Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Интинского филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета)

Курсовой проект

По дисциплине

Управление состоянием массива горных пород

Тема:

Проект мероприятий по управлению состоянием массива при гидрообработке кровли пласта 10 в условиях шахты «Интинская»

Инта 2001 год

Аннотация

В настоящей работе рассмотрены вопросы управления состоянием массива горных пород при наличии труднообрушаемой кровли в условиях Интинского каменноугольного бассейна. Нами осуществлен анализ существующих способов управления кровлей, рассмотрены особенности управления методом гидрообработки, разработана технология предварительной гидрообработки кровли пласта 10 в лаве №18 шахты «Интинская», проанализированы результаты аналогичных работ на других шахтах ОАО «Шахтоуправление «Интинская угольная компания» с целью определения эффективности предложенного способа управления кровлей.

Объем пояснительной записки 58 страниц. Она содержит 14 таблиц, 11 иллюстраций и 1 лист графических приложений формата А1.

The summary.

In the present activity the problems of control of a condition of a rock mass are reviewed if there is a poorly caving roof in conditions Intinskay of carboniferous basin. We carry out the analysis of existing ways of roof control, the features of control of a method of hydroprocessing are reviewed, the technology of preliminary hydroprocessing of seam roof 10 in a lava №18 mines "Intinskay" is designed, the outcomes of similar activities on other mines ОАО "Mine management" Intinskay the coal company » are parsed with the purpose of definition of efficiency of an offered way of roof control. Volume of an explanatory slip of pages. She contains of the tables, case histories and 1 sheet of the graphic appendices of the format A1.

Оглавление

Введение

1. Общие сведения о шахте

2. Горно-геологические условия пласта 10

3. Особенности ведения очистных работ на пологих пластах с труднообрушаемой кровлей

4. Анализ существующих способов управления состоянием массива

горных пород

4.1 Передовое торпедирование

4.2 Взрывогидрообработка

4.3 Принудительное обрушение кровли взрыванием скважинных зарядов

4.4 Принудительное обрушение кровли взрыванием шпуровых зарядов

5. Сущность принятого решения.

5.1 Механизм воздействия на массив

5.2 Расчет параметров способа УСМГП методом гидрообработки

5.3 Организация работ при выполнении мероприятий по гидрообработке

6. Расчет ожидаемого эффекта

Заключение

Список используемых источников

Приложение 1

Введение

Интенсификация добычи угля комплексами обусловливаем сравнительно быстрые темпы увеличения глубины горных работ. В настоящее время более 70% механизированных комплексов в бассейне применяется на глубине от 350 до 700 м. С увеличением глубины разработка резко изменяются горно-геологические условия отработки выемочных участков. Особенностью геологического строения на этих глубинах появляется наличие в кровле основных рабочих пластов незначительных по мощности пачек слабоустойчивых пород непосредственной кровли и мощных высокопрочных песчаников и конгломератов, а также монолитных труднообрушаемых алевролитов основной кровли. В очистных забоях, отрабатывающих такие участки, наблюдаются интенсивные проявления горного давления, особенно при первичных и вторичных обрушениях основной кровли. Установлено, что серийные механизированные комплексы типа, ОКП и КМ-87М не могут обеспечить безопасных условий труда и экономической эффективности при отработке участков с труднообрушаемыми кровлями. Так, даже при установившемся сдвижении пород при периодических обрушениях основной кровли нагрузки на крепь превышают их номинальную несущую способность на 30-50%. Это приводит к деформациям крепей, высокой аварийности и снижению нагрузки на очистной забой.

Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки пластов в Печорском бассейне показывает, что наличие труднообрушаемой кровли является фактором, сдерживающим дальнейший рост комплексной механизации очистных работ, так как механизированные комплексы по своей технической характеристике (несущей способности) не соответствуют параметрам проявлений горного давления. Поэтому возникла необходимость разработать активные методы воздействия на горный массив изыскать средства и способы, обеспечивающие снижение интенсивности первичных и вторичных осадок основной кровли.

Для расширения области применения серийных комплексов и разработан и внедрён способ управления труднообрушаемыми кровлями и методом гидрообработки породного массива. Он заключается в том, что впереди движущегося очистного забоя в породы основной кровли нагнетается вода в режимах увлажнения или гидроразрыва.



1. Общие сведения о шахте

Интинское месторождение каменного угля расположено в юго-западной части Печорского угольного бассейна вблизи Северной железнодорожной магистрали, на территории Интинского района Республики Коми и приурочено к Интинским синклиналям и антиклиналям.

Площадь Интинского угольного месторождения около 300 км². Поверхность шахтных полей Интинского месторождения, в основном, представлена сильно заболоченной тундрой, покрытой небольшими участками леса. Между буграми, наряду с заболоченными участками, много мелких озер. Месторождение пересекают почти вкрест-простирания несудоходные реки Большая Инта, Черная, Угольная, а также ручей Черный; долины рек и ручья покрыты березовым и еловым лесом.

Местами встречается мелкоостровная мерзлота глубиной 10-15 м, реже 20 м.

Согласно схематическому районированию РФ по СНиП 2.01.07-85, приложение 5, город Инта относится к 1Д климатическому району.

В районе господствует субарктический климат: продолжительная и довольно суровая зима (5 месяцев) и короткое лето (2 месяца).

Климатические показатели района:

- среднегодовая температура+3,1°С;

- расчетная температура летних месяцев+12,1°С;

- расчетная температура зимних месяцев-15.5°С;

- наивысшая температура+32.0°С;

- наименьшая температура-54. 0°С.

Месяцы с устойчиво-положительной температурой - июль - август, с устойчиво-отрицательной - ноябрь-март.

Среднегодовая относительная влажность воздуха 79%. Среднегодовое количество осадков - 606мм, число дней с осадками - 210; средняя мощность снегового покрова в перерасчете на уплотненный снег - 0,4-0,5 м. На открытых площадях, без снежного покрова, 3,0-3,6 м.

Преобладающее направление ветров - юго-западное, скорость ветра в зимнее время достигает 25-30 м/сек.

В городе имеются предприятия строительной индустрии: завод железобетонных изделий с цехом товарного бетона, ремонтно-механический завод, деревообрабатывающий комбинат, которые обеспечивают строительными материалами и конструкциями шахты и другие местные предприятия.

Водоснабжение района осуществляется в настоящее время водопроводом с забором воды из реки Большая Инта и артезианскими скважинами.

Электроснабжение района осуществляется от Печорской ГРЭС по ВЛ-220кВ я Интинской ТЭЦпоЛЭП-35/бкВ.

На территории Интинского района проживает 60,5 тыс. населения, треть которого трудятся на предприятиях горной промышленности.

В настоящее время разработка Интинского угольного месторождения ведется ОАО «Шахта «Западная»» и ОАО «Шахтоуправление «Интинская угольная компания»», в состав которой входят ОАО «Шахта «Восточная», ОАО «Шахта «Капитальная», ОАО «Шахта «Интинская».

Угленосные отложения Интинского угольного месторождения представлены мощной толщей терригенных осадочных пород пермского возраста, которые делятся на три серии:

- юньягинискую воркутскую, печорскую Угленосной является воркутская серия, состоящая из двух свит: лекворкутской и интинской. Литологический состав и свойства пород обеих свит почти одинаковы. Отличаются они друг от друга тем, что в лекворкутской свите фауна преимущественно морская, а в интинской - пресноводная.

Интинская свита обладает промышленной угленосностью и литологачески сложена песчаниками (41,7%), алевролитами (29,4%), аргиллитами (24,6%), углями и углистыми аргиллитами (4,1%), конгломератами и гравелитами (0,2%). Интинская свита содержит 11 угольных пластов. Интинское месторождение приурочено к Интинской синклинали, которая на северо-западе отделяется Интинской антиклиналью от Усинской мега синклинали.

Обе складки имеют северо-восточное простирание и вытянуты на 50 км между реками Кожим и Большая Инта. Для Интинской синклинали характерно сочетание крутых крыльев и широкой, почти горизонтальной, приосевой части. В связи с таким строением глубина синклинали по сравнению с шириной весьма невелика. Считая по почве самого нижнего пласта I, ширина ее составляет 4-5 км, а глубина 600-1100 м. Строение складки ассиметричное. Северо-западное крыло, как правило, более пологое, чем юго-восточное. Падение угольных пластов на крыльях складки меняется по простиранию и достигает 80-90° по нижним пластам. Верхние пласты почти всюду залегают наклонно и полого, только непосредственно на выходах, под четвертичные отложения, особенно на юго-восточном крыле, падение их крутое.

Ось Интинской синклинали по простиранию имеет волнистое залегание. Углы наклона слоев обычно не превышают I⁰-3⁰.

Все основные пласты в свите очень устойчивы. Эта устойчивость выражается в выдержанности средних расстояний между смежными пластами и отсутствии случайных выпадения того или иного пласта из разреза.

Поле ОАО «Шахта «Интинская» приурочено к юго-восточному крылу Интинской синклинали. Оно характеризуется благоприятными горио-геологическими условиями разработки пластов верхней подсвиты (пласты 11-7). Геологическое строение угленосной толщи нижней подсвиты (пласты 6-1) значительно более сложное.

Общее спокойное залегание угленосной толщи местами нарушается волнистостью угольных пластов, наличием пликативных нарушений и немногочисленными дизъюнктнваыми.

Складки волнистости по простиранию имеют размеры 20-50 м с амплитудами, обычно, 0,2-0,3 м, реже 0.5 м.

Пликатнвное нарушение представлено так называемым «перегибом пластов» на участках резкого перехода крутого крыла синклинали к пологой приосевой части складки. Оно прослеживается в юго-западной и северо-западной частях поля суммарно на протяжении 6 км.

На поле выявлено 11 дизъюнктивных нарушений протяженностью от 0,4-3,0 км со стратиграфическими амплитудами от 2,5 до 15,0 м, четыре из них классифицируются как средние, остальные относятся к мелким нарушениям. Они имеют северо-восточное простирание, падение их близкое или совпадающее с падением угольных пластов.

По условиям залегания подземных вод в районе месторождения выделяется два водоносных комплекса: четвертичных отложений и коренных пород.

По условиям залегания и гидравлическим особенностям воды четвертичных отложений делятся на верховодку и грунтовые. Воды верховодки распространены в пределах почвенно-растнтельного слоя и питаются исключительно за счет атмосферных осадков. Залегают они на слоях тяжелых суглинков, способствуя заболачиванию территории.

Грунтовые воды четвертичных отложений залегают в прослоях песков и супесей. В некоторых случаях они обладают небольшим местным напором. Эти воды имеют ограниченное распространение. Водоотдача грунтов в целом незначительна и непостоянна.

Воды четвертичных отложения подразделяются в свою очередь на воды озерно-болотных, ледниковых, аллювиальных и древнеаллювиальных отложений.

Основную опасность прорыва четвертичных вод в горные выработки представляют понижения поверхности коренных пород, выполненные древнеаллювиальными образованьями, т.е. русла древних водотоков (депрессии).

Первая, наиболее значительная по величине депрессия берет начало на поле ОАО «Шахта «Капитальная», пересекает с северо-востока на юго-запад поле ОАО «Шахта «Интинская» и в районе 11 разведочной линии уходит на поле ОАО «Шахта «Западная», сливаясь там с ранее установленной депрессией.

Воды четвертичных отложений относятся, в основном, к гидрокарбонатно-натриево-кальпнво-магниевым, реже к гидрокарбонатно-сульфатно-кальциево-магниевым водам с минерализацией 60-600 мг/литр; величина рН 7-8. Общая жесткость их изменяется от 0,5 до 11,0 мг-экв/л.

Подземные воды пермских пород по условиям их циркуляции относятся к типу трещинных, зонально-трещинных и, частично, пластов-трещинных. Вся разведанная толща коренных пермских пород Интинского месторождения водоносна, однако водоносность неравномерна и связана с трещиноватостью пород: наиболее водоносными являются конгломераты, песчаники, менее водоносны алевролиты, а разбитые «волосными» трещинами аргиллиты практически являются водоупорами. Подземные воды коренных пород отличаются от вод четвертичных отложений малым содержанием кальция, магния, а, следовательно, и низкой жесткостъю, но обладают более повышенной минерализацией и щелочностью за счет увеличения натрия и калия, хлора и гидрокарбонатов. Подземные воды агрессивны к бетону, т.к. содержат сульфатов больше допустимых норм.

Рабочими пластами ОАО «Шахта «Интинская» являются пласты 11,10,9,8,7,5,4,3,2,1. Пласт 6 нерабочий по мощности.

Пласты 11,10,8,4,3 - выдержанные, 5,2 - относительно выдержанные, 9,7,1 - невыдержанные.

Уголь всех пластов высокозольный, энергетический, длиннопламенный, труднообогатимый. Строение пластов, как правило, сложное. Угольные пачки в пластах представлены, в основном, полосчатым, полублестящим и полуматовым углем; блестящий и матовый уголь присутствует лишь в виде тонких полосок и удлиненных штрихов. Высокозольные угли встречаются в пластах в виде непостоянных тонких прослоев и линз.

В кровле угольных пластов чаще всего залегают аргиллиты, хотя бы в виде тонкого прослоя. Часто они имеют перемятый вид и многочисленные зеркала скольжения. Основную кровлю слагаются переслаивающиеся аргиллиты и алевролиты или песчаники. Алевролиты тоже часто являются кровлей угольных пластов, но реже, чем аргиллиты.

Таблица 1.1

Промышленная и качественная характеристики угольных пластов

Показатели	Ед. иэм.	Исходные данные, ИС, Входные данные .
Наименование пласта		11	10	9
1	2	3	44	5
Геологическая мощность	м	3.00-3.15	2.65-2.75;	1.80-1.90
	м	3.10	2.70	1.70
Выемочная мощность	м	2,95-3.05	2.50-2.60	1.13-2.09
	м	2. 99	2.55	1.70
Производительность	т/м	3.66	3.15	2.51
Объемная масса угля	т/м	1.49	1.46	1.48
Глубина залегания	м	245-300	250-325	255-415
Угол паления пласта	град	8-12	8-14	0-24
Мощность между пластами	м	2	3	74
Влажность (аналит. /раб.)	%	5.1/10.5	5.4/10.2	5.8/9.6
Зольность	%	31. 9	27.5	25.6
Вылет летучих веществ	%	38. 6	39. 0	39.9
Содержание серы	%	3.0	2.8	2.7
Теплота сгорания угля	МДж/кг	30. 67	30.85	30.76
Марка угля	Д Д

Таблица 1.2

Характеристика пород кровли и почвы пластов

№	Кровля, почва	Мощность, м	Состав	Устойчивость
1	2	3	4	5
11	основная	14-20	песчаники	ср. обрушаемая
	непосредственная	3,0-6,5	алевролиты	ср. устойчивые
	ложная	0,38	аргиллиты угл. высокозольные
	почва	5,2	аргиллит	устойчивая
10	основная	15	песчаник алевролит	ср. обрушаемая
	непосредственная	2,5-50,0	алевролит	ср. устойчивые
	ложная	0,20	аргиллиты угл. высокозольные
	почва	6,8	аргиллит	устойчивая
9	основная	15-18	песчаник алевролит	ср. обрушаемая
	непосредственная	4,5	алевролит	слабая
	ложная	0,0-1,5	аргиллит угл. высокозольные.
	почва	8,0	Алевролит	склонна к пучению

Таблица 1.3

Физико-механическая характеристика вмещающих пород и угля

Показатели	Ед.	Исходные данные
Наименование		Аргиллит	Алевролит	Песчаник	Уголь
1	2	3	4	5	6
Прочность на сжатие		7.6-38-0	6. 0-53.0	15.0-56.0	1.78-2.53
	МП а	20.1	27.7	36,8	2.0
Прочность на растяжение		0.8-7.9	1.1-5.9	2.7-13.7
	МП а	3.5	4.1	5.5
Коэффициент крепости		2.0-9.4	2,2-8. 9	2.1-3.&	1.5-1.8
		3.5	5.8	4.7	1.6
Влажность	%	5.3	4.3	3.8	1.5
Пористость	Ц	12,6	13,2	12,7	10,0
Водопоглощение		9,4	8,0	9,9	1, 53

* - коэффициент крепости по шкале проф. M.M. Протодьяконова.



По выделению метана шахта относится ко 2 категории. Суфлярных выделением газа на шахте не наблюдалось.

Угольные пласты опасны по пыли. Случаев самовозгорания угля на шахте не было. Угольные пласты содержат свободной окиси кремния около 5.4%.



2. Горно-геологическая условия пласта 10

Лава №18 пласта 10-го отрабатывается с запада на восток, oт границ шахтного поля к панельным наклонным выработкам. Длина выемочного поля 1060 м, длина лавы по падению - 110 м. Угол падения пласта изменяется от 9 до 12 градусов, по простиранию - 2-3 градуса (от монтажной камеры). Мощность пласта в пределах вынимаемого поля составляет 2,45 м, общая полезная мощность - 2,10 м, вынимаемая - 2,30 м. Пласт состоит из 5 угольных пачек и 4-х породных прослоек общей мощностью - 0,23 м. Уголь пласта 10-го - каменный, марки «Д», средней крепости. Угольные пачки с включениями линз крепкого колчедана имеют объёмный вес 1,48 т/м³. Породные прослойки представлены аргиллитами и алевролитами 4-ой категории по крепости с объёмным весом - 2,0 т/м³.

Породы кровли пласта представлены следующими слоями снизу верх: 0,25-0,35 м - непосредственно над пластом участками залегают углистые аргиллиты и алевролиты трещиноватые, слабоустойчивые, на контакте с песчаниками спайности не имеют, склонны к самопроизвольному обрушению. Выше мощным слоем от 18 до 23 м залегают песчаники размывочного характера, представленные по структуре от мелкозернистых до крупнозернистых, с прослоями гравелита и конгломерата мощностью 1,5-2,5 м, слабо трещиноватые, на известкового - кварцевом цементе, с весьма редкими включениями флоры.

Песчаники повышенной крепости, склонны к зависанию, относятся к трудно обрушаемым, с пределом прочности на сжатие - _сж = 870-1250 кг/см²; на растяжение _р = 75-115 т/м² пористость 15-17%, с максимальной влажностью 1,3-2,9%.

Труднообрушаемые песчаники расположены по всей длине лавы №18 пл. 10, по падению от конвейерного штрека №18 с пересечением верхнего рельсового штрека и по простиранию от границы выемочного поля в восточном направлении до бремсбергов. Почва пласта представлена аргиллитами и алевролитами, мелкозернистыми, средней крепости, мощностью 1,2-1,5 м. Ниже залегают песчаники. В кровле пласта - 10-го основной кливаж располагается к линии забоя лавы под углом 25-30⁰ с падением на забой под углом 70-80⁰. Следует ожидать интенсивный отжим угля у груди забоя, особенно в нижней части лавы в зоне целиков, оставленных в выработанной части пласта - 11-го. Тектонические нарушения в пределах лавы выражены слабо, за исключением на отдельных участков в виде синклинальных складок и зон разрыва с замещением непосредственной кровли песчаниками. Геологическая характеристика составлена по результатам разведочного бурения подземных скважин на выемочном поле лавы №18 и по данным геологической документации.



3. Особенности ведения очистных работ на пологих пластах с труднообрушаемой кровлей

Вопрос управления труднообрушаемыми кровлями в бассейне за последние годы приобретает все большее значение, поскольку увеличение глубины разработки ведет к усложнению условий эксплуатации механизированных комплексов, а в ряде случаев - и к невозможности их применения вследствие несоответствия, технической характеристики крепей горно-геологическим условиям.

Большое разнообразие условий, в которых эксплуатируются механизированные комплексы, потребовало в первую - очередь четко разграничить вмещающие породы по устойчивости и обрушаемости, выявить возможные и наиболее часто проявляющиеся схемы разрушения пород кровли, определяющие характер взаимодействия крепей с боковыми породами. Из принятых в настоящее время гидротехнических схем формирования нагрузок на крепь наиболее объективными и достоверными являются схемы ВНИМИ.

Для условий легко - и среднеобрушаемых кровель эти схемы не рассматриваются, поскольку эксплуатация комплексов здесь с точки зрения повышенных перегрузок не вызывает затруднений. Для условий труднообрушаемых кровель, наличие которых характерны для бассейна, на основе инструментальных измерений и визуальных наблюдений можно предположить -две наиболее часто проявляющиеся гипотетические схемы разрушения, пород - кровли (ступенчатое опускание и блочное разрушение), Для рассматриваемых схём присуще периодические резкие опускания кровли вызывающие увеличение нагрузок на крепь, деформацию поверхности угольного забоя опережающие заколы и вывалы пород непосредственной кровли в при забойное пространство.

Наиболее часто наблюдается ступенчатое опускание непосредственной кровли с зависанием и последующим обрушением консоли основной кровли. Оно характерно для пластов, в непосредственной кровле которых залегают алевролиты или аргиллиты мощностью (1-3) m_пл пределом прочности на растяжение _р > 40 кгс/см², а вышележащей слой представлен высоко прочных песчаниками ( _р = 80 кгс/см²) мощность (3-6) m_пл. При такой схеме разрушения пород экстремальные нагрузки на крепь вследствие обрушения основной кровли наблюдаются периодически через 18-23 м. Такое явление зафиксировано на ряде участков шахт «Пионер», «Восточная» (объединение «Интауголь»). В момент опускания основной кровли характерными являются: опережающей закол, большой отжим угля с поверхности забоя и вывалы в призабойное пространство.

Большое разрушение пород для участков с труднообрушаемыми кровлями проявляется при наличии в кровле малоустойчивых аргиллитов мощностью менее m_пл. и прочных (_р. ~ 70 кг/см²) алевролитов либо песчаников мощностью (1-3) m_пл. выше которых залегают прочные мало слоистые песчаники. Инструментальные замеры нагрузок на стоики крепи типа. ОМКТМ показывают, что периодически через 4,5-6 м их нагрузки возрастают выше номинальных. Нагрузки увеличиваются в момент отрыва (обрушения) очередного блока. Через 3-4 цикла после обрушения блоков происходит опускание основной кровли сопровождающееся заколами и образованием трещин вдоль линии забоя. Нагрузки на крепь при этом резко возрастают, что в некоторых случаях приводит к опусканию гидростоек и жесткому режиму работы крепи (на небольших участках 3-4 секции). Такого рода проявления горного давления имеют место на пластах 10-8 и 11-й Интинского месторождения. Еще большей, интенсивностью проявлений горного давления при вторичных опусканиях обладают кровли, отнесенные к весьма труднообрушаемым. Их отличительной особенностью является периодическое быстрое смещение пород кровли, приводящее к аварийным ситуациям в очистном забое, а в ряде случаев к деформациям крепи, частичным и полным завалам лав. Если последствия вторичного опускания основной кровли в первом случае ликвидируются в сравнительно короткий промежуток времени без замены секций, то при наличии весьма труднообрушаемой кровли работы по восстановлению нормальных условий эксплуатации занимают длительный период и требуют проведения ремонтных работ и замены секций. В очистных забоях с весьма труднообрушаемыми кровлями разрушение породного массива носит иной характер, так как длина зависающих консолей в блоков весьма значительна. При этом можно выделить две схемы разрушения.

Первая схема приурочена к пластам, непосредственная кровля которых не превышает 2 * m_пл и представлена прочным (_р > 70 кгс/см²) алевролитами или песчаниками. Основная кровля сложена песчаниками. (_р = 70 кгс/см²) и равна (3-6) * m_пл. При наличии такого сочетания непосредственной и основной кровель непосредственная кровля разрушается блоками, нижняя часть которых распадается на мелкие куски, а верхняя часть имеет размеры от 1,5 до 3 м. Периодичность обрушения основной кровли составляет 8-11 м. Наблюдения, проведенные в лаве с такими условиями, показывают, что экстремальные нагрузки на крепь проявляются периодически через 8-10 м. При этом характерно наличие опережающих заколов, вывалов, отжима угля в при забойное пространство и сжатие стоек крепи. При второй схеме динамические проявления горного давления более интенсивны на пластах, в кровле которых залегает толща однородных песчаников мощностью более (6-7) * m_пл. Непосредственная кровля при этом составляет менее m_пл а в ряде случаев отсутствует. Такие условия характерны для выемочных участков по пластам 10-й и 11-й Интинского месторождения. В этом случае схема разрушения имеет другой вид. Нижний слой основной кровли обрушается на высоту (1,5-2) * m_пл крупными монолитами и кусками, причем обрушение происходит участкам от 15 до 25 м. Вышележащие слои основной кровли зависают на достаточно большом протяжении и периодически через 25-35 м обрушаются образуя впереди забоя опережающие заколы. При этом смещения кровли у забоя достигают 300-350 мм, что приведут к зажатию секций крепи и их деформациям. Исследования проявлений горного давления, проведенные при отработке пластов 4-го, 5-го, 10-го и 11-го на шахтах шахтоупровления «Интинская угольная компания» доказывают, что при отработке происходит периодическое опускание основной кровли, сопровождающееся быстрым смешением кровли у забоя, опережающими заколами и динамическим обрушением зависших пород. Это все приводит к завалам очистных выработок. Исследования характера проявления горного давления в очистных забоях с труднообрушаемыми кровлями в Печорском бассейне показали, что обрушение пород часто происходит без внешних предупредительных признаков на участках длиной от 16 до 25 м и более и сопровождается динамическими ударами, вызывающими наклон и деформацию крепи. Величина смещения кровли у забоя достигает 200-300 мм. Возникающие при этом нагрузки деформируют посадочные стойки даже на расстоянии 1,4-2,2 м от забоя. Нагрузки на крепь по сравнению с их средними значениями увеличиваются при первичных обрушениях основной кровли в 2,4-2,6 раза, а при установившемся сдвижении пород периодически возрастают в 1,8 раза и более. На основании проведенных исследований сделан, вывод о несоответствии несущей способности серийных механизированных крепей рассматриваемым условиям и невозможности их применения без специальных мероприятий на участках с труднообрушаемыми кровлями. Так для пластов мощностью 1,3-2 м, где наибольшее распространение получили комплексы типа КМ-87 и ОКП, установлено, что несущая способность крепи по сравнению с серийными должна быть увеличена в 1,5-1,8 раза, а первоначальный распор - в 2 раза. Выявлено, что конструкция серийных крепей с консольной частью длиной 1,9-2 м не обеспечивает надежного поддержания кровли в призабойной полосе при наличии неустойчивой непосредственной и труднообрушаемой основной кровли. Недостаточна и поперечная устойчивость секций крепи. Для пластов мощностью 2-3,5 м (комплексы типа, ОКП и КМ87М) в условиях труднообрушаемой кровли несущая способность крепи по сравнению с серийными для самых неблагоприятных условий (первичная посадка) должна быть увеличена для комплексов типа ОКП в 2,2-2,4 раза и комплексов КМ81М в 1,8-2 раза.

гидрообработка шахта труднообрушаемый кровля



4. Анализ существующих способов управления состоянием массива горных пород

Основными способами управления состоянием массива горных пород являются:

- передовое торпедирование,

- гидрообработка.

Здесь и далее под передовым торпедированием подразумевается передовое взрывание торпедирования, монозарядов и зарядов других видов. Способы передового торпедирования и гидрообработки предназначены для снижения интенсивности проявлений горного давления при первичных вторичных обрушениях труднообрушаемнх пород.

4.1 Передовое торпедированные

Сущность способа передового торпедирования заключается в предварительном ослаблении пород кровли взрыванием скважинных зарядов впереди очистного забоя. Трещины, возникающие в гормоном массиве при взрывание ВВ, с одной стороны, уменьшают поперечное сечение труднообрутаающегося слоя и, с другой стороны, являются концентраторами напряжений. Методика расчета зоны трещинообразования в результате камуфлетного взрыва цилиндрического заряда приведена в [06]. Размер зоны трещинообразования зависят от радиуса заряда. Дальнейшее развитие трещин обусловлено изменениями напряженного состояния в окрестности этой зоны. По мере приближения очистного забоя зона трещинообразования сначала оказывается в области опорного давления, где наиболее нормальные напряжения увеличивается в 2-3 раз и происходит изменение направления главных напряжений. Затем эта зона оказывается в области изгиба слоев, где одна часть этой зоны может быть в области растяжения, а другая - в области сжатия. При этом направление действия напряжения сжатия в области изгиба резко изменяется по сравнению с областью опорного давления. Наиболее ослабляющее влияние трещин (образовавшиеся после взрыва) как концентраторов напряжений при изгибе ожидается в области растяжения. Предварительное разупрочнение пород взрывом приводит к уменьшению предельных длин консолей (блоков), критических площадей обнажения, вследствие чего ослабляется влияние осадок основной кровли, обеспечивается эффективное применение механизированных крепей в лавах с труднообрушаемые кровлями. Эффективность способа передового торпедирования зависит от правильного выбора мест заложения скважин и технологии выполнения работ по заряжанию и взрыванию. Способ передового торпедирования рекомендуется применять также для охраны повторно используемых подготовительных выработок (на границе: массив - выработанное пространство). Для этого впереди лавы производится взрывание ВВ в скважинах, пробуренных около охраняемой выработки со стороны выработанного пространства. После прохода лава труднообрушаемая кровля, ослабленная взрывом, обрушается, чем исключается ее зависание. Этим самым снижается также напряженность пород и угля в окрестность очистного забоя на участке, примыкающем к сопряжению лавы с выработкой при бесцеликовых способах охраны. Выработка за лавой находится под защитой консоли слоев труднообрушаемых пород.

На пластах с труднообрушаемыми кровлями работа механизированных крепей значительно осложняется. Это обусловлено увеличением на них давления и величин опускания кровли в периоды проявления первичных и вторичных осадок основной кровли, наличием высоких скоростей ее опускания, которые достигают 100 мм/с. Проявлению осадок основной кровли соответствует определенная критическая площадь ее обнажения, величина которой колеблется от 10 до 15 тыс. м². Эта величина определяется прочностными свойствами и мощностью основной кровли, а также строением и мощностью непосредственной кровли. Чем выше критическая площадь обнажения кровли, тем чаще проявление осадок основной кровли сопровождается повышенной динамикой воздействия ее на крепь, приводящей обычно к завалам очистных забоев и деформации элементов механизированных крепей.

Эффективное применение серийно выпускаемых крепей на пластах с труднообрушаемыми кровлями возможно только при условии резкого сокращения или полной ликвидации проявления осадок основной кровли. Эту задачу можно решить, если уменьшить критическую площадь обнажения кровли до величины, при которой проявление осадок основной кровли будет характеризоваться незначительной интенсивностью и не влиять на работу крепи и состояние кровли в призабойном пространстве. Для этого необходимо искусственно вызвать осадку основной кровли.

На рис 4.1.1 приведен совмещенный график величин опускания кровли при проявлении первичных и вторичных осадок основной кровли. Из рисунка видно, что если путем проведения специальных мероприятий исключить участки крутого наклона кривых опускания кровли (AC, AC¹), то кривая опускания кровли сглаживается и пойдет от точки А к точке А¹; проявление опасной динамики кровли происходить не будет. Таким образом, из общей работы, создаваемой плитой кровли по мере ее изгиба, исключаются заштрихованные участки (АСА¹, АС¹ А¹), которые характеризуют процесс разрушения кровли, а следовательно, и интенсивность проявления осадок основной кровли.

Разработанный КНИУИ метод передового торпедирования позволяет решить данную задачу при управлении труднообрушаемыми кровлями. Сущность его заключается в том, что впереди очистного забоя пробуриваются из прилегающих выработок через определенные расстояния длинные скважины в массив пород основной кровли, которые затем заряжаются зарядами ВВ и взрываются. Вокруг скважины создается зона активного трещинообразования с радиусом, определяемым весом заряда ВВ. Установлено, что обнаженная плита основной кровли в выработанном пространстве при отсутствии ее самоподбучивания породами непосредственной кровли под действием собственного веса и веса вышележащих пород, испытывает действие изгиба и затем при определенной критической площади обнажения разрушается. При прогибе плиты выделяются две области по ее высоте: зона сжатия и зона растяжения. При отходе от монтажной камеры, когда плите кровли заделана с четырех сторон, зона растяжения находится ниже нейтральной оси. После проявления первичной осадки, когда одна сторона плиты, параллельная очистному забою, оказывается относительно свободной (кровля заделана с трех сторон), зона растяжения находится выше нейтральной оси, а зона сжатия ниже. Наличие этих зон при различно работе кровли и определяет параметры заложения скважин. Современная физика разрушения твердых тел и теория трещин утверждают, что определяющим началом развития разрушения является наличие различных, дефектов в твердом теле, наблюдаемых даже на микроскопическом уровне. Метод передового торпедирования основан на этих положениях физики разрушения: в данном случае искусственным путем в массив кровли вносятся макроскопические дефекты в виде взрывных трещин, окружающих скважину. Наличие незначительной трещины в зоне растягивающих напряжений приводит к мгновенному ее прорастанию, а следовательно, и к разрушению массива. Развитие созданных взрывных трещин в кровле определяется их расположением по высоте кровли, т. е. в зонах сжатия или растяжения, где закономерности их развития носят различный характер.

На рис 4.1.2 представлен предполагаемый механизм разрушения пород кровли при ее торпедировании. Взрывание торпед (зарядов ВВ) производится до начала очистных работ или со значительным опережением, т.е. в зажатой среде. Созданные взрывом трещины по мере движения очистного забоя проходят несколько зон, характеризующихся различным напряженным состоянием кровли, определяющим процесс их развития. Выделено четыре зоны:

1 - зона зажатой среды, II - зона опорного давления. III - зона над очистным пространством и IV - зона над выработанным пространством. При переходе этих зон трещины получают дальнейшее развитие, сопровождаемое нарушением монолитности массива пород кровли.

В зависимости от напряженного состояние пород кровли трещины могут развиваться в различных направлениях: по слоистости, в зонах сжатия перпендикулярно действию сжимающего усилия, в зонах растяжения в сторону максимальных растягивающих напряжений и т. д. Развитие основной магистральной трещины рассекает блок основной кровли, вызывая его полное обрушение в выработанное пространство. Эффективность применения метода передового торпедирования зависит от правильно выбранных параметров и схем расположения скважин. При установлении рациональных параметров торпедирования кровли следует учитывать строение, прочность и мощность основной и непосредственной кровли, наличие естественной трещиноватости и слабых контактов в породах кровли, способность ее к расслаиванию.

Дополнительными способами разупрочения кровли являются:

- взрывогидрообработка.

- принудительное обрушение путём взрывание скважин или шпуров зарядов.

4.2 Взрывогидрообработка

Сущность способа заключается в предварительном создании трещиноватостей в массиве труднообрушаемых монолитных пород кровли взрыванием скважинных зарядов небольшого диаметра (45-50 мм) и массы (35-50 кг) и последующего увлажнения от шахтного противопожарного става с напором 5-10 атм. После такого воздействия взрыва и увлажнения породы вокруг скважины становятся легкообрушаемыми над выработанным пространством.

Впереди очистного забоя с опережением 20-25 м в кровле пласта бурятся скважины. После заряжания и взрывания патронированного ВВ устье скважины оборудуется специальным съёмным гермитизатором и в неё нагнетают воду от шахтного трубопровода. Создается плотный фильтрационный поток и вода распространяется от скважин на величину зон макро и микротрещиноватости. Расстояние между скважинами и параметры нагнетания воды (время, давление, количество) выбирается с учетом радиуса влияния взрыва фильтрационных свойств пород и возможной зоны проникновения воды с учетом искусственной трещиноватости. Высота забуривания скважин по отношению к пласту выбирается из условий обеспечения необходимого подбучивания кровли.

4.3 Принудительное обрушение кровли взрыванием скважинных зарядов.

Сущность способа заключается в том, что при минимально безопасной площади обнажения взрывом зарядов ВВ в длинных скважинах, параллельных линии очистного забоя, пробуренных в близ заднего целика; осуществляется обрушение на высоту до 10 м. Слой кровли взрывом разделяется на блоки, которые затем обрушаются под действием собственного веса при меньшем зависании сравнению с естественным обрушением, что исключает воздушные удары, и формирование больших активных нагрузок на крепи.



4.4 Принудительное обрушение кровли взрыванием шпуровых зарядов

При залегании непосредственной кровле труднообрушающихся пород, поддающихся бурению ручными и колонковыми сверлами, возможно производитъ их ослабление с помощью взрывания шпуровых зарядов ВВ. В условиях пород кровли с шагом первого обрушения менее 30 м производится разовое взрывание шпуровых зарядов непосредственно у заднего целика, при большем шаге обрушения производится многократное периодическое взрывание шпуровых зарядов по мере отхода лавы от заднего целика.



5. Сущность принятого решения

5.1 Механизм воздействия на массив

Настоящим проектом предусматривается для управления состоянием массива горных пород в кровле пласта 10 лавы №18 применить способ гидрообработки.

Сущность способа заключается в предварительном ослаблении пород путем нагнетания в них жидкостей. Разупрочнение породного массива достигается за счет размокания зёрен и цемента, уменьшения прочности в окрестности естественных трещин, слабых контактов и прослоев при низконапорном и высоконапорном увлажнении за счет гидроразрыва пород. Эффект разупрочнения заключается в уменьшении длины зависающих консолей труднообрушаемых слоев. Критериями, характеризующими область применения способа, являются филътрационные свойства пород и характеристика высоконапорного оборудования, применяемого для целей нагнетания.

Фильтрационные свойства пород необходимо оценивать по коэффициенту проницаемости массива, который можно получить на основании данных опытного нагнетания жидкости в породный массив по методике, изложенной в литературе [07; 08].

На основании опытных работ по нагнетанию, проведенных в Печорском бассейне, установлены граничные значения коэффициентов проницаемости массива, при которых наиболее эффективной является обработка пород жидкостями.

Диапазон изменения коэффициента проницаемости и параметры высоконапорного оборудования, необходимые для нагнетания жидкости, приведены в таблице 5.1.1



Таблица 5.1.1

Значения коэффициента проницаемости для пород Интинского месторождения

Показатели	Месторождение Интинское
	Min	Max
Коэффициент проницаемости, дарси Производитедыость установки, л/минНапор, кгс/с2	I * IO-5 1.0 100	6 * 10-4**) 30,0**) 200

*) - при значениях коэффициента проницаимости массива меньших

5 * 10^-7 дарси нагнетание жидкости в породный массив в режиме нисоконаопрного увлажнения является неэффективным, поэтому такой режим не рекомендуется. В этой случае можно применять только гидроразрыв.

** - при изменении коэффициента проницаемости массива от

6 * 10^-4 до 9 * 10^-4 дарси производительность высоконапорной установки должна составлять до 90 л/мин, т.е. необходимо применять установка типа УГН. При коэффициенте проницаемости массива свыше 9 * 10^-4 дарси следует использовать вязкие жидкости.

Для других бассейнов эти показателя являются ориентировочными и должны уточняться на основе результатов экспериментальных работ по определению коэффициентов проницаемости по предлагаемой методике [07; 08].

5.2 Расчет параметров способа УСМГП методом гидрообработки

Основными параметрами гидрообработки являются:

- высота заложения скважин над угольным пластом;

- углы наклона скважин над угольным пластом;

- длина скважин;

- расстояние между скважинами;

- размер зон гидрообработки и необходимо опережения работ;

- параметры низконапорного, высоконапорного нагнетания и гидроразрыва.

Для гидрообработки кровли применяются при первичной посадке схема а и б (рис.3), при вторичной посадке - а, б и г (рис. 5.2.2). Высота заложения скважин над угольным пластом определяется из условия, чтобы верхний конец загерметизированого участка находится в труднообрушаемой породе (на расстояние не менее 0,6_эф от легкообрушаемой). Верхний конец скважины должен располагаться на высоте h

h= h_л.о + 0,6R _эф + (4/5) m,(5,1,2)

h_л.о - мощность пачки легкообрушаемой пород, м;

R _эф - эффективный радиус увлажнения, м;

m - вынимаемая мощность угольного пласта, м;

Угол разворота скважин при односторонней и двухстороней схемах определяется в зависимости от простирания основой системы естественной трещиноватости. Для пресечения наисльшего числа трещин этой системы угол между ней и осью скважины должен составлять 50-80⁰. В Печорском бассейне оптимальный угол между штреком и скважиной является = 63-70⁰.

Величину эффективного радиуса увлажнения R _эф можно определять по формуле

R _{`a</sub> = Q<sub>j,o</sub> |<sub>a</sub>m <sub>`a} (5/2/2)

где:

Q_общ - общий объём жидкости, закачанной в скважину, м³;

_ф - длина фильтрующей части скважины, м;

m _эф - эффективная пористость; для Интинского месторождения - m _эф = (0,15-0,2) m _о.

Открытая пористость m _о песчаников (в долях единицы) для Интинского месторождения - от 0,03 до 0,21.

По опытным данным гидрообработки песчаников основной кровли пласта 10 и 11 Интинского месторождения при общим объёме жидкости, закачанном в скважину, равном 50 - 60 м³, величина эффективного радиуса увлажнения составляет 7-8 метров; при Q_общ = 80 м³ - 10-11 м; а максимальное его значения при

Q_общ = 120-130 м³ - 13-15 метров.

Расстояние между скважинами с учётом мощности основной кровли принимать равным:

при h_о = 10-15 м - 35 м;

при h_о = 16-20 м - 30 м;

при h_о > 20 м - 25 м;

При обработке основной кровли пласта, выше которогого залегает пласт или пропласток угля, забой скважины должен находится не ближе 0,6R _эф. до почвы вышележащего пласта. При наличии ранее отработанного пласта это расстояние должно составлять не менее R _эф.

Выбор зон гидрообработки и соответствующих им режимов производится согласно схеме, приведенной на рис. П.5.2.3



Таблица 5.2.1

Рекомендации по выбору режимов обработки приведены в таблице 5.2.1

Пласт	Оптимальные зоны впереди очистного забоя (м) и соостветвующие им режимы обработки массива.
	Расстояние до забоя на начало работ по гидрообрабтке, н, м	Низконапорное увлажнение (от начала работ до участка высоконапорного увлажнения),, н.у, м	Высоконапорное увлажнение (от установки).	Гидроразрыв, г, м
			Первый участок `в.у, м	Второй участок ”в.у, м
11	не менее 100-120	50-120	26-50	6-16	16-25
10	не менее 100-120	50-120	26-50	6-16	16-25

Начало проведения работ по гидрообработке кровли устанавливается по минимально допустимому удалению скважины на момент начала низконапорного увлажнения _н, скорости подвигания очистного забоя V _з, времени на бурение t _б и герметизацию скважины t _г и определяется по формуле:

t _мин > (_н,/V _з) + t _б + t _г , сут.(5.2.3)

При первой осадке основной кровли период обработки массива без учета времени на бурение и герметизацию скважин должен быть не менее 12-15 суток.

Низконапорное увлажнение производится от противопожарного става под давлением не выше 20 кгс/см² в течение суток на длине участка, рекомендуемого таблицей 5.2.1

Высоконапорное нагнетание (установками типа УНВ-2, УН-35) производится на двух участках (см. таблицу 5.2.1). Выбор значений объёмной скорости нагнетания q, л/мин, и величины давления Р, кгс/см², на 1 м длины скважины производится по формуле:

q = 2 (К_nм/_в) * Р * _ф * 10²; см³/с.(5.2.4)

где:

К_nм - коэффициент порости пород;

_в - коэффициент водопроницаемости пород массива;

Величину давленая гидроразрыва Р_р, кгс/см², рекомендуемого при глубине Н на участке максимальной концентрации напряжений, можно подсчитать по формуле:

Р_р > Н + _р + рm_о (2 - m_о); кгс/ см² (5.2.5)

где:

Н - глубина ведения горных работ от поверхности, см;

- объёмный вес пород массива, кг/см³;

р - давление газа, кгс/ см²;

Ддя Воркутинского месторождения на глубинах 600-700 м давление газа р составляет 50-60 кгс/ см² а для Интинского - на глубинах 300-400 м - 15-30 кгс/ см².

_р - предел прочности пород на растяжение кгс/ см².

На основании опытных данных установлено, что для условий Интинского месторождения величина давления гидроразрыва составляет 85-120 кгс/см², а для Воркутинского на гдубинах разработки 500-600 м - I40-I60 кгс/см² и на глубинах 700- 800 м - 18 - 230 кгс/см².

С использованием данных по оптимальным зонам гидрообработки (таблица 5.2.1), зависимостей для определения параметров высоконапорного нагнетания (5.2.4) и величины давлениях гидроразрыва (5.2.5) рекомендуются номограммы по определению параметров объёмной скорости нагнетания (q, л/мин), величины перепада давления (Р кгс/см²) и гидроразрыва (Р_р кгс/ см²) для пластов II и 10 при различной фильтрующей длине скважине, образец которой для пласта 10 приведён на рис. П.5.2.4

По номограмме, зная расстояние от очистного эабоя до скважины _з, в её нижнем квадранте определяем величину коэффициента проницаемости массива, соответствующую данному положению забоя. По известному коэффициенту проницаемости массива для определёной величины фильтрующей части скважины находим темп нагнетания q, л/мин, и величину давления Р. На номограммах парады высоконапорного увлажнения показаны сплошной линией, а гидроразрыва - прерывистой.

По установленным параметрам нагнетания и гидроразрыва строится диаграмма для паспорта гидрообработки, по которой ведется контроль. Пример построения диаграммы приведен на рис. П.5.2.5

5.3 Организация работ при выполнении мероприятий по гидрообработке

Технология и организация работ по гидрообработке принимается в следующем порядке:

- бурение нагнетателъных скважин и их герметизация;

- нагнетание в ннзконапорном и высоконапорном режиме;

- работы по ремонту герметизирующих частей скважин;

- нагнетание вязких растворов в породы при большой проницаемости массива.

Бурение скважин производится станками вращателъного бурения. Диаметр нагнетательных скважин 59-93 мм. Для проведения буровых работ и размещения оборудования в действующих выработках разделываются ниши с размерами, обеспечивающими требуемые зазоры в соответствия с ПБ. Точки заложения скважин и их параметры задаются геолого-маркшейдерской службой шахты в соответствии с паспортом. Контроль за направленностью бурения скважин осуществляется одним из методом. инклинометрии.

Герметизация скважин производится путем создания песчано-цементной тампонажной пробки или герметизаторами многократного пользования.

должна быть не менее 20 м. На участках бурения скважин , находящихся в зоне опорного давления отработанной соседней лавы, длина герметизирующей пробки увеличивается, до 25-30 м.

Нагнетание жидкости в скважину сначала производится в режиме низконапорного увлажнения от участкового трубопровода. После окончания герметизации скважину подключает к трубопроводу. Темп низконапорного нагнетания выбирают в зависимости от приемистости скважины. При подходе очистного забоя к скважине на расстояние, рекомендованное таблице 5.2.1, производится ее подключение к высоконапорной установке. Схема подключения оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры приведена на рис. П.5.2.6. Техническая характеристика и перечень необходимого оборудования даны в графической части проекта (лист 1).

Нагнетание в режиме высоконапорного увлажнения и гидроразрыва производится в соответствии с параметрами, указанными в паспорте. Для этого по номограмме соответствующего пласта определяются искомые значения объёмная скорости нагнетания q, л/мин, и давления P, кгс/см² и строится диаграмма нагнетания жидкости (рис. П.5.2.5).

При высоконапорном нагнетании (P более 50 кгс/см²) скважины, находящиеся рядом, перекрываются высоконапорными вентилями или заглушками во избежание преждевременного прорыва жидкости. В процессе проведения работ по нагнетанию необходимо осуществлять постоянный контроль как за режимами, так и за параметрами нагнетания. Установка на скважине контрольно-измерительной аппаратуры (расходомеров и манометров) является обязательной как при низконапорном, так и при высоконапорном нагнетании. Результаты нагнетания заносятся в журнал по форме, приведенной в таблице 5.3.2

При резком устойчивом падении давленая в скважине до 15 - 25 кгс/см² или прорыве жидкости в поддерживаемое пространство очистного забоя нагнетание прекращается. Повторное нагнетание производится через 16- 24 часа. Если при повторном нагнетании давление не поднимается, а расстояние от забоя cкважины до лавы менее 1,5R_эф то жидкость из скважины сбрасывается, а оборудование демонтируется.

Если во время нагнетания жидкость поступает через цементную пробку или трещины непосредственной кровли, то скважина подлежит ремонту. Ремонт производится путем нагнетания водоцементного раствора вначале при соотношении В:Ц равном 5:1, а затем 3:1. После окончания цементации жидкость сбрасывается, a cкважина промывается чистой водой. Последующая проверка герметичности скважины производится через 35-46 часов.