УДК 622.831.1
РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ МНОГОКРАТНОЙ ПОДРАБОТКЕ И НАДРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
При отработке свит угольных пластов резко возрастает количество зон повышенного горного давления (ПГД). При ведении горных работ в этих зонах значительно снижается устойчивость непосредственной кровли очистных забоев, резко ухудшается состояние подготовительных и капитальных выработок, а также возрастает опасность внезапных выбросов угля, породы и газа. За последние 10 лет количество опасных зон на шахтах Донбасса увеличилось примерно в 4 раза. На глубоких шахтах работы по оконтуриванию опасных зон и разработке мер по обеспечению безопасного ведения горных работ занимают до 30-40% рабочего времени маркшейдеров. Поэтому актуальной задачей является автоматизация расчета и построения зон ПГД.
Для решения данной задачи разработан компьютерный метод оконтуривания зон ПГД. В методе используется алгоритм расчета параметров напряженного состояния горного массива (тензоров начальных, полных и главных напряжений), основанный на аналитических методах геомеханики, и учитывающий влияние многократной подработки или надработки массива.
Исходными данными для расчета являются: H1 - средняя глубина отработки первой лавы, м; a - угол падения пластов, градусов; l - коэффициент бокового распора пород в нетронутом массиве; fп/fсл - отношение средних значений коэффициентов крепости прочных пород (песчаников и известняков) и сланцев; g - средний объемный вес толщи горных пород, т/м3. При многократной подработке и надработке для каждой i-ой лавы вводятся следующие данные: Di - длина лавы, м; hi - расстояние по нормали от i-ой лавы до расчетной линии (опасного пласта), м; xi - процент содержания песчаников и известняков в междупластьи hi ; L1-i - расстояние по падению (восстанию) между серединами i-ой и первой лав (i>1), м; j1i, j2i - левый и правый углы давления для i-ой лавы, градусов.
На рис. 1 показана расчетная схема для определения напряжений в зоне влияния двух очистных выработок.
Рис. 1. Расчетная схема для определения напряжений от влияния двух лав
Знаки расстояний hi и L1-i определяются относительно начала координат для i-ой лавы (точки O1 и O2). Аналогичные расчетные схемы строятся для трех и более лав.
Нормальные к напластованию sy, горизонтальные sx и касательные txy полные напряжения вычисляются по формулам:sy = sy0 + е syyi; sx = sx0 + е sxxi; txy = txy0 + е sxyi (1)
где sy0, sx0, txy0 - компоненты напряженного состояния нетронутого массива до проведения горных выработок;При управлении кровлей в лавах полным обрушением давление подработанных пород на почву очистных выработок определяется по методу ВНИМИ [2] с помощью углов давления j1i, j2i, значения которых приведены в инструкции [1]. Максимальное давление q0i и координата Xqi точки, в которой оно проявляется, определяется по формулам:
q0i = g (Di / 2 + Xqi ) tg j1i (2)
Di tg j2i - tg j1i
Xqi = ѕ * ѕѕѕѕѕѕ (3)
2 tg j2i +tg j1i
Начальные напряжения sy0, sx0, txy0 нетронутого массива пород определяются относительно центра O1 первой очистной выработки по формулам:
sy0 = g H1 ( 1+l + ( 1 - l ) cos 2a ) dH / 2 (4)
sx0 = g H1 ( 1+l - ( 1 - l ) cos 2a ) dH / 2 (5)
txy0 = g H1 ( 1 - l ) sin 2a * dH / 2 (6)
Дополнительные напряжения syyi , sxxi , sxyi определяются по алгоритму, изложенному в работе [3], и включают в себя совокупное влияние предыдущих (i-1) очистных выработок, т.е. являются интегральной характеристикой влияния очистных работ i-ой лавы.
Главные напряжения N1 и N2 и максимальные касательные напряжения tmax в точках расчетной линии (опасного пласта) определяются по формулам: N1 = ( sx +sy + ( sx - sy ) cos 2a0 ) / 2 + txy sin 2a0 (7)
N2 = ( sx +sy - ( sx - sy ) cos 2a0 ) / 2 - txy sin 2a0 (8)
tmax = ( N2 - N1 ) / 2 (9)
Известно, что при залегании в междупластьях песчаников и известняков дальность зон повышенного горного давления и концентрация напряжений в них уменьшаются. Учет влияния неоднородности состава пород междупластий на напряженное состояние толщи выполнен по методу эквивалентного слоя, широко применяемому в механике грунтов, на основании расчета приведенной (эквивалентной) мощности междупластья hp:
hр = Kн h, (10)
где h - фактическая величина междупластья;Kн =0.01 x [ (Eп /Eсл )0.19 - 1 ] + 1, (11)
где x - процент содержания в междупластьи песчаников и известняков; Eп, Eсл - средние значения модулей упругости прочных пород (песчаников и известняков) и сланцев.Поскольку модули упругости горных пород находятся в прямой зависимости от прочности пород на сжатие, то отношение Eп /Eсл можно заменить на отношение сопротивлений пород одноосному сжатию sп /sсл или на отношение средних значений коэффициентов крепости прочных пород и сланцев fп/fсл. В связи с тем, что данные о значениях коэффициентов крепости горных пород имеются на всех шахтах, учет неоднородности состава пород междупластья выполнен по формуле:
Kн =0.01 x [ ( fп / fсл )0.19 - 1 ] + 1 (12)
Достоверность аналитических расчетов напряжений подтверждается данными шахтных наблюдений за сдвижениями и деформациями угольных пластов и горных пород в подрабатываемых и надрабатываемых массивах, а также экспериментальными исследованиями распределения напряжений в окрестности горных выработок методом фотоупругости на моделях из оптически активных материалов.
Разработанный автоматизированный метод расчета и построения зон ПГД при многократной подработке и надработке угольных пластов является инструментом для экспертизы и рационального проектирования горных работ, повышающим безопасность и эффективность горного производства.
За более подробной информацией обращайтесь по адресу: Украина, 83000 г.Донецк, ул. Артема 58, второй учебный корпус ДонНТУ, кафедра маркшейдерского дела.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа. - М: Минуглепром СССР, 1989. - 192 с.