Обоснование количественной оценки показателей, основанных на геомеханических процессах, происходящих в углепородном массиве в окрестности очистного забоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование количественной оценки показателей, основанных на геомеханических процессах, происходящих в углепородном массиве в окрестности очистного забоя

Д.В. Ботвенко

Возникновение аварийных и опасных ситуаций в шахтах прямо или косвенно связано с состоянием горного массива в окрестности горных выработок различного назначения. В результате нарушения естественного состояния горного массива в нем происходит ряд геомеханических и газодинамических процессов. Это перераспределение напряжений, разрушение породного и угольного массивов, формирование первого и последующих шагов обрушения кровли в очистных забоях, десорбция метана, окисление и др.

Состояние горного массива в окрестности подготовительных и очистных выработок существенно отличается друг от друга. Впереди забоя подготовительной выработки, проводимой по угольному массиву, не наблюдается четко выраженного максимума опорного давления, отсутствуют зоны разрушения пород кровли, естественно, что не формируются шаги ее обрушения.

Для предотвращения возникновения травмоопасных ситуаций, связанных с устойчивостью угольного массива на выемочных участках при ведении горных работ, т.е. кливажей, или потери устойчивости части массива в забое и принятия своевременных мер по обеспечению безопасных условий труда необходимо на стадии проектирования или в начале отработки выемочного участка проводить оценку состояния массива при помощи показателя, который включает в себя комплексную оценку устойчивости угольного массива на основе горно-геологических и технологических параметров. Таким показателем и является предлагаемый показатель устойчивости угольного массива. Анализируя процессы, происходящие в окрестности очистного забоя, представляется возможным определить условия устойчивости угольного массива (показатель устойчивости угольного массива У_у):

У_у= , Па/м. (1)

Данный показатель комплексно учитывает - напряжение в нетронутом массиве, МПа; - напряжение на линии забоя, МПа; - расстояния от забоя до зоны нормальных напряжений, которые в зависимости и определяют устойчивость угольного массива, м.

При величине показателя менее 1 забой теряет устойчивость, тогда как при величине показателя более 1 забой находится в состоянии равновесия, т.е. устойчив.

Определяя численные значения показателя устойчивости угольного массива У_у для различных горно-геологических и горнотехнических условий (m, м; Н, м; V, м/сут, при постоянной вынимаемой ширине заходки l=0,8 м, длине лавы по падению Д_л=250 м, угле падения пласта 8⁰, коэффициенте крепости горных пород F=7 и естественной влажности угольного массива 1%), можно сделать вывод о том, что устойчивость угольного массива в очистном забое согласно установленному показателю достигается при следующих условиях:

- крепости угольного пласта 0,5, вынимаемой мощности пласта 1,5 м, глубине ведения горных работ более 400 м, скорости подвигания очистного забоя более 7 м/сут;

- крепости угольного пласта 0,5, вынимаемой мощности пласта 2,5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости подвигания очистного забоя более 19 м/сут;

- крепости угольного пласта 0,6, вынимаемой мощности пласта более 1,5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости подвигания очистного забоя более 3 м/сут;

- крепости угольного пласта 0,6, вынимаемой мощности пласта 2,5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости подвигания очистного забоя более 7 м/сут;

- крепости угольного пласта 0,6, вынимаемой мощности пласта 3,5 м, глубине ведения горных работ более 300 м, скорости подвигания очистного забоя более 3 м/сут.

Аналогично устойчивость угольного массива достигается при крепости угольного пласта более 0,7.

Данные факты подтверждаются практикой ведения горных работ на угольных шахтах Кузнецкого бассейна. Например, отработка выемочных участков лав 30-321, 26-322, 26-326 шахты «Полосухинская», выемочного участка 569 шахты «Чертинская-Коксовая», лавы 26-24бис шахты «Есаульская», лавы 15-34 шахты «Абашевская» сопровождалась кливажами и вывалами угля из забоя.

При ведении горных работ в очистных забоях в зоне опорного давления происходят процессы, развитие которых обусловливает возникновение ситуаций, опасных с точки зрения устойчивости пород кровли и, как следствие, повышенную травмоопасность.

В таблице 1 приведены данные [1], нашедшие отражение в актах расследования аварий за длительный период времени (более 30 лет), показывающие, что в результате потери устойчивости кровли вследствие ее разрушения происходит обрушение горной массы, приводящее к травмированию горнорабочих различной степени тяжести вплоть до летального исхода.

Таблица 1. Влияние размеров незакрепленного пространства кровли и массы вываливающихся кусков породы на уровень производственного травматизма

Как видно из таблицы 1, при площадях обнажения от 10 до 50 м² наблюдается самый высокий травматизм (более 70%). Наиболее опасное положение (более 60%) возникает при обнажении кровли от 15 до 25 м². Если говорить об отслоившихся глыбах пород, то наибольшую опасность представляют куски массой от 100 кг до 3 т (80%). Подобного рода исследованиями также установлено, что при ведении горных работ в зонах первичного и последующих шагов обрушения кровли наблюдается наиболее высокий травматизм (70%).

Проводя оценку геомеханического состояния в окрестности очистного забоя и анализируя вышеизложенное, приходим к выводу, что наибольшую опасность, с точки зрения травматизма, представляют процессы, происходящие в зоне интенсивного разрушения пород кровли h₁. Если размер этой зоны превышает вынимаемую мощность пласта, то при наличии незакрепленного пространства возможны вывалы пород кровли в очистной забой, что может привести к травмированию людей и выходу из строя оборудования. Для определения численного значения критерия устойчивости пород кровли необходимо знать вынимаемую мощность угольного пласта m, средневзвешенный коэффициент крепости угля f, ширину вынимаемой полосы угля l, а также определить напряжение в нетронутом массиве , коэффициент концентрации напряжений K, расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений х_ср, прочность пород на одноосное сжатие . Численные значения критерия устойчивости пород кровли определяются по зависимости:

, м. (2)

При значениях критерия устойчивости пород кровли более вынимаемой мощности угольного пласта могут возникать травмоопасные ситуации в незакрепленных участках забоя. При значениях критерия меньше или равных вынимаемой мощности, как показывает практика и расчеты, не стоит ожидать возникновения ситуаций, опасных с точки зрения устойчивости пород кровли.

Для проведения комплексной оценки состояния массива вблизи выемочного участка применимы показатели удароопасности, выбросоопасности, предложенные автором [1], но основанные на новых зависимостях шагов обрушения пород кровли (первичного и вторичного) и апробированные в существующих условиях развития техники и технологии. С целью обеспечения пожаробезопасности выемочного участка необходимо проводить оценку зоны проницаемости подработанной толщи пород для определения аэродинамической связи с вышележащими пластами или концентрированными потерями угля, склонными к самовозгоранию.

Показатель выбросоопасности определяется из выражения:

R₀=?Х_ср⁰- l, м. (3)

При величине показателя выбросоопасности более или равной 0 в очистном забое нет опасности возникновения внезапного выброса угля и газа, тогда как при его отрицательном значении в забое возможно развязывание данного явления.

Значение показателя удароопасности в очистном забое можно получить из зависимости:

, МПа/м, (4)

где х_ср - расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений, м.

Как показывает практика и многочисленные проверки показателя удароопасности в очистном забое, удароопасные ситуации возникают при величине показателя более 1.

Оценка наличия аэродинамической связи с вышележащими пластами или потерями угля, склонными к самовозгоранию, проводится исходя из величины зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения). При величине этих зон больше либо равных расстоянию до склонных к самовозгоранию пластов или потерь угля в очистном забое возможно появление продуктов горения или возникновение аварийной ситуации, связанной с воспламенением метановоздушной смеси в выработанном пространстве. Размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) определяется выражением:

П_к = h₁ + h₂ + h₃, (5)

где h₁, h₂, h₃ - зоны соответственно интенсивного, блочного и крупноблочного разрушения пород кровли, м;

В качестве примера определения комплекса показателей приведем расчеты для условий шахты «Распадская» на выемочном участке лавы 4-9-21бис со следующими условиями: глубина ведения горных работ Н=289 м, вынимаемая мощность пласта m =1,6 м, угол падения б_град = 10⁰, средневзвешенная крепость угля f=0,8, скорость подвигания V = 9 м/сут, крепость основной кровли F=8, длина лавы Д_л= 265 м, ширина захвата комбайна l = 0,8 м. Для данных условий получаем численные значения:

- показателя удароопасности Д_у=1,3 МПа. Так как численное значение показателя более 1, то при ведении горных работ существует опасность появления горного удара;

- показателя выбросоопасности R₀ = -0,4 м. Так как численное значение показателя менее 0, то при ведении горных работ возможен выброс угля и газа;

- показатель устойчивости угольного массива У_у=13 МПа/м. Так как численное значение более 1, то угольный массив в очистном забое устойчив;

- показатель устойчивости пород кровли У_к= 0,7 м. Так как численное значение показателя не превышает вынимаемую мощность угольного пласта (m =1,6 м), то не следует ожидать вывалов породы в очистной забой;

- размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) П_к=11,2 м. Вследствие того, что вышележащий пласт 7 находится на расстоянии 70 м и, следовательно, отсутствует аэродинамическая связь между пластами, опасности попадания возможных продуктов горения в очистной забой лавы 4-9-21бис нет.

В то же время при изменении средневзвешенного коэффициента крепости угольного пласта с 0,8 до 0,7 значение показателей становится равным:

- показатель удароопасности Д_у=0,67 МПа. Так как численное значение показателя менее 1, то при ведении горных работ нет опасности появления горного удара;

- показатель выбросоопасности R₀=0,06 м. Так как численное значение показателя более 0, то при ведении горных работ нет опасности внезапного выброса угля и газа;

- показатель устойчивости угольного массива У_у=6,7 МПа/м. Так как численное значение более 1, то угольный массив в очистном забое устойчив;

- показатель устойчивости пород кровли У_к= 1,5 м. Так как численное значение показателя не превышает вынимаемую мощность угольного пласта (m=1,6 м), то не следует ожидать вывалов породы в очистной забой;

- размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) П_к=12,4 м. Вследствие того, что вышележащий пласт 7 находится на расстоянии 40…45 м и, следовательно, отсутствует аэродинамическая связь между пластами, опасности попадания возможных продуктов горения в очистной забой лавы 4-9-21бис нет.

При ведении горных работ в зонах нарушений, где средневзвешенный коэффициент крепости угольного пласта не превышает 0,3, численные значения показателей становятся равными:

- показатель удароопасности Д_у=0,02 МПа. Так как численное значение показателя менее 1, то при ведении горных работ не существует опасности появления горного удара;

- показатель выбросоопасности R₀=39,2 м. Так как численное значение показателя более 0, то при ведении горных работ нет опасности внезапного выброса угля и газа;

- показатель устойчивости угольного массива У_у=0,18 МПа/м. Так как численное значение менее 1, то угольный массив в очистном забое неустойчив и необходима разработка и применение специальных мероприятий для обеспечения безопасных условий при ведении горных работ;

- показатель устойчивости пород кровли У_к= 17,9 м. Так как численное значение показателя превышает вынимаемую мощность угольного пласта (m=1,6 м), то следует обратить особое внимание на незакрепленное пространство пород кровли, так как в данных местах возможны вывалы породы в очистной забой;

- размер зоны проницаемых пород кровли (зон разрушения) П_к=37,1 м. Вследствие того, что вышележащий пласт 7 находится на расстоянии 70 м и, следовательно, отсутствует аэродинамическая связь между пластами, опасности попадания возможных продуктов горения в очистной забой лавы 4-9-21бис нет.

Расчетные формулы показателей и их граничные условия приведены в таблице 2.

Таблица 2. Оценка геомеханических параметров в отношении возникновения опасных явлений

Предлагаемые показатели позволяют на стадии проектирования или подготовки комплексно оценивать негативные явления, возникающие в результате ведения горных работ в очистном забое, и своевременно вносить корректировки в технологические параметры для обеспечения безопасной эксплуатации выемочного участка.

Библиографический список

углепородный массив очистной забой

1. Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ на основе исследований геомеханических процессов: дис. … д-ра техн. наук: 05.25.01. - Кемерово, 1979. - 363 с.

Размещено на Allbest.ru