Назад в библиотеку

---

ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ РАЗВИТИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

Автор: Бабенко Е.В. (УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина)

Развитие горных работ на угольных шахтах Украины достигло такого масштаба, при котором массово проявляется взаимодействие очистных и подготовительных работ. Одним из наиболее негативных проявлений этого процесса являются зоны наложения повышенного горного давления (зоны ПГД), которые оказывают отрицательное воздействие на устойчивость подготовительных выработок. Прогноз и количественная оценка зон ПГД остается актуальной задачей.

В практике расчет параметров зон ПГД ведется с помощью эмпирической упрощенной методики [1]. По сути, определяется лишь размер зоны ПГД в плане на уровень плоскости, в которой ведется прогноз, например на уровне отрабатываемого угольного пласта или горизонта расположения полевых магистральных выработок. При построении зон принимается допущение, на основании которого длина зоны опорного давления рассчитывается во всех случаях по зависимости, которая приемлема только для одиночной лавы. Вместе с тем длина зоны опорного давления зависит от размера сплошного выработанного пространства и его конфигурации, что не учитывается существующими эмпирическими методиками. Кроме того, часто интересует не только размер зоны ПГД, но и величина концентрации горного давления в этой зоне. В связи с этим в данной работе рассматривается альтернативный метод расчета параметров зон ПГД, который, на взгляд автора, лишен вышеуказанных недостатков.

Геомеханическая модель для расчета трехмерного распределения напряжений в массиве построена следующим образом. Закономерности перераспределения напряженно-деформированного состояния исследовалось с помощью компьютерного моделирования, в том числе пространственное распределение горного давления.

Представим толщу горных пород как толстую плиту, опирающуюся на неоднородное основание 3 и прогибающуюся под собственным весом q (рис. 1).

Плита опирается на массив, жесткость которого 3 зависит от наличия выработанных пространств и вынимаемой мощности т пластов. Позициями 1 и 2 указаны ранее выработанное пространство и то, которое формируется примыкающей действующей лавой.

На земной поверхности в процессе отработки лав 4 формируется мульда сдвижений земной поверхности 5. Распределение напряжений и деформаций в толстой плите определяется при помощи трехмерных моделей. Заменив толстую плиту тонкой, можно подобрать такие эквивалентные величины жесткости основания и деформационных параметров плиты, при которых некоторые параметры напряженно-деформированного состояния будут соответствовать фактическим. С помощью такой модели можно с высокой достоверностью прогнозировать прогибы, напряжения и пространственное распределение горного давления в породных слоях в пределах высоты подрабатываемой толщи.

Задача о прогибе плиты-слоя над выработанными пространствами решается путем численного дифференцирования уравнения в частных производных методом конечных разностей.

Зависимость, упомянутая выше, позволила учесть свойства всех слоев подработанной толщи. Данная модель учитывает также релаксацию напряжений и ползучесть пород, слагающих подрабатываемый массив. Это является существенным преимуществом выбранной модели, поскольку динамические процессы проявлений сдвижения горных пород являются выраженными неравновесными физическими процессами и существенно зависят от времени.

Процесс формирования и видоизменения зон ПГД наиболее характерен для шахт, отрабатывающих свиту сближенных пластов. Покажем это на примере шахты им. Героев космоса, которая отрабатывает два сближенных пласта. На рис. 2 показана одна из проектных планировок развития очистных работ, которая рассматривалась в 2000 году. Анализ указанной проектной планировки весьма полезен, поскольку наглядно иллюстрирует типичные проблемы угольных шахт, которые возникают в результате образования зон ПГД даже в том случае, когда для поддержания магистральных выработок используются региональные зоны разгрузки.

Горные работы ведутся на двух пластах: нижнем с^Вю и верхнем Сц. Пласты имеют мощность 0,7—0,9 м с локальным её понижением на незначительных площадях до 0,6 м и повышением до 0,95—1,0 м. Расстояние между ними составляет до 19—20 м, что позволяет охарактеризовать их как сближенные. Таким образом, горные работы, проводимые на одном пласте, оказывают непосредственное влияние на соседний пласт. Запасы шахтного поля подготовлены для отработки погоризонтным способом. Магистральные штреки, показанные на рис. 2 пунктирными линиями, поддерживаются в региональной зоне разгрузки, которая сформирована первоочередной отработкой специальных разгрузочных лав на обоих пластах. В верхней части шахтного поля сохраняется наклонное расположение выемочных столбов, примерно под 45° к ориентации разгрузочной лавы. Выемка угля в нижней части горизонта планировалась столбами по восстанию под углом примерно 75—80°к разгрузочной лаве.

На момент 1996 года очистные работы по пласту с ₁₀в западной части шахтного поля были закончены лавами 1040 и

1014.

По верхнему пласту сц очистные работы опережали работы нижнего пласта. Так, в верхней части уклонного поля отработана лава 1144. Её отработка завершена в конце 1998 года. В нижней части блока крайней на момент рассмотрения была лава 1118, отработка которой завершена в июле 1999 года.

5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

лавы по пласту Сц; лавы по пласту с^Вю

Рис. 2. Планировка развития горных работ с образованием сложной конфигурации сплошного выработанного пространства (на примере ш. им. Героев космоса)

 

Выемочный столб лавы 1062 несколько смещён по отношению к столбу лавы 1162. Так, дальний от стволов край расположен непосредственно на границе. Отработка лавы произведена по столбовой системе: от дальней границы в сторону центральной части шахтного поля. Лава 1062 была остановлена на расстоянии примерно 700—750 м от крайней отработанной в западной части шахтного поля лавы. Таким образом, лавы 1162 и 1062 своими выемочными столбами перекрывают друг друга и образуют сплошную зону региональной разгрузки, протянувшуюся от существующей на данный момент границы очистных работ вплоть до границы блока №2.

В верхней части шахтного поля очистные работы проводятся таким образом, что лавы по верхнему и нижнему пластам располагаются в створе одна над другой. В нижней части шахтного поля выемочные поля лав смещены один относительно другого. При этом бортовой штрек отрабатываемой лавы нижнего пласта располагается под средней частью выработанного пространства отработанной ранее лавы верхнего пласта.

В целом на шахте практикуется нисходящая система отработки пластов. Т. е. сначала отрабатываются лавы на верхнем пласте, а затем на нижнем. Такой же порядок отработки будет задан при моделировании развития горных работ.

Одной из наиболее острых проблем на шахте является поддержание эксплуатационного состояния магистральных выработок. Опыт развития горных работ на шахтах объединения показал, что даже в случае охраны магистральных выработок в региональных зонах разгрузки, проблема обеспечения их устойчивости остается нерешенной. В данной статье рассматривается один из возможных вариантов развития горных работ. В его основе лежат следующие основные принципы. Зона региональной разгрузки со стороны верхней части шахтного поля охраняется целиками угля. С нижней стороны от разгрузочных лав уголь извлекается полностью. Очистные забои здесь подходят на минимальное расстояние к зоне разгрузки. Минимальных размеров целики, оставленные здесь для демонтажа механизированных комплексов, будут раздавлены, и произойдёт слияние выработанных пространств. Из-за увеличения зоны отработки в ней будет происходить снижение эффекта разгрузки. Это весьма типичная ситуация, которая неизбежно создается в процессе развития очистных работ на большинстве угольных шахт.

При моделировании в данной работе задавались следующие основные исходные данные, приближенные к условиям шахты им. Героев космоса:

—глубина ведения работ примерно от 360-420 м;

—угол падения пласта 2°;

—шаг разбивки расчётной сетки 50 х 50 м.

На рис. 2 серым цветом показаны предполагаемые выработанные пространства от лав по пласту с^Вю. Чёрным цветом — пространства от лав по пласту Сц. Первые две цифры номера лавы обозначают номер пласта. Как уже упоминалось, лавы в верхней части шахтного поля находятся строго одна над одной. В процессе моделирования выработанные пространства вводятся в следующем порядке:

1) старые выработанные пространства — лавы 1162, 1116;
2) лавы 1144, 1062;
3) лава 1118;
4) лавы 1120, 1146, 1016, 1044
5) лавы 1122, 1148, 1018, 1046;
6) лавы 1124, 1150, 1020, 1048;
7) лавы 1126, 1152, 1022, 1050;
8) лавы 1128, 1154, 1024, 1052;
9) лавы 1130, 1156, 1026, 1054;
10) лавы 1132, 1028, 1056;
11) лава 1030;
12) лава 1032.

Такое деление предполагает, что лавы, расположенные в одном этапе, отрабатываются в одно время. При этом можно заметить, что лавы с номерами 11XX отрабатываются ранее соответствующих лав с номерами 10ХХ (например, 1150 ранее 1050). Этот порядок отработки подразумевает первоначальную отработку лав на верхнем пласте, а затем на следующем этапе на нижнем. Фактически это означает нисходящую систему отработки пластов, которая и применяется на шахте. Отставание в отработке лав по нижнему пласту принято равным одному столбу.

Результаты расчётов по всем этапам развития очистных работ представлены на рисунках 3 и 4, на которых показаны распределения коэффициента концентрации нормальной к напластованию составляющей напряжений горного давления. Напомним, что коэффициент концентрации напряжений представляет собой отношение действующих в массиве напряжений к напряжениям в нетронутом массиве. Такая форма представления горного давления является весьма удобной, позволяя наглядно следить за эволюцией зон повышенных напряжений и зон разгрузки (пониженных напряжений). Цифры на границах расчетной области обозначают узлы расчетной сетки. Расстояние между соседними узлами составляет 50 м.

Первым показан этап номер три, когда отработаны 1162-я, 1116-я, 1144-я, 1062-я и лава 1118. Фактически эта ситуация имела место на момент начала 2000 года. На первых двух этапах производился учёт уже существующих выработанных пространств, попадающих в область моделирования. Это необходимо для корректного моделирования перераспределения горного давления.

На момент проведения выработок в центральной части шахтного поля имеется зона пониженных напряжений, показанная светлыми стрелками на двух верхних распределениях рис. 3. Концентрация напряжений в зоне разгрузки не достигает 0,35 в средней части зоны и 0,3 в краевых частях. Ясно, что при размещении в таких зонах магистральных штреков, выработки будут сохранять абсолютную устойчивость независимо от прочности вмещающих пород.

По мере развития горных работ наблюдается существенное видоизменение в распределении горного давления. Так в межлавных целиках у границы региональной зоны разгрузки со стороны восстания формируются участки повышенного горного давления, концентрация которого превышает 3 (участки указаны темными стрелками на рис. 3).

В региональной зоне разгрузки после отработки 1162-й лавы концентрация напряжений повышается. В охраняемой с двух сторон целиками зоне она сохраняется в пределах 0,4 после пятого этапа моделирования и 0,45-0,5 после последнего. На участке разгруженной зоны, охраняемом целиками с одной стороны, концентрация напряжений растёт значительней.

Так в центральной части после пятого этапа она составляет до 0,4-0,42. После десятого — до 0,7, после двенадцатого — до 0,9. В краевой части под защитой целика напряжения в итоге достигают 0,65-0,7. Со стороны примыкающих лав (у границы по падению) зона разгрузки исчезает полностью и замещается выраженной областью ПГД.

Рис. 3. Динамика перераспределения горного давления в процессе развития очистных работ по двум сближенным пластам на третьем, пятом, девятом и двенадцатом этапах развития

 

В зоне двукратной подработки массива концентрация напряжений изменяется от 0,55 до 1,1 (в средней части). Со стороны падения напряжения достигают 1,5 геостатического уровня, т.е. превышают напряжения в нетронутом массиве. Концентрация напряжений в охранных угольных целиках достигает от 1,6 до 3,5 в зависимости от конфигурации и времени формирования целика.

Выработанные пространства по мере отработки лав объединяются, и в них постепенно происходит полное или частичное восстановление горного давления. Это является следствием достижения условий полной подработки земной поверхности. В верхней части горизонта концентрация горного давления на последнем этапе достигает 0,8. В нижней части она несколько выше, и составляет до 1,15.

На рисунке 4 показана карта распределения зон ПГД. Характерно, что зоны ПГД формируются не только в целиках (1), но ив ранее разгруженной зоне (2), а также в средней части сплошного выработанного пространства (3).

 

Механизмы формирования этих зон существенно отличаются друг от друга. Так в целиках зоны ПГД 1 генерируются под действием суперпозиции областей опорного давления от краевых участков отрабатываемых пластов. В пределах ранее разгруженной области зоны ПГД 2 возникают после бесцеликовой отработки смежных запасов в результате определенной очередности необратимых сдвижений, когда зоны полных сдвижений, отработанные ранее, испытывают активизацию и пригрузку от более поздних примыкающих выработанных пространств. Достижение условий полной подработки восстанавливает геостатический уровень напряжений, в результате чего формируются зоны ПГД 3 с незначительным уровнем концентрации напряжений. На рисунках 5 и 6 показаны эпюры распределения горного давления вдоль характерных сечений по мере развития очистных работ. Сечение А-А проведено через цепочку охранных целиков, оставленных у границы региональной зоны разгрузки со стороны восстания. Сечение Б-Б построено через поперечный разрез региональной зоны разгрузки. Со стороны восстания концентрация горного давления не превышает 1,6 до тех пор, пока не начинается отработка столбов по восстанию (этапы развития с 1 до 3). Как только начинают отработку столбов со стороны восстания, концентрация напряжений в центре формирующихся целиков треугольной формы поднимается до 3 и более, а в межцеликовом пространстве падает до 0,3 (этап 5). На этапе 7 развития очистных работ создается цепочка зон ПГД, в которых степень концентрации горного давления поднимается до уровня 3,2—3,6. Характерно, что со стороны нетронутого массива величина концентрации меньше, чем в целиках и составляет всего 2 единицы (указано стрелкой на кривой этапа 7).

На последних этапах 10—12 заметно, что под действием релаксации горного давления концентрация напряжений в целиках постепенно снижается. Так, только что сформированные целики концентрируют напряжения в 3,3 раза, тогда как целик, образованный первым, концентрирует давление только в 2,7 раза.

Рисунок 6 показывает наглядно эволюцию напряженного состояния массива в сечении региональной зоны разгрузки. Так, после формирования указанной зоны одиночной лавой, давление в ее центре не превышает 0,5 геостатического уровня, а в зонах опорного остаточного давления напряжения концентрируются до 1,6. После полного развития очистных работ напряжения в региональной зоне разгрузки увеличивают в 3,3 раза, а их концентрация по отношению к давлению в нетронутом массиве достигает 1,6, что, как показала практика, весьма негативно сказывается на устойчивости охраняемых в региональной зоне разгрузки магистральных выработках. Ширина зоны повышенного горного давления достигает 0,6-0,8 размеров первоначальной зоны региональной разгрузки. При этом полное исчезновение разгрузки отмечается со стороны примыкающих лав, выработанных по бесцеликовой отработке запасов. Разгрузка сохраняется на локальном участке региональной зоны, который граничит с охранными целиками.

Достоверность результатов компьютерного моделирования проверялась путем сопоставления расчетных величин концентрации горного давления и скоростей конвергенции на контуре подготовительных выработок, полученных с помощью шахтных инструментальных наблюдений. При сопоставлении 12 конкретных случаев установлена тесная корреляционная связь между величиной концентрации напряжений и скоростью конвергенции с надежностью 90%. При этом коэффициент вариации не превысил 26%, что вполне допустимо для практики прогноза параметров зон ПГД.

ВЫВОДЫ

В процессе эволюции напряженного состояния массива горных пород под влиянием развития очистных работ формируются зоны ПГД различной природы. Степень концентрации горного давления в целиках максимальна и превышает 3 геостатических уровня, что обусловлено суперпозицией зон опорного давления у краевых частей выработанного пространства. В региональных зонах, ранее разгруженных от горного давления, под влиянием бесцеликовой отработки смежных запасов формируются зоны ПГД, ширина которых при одностороннем примыкании смежных выработанных пространств может составлять 0,6—0,8 ширины зоны разгрузки, а величина концентрации напряжений превышает полтора геостатического уровня исходного горного давления. В средней части сплошного выработанного пространства могут возникать зоны ПГД с незначительным превышением геостатического уровня, в результате наступления условий полной подработки земной поверхности и восстановления давления веса вышележащих пород. С течением времени при неизменной форме выработанного пространства происходит постепенное уменьшение концентрации горного давления во всех зонах ПГД под действием релаксации напряжений.