UP

Геодинамические особенности разрушения кровли в зоне опорного давления.

Казакова Е.И., Лобков Н.И., Седов А.Н.

Донецкий Государственный Технический Университет

Различными авторами в результате исследований проявлений горного давления установлено, что уголь разрушается впереди очистного забоя в зоне опорного давления. Разрушение даже крепких углей, антрацитов, происходит на мелкие фракции, что подтверждают результаты исследований размеров зон опорного давления по выводу буровой мелочи, проводимые ДонУГИ. Физической причиной разрушения является возрастание в несколько раз напряжений вследствие прогиба породных слоев над выработанным пространством и давлением их на краевую часть пласта. Возникающие при этом напряжения в пласте и непосредственно кровле превышают естественные в 3…5 и более раз. Под действием повышенных напряжений происходит трещинообразование в породных слоях кровли.

С технологической точки зрения наибольший интерес представляет процесс разрушения непосредственной кровли, а именно время и характер разрушения. В статике этот процесс рассматривался многими последователями. Однако процесс выемки угля, обнажением кровли над выработанным пространством, прогиба слоев и как следствие рост опорного давления, время приложения повышенного давления к тому или иному участку пласта или породы изменяются во времени. Изменения обусловлены скоростью продвигания очистного забоя. Кроме того, сам процесс разрушения породного слоя по всей мощности протекает во времени и в первую очередь зависит от прочности свойств породы, величины приложенной нагрузки и времени ее приложения, что в свою очередь неявно зависит от скорости продвигания очистного забоя.

В данной статье произведена попытка на основе натурных и лабораторных исследований рассчитать время разрушения слоев кровли и скорости продвигания очистного забоя. Характер и число прогибающихся над выработкой породных слоев определяет величину максимального опорного давления впереди очистного забоя (Роп). Наибольшее значение Роп возникает в момент первичной посадки кровли. После первичной посадки кровли Роп стабилизируется.

В начальный момент времени в нетронутом массиве, на элементарную площадку в точке действуют главные напряжения s1=s3. Равенство главных напряжений обусловлено тем, что на больших глубинах распределение напряжений в породах принято считать гидростатическим.

По мере выемки пласта, с ростом размера выработанного пространства Iвп, у заделки происходит перераспределение напряжений. За счет прогиба слоев и опорного напряжения увеличиваются вертикальные сжимающие напряжения и уменьшаются горизонтальные, т.к. в верхней части слоя возникают растягивающие напряжения.

На поверхности слоя под действием растягивающих и сжимающих напряжений в процессе ползучести возникают микротрещины, число которых растет с течением времени, при условии, если действующие напряжения превышают предел длительной прочности породы. В определенный момент времени при определенном Lвп произойдет разрушение слоя по всей мощности под действием напряжений:

s₃=Рвп+, МПа

s_1=pgH-, МПа

где: Рвп – максимальное опорное давление, МПа,

g – ускорение силы тяжести,

р – плотность пород,

h – мощность слоя,

h_i - мощность слоя пригрузки.

Т.о. слой у заделки находится в сложном напряженном состоянии сжатия с растяжением, в результате чего происходит вначале микроразрушение при значении действующих напряжений, превышающих предел длительной прочности материала.

Для оценки степени разрозненности пород под действием нагрузки воспользуемся исследованиями для описания изменения сплошности во времени:

= - A()ⁿ,

где: y - сплошность горной породы, характеризующая развитие трещин,

А – реологический параметр, зависящий от типа, структуры и свойства горной породы,

s - напряжение, действующее в породе,

В – пороговое значение напряжения,

n – показатель трещинообразования.

Величину эффективного касательного напряжения, под действием которого происходит распространение трещин в породе, определим по способу, предложенному Г.Г.Литвинским:

t_эф=t_g-t

где: t_g – действующее касательное напряжение, МПа,

t - допустимое касательное напряжение, МПа,

t_g=cosp, МПа,

t= cosp, МПа.

где р – угол внутреннего трения породы.

Разрушение породного массива наступит в момент, когда сплошность станет равной нулю. Время находим с учетом y=0.

T_p= ,

Время разрушения слоя всей мощности определяется из выражения:

Т₀=Т_Р(1+),

Показатель трещинообразования незначительно отличается для основных пород Донбасса.

^Т0=, сут.

Приведенное время позволяет определить время разрушения породного слоя по всей мощности под действием постоянного напряжения.

Литература:

1. Фисенко Г. Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. - М.: Недра. 1976 г. С 272.

2. Лобков Н. И. Определение основных параметров управления кровлей при разработке пластов в сложных условиях глубоких шахт Донбасса. - Донецк. 1985 г. С13

3. Каченов Л. М. Основы механики разрушения. - М.: Наука. 1974 г. С 312.

4. Литвинский Г. Г. Параметры хрупкого разрушения горных пород в условиях возникновения горных ударов. - К.: Техника. 1974 г. С 135.