Обґрунтування рацiональних параметрів пiдготовки надто зближених пластів на шахтах Захiдного Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування раціональних параметрів підготовки надто зближених пластів на шахтах Західного Донбасу

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми та стан наукової проблеми. При обмежених запасах нафти і газу в Україні вугілля виступає як основне власне джерело енергії. Тому доля вугілля в загальному паливно-енергетичному балансі країни буде безперервно зростати. Реалізація цього завдання можлива шляхом підвищення обсягу та ефективності видобутку вугілля із комплексно-механізованих очисних вибоїв передусім за рахунок таких перспективних районів, як Західний Донбас.

Умови розробки вугільних пластів у Західному Донбасі значно відрізняються від умов ведення гірничих робіт на шахтах інших геолого-промислових районів. Разом з тим, з поглибленням гірничих робіт останнім часом відзначається погіршення показників роботи шахт із-за інтенсивного прояву гірського тиску в виробках. Наявність слабких бокових порід, мала потужність пластів і їх обводненість, зближеність більшості пластів вимагають наукового обґрунтування цілого комплексу інженерних рішень, які відносяться до питань підготовки шахтних полів, почерговості, порядку відробки пластів в свиті, місця закладення, охорони, підтримання, кріплення підготовчих виробок та інших питань. На шахтах Західного Донбасу в надто зближених робочих пластах за станом на 1.01.97 р. зосереджено більше 400 млн. т. вугілля, що складає біля 40% всіх балансових запасів.

Традиційно на шахтах Західного Донбасу одночасно розробляється декілька пластів в свиті. Система розробки пластів - довгими стовпами здебільшого за повстанням. В межах виймального поля пласти відробляються роздільно в низхідному порядку. Частково така черговість відробки пояснюється відсутністю в районі пластів, схильних до газодинамічних явищ, відробку яких рекомендується вести з підробкою, тобто розпочинати з виймання захисних нижніх пластів. Але інколи з різних причин (наприклад у зв'язку з великою потужністю пласта) розробку зближених пластів розпочинають з першочергового виймання нижнього пласта. Це приводить до того, що підроблені запаси, які залишились, як ті що стоять на балансі шахт, так і забалансові, в подальшому можуть бути непригідними для послідуючої відробки, поскільки за поширеними геомеханічними уявленнями вони попадають в зону очікуваного безпорядного обрушення порід міжпластя.

За показник зближеності пластів, який допускає висхідний порядок відробки, прийнято відношення потужності порід міжпластя до потужності підроблюючого пласта. В різні періоди часу числові показники змінювались. Тепер згідно з нормативними документами, які діють в галузі, для різних гірничо-геологічних районів країни прийнята 12-кратна потужність підроблюючого пласта, і тільки в деяких умовах, за погодженням з «ВНДМИ» цей показник може бути зменшений до 6-кратної потужності підроблюючого пласта.

Проте особливості залягання вугільних пластів в Західному Донбасі потребують уточнення значення цього критерію. Закономірності здвигання підробленої товщі на зближених пластах в умовах району недостатньо вивчені, практичний досвід їх відробки в висхідному порядку має епізодичний характер і не узагальнений. Зближеність пластів, залягання їх в слабких вміщуючих породах, вплив гірничих робіт на суміжних пластах зумовлюють визначення черговості їх відробки, а також вибір місця закладення і способу охорони підготовчих виробок. Вирішення цих питань вимагає постановки спеціальних досліджень, результати яких дозволять знизити втрати вугілля, підвищити стійкість підготовчих виробок, продовжити термін служби деяких шахт і покращити техніко-економічні показники їх роботи.

Тому визначення раціональних параметрів розробки надто зближених пластів представляє актуальну наукову задачу, яка має важливе практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в НГА України згідно з плановими дослідженнями по господарчому договору 010615 з ВО «Павлоградвугілля».

Мета дослідження - обґрунтування раціональних параметрів підготовки надто зближених пластів на шахтах Західного Донбасу на основі вивчення та врахування закономірностей здвигання підробленої товщі порід і прояву гірського тиску в виробках.

Задачі дослідження:

1. Вивчити порушеність верхнього надто зближеного пласта і вміщуючих порід, підроблених очисними роботами по нижньому пласту.

2. Визначити розміри зони розвантаження від погашеної підготовчої виробки після відробки нижнього надто зближеного пласта і встановити параметри раціонального розташування підготовчих виробок по верхньому підробленому пласту.

3. Визначити вплив черговості відробки надто зближених пластів на умови їх розробки.

4. Установити закономірності прояву гірського тиску в підготовчих виробках в залежності від потужності порід міжпластя.

5. Обґрунтувати раціональні параметри підготовки надто зближених пластів.

Ідея роботи полягає в урахуванні закономірностей здвигання підробленої товщі порід для забезпечення ефективного виймання верхнього пласта і обгрунтування раціональних параметрів підготовки пластів в умовах їх зближеності.

Основні наукові положення, які винесені на захист.

1. В умовах шахт Західного Донбасу підроблений з кратністю підробки 3,2 і більше надто зближений пласт зберігає свою цілісність, що дозволяє вести його подальшу розробку.

2. Область зони розвантаження від погашеної підготовчої виробки по підроблюючому надто зближеному пласту, в якій раціонально закладати підготовчу виробку, знаходиться в плані від погашеної виробки на відстані 1 - 5 метрів.

3. Більш сприятливі геомеханічні умови розробки надто зближених пластів забезпечуються при висхідному порядку, що зумовлено захисною, екрануючою дією верхнього пласта.

4. Вплив глибини закладання підготовчої виробки верхнього зближеного пласта на здіймання порід підошви в ній більш значний, ніж вплив потужності порід міжпластя: з подвоєнням глибини розробки від 300 до 600 метрів здіймання порід підошви виробки збільшується в 2,5-1,5 рази, проти 2 - 1,2 рази при зміні потужності порід міжпластя від 4 до 10 м, вплив якої обмежений 6 - 7 метрами.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлені закономірності здвигання товщі порід, яка залягає вище, при підробці верхнього надто зближеного пласта на шахтах Західного Донбасу, відрізняються тим, що підроблений пласт виявляє екрануючу дію і разом з породами міжпластя попадає в зону плавних прогинань.

2. Визначені параметри зони розвантаження від погашеної підготовчої виробки по підроблюючому надто зближеному пласту, що дозволяють здійснити вибір місця закладення підготовчої виробки на верхньому пласту в тій області зони розвантаження, де відсутнє значне руйнування порід.

3. Обгрунтована можливість і ефективність висхідного порядку розробки надто зближених пластів при потужності порід міжпластя менше 6 метрів.

4. Встановлені кількісні і якісні параметри впливу на здіймання порід підошви в підготовчих виробках по верхньому надто зближеному пласту потужності порід міжпластя і глибини розробки.

Наукове значення роботи полягає в установленні особливостей і закономірностей прояву гірського тиску при різноманітній черговості відробки зближених пластів в залежності від глибини їх закладення і потужності порід міжпластя, в обгрунтуванні параметрів підготовки.

Практичне значення одержаних результатів. Розширено межу допустимої підробки надто зближених пластів в Західному Донбасі до 3,2 потужності підроблюючого пласта, що відкриває можливість відробки запасів, які вважались безповоротньо втраченими. Обгрунтовано, що раціональним місцем закладення дільничних підготовчих виробок по верхньому надто зближеному пласту є область зони розвантаження від погашеної підготовчої виробки по нижньому пласту з незначним руйнуванням порід.

Особистий внесок здобувача полягає в участі при формулюванні задач дослідження, розробці методик і в проведенні аналітичних, експериментальних шахтних досліджень і математичного моделювання, в обробці, аналізі і узагальненні отриманих результатів.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи докладались на Всеукраїнській науково-технічній конференції «Сучасні шляхи розвитку маркшейдерсько-геодезичних робіт на базі передового вітчизняного та закордонного досвіду» (м. Дніпропетровськ, 1997 р.), на міжвузівській науково-технічній конференції» Еколого-економічні проблеми розвідки, розробки і збагачення корисних копалин України» (м. Дніпропетровськ, 1997 р.), на симпозіумі «Неделя горняка - 97» (м. Москва, МДГУ, 3.02.97-7.02.97 р.), на конференції «Ресурсозбереження і екологія промислового району» (ГАСА, м. Макіївка, 5.09.95-8.09.95 р.), на наукових семінарах кафедр НГА України (17.11.98 р. і 27.01.99 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих робіт (3 статті у фахових виданнях, 3 доповіді в матеріалах конференцій), в тому числі 4 патенти на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків і п'яти додатків, містить 158 сторінок машинописного тексту, включає 29 ілюстрації, 6 таблиць, список використаних літературних джерел із 103 найменувань.

Основний зміст роботи

виробка пласт гірський порода

Вирішенню проблеми розробки зближених пластів присвячена велика кількість досліджень. Значне місце в них приділено можливості відробки зближених пластів в висхідному порядку, місцю закладення і способам охорони підготовчих виробок.

Великий внесок в вирішення проблеми внесли В.Н. Батманов, В.Т. Давидянц, К.П. Заіка, М.П. Зборщик, А.П. Кілячков, В.І. Кравченко, Г.Н. Кузнєцов, В.В. Назимко, В.П. Прокоф'єв, Я.Г. Cедула, В.Д. Слєсарєв, Ф.М. Циба.

Питанням відробки зближених пластів в умовах Західного Донбасу присвячені роботи: В.Т. Глушка, І.Є. Головчанського, М.Т. Гришка, В.Я. Кириченка, П.Т. Кирничанського, О.В. Колоколова, А.В. Кравченка, В.С. Мартюшева, Г.С. Піньковського, О.В. Савост'янова, І.О. Садовенка, Б.М. Усаченка, Ю.М. Халимендика, А.В. Шмиголя.

Аналіз проведених досліджень показує, що зближені пласти можуть відроблятися як в низхідному так і в висхідному порядку. Відробку ж надто зближених пластів рекомендується вести тільки в низхідному порядку. Це зумовлено необхідністю зберегти суміжний пласт придатним для подальшої розробки. При цьому під надто зближеними пластами в роботі прийняті пласти з потужністю порід міжпластя менше дванадцятикратної потужності підроблюючого пласта (М 12m).

Згідно з нормативними документами, діючими в галузі, висхідний порядок відробки зближених пластів для різних вугленосних районів допускається при потужності порід міжпластя більше 6-ти кратної потужності підроблюючого пласта. Але залягання пластів міцного і в'язкого вугілля в слабких, схильних до здіймання і пластичних деформацій вміщуючих порід з вираженою шаровністю, яка підвищує здатність шарів до прогинання після виймання пласта, дає можливість припустити, що числове значення показника допустимої підробки пласта для Західного Донбасу завищено і необхідна постановка спеціальних досліджень по його уточненню. При цьому чіткого обгрунтування вибору місця розташування дільничних підготовчих виробок по пласту, який відробляється в другу чергу немає. Рекомендації нормативних документів носять загальний характер: виробки повинні розташовуватись у зонах розвантаження.

Місце розташування виробок визначається конкретними умовами розробки. Воно залежить від потужності порід міжпластя, фізико-механічних властивостей порід, черговості відробки пластів та ін. Для вибору раціональної черговості і місця розташування підготовчої виробки необхідно знати ступінь впливу вказаних факторів на стійкість останньої, що потребує постановки спеціальних досліджень.

На основі викладеного сформульовані мета роботи, її ідея і поставлені задачі дослідження. Для досягнення мети та вирішення поставлених задач використано комплексний метод, який включає аналітичні, лабораторні та шахтні дослідження.

Вирішення першої, другої і частково третьої задач проводилось на основі результатів шахтного експерименту. Для цього в ВО «Павлоградвугілля» була вибрана шахта ім. Ленінського комсомолу України (зараз «Західно-Донбаська»), яка розроблює два надто зближених пласта с₈^в і с₈^н. Умови залягання вугільних пластів є типовими для шахт Західного Донбасу. Розробка пластів ведеться на глибині 450-480 м, що перевищує глибину ведення гірничих робіт на інших шахтах і обумовлює більш складні умови розробки. Вивчення закономірностей прояву гірського тиску на такій глибині дозволить використати досвід ведення гірничих робіт на інших шахтах при їх переході на більш глибокі горизонти.

В схильній частині шахтного поля, в з'вязку зі зниженням потужності пласта с₈^в до 0,6 м, був залишений цілик вугілля шириною 510 м. В подальшому цей цілик було підроблено по пласту с₈^н спареними лавамим довжиною по 210 м. Працювали вони на 804 збірний штрек, який з подвиганням лав гасився. Потужність порід міжпластя на цій дільниці складала від 4,5 до 5,1 м, кратність підробки від 3,2 до 5,1. Згідно з діючими нормативними документами ці підроблені запаси вважались непридатними для відробки.

Проведений аналіз умов залягання вугільних пластів в Західному Донбасі вказав на можливість ефективної відробки таких надто зближених пластів в висхідному порядку. Висока міцність і в'язкість вугілля разом з активним здійманням порід підошви виробок, вираженою шаровністю з незначним зчіпленням між породними шарами, після виймання нижнього пласта призводять до прогинання, підпорядкованого плавного опускання підробленої товщі на частину обрушених порід міжпластя. При цьому прояви гірського тиску в виробках повинні бути менш активними. Для виробок нижнього пласта верхній пласт виступає в ролі шара-моста, який перекриває вироблений простір і виявляє екрануючу дію на розвиток процесів тріщиноутворення підробленої товщі. Стійкість же порід покрівлі в виробках верхнього пласта, який відробляється в другу чергу, буде задовільною, оскільки вони знаходяться в зоні плавних прогинань і не змикаються з обрушеними і ослабленими породами після виймання попереднього пласта, як то спостерігається при низхідному порядку відробки пластів.

Даний прогноз частково одержав підтвердження при проведенні південного магістрального конвейєрного штрека N2 (ПМКШ N2) довжиною 600 м по виробленому просторі після виймання пласта с₈^в По всій довжині виробки потужність безпорядково обрушених і ущільнених порід покрівлі складала 0,7-1 м, що не перевищувала потужності вийнятого пласта. Вище залягали породи, порушені окремими тріщинами з майже повністю збереженою шаровністю.

В залишеному цілику було зосереджено біля 450 тис. тонн вугілля, тому після дорозвідки підроблені запаси вирішено було відробити. При підготовці виймального стовпа 904 лави автором під керівництвом д.т.н., проф. Колоколова О.В. було обгрунтовано розміщення підготовчої виробки на відстані одного метра в плані від погашеної виробки по нижньому пласту, як найбільш раціональне. Тому з метою експериментального підтвердження раціонального місця розташування підготовчу виробку заклали під кутом в плані до погашеного 804 збірного штрека по нижньому пласту, що дозволило перевірити його стійкість на різній відстані від погашеної виробки. У верхній частині штрек було закладено на відстані 15 м в плані від погашеної виробки, а в нижній - одного метра. На нашу думку, в останньому випадку проведена виробка обов'язково попаде в зону розватаження, що виведе її з-під впливу виробленого простору суміжного виймального стовпа, сталого гірського тиску і значного руйнування порід над погашеною виробкою.

Загальна протяжність 904 бортового штрека складала 1415 м. Різниця в часі між очисними роботами по нижньому пласту і проведенням штреку складала від 9 до 10 років. Шахтними спостереженнями в період проведення штрека встановлено, що по всій довжині виробки цілісність вугільного пласта не була порушена. Стан оголених порід виробки був задовільним, вони зберегли шарову структуру, виглядали монолітними. Тріщини, які інколи вдавалось виявити, були закритими, як правило, знаходились в породах підошви пласта. На межі між очисною виробкою нижнього пласта і ціликами пласт був плавно прогнутий. Отримані дані підтверджуються спостереженнями в других підготовчих виробках 904 і 906 виймальних стовпів.

Таким чином, спостереженнями за станом оголених порід в підготовчих виробках, проведених по виробленому простору і підробленому надто зближеному пласту, визначено, що висота безпорядного обрушення порід після виймання нижнього пласта не перевищує потужності вийнятого пласта, породи міжпластя, які залягають вище, не втрачають шаровності, порушені окремими закритими тріщинами, котрі закінчуються біля верхнього пласта. Сам же верхній пласт не втрачає цілісності, на межі з виробленим простором по нижньому пласту плавно прогнутий. Тому, стан підробленого надто зближеного пласта і бокових порід не виключає його подальшу успішну відробку.

Визначені параметри здвигання підробленої товщі обгрунтовують можливість розширення межі допустимої підробки зближеного пласта. Можливість виймання підробленого пласта визначається висотою зони руйнувань після підробки пласта. За даними Слєсарєва В.Д., Кравченка В.І., Седули Я.Г. вона змінюється в межах від 1,375 до 1,75 висоти зони безпорядного обрушення порід. Тому маючи на увазі різні дані про висоту безпорядного обрушення порід для умов Західного Донбасу, які досягають 1,5-2 м, а також результати даних досліджень, підробка надто зближених пластів може бути здійснена при М 3,2m.

На протязі всього часу існування 904 бортового штрека проводились візуальні та інструментальні спостереження за його станом. Вздовж штрека були установлеі чотири замірні станції контурного типу. Періодично, в середньому 1-2 рази в неділю, контролювалось зміщення контура штрека.

В процесі спостережень установлено, що деформування виробки включає два періоди. Період інтенсивного прояву гірського тиску триває в середньому біля трьох місяців. Потім наступає період сталого прояву гірського тиску. При якому деформація виробки носить затухаючий характер.

Окрім цього стан підготовчої виробки залежить від відстані до погашеної виробки на нижньому пласті. Дільниця виробки на ПК-78 зазнала самих великих деформацій (9,28 м в плані до погашеної виробки на нижньому пласті), а зі збільшенням відстані від цього пікета вона зменшувалась, що вказує на місце розташування максимума опорного тиску. За результатами інструментальних спостережень відстань до максимуму опорного тиску складала 9,66 м (рис. 1). Тобто значення параметра по даним візуальних і інструментальних спостережень відрізняється на 0,38 м, що не перевищує 4%. Дані інструментальних спостережень апроксимовані функцією виду:

y = a * x ^b * e ^{c x};

при: a = 2,7483 * 10 ⁸; b = 15,969571; с = - 1,6521.

При розрахунках параметрів функції дані замірної станції на ПК-20 не враховувались, вона попала в зону розвантаження біля межі з виробленим простором та цілика і вийшла з-під впливу погашеної підготовчої виробки.

В результаті шахтних візуальних та інструментальних спостережень установлено, що максимум опорного тиску по підробленому надто зближеному пласту знаходиться в плані від погашеної виробки на нижньому пласті на відстані біля 9-10 метрів, а зона розвантаження сягає 4-5 метрів. Дільниця підготовчої виробки, яка знаходилась своїм розрізом в області зони розвантаження на відстані від 1 до 5 м до погашеного штрека на нижньому пласті, по даним шахтних спостережень була в задовільному стані протягом всього періоду служби виробки.

Визначені параметри зони розвантаження масиву порід відповідають відомим даним зони розвантаження в Західному Донбасі навколо компенсаційної порожнини. При співставленні цих зон виробка, яка розташована в рекомендованій області, лежить на межі цієї зони. Розташування виробки на більш близькій відстані або над погашеною виробкою недопустимо, оскільки вона попадає в зону значного руйнування чи обрушення порід міжпластя. З ції причини в умовах Західного Донбасу потужність порід між двома підготовчими виробками, які проведеі в одній вертикальній площині, не повинна бути меншою (1,5Д-1) м, де Д - ширина виробки.

Відробка виймального стовпа 904 лави показала, що підвигання та інші техніко-економічні показники роботи лави в схильній частині виймального поля, де місце розташування виробки відповідало рекомендованому, були самими високими.

Дослідження впливу послідовності на умови відробки зближених пластів проводилось методом математичного моделювання. Оцінка умов розробки здійснювалась шляхом порівняння показників стійкості підготовчих і очисних виробок, які розраховувались зразу після їх проведення, при низхідному та висхідному порядку відробки пластів. Розрахунки виконані методом кінцевих елементів в межах механіки суцільної пружно-пластичної моделі середовища з внутрішнім тертям і врахуванням міжконтактного ослаблення порід. Структура вміщуючих порід, їх физико-механічні властивості відповідали діапазону характерних умов залягання вугільних пластів в Західному Донбасі.

В результаті розрахунків встановлено, що прояви гірського тиску в підготовчих і очисних виробках пластів, які відроблюються в першу чергу, при низхідному і висхідному порядку приблизно однакові. Так, в підготовчих виробках верхнього і нижнього пластів показники стійкості майже одні і ті ж. В робочому просторі очисних виробок розраховані опускання покрівлі верхнього пласта до 10% вищі в порівнянні з нижнім, що свідчить про більш високу деформацію порід покрівлі, а тому, і меншу їх стійкість. Про більш сприятливі умови першочергового виймання нижнього пласта свідчать також і величини здіймання порід підошви та сумарної конвергенції бокових порід. Вони до 20% менші в очисних виробках нижнього пласта.

Порівняльний аналіз показників стійкості виробок на пластах, які відроблюються в другу чергу, вказує на більш високу стійкість порід покрівлі в виробках верхнього пласта, що також свідчить про переваги висхідного порядку відробки. При цьому зі збільшенням потужності порід міжпластя до 12m деформація порід покрівлі в робочому просторі очисних виробок нижнього пласта помітно зменшується, але залишається до 2 разів більшою, ніж в виробках верхнього пласта.

Проте умови підтримки підготовчих виробок верхнього пласта із-за значного здіймання порід підошви набагато гірші в порівнянні з виробками нижнього пласта, який також відробляється в другу чергу. Здіймання порід підошви в них до 3,5 раз вище, ніж в виробках нижнього пласта. Це зумовлено руйнуванням та ослабленням порід підошви після виймання нижнього пласта. Тому підготовчі виробки верхнього пласта потрібно розташовувати в зонах розвантаження, що було підтверджено раніше шахтним експериментом.

Згідно з проведеними розрахунками, показники стійкості гірничих виробок з глибиною закладення погіршуються. Вплив потужності порід міжпластя на стійкість виробки помітно нижчий, ніж вплив глибини розробки. При цьому вплив потужності порід міжпластя в виробках верхнього пласта, який відробляється в першу чергу, обмежений 6-8 метрами.

Результати моделювання відповідають практичному досвіду. В Західному Донбасі при потужності порід міжпластя М 10 м підготовчу виробку по підробленому пласту закладати не рекомендується. Порівняння показників роботи лав, які одержані при відробці надто зближених пластів на шахті «Західно-Донбаська» і проведені методом математичної статистики, вказують на переваги висхідного порядку відробки перед низхідним. Зокрема середньомісячна площа виймання в лавах виймальних стовпів на 8 і 37% вища для висхідного порядку (рис. 2). Похибка знаходження математичних очікувань середньомісячної площі виймання здійснена з довірчою вірогідністю 0,95 і складає від 3 до 12%. При аналізі враховувався досвід роботи 31 лави, сумарний обсяг вибірки - 559 значень. За даними багаторічних спостережень групи гірського тиску шахти, стійкість підготовчих виробок по нижньому і верхньому пластам, які розроблюються в першу чергу, приблизно однакова. В той же час, стійкість останньої по нижньому пласту при низхідному порядку відробки набагато нижча ніж по верхньому. До речі, при підготовці виймальних стовпів для відробки пластів в низхідному порядку по верхньому пласту вдалось повторно використати сім виробок, а по нижньому всього тільки дві. Окрім цього, в підготовчих виробках підробленого пласта спостерігалось значне здіймання порід підошви.

В цілому дані про стійкість підготовчих виробок в шахтних умовах, техніко-економічні показники роботи лав і результати математичного моделювання узгоджуються між собою. Вони підтверджують теоретичний прогноз і вказують на переваги висхідного порядку відробки пластів.

Вивчення впливу потужності порід міжпластя на прояви гірського тиску в виробках здійснена фізичним моделюванням на еквівалентних матеріалах. Дослідження виконані в лабораторії кафедри будівництва шахт та підземних споруд. Геометричний масштаб моделювання був прийнятий рівним 1:100, розміри робочої камери складали 0,3*0,3*0,08 м. Модель включала три різномодульних прошарки вміщуючих порід і два вугільних пласта. Фізико-механічні характеристики еквівалентних матеріалів відповідали умовам залягання вугільних пластів в Західному Донбасі. Для кожного прошарку вміщуючих порід і пластів вугілля, у відповідності з прийнятими критеріями подібності, були підібрані відповідні еквівалентні матеріали, які включали парафін, солідол, графіт и пісок. На поверхні моделі, після попереднього навантаження і витримки протягом 2 годин, наносилась мірна сітка з розміром вічки 1*1 см і моделювалась гірнича виробка. Деформації сітки реєструвались фотоапаратом з однієї і тії ж точки при кожному навантаженні. За деформаціями сітки, згідно з навантаженням чи другими параметрами моделі, визначались відповідні залежності, які відображали поведінку масиву порід поблизу підготовчої виробки.

Потужність міжпластя в моделях змінювалась від 4 до 10 м з інтервалом 1 м, а глибина закладення виробки для кожного міжпластя - від 300 до 600 м з інтервалом 50 м. Всього в цій групі моделей було випробувано 42 моделі. Стійкість виробки оцінювалась по величині найбільшого для даної глибини здіймання порід підошви, як самої значної деформації в Західному Донбасі.

На рис. 3 і 4 приведені результати моделювання, з яких видно, що наявність слабкого міжпластя знижує стійкість виробки на 20-100%, тобто в 1,2-2 раза. При цьому незалежно від глибини закладення виробки помітний вплив надає міжпластя потужністю до 6-7 м. Подальше збільшення потужності міжпластя не приводить до істотного погіршення стану виробки. Залежність здіймання порід підошви виробки від потужності порід міжпластя задовільно описується функцією виду:

y = a - a e

Для H = 500 м параметри функції: a = 5,68; b = 0,94674; = 0,5557; середнє квадратичне відхилення S(x) = 0,1082243 мм.

При різній потужності порід міжпластя вплив глибини закладення виробки більш значний ніж збільшення потужності порід міжпластя. З подвоєнням глибини закладення виробки (від 300 до 600 м) здіймання порід підошви виробки збільшується в 2,5-1,5 раза.

Отримані дані підтверджуються практикою і результатами ма-тематичного моделювання. Згідно з ними після виймання нижнього надто зближеного пласта в підготовчих виробках верхнього пласта спостерігається значне здіймання порід підошви. Тому в практиці, як було відзначено вище, підготовчі виробки по підробленому надто зближеному пласту закладати не рекомендується. Погоджуються між собою результати физичного та математичного моделювання в частині впливу глибини закладення виробки і потужності порід міжпластя. Величина здіймання порід підошви в підготовчих виробках моделі, що визначена з врахуванням критеріїв подібності, складає від 200 до 600 мм за 4-5,5 місяців, відповідає натурним умовам.

Результати проведених досліджень дозволили розширити межу допустимої підробки надто зближеного пласта до 3,2m, встановити переваги висхідного порядку відробки пластів і вирішити задачу визначення раціонального місця закладення підготовчої виробки по підробленому пласту.

На рис. 5 приведена схема рекомендованого місця закладення підготовчої виробки на підробленому пласті, яка повинна бути розташована на відстані біля одного метра від погашеної виробки в напрямку відробки пласта. Виконання цієї умови забезпечує надійне попадання виробки в зону розвантаження і допустимих порушень порід над погашеною до того часу виробки на нижньому пласті. При цьому вплив штучних охоронних споруд на суміжному пласті незначний. Обмеження по потужності порід міжпластя між двома зближеними пластами до 8 м обумовлено можливою при проведенні виробки величиною підривки і присічки порід підошви та покрівлі до 1,5 м.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова і практична задача обгрунтування раціональних параметрів підготовки надто зближених пластів на шахтах Західного Донбасу шляхом реалізації висхідного порядку їх відробки.

При вирішенні цієї задачі використаний комплексний метод, який включає аналіз, узагальнення науково-технічних досягнень в області розробки зближених пластів, шахтний експеримент, фізичне та математичне моделювання, співставлення результатів комплексних досліджень з даними дослідно-промислової перевірки обґрунтованих рекомендацій і узагальнення виробничого досвіду.

Основні наукові і практичні результати виконаних досліджень полягають в наступному:

1. Останнім часом надто зближені пласти, як правило, розробляються в низхідному порядку. Встановлена нормативними документами межа підробки, яка дорівнює шестикратній потужності підроблюючого пласта, для специфічних умов Західного Донбасу є перебільшеною. При цьому немає чіткого обгрунтування місця розташування підготовчої виробки, яке в умовах великого зближення пластів істотно залежить від потужності порід міжпластя, структури, фізико-механічних властивостей порід і вугільних пластів, почерговості їх відробки та ін.

2. В умовах шахт Західного Донбасу підроблений з кратністю 3,2 і більше верхній надто зближений пласт попадає в зону плавних прогинань і упорядкованих опускань порід, зберігає свою цілісність; а в необрушених породах міжпластя виникають технологічні тріщини, які закінчуються біля пласта. Дякуючи цьому, створюються умови, які дозволяють вести подальшу розробку верхнього пласта.

3. Визначені параметри зони розвантаження від погашеної підготовчої виробки по підроблюючому надто зближеному пласту. Встановлено, що максимум опорного тиску знаходиться в плані від цієї виробки на відстані 9 - 10 м, а зона розвантаження сягає до 4 - 5 м. Для раціонального місця розташування підготовчої виробки по підробленому пласту рекомендується та область зони розвантаження, де відсутні значні руйнування порід, тобто на відстані біля 1 м в плані від погашеної виробки нижнього пласта.

4. Встановлено, що умови розробки надто зближених пластів в висхідному порядку більш сприятливі. Це обумовлено захисною, екрануючою дією верхнього пласта, який представлений міцним вугіллям, при першочерговій відробці нижнього пласта.

5. Визначено, що вплив глибини закладення підготовчої виробки по верхньому надто зближеному пласту на здіймання порід підошви в ній більш значний, ніж збільшення потужності порід міжпластя. Зі зміною глибини розробки від 300 до 600 м величина здіймання збільшується в 2,5-1,5 рази, проти 2-1,2 рази при зміні потужності порід міжпластя від 4 до 10 метрів, вплив якої обмежений 6-7 метрами.

6. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується достатньою збіжністю результатів аналітичних, експериментальних досліджень і математичного моделювання, позитивними даними дослідно-промислової перевірки запропонованих рішень та узагальнення виробничого досвіду розробки свит пластів на шахтах Західного Донбасу, використанням загально визнаних методів математичного і фізичного моделювання, які забезпечують достовірність результатів з похибкою не більше 20%.

7. Розроблені і впроваджені рекомендації по вибору місця закладення 904-го бортового штрека на шахті «Західно-Донбаська» ДХК» Павлоградвугілля». Обгрунтовані в роботі рекомендації дозволили на шахті додатково добути 438,8 тис. тонн вугілля, яке вважалось по діючим нормативним документам безповоротньо втраченим. Це на 3,5 місяці продовжує термін дії горизонту і підвищує ефективність капітальних вкладень. Відвантаження цієї кількості вугілля споживачеві по відпускній ціні 55 грн./т забезпечує шахті отримання 24,1 млн. грн.

Список основних опублікованих робіт здобувача по темі дисертаціі

1. Колоколов О.В., Лубенец Н.А., Халимендик Ю.М. О порядке отработки весьма сближенных пластов в слабых вмещающих породах // Уголь Украины. - 1994. - №1. - С. 10-13.

2. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. Эффективная технология разработки весьма сближенных пластов в Западном Донбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: МГГУ, 1997. - С. 168-171.

3. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. О сдвижении подработанной толщи при отработке весьма сближенных пластов на шахтах Западного Донбасса // Современные пути развития маркшейдерско-геодезических работ на базе передового отечественного и зарубежного опыта: Сб. научн. труд. - Днепропетровск, 1997. - С. 67-72.

4. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. Ресурсо- и энергосберегающая технология разработки сближенных пластов в Западном Донбассе // Ресурсосбережение и экология промышленного региона / Донбасская ГАСА. - Макеевка, 1995. - С. 87.

5. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. Эколого-экономические проблемы разработки сближенных пластов в Западном Донбассе // Эколого-экономические проблемы разведки, разработки и обогащения полезных ископаемых Украины. - Днепропетровск, 1997. - С. 102-103.

6. Кухарев В.В., Лубенец Н.А. Оценка эффективности применения рулонной крепи при безлюдной выемке весьма тонких крутых пластов // Разработка и обогащение рудных и нерудных месторождений при их комплексном освоении: Сб. научн. труд. - М.: ИПКОН АН СССР, 1988. - С. 54-55.

7. Патент 1838616 СССР. Способ охраны пластовой горной выработки от влияния очистных работ / Колоколов О.В., Лубенец Н.А. (Украина). - Опубл. 30.08.93; Бюл. №32.

8. Патент 2046948 РФ. Способ охраны пластовых магистральных штреков / Колоколов О.В., Кузьменко А.М., Бойченко В.Н., Шмиголь А.В., Халимендик Ю.М., Лубенец Н.А. (Украина). - Опубл. 27.10.95; Бюл. №30.

9. Патент 4560 (Україна). Спосіб охорони пластової гірничої виробки від впливу очисних робіт / Колоколов О.В., Лубенець М.О. (Україна). - Опубл. 28.12.94; Бюл. №7-1.

10. Патент 4561 (Україна). Спосіб охорони пластових магістральних штреків / Колоколов О.В., Кузьменко О.М., Бойченко В.М., Шмиголь А.В., Халимендик Ю.М., Лубенець М.О. (Україна). - Опубл. 28.12.94; Бюл. №7-1.

Размещено на Allbest.ru