ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ ПРИ ОТРАБОТКЕ ЛАВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

С ростом глубины условия добычи угля в Донбассе все более усложняются. Происходит существенное снижение устойчивости подготовительных выработок, увеличивается количество вывалов в очистных забоях, растет интенсивность и изменяется характер газовыделения, учащаются внезапные выбросы угля и газа.

Все вышеперечисленные явления, не смотря на внешние различия, имеют под собой общую физическую основу и природу: они обусловлены изменением напряженно- деформированного состояния (НДС) горного массива при ведении очистных работ в пределах яруса, крыла, горизонта или всего шахтного поля. В связи с этим любые новые знания и представления в области геомеханики лавы могут быть использованы для повышения безопасности и эффективности угледобычи.

Из практики отработки угольных пластов хорошо известно явление периодического зависания и обрушения слоев основной и непосредственной кровли в очистных забоях. Его суть заключается в том, что по мере подвигания лавы увеличивается площадь обнажения кровли, вес зависающих над выработанным пространством пород и происходит их обрушение. Предельная длина консоли, или шаг обрушения непосредственной кровли всегда в несколько раз меньше шага обрушения основной.

Поэтому именно она, в основном, предопределяет динамику НДС массива в близи очистного забоя. Развитие напряжений и деформаций во времени отражает взаимодействие основной и непосредственной кровли с угольным пластом.

Шаг посадки основной кровли является одной из важнейших характеристик поведения массива при выемке угля лавами. Анализ ранее выполненных исследований [1], а также последних руководящих нормативных актов Минтопэнерго Украины [2] показывает, что его величина считается примерно постоянной для данных условий и опреде.тяется геологией залегания пласта. Это положение в настоящее время является своего рода постулатом, на котором основаны многие горно-технические расчеты.

В 80-е годы О.Якоби ввел в горную науку понятие «внешних» и «внутренних» углов лавы [3]. Под «внешним» или выступающим углом понимается часть лавы и примыкающее к ней выработанное пространство, расположенные у ранее отработанного яруса (этажа). За счет зависания массива над выработанным пространством в ней имеют место повышенные сжимающие напряжения, поэтому в литературе она часто называется зоной стационарного опорного давления. Аналогично, «внутренний» угол — это часть очистного забоя, примыкающая к неотработанному угольному массиву. При отработке лав по простиранию «внешний» угол, как правило, является верхним, а «внутренний» — нижним.

Согласно известным представлениям [4], породы основной и непосредственной кровли, расположенные у «внешнего» угла, можно рассматривать как систему нагруженных упругих анизотропных плит, жестко защемленных со стороны забоя и свободных с трех остальных сторон. При наличии охранных сооружений вблизи подготовительных выработок плиты могут иметь дополнительную опору, направленную перпендикулярно линии лавы. Массив у «внутреннего» угла представляет собой такие же плиты, зажатые с двух сторон: со стороны лавы и со стороны нетронутого массива. Очевидно, что из-за различий в условиях заделки и нагружения распределение напряжений в этих двух системах при прочих равных условиях будет существенно отличаться. Это позволяет предположить, что шаг и механизм обрушения пород основной кровли у «внешнего» и «внутреннего» углов будут различаться.

Характер изменения НДС массива вблизи очистного забоя можно наблюдать методом акустической эмиссии (АЭ), которая сопутствует деформациям породных слоев при выемке угля [5]. Временные ряды сейсмоакустических наблюдений представляют собой суперпозицию нескольких периодических процессов, отражающих деформации различных слоев кровли (почвы) и случайных составляющих, связанных с неоднородностью свойств массива и ошибками эксперимента. При длительных сейсмоакустических наблюдениях удается с достаточной для практических задач точностью определить периодичность зависаний и обрушений как основной, так и непосредственной кровли [6].

Натурные исследования особенностей поведения пород кровли выполнялись в 16-й восточной лаве пласта ш3 шахты им. А.Ф.Засядько. Суть эксперимента состояла в непрерывном наблюдении изменения активности АЭ в районе «внешнего» и «внутреннего» углов очистного забоя звукоулавливающей аппаратурой «ЗУА-98». Общее время эксперимента составило 50 суток, подвигание очистного забоя — 250 м.

Условия эксперимента были следующими: мощность пласта — 1,4-1,6 м; марка угля — Ж; длина лавы — 260 м; оборудование — крепь ЗКД90У и комбайн 1ГШ68. В кровле пласта залегали: глинистый сланец мощностью 7,5 ми прочностью 30-40 МПа; песчанистый сланец мощностью 9,0 м и прочностью 40-60 МПа и песчаник мощностью 10,5 м и прочностью 80-90 МПа. По данным визуальных наблюдений аргиллит и алевролит составляли непосредственную, а песчаник — основную кровлю.

Обработка сейсмоакустичсских наблюдений заключалась в построении исходного и сглаженного скользящим осреднением временных рядов АЭ для верхней и нижней частей лав. Кроме того, с целью поиска периодических составляющих с заметным статистическим весом, был проведен (методом быстрого преобразования Фурье с соответствующей весовой функцией временного окна) спектральный анализ исходных временных рядов. Выделение скрытых периодичностей на фоне случайных составляющих является внутренне присущим достоинством спектрального преобразования, которое обусловило его широкое применение в различных областях науки и техники. Однозначность перехода от временного описания данных к спектральному и обратно позволяет считать спектральную обработку перспективной для нашей задачи.

На рис.1 представлены графики изменения активности ЛЭ во времени в районе «внутреннего» (рис.1, а) и «внешнего» (рис.1, б) углов 16-й восточной лавы. Они имеют ряд сходных общих моментов и существенные различия:

1.                Изменение активности АЭ во времени, отражающее динамику изменения НДС массива в окрестности лавы, имеет неравномерный периодический характер с составляющими разной частоты и амплитуды.

2.                Общий уровень активности АЭ существенно изменяется в пределах очист­ного забоя. У «внешнего» угла лавы он значительно (примерно в 3-4 раза) выше, чем у «внутреннего».

3.                Экстремумы активности АЭ у «внутреннего» и «внешнего» углов лавы имеют разный период, т.е. обрушение кровли в этих зонах происходит, как правило, несинхронно.

На основе данных эксперимента можно оценить шаг посадки залегающих в кровле пласта породных слоев. Для этого, статистически значимым для данной выборки периодичностям временного ряда АЭ необходимо сопоставить пространственные параметры зависающих и обрушающихся слоев кровли. Эта возможность связана с тем, что подвигание забоя 16-я восточной лавы в период проведения наблюдений было практически постоянным и составляло около 5 м/сутки. Таким образом, периодическим во времени процессам можно сопоставить пространственные периодичности, которые могут быть легко отождествлены с шагом посадки соответствующих слоев пород кровли. В нашем случае наибольший интерес представляют составляющие временного ряда АЭ с

периодом до 250 ч, что соответствует подвига- нию лавы 50 м.

На рис. 2 представлены построенные по результатам эксперимента спектры временных рядов АЭ. Их анализ показывает достаточно большую разницу в характере обрушения пород в очистном забое. Так, процесс оорушения массива у «внутреннего» угла характеризуется наличием нескольких значимых спектральных составляющих. Их периоды составляют 24 ч, 30 ч, 170 ч и 240 ч, что соответствует подвиганию лавы соответственно 5,0 м, 6,3 м, 35,0 м и 50,0 м. V «внешнего», примыкающего к выработанному пространству угла, спектральные составляющие АЭ были другими: 24 ч (5.0 м), 92 ч (19,0 м) и 170 ч (35,0 м). Проведенные дополнительно визуальные обследования очистного заооя подтвердили, что шаг обрушения основной кровли у «внутреннего» угла колебался в пределах 33 38 м, а у «внешнего» — 18-22 м. Таким образом, в условиях эксперимента было


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ние в данный момент произошло в верхней части лавы, то именно в этой зоне произошла относительная разгрузка краевой части массива и спутников и пригрузка выработанного пространства и, следовательно, повысилось газовыделение из них. Соответственно, при обрушении во «внутреннем» углу лавы всплеск газовыделения будет наблюдаться именно там. Таким образом, несинхронность и несогласованность обрушений подработанного массива приводит к постоянному периодическому изменению положения зон повышенного и пониженного газовыделения по длине очистного забоя. Это в определенной степени сглаживает общую динамику газовыделения в лаве.

Оценить степень синхронизации процессов зависания и обрушения кровли можно коэффициентом синхронности временных рядов АЭ. Он определяется по следующей формуле:

 

где                    — средние значения активности АЭ за предшествующие 32 ч наблюде­

ний в верхней и нижней частях лавы; , Ы^н — частные значения активности АЭ в верхней и нижней частях лавы.

Как следует из формулы (1) коэффициент 5 зависит от величины и знака отклонения текущих значений АЭ от выборочных средних, он принимает большие отрицательные значения, если в одной из выборок наступает задержка деформаций, а в другой — наблюдается усиленное грещинообразование. Физически это обозначает, что в данный момент времени в одной части лавы происходит затухание активности АЭ по сравнению с ее средним значением по выборке (зависание кровли), а в другой — «всплеск» (обрушение). Наоборот, коэффициент 5 принимает большие положительные значения, когда, в обеих выборках одновременно наблюдается активизация трещинообразования. Физически это соответствует случаям синхронизации обрушения. Важно подчеркнуть, что синхронизация обрушений не означает изменения длины породной консоли — это только совпадение обрушений в верхней и нижней частях лав.

На рис. 3. представлен график изменения коэффициента синхронности 5 в 16- й восточной лаве за период наблюдений. Примерно 90% рассматриваемого временного интервала его величина колеблется в узком положительном диапазоне 0- 200 имп2/час. Это характеризует нормальное несинхронное обрушение кровли в лаве. На графике можно также выделить два четко выраженных экстремума. Один из них отрицательный со средним значением -900 имп /час соответствует активизации обрушения в нижней части лавы и его затухание в верхней. Второй экстремум в области положительных значений достигает величины 700 имп2/час. Он проявился в период роста АЭ в обеих частях лавы. Таким образом, предложенный коэффициент вполне удовлетворительно отражает согласованность (несогласованность) процесса обрушения пород кровли в очистном забое.

Отраженные в виде экстремумов на графике рис. 3 случаи отклонений от нормального режима обрушений пород кровли представляют особый интерес. Эти явления происходят при отходе лавы от разрезной печи, примыкающей к нетронутому массиву, при подходе очистного забоя к выработанному пространству, когда между ними остается целик небольшой ширины, а также при переходе геологических нарушений, пересекающих отрабатываемое выемочное поле. Анализ показал, что при этом часто наблюдается синхронизация обрушения в нижней и верхней частях лавы. Динамика процесса газовыделения в очистном забое изменяется. В периоды зависания пород кровли оно резко уменьшается, а затем, при согласованном, а, следовательно, и более быстром обрушении начинает расти. В результате относительно благополучная газовая обстановка в лаве может смениться всплеском концентрации метана. Помимо этого синхронизация обрушения будет приводить к существенным колебаниям давления на краевую часть пласта в лаве, что увеличивает вероятность внезапных выбросов угля, газа и завалов лав.

 

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1.               Обрушение основной кровли в лаве происходит несинхронно из-за разных шагов ее посадки у «внешнего» и «внутреннего» углов выработанного пространства.

2.               Несинхронность обрушения предопределяет динамику напряженно- деформированного состояния горного массива в области очистного забоя, а, следовательно, и характер газовыделения в лаву.

3.               При отработке очистного забоя возможны периоды синхронизации обру­шения. Эти периоды являются потенциально опасными с точки зрения управления кровлей и неравномерности газовыделения.