................................................................59

3.3 Расчет ширины зоны опорного давления..............................................................67

3.4 Влияние угла падения пласта на размеры и конфигурацию зоны повышенного горного давления...............................................................................................69

3.5 Взаимовлияние зон повышенного горного давления от целиков на смежных

пластах свиты...............................................................................................................................72

3.6 Влияние глубины отработки на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта..........................................75

3.7 Влияние мощности междупластья на размер и конфигурацию зоны повышенного горного давления в краевой части подрабатывающего пласта................80

3.8 Выводы по главе 3.....................................................................................................83

ГЛАВА 4. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЛАНИРУЕМЫХ ВАРИАНТОВ ОТРАБОТКИ СВИТЫ ПЛАСТОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОГО ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ.........................87

4.1 Прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская».........................................................................................................................87

4.2 Региональный прогноз геомеханического состояния пластов Четвертый и Тройной шахты «Комсомольская»..........................................................................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

126 127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На угольных месторождениях России отрабатываются свиты пластов. В ряде случаев зоны повышенного горного давления, построенные в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам РД 05-328-99, не отвечают безопасным условиям отработки пластов свиты. Связано это с тем, что на размеры и конфигурацию зон повышенного горного давления влияет ряд факторов, которые не учитываются в данном нормативном документе. Исходя из этого, разработка рекомендаций по безопасному ведению горных работ требует создания новых эффективных методов прогноза зон повышенного горного давления, формирующихся в процессе ведения очистных работ. В них должны учитываться главные влияющие факторы, а именно: большие площади очистных пространств горные работы на смежных пластах свиты, влияние целиков и краевых частей на смежных пластах свиты. Результаты шахтных исследований по изучению напряженного состояния окружающего массива отражают сочетание конкретных геологических и горнотехнических факторов, но их трудно перенести на другие горногеологические условия.

Поэтому наряду с развитием экспериментальных исследований остаются актуальными работы по использованию математических методов моделирования геомеханических процессов при отработке пластовых месторождений.

Значительный вклад в теорию и практику геомеханического обоснования безопасного ведения горных работ при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как С.Г. Авершин, И.В. Баклашов, Я.А. Бич, A.A. Борисов, Н.С. Булычёв, А.П. Господариков, В.П. Зубов, В.В. Зубков, Б.А. Картозия, О.В. Ковалев, A.A. Козырев, A.B. Леонтьев, Ю.М. Либерман, A.M. Линьков, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, Н.М. Проскуряков, В.В. Ржевский, А.Н. Ставрогин, С.Е. Чирков, А.Б. Фадеев и многие другие.

Принимая во внимание, что при планировании этапов ведения горных работ

в отрабатываемых блоках необходимо заблаговременно установить местоположение зон повышенного горного давления, следовательно, рассмотрение вопросов их прогнозирования является актуальной задачей для безопасной отработки свиты удароопасных угольных пластов.

Цель работы состоит в установлении геомеханически обоснованного критерия построения границ зон повышенного горного давления для условий отработки свиты угольных пластов Воркутинского месторождения.

Идея диссертационной работы. Для геомеханического обоснования проектов отработки пластов свиты границы зон повышенного горного давления следует устанавливать по критерию, полученному на основе анализа и обобщения данных о проявлении динамических явлений, для условий конкретного месторождения.

Основные задачи исследований:

- выполнил» анализ существующих методов математического моделирования напряженно — деформированного состояния массива горных пород около очистных выработок при отработке свиты угольных пластов и выбрать подходящий для условий Воркутинского месторождения;

- выполнить анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»;

- установить критерий построения границ зон повышенного горного давления для условий Воркутинского месторождения;

- установить закономерности формирования зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов и выявить их соответствие с Инструкцией по безопасному ведению горных работ ... РД 05-328-99;

- провести геомеханический анализ и разработать рекомендации для ряда планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: результаты ранее выполненных исследований в области прогноза зон

повышенного горного давления для их анализа и сопоставления; данные шахтных экспериментов за изменением напряженного состояния породного массива; данные о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; данные сейсмической активности при отработке угольных пластов; методы современной геомеханики для моделирования напряженного состояния массива горных пород около очистных выработок; достижения в современных вычислительных средствах, информатики и компьютерной графике для представления результатов исследований.

Научная новизна:

- установлен критерий построения границ зон повышенного горного давления, в которых возможно проявление динамических явлений, для условий отработки свиты угольных пластов Воркутинского месторождения;

- установлена степень влияния ряда основных горнотехнических факторов на формирование зон повышенного горного давления при отработке свиты угольных пластов, а в ряде случаев выявлено различие размеров зон повышенного горного давления от инструктивной методики.

Основные защищаемые положения:

1. Критический уровень вертикальных напряжений, определяющий границу зоны повышенного горного давления, в которой возможно проявление динамических явлений, на шахтах ОАО «Воркутауголь» составляет <ту/ уН=1,25.

2. Численными экспериментами установлены закономерности формирования зон повышенного горного давления в зависимости от основных горнотехнических факторов, в том числе: взаимного расположения очистных выработок в свите, продавливающего действия целиков и краевых частей на смежных пластах свиты, величины мощности междупластья и глубины ведения горных работ.

3. При геомеханическом обосновании проектов отработки свиты угольных пластов и расчете безопасных параметров межшахтных и межпанельных целиков построение границ зон повышенного горного давления на шахтах ОАО «Воркутауголь» следует вести по установленному критерию.

Практическая значимость работы.

1. Установлен критерий построения границ зон повышенного горного давления, позволяющий при перспективном планировании очистных работ проводить прогноз формирования зон повышенного горного давления для геомеханического обоснования планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь». Для других угольных месторождений такой прогноз может быть осуществлен только после установления критерия построения границ зон повышенного горного давления для условий конкретного месторождения.

2. Установлены закономерности формирования зон повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов, позволяющие, для ряда типовых вариантов отработки пластов в свите, определять размеры и конфигурацию зон повышенного горного давления.

Реализация результатов работы. Установленный в процессе выполнения диссертационного исследования критерий построения границ зон повышенного горного давления был использован при геомеханическом анализе планируемых вариантов отработки свиты угольных пластов и установлении безопасных параметров межшахтных и межпанельных целиков на шахтах «Комсомольская», «Северная» и «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается значительным объемом проанализированной и обобщенной информации о динамических явлениях, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь»; применением современных методов математического моделирования и их сопоставление с данными шахтных наблюдений; высокой сходимостью данных сейсмической активности с результатами расчета; безопасной отработкой выемочных блоков на шахтах ОАО «Воркутауголь» в соответствии с предложенными рекомендациями; экспертной оценкой специалистов ОАО «Воркутауголь».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и российских научно-технических конференциях, симпозиумах и заседаниях, в том числе: Научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2014 г.); ХЬХН научно-практической конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2011, 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами; международном симпозиуме горняков «День горняка и металлурга» (Фрайберг, 2013 г.); заседаниях Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования; анализе существующих методов математического моделирования; анализе и обобщении шахтных экспериментов и их сопоставлении с данными расчетов, установлении параметров граничных условий, подтверждающих правомерность использования выбранного метода расчета для условий Воркутинского месторождения; сборе и анализе фактического материала о динамических явлениях на шахтах ОАО «Воркутауголь»; оценке напряженного состояния массива горных пород на момент возникновения динамического явления и установлении критерия, определяющего границу зоны повышенного горного давления для Воркутинского месторождения; моделировании влияния основных горнотехнических факторов на формирование зоны повышенного горного давления; геомеханическом анализе и разработке рекомендаций для планируемых к отработке участков шахт ОАО «Воркутауголь»; анализе результатов исследований и формулировке выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 136 страница машинописного текста, содержит 87 рисунков и 13 таблиц, а также список литературы из 94 источников.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих методов прогноза и построения зон повышенного горного давления, и поставлены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе приводится анализ динамических явлений, произошедших на шахтах ОАО «Воркутауголь», и серия расчетов напряженного состояния для конкретных ситуаций отработки угольных пластов, при которых произошли динамические явления. По результатам анализа установлен критерий построения границ зон повышенного горного давления, который подтверждается сопоставлением с данными сейсмических наблюдений.

В третьей главе представлены закономерности формирования зоны повышенного горного давления от основных горнотехнических факторов. Приводится сопоставление расчетных и инструктивных размеров зон повышенного горного давления.

В четвертой главе представлены результаты геомеханического анализа планируемых вариантов отработки свиты пластов и рекомендации по ведению горных работ в ряде выемочных блоках на шахтах ОАО «Воркутауголь».

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. В.В. Зубкову, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета за ценные советы и полезные замечания.

ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА И ПОСТРОЕНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

1.1 Характеристика и анализ зон повышенного горного давления

При разработке угольного пласта вес пород, залегающих в его кровле над выработанным пространством и не получивших опоры на почве выработки, перераспределяется на краевые части нетронутого пласта или целики, пигружая их. Эта пригрузка формирует зоны опорного давления [92]. А часть зоны опорного давления, в которой возможно проявление динамических явлений, согласно [25,33] принято называть зона повышенного горного давления (зона ПГД). В дальнейшем изложении под термином «зона опасная по проявлению динамических явлений» будем считать, что это зона ПГД.

Следует отметить, что наличие зон ПГД не является обязательным условием для негативного проявления горного давления в выработках, пересекающих эти зоны. Но вероятность такого проявления повышается. Исходя из классификации [74] зоны ПГД являются наиболее опасными. Производственный опыт указывает порождение зонами ПГД серьезных газодинамических явлений [23]. Это горные удары, внезапные выбросы угля и газа, разрушение механизированных крепей, завалы лав, повышенное газовыделение. При ведении горных работ в зонах ПГД зонах значительно ухудшается состояние горных выработок. Это приводит к масштабным обвалам горного массива, ломает проходческое оборудование, разрушает проектные сечения выработок. Тем самым нарушается нормальный режим работы предприятия, повышается стоимость добычи полезного ископаемого и подвергаются опасности занятые в шахте люди [17,52,63,71,88].

Например, анализ выбросов происшедших на особо выбросоопасном пласте Ь8 Прасковиевский (Донецко - Макеевский район) показал, что частота и плотность выбросов в зонах повышенной концентрации напряжений возрастает более чем в 3 раза по сравнению с другими участками [63]. Установлено, что длительное действие повышенных нагрузок в зонах ПГД приводит к образованию

и росту трещин, в пласте появляются аномальные участки с резко отличающимися деформационными свойствами. После прекращения действия повышенного горного давления эти аномалии сохраняются и про�