Исследование процесса разрушения кровли пологих пластов при очистной выемке длинными забоями

Актуальность работы. Эффективность работы механизированных очистных забоев существенно зависит от характера обрушения пород кровли. Аварийные ситуации в очистном забое могут возникать при различных типах кровли отрабатываемого пласта. Наиболее проблемными для разработки являются пласты, над которыми залегают тяжелые кровли. В таких случаях обрушение кровли часто происходит крупными блоками с большими зависаниями пород, что осложняет взаимодействие крепей с породами кровли. При этом может происходить посадка стоек «нажестко», деформация секций механизированной крепи, их смещение от ударов. Также работа очистных забоев часто сопровождается отжимом угля и вывалами породы в призабойное пространство. Возникают проблемы с поддержанием подготовительных выработок вблизи очистного забоя. К тому же большинство пластов с тяжелой кровлей относится к опасным по горным ударам.

Для предотвращения опасных динамических явлений необходимо своевременное принятие специальных мер, предотвращающих эти явления или снижающих последствия их проявления. В настоящее время существует ряд методик, позволяющих относительно достоверно оценить потенциальную опасность возникновения того или иного динамического явления. Однако для своевременного принятия мер важно не только иметь информацию о потенциальной возможности какого-либо опасного явления, связанного с разрушением кровли, но и знать время его наступления. Для этого необходимо иметь четкое представление о том, как протекает процесс разрушения кровли и какие условия разработки оказывают наибольшее влияние на этот процесс. Разрушение кровли представляет собой совокупность процессов трещинообразования. Поэтому исследование закономерностей процесса разрушения кровли должно быть основано на рассмотрении процесса трещинообразования. В свою очередь очевидно, что зарождение и развитие трещин в кровле напрямую зависит от напряженного состояния пород. Следовательно, для изучения процесса разрушения кровли необходимо исследование напряженного состояния, изменение которого происходит при подвигании очистного забоя.

В Кузбассе предполагается к отработке около 150 пологих и наклонных шахтопластов. Из них 78 шахтопластов имеют тяжелую кровлю. Несмотря на то, что проблемам, связанным с кровлей пластов при их отработке, постоянно уделяется большое внимание, управление кровлей остается важнейшей проблемой, влияющей на эффективность работы шахт. Поэтому исследование процесса разрушения кровли является актуальной задачей, решение которой позволит предвидеть возникновение опасных явлений и своевременно принимать необходимые меры по их предотвращению или снижению последствий.

Цель работы — разработка модели разрушения кровли впереди очистного забоя с учетом динамики изменения напряженного состояния при подвигании забоя в различных условиях разработки.

Основная идея работы заключается в установлении закономерностей развития секущих трещин на основе использования кинетической концепции прочности для описания процесса разрушения в кровле отрабатываемого пласта.

Задачи исследования:

— установление местоположения области зарождения секущих трещин в кровле отрабатываемого пласта;

— разработка модели разрушения кровли пласта впереди очистного забоя с учетом динамики его подвигания;

— установление взаимосвязи между скоростью подвигания забоя и размером блоков обрушения кровли.

Методы и объект исследования. Используется комплекс методов, включающий в себя:

— анализ и обобщение литературных данных по рассматриваемой проблеме;

— экспериментальные исследования образцов горных пород;

— статистическую обработку результатов экспериментального исследования;

— моделирование процесса развития трещины и периодического формирования блоков обрушения в различных условиях разработки.

Объект исследования — кровля пологих угольных пластов, отрабатываемых длинными забоями.

Научные положения, защищаемые автором:

— зарождение секущих трещин, отделяющих блоки обрушения кровли от массива в условиях разработки, характерных для Кузбасса, происходит впереди очистного забоя на расстоянии до 9 м от плоскости забоя и вертикальном удалении от пласта до 2 м;

— модель разрушения кровли пласта, основанная на использовании кинетической концепции прочности для описания процесса разрушения кровли, включает в себя определение размера блоков периодического обрушения, времени образования блока, взаимного положения очистного забоя и секущей трещины в момент отделения блока кровли от массива при различных скоростях подвигания очистного забоя;

— с увеличением скорости подвигания очистного забоя размер блоков обрушения увеличивается, причем при подвигании очистного забоя со скоростью, обеспечивающей высокие показатели добычи, на пластах мощностью до 3,5 м будут образовываться узкие и короткие блоки, а на пластах мощностью более 3,5 м следует ожидать крупноблочное обрушение.

Научная новизна работы заключается:

— в установлении количественных закономерностей, позволяющих определить местоположение области зарождения секущих трещин в кровле отрабатываемого пласта в различных условиях разработки;

— в разработке модели разрушения кровли, включающей в себя определение размера блоков периодического обрушения, времени образования блока, взаимного положения очистного забоя и секущей трещины в момент отделения блока кровли от массива при различных скоростях подвигания очистного забоя;

— в установлении взаимосвязи между скоростью подвигания длинного очистного забоя и размером блоков обрушения кровли и качественной оценке вероятного размера блоков обрушения кровли, представленной среднезер-нистым песчаником, при скоростях подвигания очистного забоя, обеспечивающих высокие показатели добычи.

Обоснованность и достоверность научных положений и рекомендаций подтверждается:

— использованием известной кинетической концепции прочности, достоверность которой была подтверждена большим количеством экспериментальных исследований, выполненных рядом ученых;

— использованием известного и широко апробированного метода определения прочностных характеристик горных пород на основе регистрации импульсов электромагнитного излучения;

— использованием методики расчета опорного давления, применяемой в нормативных документах;

— удовлетворительной сходимостью результатов проведенного исследования с данными шахтных наблюдений.

Личный вклад автора заключается:

— в определении кинетических констант разрушения среднезернистого песчаника;

— в установлении количественных закономерностей, позволяющих установить местоположение области зарождения секущих трещин в кровле отрабатываемого пласта в различных горно-геологических условиях;

— в разработке модели разрушения кровли, основанной на использовании кинетической концепции прочности;

— в качественном установлении размера блоков периодического обрушения кровли в зависимости от условий разработки и скорости подвигания очистного забоя.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования блоков периодического обрушения кровли при отработке пологих пластов длинными забоями в различных условиях разработки в зависимости от скорости подвигания очистного забоя.

Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанной модели разрушения кровли позволяет определить размер блоков периодического обрушения, время образования очередного блока и взаимное положение очистного забоя и секущей трещины в момент отделения блока кровли от массива при различных скоростях подвигания очистного забоя.

Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были реализованы в следующих работах:

Временные методические указания по оценке структуры и напряженного состояния труднообрушаемых кровель угольных пластов. — Кемерово: КузГТУ, 2002.-42 с.

Временные методические указания по оценке литотипа, прочности и устойчивости пород кровли методом электроразведки. — Кемерово: КузГТУ, 2002. — 43 с.

Данные указания рекомендованы к применению на ряде шахт Кузбасса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодной научной конференции студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (г. Кемерово, 1999;2002 гг.), на научном симпозиуме «Неделе горняка-2001» (г. Москва, МГГУ, 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 38 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 75 наименований.

Эти выводы подтверждаются данными шахтных наблюдений [11, 12, 27, 74, 75] и т. д., что говорит о пригодности разработанной модели для описания процесса разрушения кровли и возможности дальнейшего ее использования и совершенствования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по описанию процесса разрушения кровли пологого пласта впереди длинного очистного забоя с учетом динамики изменения напряженного состояния при его подвигании, обеспечивающее определение размера блоков периодического обрушения и взаимного положения очистного забоя и секущей трещины в момент отделения блока кровли от массива, имеющее существенное значение для угольной промышленности.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Информативными характеристиками поведения песчаника в кровле отрабатываемого пласта наряду с пределом прочности на одноосное сжатие, являются структурно-чувствительный коэффициент у и энергия активации разрушения £/о. Для условий шахты «Распадская» при среднем значении предела прочности образцов на одноосное сжатие сгслг=55,5 МПа среднее значение структурно-чувствительного коэффициента у= 5,896−10″ м, а энергии активации разрушения 1/о= 1,578−1О" 19 Дж.

2. Установлены закономерности распределения касательных напряжений в кровле пласта впереди очистного забоя. Величина убывает с ростом вертикального удаления от пласта по степенному закону. Расстояние от плоскости забоя до увеличивается с ростом вертикального удаления от пласта экспоненциально.

3. Составлены номограммы, позволяющие определять параметры распределения Тхутах в зависимости от глубины разработки пласта и его мощности в условиях, характерных для Кузбасса.

4. Расстояние от плоскости забоя до Тхутах находится в пределах 2−9 м. Значение Тхутах на вертикальном удалении от пласта до 2 м превышает предел прочности на сдвиг для исследованного типа песчаников. Следовательно, в этом месте в кровле возникают условия для формирования очага разрушения (зарождения трещин).

5. Модель разрушения кровли пласта, основанная на использовании кинетической концепции прочности для описания процесса разрушения кровли, включает в себя определение размера блоков периодического обрушения, времени образования блока, взаимного положения очистного забоя и секущей трещины в момент отделения блока кровли от массива при различных скоростях подвигания очистного забоя.

6. Существует значение скорости подвигания Угр, при котором секущая трещина в слое кровли раскрывается на всю длину над очистным забоем. Наиболее благоприятные условия работы забоя возникают при скоростях, близких к Угр, когда будут образовываться короткие блоки. При скоростях подвигания, меньших Угр, возникают условия для разрушения кровли на узкие блоки. При скоростях, больших Угр, следует ожидать крупноблочное обрушение кровли.

7. Благоприятными для высокопроизводительной работы очистного забоя являются пласты мощностью 1,5−2,5 м при мощности обрушающегося слоя, представленного среднезернистым песчаником, не более 8−10 м. Значение Угр в таких условиях обеспечивает высокую производительность забоя.

8. При мощности обрушающегося слоя среднезернистого песчаника более 10 м практически во всех условиях разработки, характерных для Кузбасса, при скоростях подвигания более 2−3 м/сут следует ожидать крупноблочное обрушение кровли.