книги / Сдвижение и дегазация пород и угольных пластов при очистных работах

В связи с внедрением новой прогрессивной технологии добычи полез­ ных ископаемых подземным способом с применением высокопроизводительных добычных комплексов в условиях увеличения глубин разработки и высоких нагрузок на очистные забои лав появилось ряд проблем, связанных с по­

на их проведение, поддержание и проветривание.

Увеличение выбросоопасности и удароопасности пластов и пород также связано с ростом затрат на проведение мероприятий,направленных на умень­ шение степени проявления зтих факторов.

щитного действия пласта по фактору снижения напряжений. В то же время вопросы теории защитного действия пласта по газовому фактору, оказыва­ ющему существенное влияние на процессы возникновения и протекания выб­ росов угля, газа и породы, находятся в стадии разработки.

Закономерности газовой динамики сдвигающейся толщи горных пород и сближенных пластов, вопросы защитного действия пласта при оценке степе­ ни снижения выбросоопасности, газовая обстановка добычного участка мо­ гут быть изучены только с позиций познания основных закономерностей ди­ намики горных пород с учетом содержащихся в них газов и жидкостей.

Изучение процессов сдвижения горных пород и в особенности динамики их сдвижения - один из актуальных вопросов горной науки. Прогноз сдвиже­ ния и деформации горных пород необходим при определении границ вредно­ го влияния подземных горных работ на различные объекты и сооружения,рас­ чете предохранительных целиков, для определения условий безопасной вы­ емки угля под водными объектами, условий прорыва воды и расчета ее при­ токов в выработки.

Работы советских ученых в области сдвижения горных пород С.Г.Авар­ ийна, Д.А.Козаковского, И.Г.Лисицы, М.В.Короткова, С.П.Колбенкова, Р.А.Муллера, А.Н.Медянцева, А.Г.Акимова, М.А. Иофиса, В.Н.Земисева и других позволили не только установить основные закономерности,но и полу­ чить математическое описание этого сложного явления.

Одним из актуальных вопросов при исследовании сдвижения горных по­ род является установление условий и закономерностей движения газа по образовавшимся в процессе ведения очистных работ трещинам в массиве горных пород. Газовая обстановка на добычном участке теснейшим образом

связана с характером сдвижения горнах пород, образованием сети трещин, соединяющих горную выработку с газоносными угольными пластами и слоями пород. В тесной зависимости от характера и интенсивности 'протекания процесса сдвижения пород находятся также процессы формирования во времени и пространстве защищенных зон, процесс перераспределения давления газа, метанообильносгь добычного участка.

Вопросам связи газодинамики пластов и пород с характером протека­ ния процессов их сдвижения посвящены работы С.И.Осипова, В.В.Ходота, В.С.Кузнецова. Наиболее фундаментальные исследования вопросов газовой

динамики угольных пластов в процессе их сдвижения при ведении очистных

.работ выполнены для основных бассейнов нашей страны Г.Д.Лидиным и А.Г.АЙруни.

Одной из первых работ по установлению количественной связи процес­ сов сдвижения и дегазации пород и сближенных пластов явилась работа Б.Г.Тарасова, где автором впервые рассмотрена задача о пространствен­ ном распределении газового давления в сдвигающихся пластах и их дега­ зации При этом характеристики пористости и проницаемости пород полу­ чены на базе математического описания процесса сдвижения.

Разраиотка надежных методов борьбы с газодинам,яескими явлениями, способов снижения газообильности участков в условиях обеспечения высо­ ких нагрузок на очистные забои лав возможна лишь при условии комплекс­ ного изучения и познания процессов и явлений, протекающих в массиве горных пород в период ведения очистной выемки. Настоящая работа явля­ ется результатом комплексных теоретических и экспериментальных исследо­ ваний динамики процесса сдвижения горних пород и вызываемых сдвижением процессов образования полостей расслоения как коллекторов газа в масси­ ве горных пород, процессов падения газового давления и характера распре­ деления остаточного давления в сдвигающейся толще горных пород и уголь­

напиоаны кавд.техн.наук B .ll.l/лкеньким. Гл.П и § I глЛУ напиоаны канди­ датами технических наук В.И.Мякенькиы, Г.А. Шевелевым,В.С.Кулинячем.Те­ оретические исследования выполнены канц.техн.наук В.И.Мякеньким.

Авторы выражают глубокую благодарность д-ру техн.наук А.Т.Айруни, кандидатам технических наук-Г.Т.Василенко и А.В.Онищенко, инженерам Ю.А.Герасименко, Б.А.Бойко, Н.В.Молчанову, А.И.Воронкияу, Н.И.Меньшову за участие в выполнении отдельных этапов исследовании.

Многие поднятые в работе вопросы не претендуют на окончательное ре^ шение и будут являться предметом дальнейших исследований. Авторы с благодарностью примут замечания и отзывы читателей до всем вопросам,изло­ женным в настоящей монографии.

Г Л А В А I

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ДВИЖУЩЕМСЯ ЗАБОЕ ЛАВЫ

1 . Условия применимости интегральное функции Гауооа для описания процесса сдвижения горных пород

Процесс сдвижения горных пород,вызываемый ведением очистных работ при подземной разработке пластов,сопровождается изменением состояния ок­ ружающих пород и пластов. В частности,при управлении кровлей полным об­ рушением происходит опускание пород кровли в форме прогиба с разрывом или без разрыва сплошности слоев,растяжение или сжатие отдельных участ­ ков под действием опорного давления, сдвиг по напластованию.

Самые интенсивные сдвижения горных пород происходят над движущимся, забоем левы или позади него.В период сдвижения горных пород происходит ряд изменений в массиве горных пород, включающих изменение напряженнодеформированного состояния, образование сети новых и раскрытие существу­

По мере затухания процесса сдвижения, наступающего*после удаления ла­ вы на некоторое расстояние, закрытия трещин и дегазации массива, проис­ ходит стабилизация давления газа и газоносности пород и пластов на но­ вом уровне и восстановление равновесия системы. В свою очередь, характер падения газового давления и газоносности пластов при их одвижении предо­ пределяют параметры газового баланса добычного участка.

Таким образом, изменение состояния горных пород и пластов,вызываемое ведением очистных работ,неразрывно связано с динамикой сдвижения всей

отметить, что динамика процесса сдвижения горных пород и земной поверх­ ности в настоящее время научена недостаточно, между тем как процессы де­ газации массива, изменение его фильтрационных свойств, процессы дефор­ мирования пород и сооружений тесно связаны с динамикой сдвижения пород

ине могут изучаться в отрыве от нее.

Сцелы» изучения закономерностей сдвижения земной поверхности и мас­ сива-горных пород при движущемся забое лавы и математического описания

.8того процесса нами проанализированы данные наблюдений sa сдвижением 8емкой поверхности по 1-Й профильной линии реперов и площадной наблюда­ тельной станции, включающей пять профильных линий шахты "Першотравнева" в Западном Донбассе .выполненных кафедрой маркшейдерского дела Днепропет­ ровского горного института и наблюдений за сдвижением реперов четырех профильных линий,заложенных в массиве горных пород и на поверхности,а

Рис Л . Соответствие трансформированных кривых вертикальных сдвижений глубинных реперов интегральной кривой Гаусса:

также глубинных реперов,заложенных в скважины шахты "Яоиновокая-Глубо- кая" комбината "Макеевуголь" /2 6 /, выполненных сотрудниками шахты о уча­ стием авторов.

Для изучения поведения надрабатываемого выбросоопасного массива гор­ ных пород использованы данные' проведенных нами наблюдений за сдвижением

в Донбассе.

Кривые вертикальных сдвижений реперов на различные моменты времени

лк величине максимального оседания £тах .

Аналитическое представление функциональной зависимости между ука­ занными параметрами получено исходя из предположения о соответствии кри­ вых сдвижения горных пород над движущимся забоем лавы интегральной кри­ вой Гаусса, а также на основании данных статистической обработки резу­ льтатов шахтных экспериментов.

Соответствие кривых вертикальных сдвижений интегральной функции Гаусса предопределяет возможность применения гипотезы о единичном влия­ нии элемента выработанного пространства для описания процесса сдвижения горных пород при движущемся забое лавы. Указанная гипотеза была одновре­

Этому выражение соответствует функция влияния

'

За основание этого треугольника принимаем длину полумульды 1Х «рассчи­ тываемую для земной поверхности по граничным углам ^54/. (Вопрос о рас­ чете длины полумульды для любого слоя подрабатываемого' массива горных пород будет рассмотрен ниже.) С учетом этого площадь треугольника,яв­ ляющаяся мерой конечного оседания точки, будет равна половине произве­ дения основания на высоту:

h l t

откуда

2 \Л Г

Поверхность вращения этой кривой вокруг оси симметрии запишется в сле­ дующем виде:

Полученные формулы (1 .6), (1.7) представляют собой функции влияния соответственно для плоской и пространственной задач. Поскольку они явля­ ются результатом преобразования функции Гаусса, то интеграл от этой функ­ ции будет являться интегральной функцией Гаусса, а она хорошо согласу­ ется с кривыми оседаний (при подработке) и поднятий (при надработке вы­ бросоопасных пород) реперов в динамической мульде сдвижения (см .ри с.О . Этот факт будет использован в дальнейшем при выводе уравнения динамичес­ кой мульды сдвижения.

2. Математическая модель процесса сдвижения горных пород при движущемся забое лавы

Под динамической мульдой сдвижения будем подразумевать мульду сдви­ жения земной поверхности или подработанного слоя горных пород, образовав­ шуюся над движущимся забоем лавы вследствие выемки части пласта в задан­ ный момент времени.

вдоль этой оси происходит полная подработка. Способ управления кровлей -

вынутая площадь пласта. Каждая элементарная площадка указанной площади вызывает на поверхности элементарное оседание точки. Сумма действий каждой площадки в пределах всей вынутой части пласта вызывает конечное

величину зависания пород основной кровли над движущимся забоем лавы. С физической точки зрения интерпретация этого параметра представлена в ра­

* Вид функции влияния изменился за очет смещения ее графика для общего положения точки А относительно начала координат.