В течение ряда лет в Донбассе происходит постоянный рост глубины отработки угольных пластов. Средняя глубина разработки превысила 700 м, а свыше 30-ти шахт ведут разработку на глубинах 1200-1500 м. С другой стороны свыше 70% шахт отрабатывают свиты пологих, наклонных и крутых угольных пластов. Рост глубины отработки в сочетании с влиянием многократной под- и надработки пластов приводит к появлению большого количества зон повышенного горного давления (ПГД). За последние 10 лет количество зон ПГД на шахтах Донбасса увеличилось примерно в 4 раза. Наряду с негативным влиянием горного давления на устойчивость выработок производственный опыт указывает на значительную приуроченность таких серьезных газодинамических явлений, как выбросы и горные удары, к зонам ПГД. Это делает весьма актуальным моделирование геомеханической обстановки при планировке отработки свит пластов.

       Для компьютерного моделирования напряженного состояния горного массива использован программный комплекс STRAIN, в котором реализован модифицированный алгоритм Шварца, учитывающий влияние многократной подработки массива. Результаты расчетов напряжений в толще подтверждаются данными шахтных наблюдений. Программный комплекс STRAIN находится в эксплуатации в ряде производственных объединений Донбасса. Результаты его разработки и эксплуатации опубликованы и докладывались на нескольких меж-дународных конференциях [1,2,3].

       Исходными данными для расчетов в данном алгоритме являются: средняя глубина отработки первой лавы; угол падения пластов; коэффициент бокового распора пород в нетронутом массиве; отношение средних значений коэффициентов крепости прочных пород (песчаников и известняков) и сланцев; средний объемный вес толщи горных пород. Кроме этого, для каждой лавы вводятся следующие данные: длина лавы; расстояние по нормали от данной лавы до расчетной линии (опасного пласта); процент содержания песчаников и известняков в междупластьи; расстояние по падению (восстанию) между серединами данной и первой лав; левый и правый углы давления для данной лавы.

       В результате расчетов находятся значения тензоров напряжений (геостатических, дополнительных, полных, главных) в любой точке вмещающей толщи. По этим данным на экране дисплея строятся эпюры либо изолинии напряжений и производится оконтуривание зон ПГД. Критерием построения границ зон ПГД служит равенство нормальных к напластованию геостатических и полных напряжений. Известно, что полные напряжения определяются как ,

, где

- нормальные к напластованию геостатические напряжения;

- дополнительные напряжения, учитывающие влияние очистных работ.

       Поэтому критерий = 0 (нулевые дополнительные напряжения) полностью адекватен критерию = и также используется для оконтуривания зон ПГД.

       На рис. 1 показана динамика перераспределения в толще горных пород дополнительных напряжений (в долях величины вертикального напряжения в нетронутом массиве) для условий горизонтального залегания пластов при нарастающей надработке толщи пород очистными работами. Расчет выполнен для средней глубины отработки первой лавы 1000 м, коэффициенте бокового распора горных пород, равном 0,7, одинаковой длине лав, равной 200 м, и одинаковых междупластий, равных 40 м.

       

       

Рис.1. Изолинии дополнительных напряжений / при горизонтальном залегании пластов
для условий многократной надработки толщи

       Анализ картины изменения напряжений на рис.1 позволяет сделать следующие выводы:

1. Надработка толщи пород первой лавой оказывает наибольший эффект на перераспределение дополнительных напряжений по сравнению с последующими надработками.
2. Эффект разгрузки горных пород носит затухающий характер для второй и последующих лав, надрабатывающих толщу.
3. Области максимальной разгрузки смещаются в междупластья отрабатываемых пластов у краевых частей лав со стороны выработанного пространства с нарастанием разгрузки к последнему отрабатываемому пласту.
4. Начиная с отработки третьей лавы в ранее существовавшей зоне разгрузки в надрабатываемой толще появляется область ПГД, обусловленная давлением ранее обрушенных и уплотненных пород подработанной толщи.

       Похожая картина перераспределения дополнительных напряжений наблюдается и для крутопадающих пластов (с углом падения 60 градусов). Ее отличия заключаются в том, что величины напряжений в целом на 20-30% меньше, чем для горизонтального залегания пластов, а также в появлении асимметрии в расположении зон ПГД и зон разгрузки. Так, зоны разгрузки смещаются в сторону восстания в подработанной толще и в сторону падения пластов в надработанной толще. При этом зоны разгрузки, расположенные у краевых частей лав в сторону падения пластов превышают по размерам зоны разгрузки у краевых частей лав в сторону восстания пластов. Что касается, зоны ПГД в центральной части надработанной толщи, то здесь, наоборот, ось данной зоны смещается в подработанной толще в сторону падения пластов, а в надработанной толще - в сторону восстания пластов.

       На рис. 2 приведены примеры влияния порядка отработки пластов на перераспределение напряжений и соответственно на формирование зон ПГД при подработке и надработке угольного пласта. Во всех четырех примерах показана свита из четырех пластов с размерами междупластий 20, 40 и 40 м.

       На рис. 2,а и 2,б показаны случаи надработки верхнего пласта в свите соответственно при нисходящем и восходящем порядке отработки нижележащих пластов. При нисходящем порядке отработки (рис. 2,а) в средней части этажа на почве нижнего пласта после начала работы третьей лавы появляется зона ПГД. По восстанию граница зоны ПГД от краевых частей лав сохраняется примерно на уровне верхней границы этажа, тогда как по падению граница зоны ПГД смещается вниз примерно на 0,6-0,7а (а - половина длины третьей лавы). При восходящем порядке отработки (рис. 2,б) зона разгрузки сохраняется на почве надрабатываемого нижнего пласта свиты практически по всей высоте этажа за исключением его верхней части, где она смещается вниз на 0,2-0,3а.

       На рис. 2,в и 2,г показаны случаи подработки нижнего пласта в свите соответственно при нисходящем и восходящем порядке отработки вышележащих пластов. В этом случае при нисходящем порядке отработки (рис. 2,в) разгрузка происходит практически по всей высоте этажа со смещением до 0,2а в сторону выработанного пространства как по падению, так и по восстанию. Максимальная разгрузка наблюдается на почве верхнего пласта в средней части нижней половины этажа. При восходящем порядке отработки (рис.2.г) зона разгрузки на почве подрабатываемого верхнего пласта свиты значительно смещается в сторону восстания: на 0,8а в нижней части этажа и на 0,4-0,5а в его верхней части. Пик разгрузки приходится на верхнюю часть этажа. Максимальные величины полных напряжений в зонах ПГД здесь значительно меньше, чем при нисходящем порядке отработки.

       

       

       При выборе порядка отработки пластов в свите следует учитывать, что в условиях многократной подработки (надработки) толщи горных пород наибольшее влияние на разгрузку угольных пластов оказывает ближний к ним подрабатывающий (надрабатывающий) пласт.

       На рис. 3 показана картина распределения напряжений для случая одновременной подработки (пластами 1 и 2) и надработки (пластом 3).

Для управления горным давлением смешанный порядок отработки пластов является наиболее сложным. Однако, именно при нем достигается максимальная разгрузка массива за счет использования преимуществ нисходящего и восходящего порядков.

       При разработке выбросоопасных пластов необходимо также предусмотреть мероприятия по их дегазации, предусмотренные Правилами технической эксплуатации. Вместе с тем данный метод позволяет обосновать группирование пластов в свите и количественно оценить эффективность порядка их отработки с точки зрения разгрузки пластов от горного давления.

       Программный комплекс STRAIN включен в качестве одной из подсистем в состав автоматизированной системы маркшейдерского обеспечения безопасного ведения горных работ, разработанной в Министерстве угольной промышленности Украины. Он является инструментом для экспертизы и рационального планирования горных работ при разработке свит выбросоопасных пластов, способствующим повышению безопасности и эффективности горного производства.