Факультет:Геотехнологий и управления производством
Специальность: Разроботка месторождений полезных ископаемых
Актуальность темы
Дальнейшее экономическое и социальное развитие Украины предполагает увеличение добычи угля, которое будет реализовываться в усложняющихся горно-геологических условиях. В связи с этим все более актуальной становится проблема сохранения устойчивости горных выработок. Известно, что в 70% случаев потеря устойчивости выработок происходит за счет пучения пород почвы, в большей мере это касается подготовительных выработок. Существует достаточно большое количество способов предотвращения пучения пород почвы подготовительных выработок, эффективность и область применения которых ограничивается стадией проведения выработки. Дальнейшее их применение малоэффективно, так как в процессе эксплуатации выработки меняется горнотехническая ситуация, что требует реализации других, адекватных этим условиям мероприятий, ,в большинстве случаев, проведению подрывки пород почвы горной выработки. Проведение подрывки обусловлено малыми затратами, но, как показывает практический опыт поддержания выработок, оно приводит к интенсификации пучения и значительному увеличению скорости смещений пород почвы по сравнению с периодом, предшествующим подрывке. В связи с этим невозможно ограничиться однократной подрывкой и возникает необходимость в разработке и обосновании параметров малозатратных способов предотвращения повторного пучения.
Основные задачи исследований:
1. Обоснование рабочей схемы-гипотезы механизма пучения пород почвы в подготовительной выработке на разных этапах ее эксплуатации.
2. Исследование механизма выдавливания дискретизированных пород почвы в полость выработки.
3. Обоснование возможности сохранения устойчивости пород почвы путем механического противодействия процессу их выдавливания при нарушении равновесного состояния вмещающего; выработку массива, вызванного подрывкой.
4. Лабораторное и аналитическое установление параметров механического отпора выдавливанию пород почвы выработки с учетом основных влияющих факторов.
5.Разработка способов механического отпора выдавливанию пород почвы в подготовительных выработках при отработке лав обратным ходом и проведение их промышленной проверки.
6.Разработка рекомендаций по применению способа механического отпора в подготовительных выработках и установление их технико-экономической эффективности
Идея работысостоит в использовании установленных особенностей и закономерностей смещения почвы выработок после нарушения равновесного состояния, вызванного ее подрывкой, для обоснования параметров механического отпора породам почвы, обеспечивающего их устойчивость.
Объектом исследований является процесс выдавливания пород почвы подготовительных выработок при отработке выемочных участков обратным ходом.
Предметом исследований является устойчивость подготовительных выработок после нарушения равновесного состояния вмещающего выработку массива, вызванного подрывкой.
Aнализ и научно-техническое обобщение современного состояния проблемы выдавливания пород почвы горных выработок; методы физического моделирования на моделях из эквивалентных материалов и структурных моделях;' аналитические исследования, проведенные с привлечением положений механики сыпучих сред и строительной механики; графоаналитический метод; визуальные и инструментальные наблюдения за проявлениями гбрного давления в шахтных условиях; шахтные опытно-промышленные испытания и внедрение способа механического отпора выдавливанию почвы; технико-экономический анализ его эффективности; обработка результатов исследований на ПЭВМ методами математической статистики.
Разработка средств и способов сохранения устойчивости горных выработок в наиболее сложных условиях эксплуатации является одним из основных направлений научных исследований Донецкого национального технического университета.
1. Bпервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность обеспечения устойчивости пород почвы выработок после подрывки созданием механического отпора, позволяющего восстановить нарушенное их равновесное состояние;
2. Bпервые получены количественные зависимости необходимых усилий противодействия выдавливанию почвы от основных влияющих факторов: объемного веса и угла внутреннего трения пород, вмещающих выработку, ширины выработки, гранулометрического состава и размера зоны разрушенных пород;
3. Bпервые экспериментально установлены зависимости угла внутреннего трения и коэффициента разрыхления пород от величины сжимающих нагрузок.
Научные и прикладные результаты диссертационной работы обсуждались и получили Одобрение на IV и V научно-практических конференциях выпускников горного факультета «Совершенствование технологии добычи угля в глубоких шахтах» (Украина, г.Донецк, ДонГТУ, декабрь 1998г. и апрель 2000г.); международной конференции «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» (Украина, г.Севастополь, ДонГТУ, сентяорь 2000г.); международных конференциях «Geotehnika-2000» и «Geotehnika-2002» (Польша, г.Гливице-Устронь, октябрь 2000г. и 2002г.); международной научно-технической конференции «Геотехнологии на рубеже ХХ1 вёка (Украина, г.Донецк, ДонГТУ, май 2001г.); международной конференции! «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Украина, г.Севастополь, ДонНТУ, сентябрь 2001г.); научно-технической Международной конференции «Геомеханика и динамические проявления горного давления» (Украина, г.Днепропетровск, НГАУ, октябрь 2001г.); международных конференциях «VI szкоlа geomechaniki» и «VII szкоlа geomechaniki» (Польша, г.Гливице-Устронь, октябрь 2003г. и сентябрь 2005г.); II-й науково-практичнiй конференцiї "Донбас-2020: Наука \ техніка - виробництву" (Украина, г.Донецк, ДонНТУ, февраль 2004г.); международной научно-практической конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (Украина, г.Антрацит, ВНУ им. В.Даля, апрель 2006г.); международной научно-практической конференции «Геотехнологии и управление производством ХХІ века» (Украина, г.Донецк, ДонНТУ, май 2006г.).
До настоящего времени теории, полно и удовлетворительноописывающей и объясняющей процесс пучения пород почвы горных выработок не существуете Это можно объяснить тем, что пучение почвы выработки представляет собой сложный процесс, который обуславливается целым рядом факторов [1,2].
Одними из первых исследователей, которые сделали попытку всестороннего изучения явления пучения горных пород, были А.В. Гурдус [З], М.В. Сыроваро [4], А.И. Целигоров [5], Н.М. Покровский [б].
А.В. Гурдус [3] на основании лабораторных и шахтных исследований в качестве основного фактора вспучивания принимает горное давление, отводя гидратации второстепенное значение. М.В. Сыроватко [4] указывает на то, что пучение являадся одним из наиболее распространенных видов деформаций глинистых| пород и обусловлено минералогическими и коллоидно-химическими особенностями некоторых разновидностей глин. Первопричиной, же пучения является проведение горных выработок, вызывающее нарушение естественного равновесия массива; развитию пучения, как указывает автор, способствуют также неблагоприятные горно-геологические условия. К такому же выводу приходит и А.И. Целигоров [5]. Н.М. Покровский [6] обращает внимание на то, что пучению подвержены, прежде всего, пластичные породы.Согласно гипотезы Д.С. Ростовцева [16], раздавленные вблизи выработки породы расширяются в сторону выработки вследствие освобождения накопившейся в породах потенциальной энергии от собственного веса и в меньшей мере от тектонических процессов.
М.Н. Шейхет [17] рассматривает механизм пучения почвы выработки еще при проведении горных выработок. Он установил основные типы пучения глинистых пород: набухание глинистых пород и неупругие деформации горных пород, связанные с проявлением горного давления при проходке. Автор считает, что проведение выработки в пучащих породах сопровождается возникновением вокруг нее зоны набухания, размеры которой он принимает равными размерам области неупругих деформаций, определяемой из решения упруго- пластической задачи, предложенной К.В.Руппенейтом. Он считает основание, на котором покоиться пучащий слой, жестким из-за того, что за пределами зоны неупругих деформаций породы будут только уплотняться.
Попытка объяснить механизм пучения горных пород в выработку и дать количественную оценку этому явлению была предпринята В.М.Городничевым [18, 19]. Явление пучения пород он делит на две основные группы:
1. Пучение, происходящее под влиянием внутренних сил, действующих в породах;
2. Пучение, происходящее под влиянием внешних сил, действующих на породы.
Основными причинами пучения В.М. Городничев называет: набухание пород, выдавливание пластичных пород, пластические деформации твердых пород, неупругое расширение газов. К второстепенным относит химические реакции и давление газов.
В теории пучения В.М. Городничев, с некоторой доработкой применил основные положения А. Лабасса. Его взгляды основаны на предположениях, что вокруг всякой выработки с пучащими породами почвы возникает зона разрушения с образованием большого количества микротрещин и что разрушение пород сопровождается значительным увеличением их объема. Под действием напряжений, превосходящих пределы прочности, горные породы разрушаются, образуя вокруг выработки зону раздавливания. Далее из-за образования трещин породы стремятся расшириться, если им не препятствует крепь, и устремляются в выработку. Но все это, как указывает автор, справедливо только для пород, способных к хрупкому разрушению.
Проблеме пучения посвящены работы Ф.А. Белаенко и В.Т. Глушко [20, 21]. Авторы считают, что пучение происходит в результате пластических деформаций пород, выдавливаемых под воздействием опорного давления, в результате увеличения объема пород при увлажнении (набухании) и вследствие химических реакций. При проведении выработок происходит перераспределение напряжений в окружающих ее породах и образуется сначала зона пониженных напряжений вблизи выработки, в которой порода, обладая запасом потенциальной энергии, стремится деформироваться в сторону обнажения, а затем образуется зона повышенных напряжений. Пучение же является следствием ползучести, причем реологические свойства породы подчиняются законам деформирования стандартного линейного тела.
В.И. Барановский [22] с точки зрения устойчивости пород в зависимости от состава и свойств, делит их на две группы:
- породы, не имеющие в составе глинистых компонентов или имеющие, но в незначительной степени;
- породы, состоящие из глинистых компонентов или содержащие их в большом количестве, глинистые и слабые песчанистые сланцы.
Породы второй группы обладают, как утверждает автор, пластическими свойствами, вследствие чего, после обнажения они при определенном горном давлении начинают выжиматься в выработку. Процесс выдавливания таких пород протекает тем интенсивнее, чем больше горное давление. Кроме того, из-за способности поглощать влагу, эти породы расширяются в объеме.
И.П. Шмыков [23, 24] в доказательство теории В.И. Барановского экспериментально подтвердил прямую зависимость изменения интенсивности пучения пород от проявления горного давления в породах, а также зависимость интенсивности пучения от мощности слоя породы, склонного к пучению.
Л.А. Западинский [25] на основании натурных наблюдений утверждает, что в условиях комбината ''Кузбассуголь" пучение, как следствие пластических деформаций, встречается лишь в отдельных случаях, когда породы приобретают пластические свойства при увлажнении, и, как правило, проявляется в незначительных по мощности алевролитах с большим содержанием глинистых компонентов. В основгом же пучение происходит в породах средней крепости, не обладающих пластическими свойствами. Породы почвы ведут себя как плиты из хрупкого, упругого материала, подверженного действию бокового давления со стороны зон опорного давления под целиками.
А.П. Максимов в своей работе [26] утверждает, что характер деформаций боковых пород в процессе выдавливания их внутрь выработки в большей мере соответствует именно т;редставлению о течении вязкопластического тела, чем представлению о деформации твердого тела. Здесь характер деформаций пород рассматривается как процесс медленного непрерывного течения горных пород внутрь выработок.
А.М. Пяткин [27], как и многие исследователи, считает, что пучение почвы горных выработок является одной из форм проявлений горного давления. Интенсивность этого процесса зависит от глубины разработки и расположения выработки по отношению к развивающимся очистным работам. Поднятие слоев непосредственной почвы в начальный период происходит на сравнительно небольшой глубине, даже при наличии слабых глинистых пород значительной мощности. Затем с увеличением напряженности прилегающих к выработке пород, а также продолжительностью действия опорного давления сдвиг захватывает и более глубокие слои почвы выработки. Наряду с перемещающимися слоями пород, непосредственно прилегающими к выработке, 1- нее устремляются и породы, залегающие на большей глубине. В целом, величина и характер проявления пучения зависят от физико-механических свойств и мощности пород, слагающих почву выработки, а также от величины и продолжительности действия нагрузки на породы, окружающие горные выработки.
В.А. Лыткин утверждает [28], что процесс пучения носит временной характер, поэтому при решении задачи он учитывает реологические свойства материала пучащего слоя. Рассматриваются две расчетные схемы: когда пучащий слой рассматривается как тонкий слой, зажатый между значительно более жесткими слоями, толщину которых считает неограниченно большой и, когда рассматриваемая плоскость как бы составлена из двух полуплоскостей- верхней и нижней- с различными механическими свойствами. Процесс выдавливания пучащих горних пород в горизонтальные подготовительные выработки и камеры В.А. Лыткин сравнивает с втеканием перешедшего в пластическое состояние металла в пазы, сделанные в матрицах, рассматривая теорию течения материала пластичной полосы, сжимаемой двумя жесткими плитами применительно к процессу холодной штамповки А.А. Ильюшина с учетом вязко- пластического течения пучащего слоя. Пучение в выработке проявляется только в случае, когда вмещающие пучащий слой породы имеют значительно большую, чем пучащие породы, жесткость.
П.В. Леонов и Н.В. Подъемщиков [29] указывают на то, что из-за нарушения упругого равновесия боковых пород происходят их пластические деформации. Пластическое течение глинистой почвы происходит за счет ее размокания и выдавливания из-под целика угля, играющего роль жесткого штампа. В процессе пучения пород почвы принимает участие набухание, доля которого в общем количестве вспученной глины составляет 20-25%.
С.Д. Сонин, И.Л. Черняк и В.С. Лукичев [30-32] считают, что основной причиной, вызывающей пучение почвы подземных выработок, является напряженное состояние массива горных пород. Пучение почвы объясняется увеличением объема пород при разрушении и выдавливанием из-под целиков пород, содержащих глинистые компоненты, которые легко переходят в пластическое состояние под действием горного давления и других факторов. Эти породы рассматриваются как упруго-вязкие и упруго-вязко- пластические тела. Случаи пучения более прочных пород объясняются переходом последних в пластическое состояние под действием весьма большого давления; и уточняется, что это происходит на больших глубинах, где горное давление и напряженное состояние массива имеют совершенно другие количественные и качественные характеристики.
В.И. Сивохин [33] подтверждает идею И.Л. Черняка и, исследуя процесс пучения, отмечает, что пучение почвы в условиях Донецко-Макеевского района Донбасса не может быть объяснено гипотезой о выдавливании пород из-под штампов.
А.А. Васильченко [34] считает, что пучение почвы выработок происходит в результате конденсации влаги из воздуха в трещинах призабойной зоны, переноса ее в тонкие поры и трещины, развития высоких давлений.
Рисунок 1 - Анимационный рисунок по извлечению податливой арочной крепи.
(Количество кадров - 3, циклов повторения - 5, объем - 22 КБ)
Шахта сдана в эксплуатацию в декабре 1980 г. с плановой добычей 1300 тыс.тонн/год. Производственная мощность шахты утверждена Министерством угольной промышленности Украины 03.01.96 г.и составляет 2100 тыс.тонн/год с графиком освоения в 2001 году. Поле шахты вскрыто шестью вертикальными стволами. Подготовка шахтного поля - погоризонтная. Горизонты заложены на отметках 418м, 628 м и 810 м с устройством на этих отметках околоствольных дворов. Порядок отработки - прямой, от основных стволов к границам шахтного поля. Система разработки - длинными столбами по восстанию. Способ проветривания - всасывающий, схема проветривания - секционная. Шахта отрабатывает три угольных пласта: Л7, Л4, ЛЗ; ведется подготовка пласта Л6. На балансе шахты находятся девять угольных пластов марки «Т». На 01.01.2000г.: - промышленные запасы - 137 449 тыс.тонн; - подготовленные запасы - 2 278 тыс.тонн; - готовые к выемке — 1 998 тыс.тонн; - протяженность горных выработок— 136 км. Добываемый уголь используется как рядовое энергетическое топливо на тепловых электростанциях Украины «Криворожская», «Старобешевская»,Трипольская», «Славянская», «Приднепровская»), Молдовы, Болгарии и Словакии.
В структурном отношении поле шахты занимает центральную и западную части Чистякрво-Снежнянской синклинали и расположен в Шахтерском районе Донецкой области Украины. Географические координаты площади по долготе составляют 38°20/-38°/, по широте - 48°07/-48°11/. Поле ОАО "Шахта "Комсомолец Донбасса" занимает выгодное положение относительно близкорасположенных крупных населенных пунктов и промышленных центров: городов Шахтерск, Енакиево, Харцызск. Непосредственно на описываемой площади расположен г.Кировское и ряд сёл. В г.Енакиево находится крупный металлургический завод, в г.Харцызск -труболитейный и канатный заводы. К юго-западу в 25-35 км расположены города Донецк и Макеевка с крупнейшими металлургическими и коксохимическими заводами. Восточное, в 5-7 км, проходит железнодорожная магистраль Дебальцево-Иловайское со станциями «Рассыпная» и «Кумшацкий», которые являются основными пунктами отгрузки угля. От указанных станций отходят подъездные пути к шахтам. Кроме того, рассматриваемая площадь покрыта сетью асфальтированных дорог. Источником электроэнергии является Харцызская подстанция, источником водоснабжения - канал Северский Донец - Донбасс и Ольховское водохранилище. Угли оцениваемого месторождения используются как энергетическое топливо.
Угольное месторождение, отрабатываемое ОАО "Шахта "Комсомолец Донбасса", занимает западную часть Чистя ковской синклинали.Угленосная толща представлена породами верхнего и среднего отделов карбона свит Сз, С2, С2, С2, перекрытых четвертичными отложениями. В тектоническом отношении месторождение приурочено к замковой части Чистяково-Снежнянской синклинали, которая представляет складку с крутым северным и пологим южным крыльями. Угол падения пластов колеблется на верхнем горизонте: на востоке - 10°; на западе - до 20°. В замковой части синклинали угольные пласты имеют угол падения до 6°-10° и выполаживаются до 2°-5°. Залегание пластов в основном спокойное, осложнено Юнкомовским надвигом с амплитудой 14-18 м. Кроме того, шахтное поле покрыто сетью мелкоамплитудной нарушенноcтью.Продуктивными являются угленосные толщи свитС2 и С2. Свита С2 содержит 24 пласта, из них мд, мз, м4, мз - рабочей мощности. Свита С2 содержит 21 пласт, из которых Л7, Л6, Л4, ЛЗ и Л1 - рабочей мощности. Шахта отнесена к опасным по внезапным выбросам угля и газа: разрабатывается два пласта, являющихся выбросоопасными.
Согласно проекту шахтное поле вскрыто в центре главным стволом и разделено на 4 блока. Ствол пройден до горизонта 628 м. Подъём -многоканатный, машина МК 5х4, оборудован двумя угольными скипами емкостью по 35 м3 и одним породным скипом емкостью 9,5 м3. Крепь ствола - монолитный бетон, армировка— жесткая. Вспомогательный ствол пройден до горизонта 628 м, его диаметр - 8,0 м, крепь - монолитный бетон, армировка - жесткая. Подъём - многоканатный, подъёмная машина МК 3,25х4. В качестве подъёмных сосудов используются три двухэтажные клети. На каждом из стволов выполнены сопряжения с горизонтами 418 м и 628 м. По стволам, кроме проводников, подъёмных сосудов, проложены трубопроводы сжатого воздуха, силовые кабели, трубопроводы водоотлива, дегазации, водопровода, сигнальные и телефонные кабели. Вентиляционный ствол №5 предназначен для выдачи исходящей струи. Воздухоподающий ствол №3 пройден до отметки 840 м. Служит для подачи струи свежего воздуха, вспомогательных целей (спуск материалов, оборудования и др.), спуска - подъёма людей. Оборудован двухклетевыми подъёмами. Подъёмная машина 2КН 4/2. Все стволы круглого сечения, крепь - монолитный бетон, армировка жесткая.
Техническим проектом строительства шахты принята система разработки длинными столбами по восстанию при прямоточной схеме проветривания выемочного участка с разбавлением метана по источникам его поступления. Подготовка выемочных столбов предусматривается наклонными бортовыми выработками, проводимыми по пласту сверху вниз и снизу вверх, откаточными и вентиляционными штреками. По мере отработки пласта воздухоподающая бортовая выработка погашается, а конвейерная (со стороны массива) поддерживается в отработанном пространстве для повторного использования в качестве воздухоподающей при выемке очередного столба.
На балансе шахты находятся девять угольных пластов марки «Т»; М9, М5,М4,МЗ;Л7,Л6,Л4,ЛЗ,Л16.Шахта отрабатывает три угольных пласта: Л7, Л4, ЛЗ. Ведется подготовка пласта Л6. Разрабатываемые пласты не опасны по пыли, пласт ЛЗ -выбросоопасный, Л6 - угрожаемый, Л7 и Л4 - угрожаемые с отметки 389 м. Пласт Л 7 мощностью от 0,84 до 1,06 м простого строения, выдержанный. Пластовая зольность составляет от 4,9 % до 13,7 %, содержание серы от 1,0 % до 3,5 %. Пласт угрожаемый по выбросам угля и газа с отметки 389 м. Природная газоносность от 26,0 до 42,3 мУт, возможны суфлярные выделения. В кровле пласта залегает алевролит и аргиллит, который при мощности от 0,3 м до 0,5 м является «ложной» кровлей повсеместно развитой по пласту. Крепость аргиллита от 20 до 40 МПа, алевролита — от 10 до 70 МПа, устойчивость — Б2-БЗ. Почва пласта представлена алевролитом с устойчивость П2 (слабоустойчивый). Разрабатываемые участки пласта пересекают ряд зон тектонических нарушений дизъюнктивного характера с амплитудой пласта от 0,1 -0,15 м до 0,6 м, иногда-до 2,0 м.
Пласт Л4 мощностью 0,68 - 1,09 м, строение простое и сложное, является относительно выдержанным. Зольность пластовая составляет 4,7 - 15,3 %, содержание серы 1,1-5,4 %. По выбросоопасности пласт является угрожаемым с отметки 389 м. Природная газоносность 28,0 - 42,1 м/т, возможны суфлярные выделения. В кровле пласта залегает преимущественно аргиллит с пределом прочности на сжатие 10-80 МПа, неустойчивый и среднеустойчивый (Б2-БЗ). Почва пласта представляет слабоустойчивый алевролит (П2). В зонах разрыва пласт раздут до 1,1 - 1,25 м; неустойчивая кровля обрушается на высоту до 2,0 м.
Пласт ЛЗ мощностью 0,67 - 1,73 , строение сложное, двух- и трехпачечное, является выбросоопасным. Зольность пластовая составляет 4,0-18,0 %, содержание серы 0,7-7,0 %. Природная газоносность 26,0 - 40,5 м/т, возможны суфлярные выделения. В кровле пласта залегает преимущественно алевролит, а также известняк. Алевролит образует междупластье пород между пластом ЛЗ и вышележащим известняком или угольным пластом нерабочей мощности. Предел прочности на сжатие изменяется от 30 до 70 МПа. Аллеврит в основном среднеустойчивый (Б4), в местах образования ложной кровли -малоустойчивый (БЗ). Кровля представленная известняком является наиболее устойчивой (Б4), в местах образования ложной кровли - малоустойчивой (БЗ).