Геомеханічне обґрунтування параметрів безпечної відробки виїмкових дільниць у процесі формування вугільних ціликів

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ БЕЗПЕЧНОЇ ВІДРОБКИ ВИЇМКОВИХ ДІЛЬНИЦЬ У ПРОЦЕСІ ФОРМУВАННЯ ВУГІЛЬНИХ ЦІЛИКІВ

Спеціальність 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Шевченко Віталій Віталійович

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька”

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Звягільський Юхим Леонідович, народний депутат України, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Усаченко Борис Миронович, завідувач відділом механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки НАН України ім. М.С. Полякова, м. Дніпропетровськ кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Маркін Віктор Олексійович, завідувач відділом рудничної аерології Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, м. Макіївка

Провідна установа: Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, м. Донецьк

Захист дисертації відбудеться 05.03.2004р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий 23.01.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н. В.Г. Перепелиця

конфігурація виробітку руйнування вугільний целік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У процесі доробки виїмкових полів очисними вибоями формуються та руйнуються цілики вугілля, що призводить до збільшення гірського тиску та газовиділення із пласту та уміщуючого масиву. Це змушує знижувати темпи посування лав, а також збільшує небезпечність ведення гірничих робіт.

Існуючі методики не враховують у повній мірі умови і процеси формування та руйнування цілика, що досягає значних критичних розмірів на великій глибині розробки, при яких починається його руйнування та істотно змінюється гірський тиск та газова обстановка на виїмковому полі. Згідно з діючими нормативними документами руйнування цілика наступає у момент досягнення критичного розміру, що дорівнює 30-45 м. На практиці на шахтах Донецько-Макіївського району, які розробляють похилі пласти на великих глибинах, руйнування вказаних ціликів відбувається вже при ширині, яка дорівнює 250-300 м та більше, що у першу чергу пов'язано з конфігурацією виробленого простору. Збільшення інтенсивності ведення гірничих робіт на газоносних пластах ускладнює геомеханічний та газодинамічний стан гірського масиву. У зв'язку з цим, вивчення фізичних процесів, які супроводжують руйнування уміщуючих порід при доробці виїмкових дільниць, а також геомеханічне обґрунтування заходів, що забезпечують безпечне ведення гірничих робіт у процесі формування та руйнування вугільного цілика, є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок теми дисертації з планом основних науково-дослідних робіт. Дисертація виконана у відповідності до тематичного плану НДР ДонНТУ за результатами досліджень, що пов'язані з вивченням геомеханічного стану масиву та вугільних ціликів на великій глибині “Оцінити геомеханічну стійкість бар'єрних вугільних ціликів” (номер держреєстрації теми 0101U005131).

Ціль роботи - геомеханічне обґрунтування параметрів безпечної відробки виїмкових дільниць у процесі формування вугільних ціликів похилих пластів глибоких шахт.

Ідея роботи міститься у використанні особливостей взаємозв'язку процесів деформування вуглепородного масиву та газовиділення при формуванні вугільних ціликів.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої цілі сформульовані задачі:

1.Експериментально дослідити процеси руйнування та газовиділення при формуванні та відробці вугільних ціликів.

2.Методом комп'ютерного моделювання дослідити особливості зміни напружено-деформованого стану вуглепородної товщі у оточенні цілика при різних конфігураціях вироблених просторів.

3.Розробити методику встановлення параметрів формування та руйнування вугільного цілика.

4.Розробити рекомендації для ефективної та безпечної відробки виїмкових стовпів в умовах підвищеного газовиділення.

Об'єкт дослідження - газонасичений вуглепородний масив, що знаходиться під впливом гірничих робіт.

Предмет дослідження - фізичні процеси, що супроводжують відробку виїмкових стовпів при формуванні вугільних ціликів.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод досліджень, який включає моніторинг сейсмоакустичної емісії у оточенні очисного вибою, газовиділення із окремих джерел уміщуючого масиву для аналізу динаміки газовиділення та встановлення найбільш небезпечних місць виділення метану, заміри конвергенції на контурі підготовчих виробок для встановлення моменту руйнування цілика, метод чисельного моделювання напружено-деформованого стану вугільного пласту та уміщуючих порід з урахуванням позамежного деформування при різній конфігурації виробленого простору для встановлення критичного розміру цілика та розробки заходів по забезпеченню безпечної технології доробки виїмкових дільниць, методи математичної статистики та теорії вірогідності для обробки результатів вимірів.

Наукові положення, що виносяться автором на захист.

1.Процес руйнування вуглепородного масиву об'єднує віджим крайових частин цілика з утворенням субвертикальних діагональних тріщин, орієнтація яких залежить від конфігурації цілика, а також умов примикання лав до виробленого простору та протікає у три-чотири етапи, при цьому додаткове газовиділення відбувається у перші два-три етапи та затухає по лінійному закону до моменту зупинки лави.

2.Руйнування сформованого цілика збільшує газовиділення із пласта та уміщуючих порід на 18-50%, з десорбцією газу із плоскостей руйнування та його міграцією у сторону виробленого простору, причому інтенсифікація газовиділення запізнюється відносно моменту руйнування на 1,5-5 діб.

3.Руйнування цілика починається при досягненні його розміру 0,31_0,17 глибини розробки та визначається конфігурацією виробленого простору. При цьому збільшення розмірів цілика відповідає підвищенню числа його вільних поверхонь від 1 до 3.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.Вперше встановлено, що руйнування вуглепородного масиву об'єднує віджим крайових частин цілика з утворенням діагональних субвертикальних тріщин, орієнтація яких залежить від конфігурації цілика та умов примикання його до виробленого простору.

2.Уточнено взаємозв'язок параметрів фізичних процесів у момент руйнування цілика: швидкість деформації на контурі примикаючих виробок збільшується у 8,2 рази; газовиділення із свердловин, що пробурені попереду лави, знижується у 2,1 рази та збільшується у 2,9 рази із виробленого простору; інтенсивність акустичної емісії збільшується у 4,7 рази.

3.Уточнено механізм взаємодії параметрів фізичних процесів, що супроводжують руйнування та дегазацію цілика. Показано, що збіг скачку інтенсивності акустичної емісії у верхній та нижній частині очисного вибою пов'язаний з руйнуванням всієї товщі у межах лави, а запізнювання перерозподілу газовиділення пояснюється високим аеродинамічним опором тріщин руйнування.

4.Для умов похилих пластів великих глибин розробки уточнені критичні розміри ціликів, при яких припиняється процес додаткового інтенсивного газовиділення, що почався при ширині цілика 0,31-0,17 глибини.

Наукове значення отриманих результатів складається у встановленні закономірностей протікання фізичних процесів руйнування та газовиділення при формуванні та відробці вугільних ціликів похилих пластів, що міститься у багатоетапності руйнування та розкритті його особливостей - сполучення отжиму крайової частини пласту та утворення діагональних субвертикальних тріщин у вуглепородному масиві.

Практичне значення роботи.

1.Розроблено метод встановлення критичних розмірів цілика.

2.Обґрунтовано геомеханічні параметри технології гідродинамічного впливу для здійснення попередньої дегазації ціликів.

3.Розроблено рекомендації раціонального планування очисних робіт, що дозволяє зменшити критичні розміри ціликів у 1,8-2 рази.

4.Розроблено нормативний документ “Тимчасове керівництво по інтенсифікації дегазації гідродинамічним впливом відробляємих вугільних пластів”, затверджений чинним порядком.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи виконана у 15-й західній лаві пласта m₃ ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” при прогнозуванні критичного розміру цілика, що формується на границі із регіональною зоною розвантаження. У результаті застосування заходів по зниженню додаткового газовиділення у цій лаві отримано фактичний економічний ефект 68 тис. гривень. Розроблено та затверджено “Тимчасове керівництво по інтенсифікації дегазації гідродинамічним впливом відробляємих вугільних пластів”. Методика прогнозу критичного розміру цілика застосовується на інших пластах шахти при відробці лав на глибині 1100 м та більше. Результати досліджень автора використані МакНДІ при складанні “Додаткових рекомендацій по дегазації 15-ї західної лави пл. m₃ шахти ім О.Ф. Засядька”.

Обґрунтованість та достовірність отриманих результатів підтверджується відповідністю прийнятої моделі реальним умовам; застосуванням комплексного методу досліджень, що включають шахтні спостереження швидкості деформації уміщуючих порід, інтенсивності акустичної емісії та динаміки газовиділення, комп'ютерного моделювання напружено-деформованого стану газонасиченого стану масиву; синхронним збігом у часі зниження каптажу метану та росту газовиділення із вироблених просторів; результатами ефективної та безпечної відробки цілика у 15-й західній лаві пласта m₃ ОП „Шахта ім. О.Ф. Засядька”; надійністю результатів не нижче 90% при відносній похибці не більше ±30%.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації обговорювалися та отримали схвалення на: 1-й Міжнародній науково-практичній конференції “Технологические проблемы разработки минерального сырья в сложных геотехнологических условиях” (Тула, 2000), міжнародній науково-практичній конференції “Техногенно-екологічна безпека як умова сталого розвитку України” (Слав'яногірськ, 2000); IV міжнародній школі-семінарі “Импульсные процессы в механике сплошных сред” (Миколаїв, 2001); Міжнародному симпозіумі “Геотехнічні та екологічні проблеми освоєння підземного простору” (Дніпропетровськ, 2001), міжнародних ХI-ХIII наукових школах ім. академіка С.А. Христіановича “Деформирование и разрушение материалов с дефектами, и динамические явления в горных породах и выработках” (Алушта, 2001, 2002, 2003).

Особистий вклад здобувача. Автор самостійно встановив актуальність проблеми, провів аналіз наукових джерел, сформулював ціль досліджень, поставив задачі та обґрунтував методи досліджень, приймав безпосередню участь у проведенні шахтних інструментальних спостережень та у виконані теоретичних досліджень, запропонував та виконав модифікацію математичної моделі і використав її для встановлення віджиму вугілля, виконував впровадження результатів роботи, зробив головні висновки та сформулював наукові положення; зміст роботи викладено автором самостійно.

Публікації. Основні результати роботи відображені у 8 наукових працях, із яких 5 - у наукових спеціалізованих виданнях із списку ВАК України.

Структура роботи: дисертація уміщує вступ, висновки, 4 розділи, 3 додатки, складається із 223 стор. тексту, 81 рисунка, 7 таблиць, а також списку використаних джерел із 116 найменувань.

Автор висловлює подяку д.т.н. Звягільському Ю.Л. за наукове керівництво при виконанні дисертації, співробітникам ІГТМ НАНУ за участь у промислових іспитах технології гідродинамічного впливу, співробітникам ДонНТУ за сприяння при проведенні комп'ютерного моделювання, к.т.н. Бокію Б.В. за допомогу при аналізі та обговоренні даних шахтних спостережень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Забезпечення стійкої високопродуктивної роботи очисних вибоїв можливо при стовповій системі розробки з відпрацюванням лав на зворотний хід. При досягнутих темпах посування очисних вибоїв 100-150 м/міс. та великій багатогазності вугільних пластів, що складає 120-140 м³/хв., доробка лав з формуванням цілика у раніше відроблених дільниць пов'язана зі значними складнощами.

Незважаючи на значні зусилля та витрати на дегазацію пласта та уміщуючої товщі високопродуктивні очисні вибої по фактору провітрювання працюють на межі допустимого.

Доробка газонасичених ціликів лавами на раніше вироблений простір на великих глибинах призводить до додаткового газовиділення у привибійний простір. Воно відбувається в результаті руйнування цілика та уміщуючого масиву під дією підвищеного гірського тиску. При цьому критичний розмір цілика у декілька разів перевищує такий, що встановлюється нормативними документами, та сягає 250_300 м. Це змушує знижувати темпи видобутку, що погіршує економічні показники роботи шахт. Крім того, знижується стійкість покрівлі у самих очисних вибоях та безпечність очисних робіт під дією підвищеного гірського тиску, зменшення темпів посування, що обумовлює актуальність цілі досліджень.

Аналіз існуючих уявлень про фізичні процеси, що супроводжують руйнування вугільного цілика при досягненні критичного розміру, показав наступне. Роботами вітчизняних (ВНДМІ, МДГУ, ІГТМ, ІГС ім. Скочинського, НГУ, ДонНТУ та інші) та відомих закордонних дослідних інститутів встановлена послідовність фізичних процесів, що супроводжують руйнування цілика при доробці лав. Показано, що крайові частини цілика на глибину 3-5 м знаходяться у позамежному стані. При зменшенні ширини цілика відбувається накладення зон опорного тиску з протилежних сторін цілика, та по досягненню його критичного розміру зони позамежного стану зливаються, у результаті чого цілик повністю руйнується. Згідно із загально признаними методиками розрахунків, типова оцінка критичного розміру цілика у момент його руйнування для умов Донбасу на глибині 1000 м не перевищує 30-40 м. Така величина на порядок менше розміру цілика, що реєструється при формуванні лавами з темпами посування 100 м/міс. та більше. Це означає, що послідовність фізичних процесів, що супроводжують руйнування багатогазових вугільних ціликів на великих глибинах дещо складніше існуючих уявлень. Звідси витікають поставлені у роботі задачі досліджень.

Експериментальне дослідження критичного розміру цілика при різній конфігурації виробленого простору виконувалося в умовах шахт ім. Засядька, ім. Поченкова, ім. Бажанова, що відробляють запаси на глибинах 1000 м високопродуктивними добувними комплексами нового рівня. На цих шахтах відробка впроваджується лавами на раніше вироблені простори в умовах інтенсивного метановиділення. Праворуч на фрагментах рис. 1 вказано положення лави, що відробляється на цей вироблений простір. Лава може відроблятися як поодинока (фрагменти а та б) або як така, що примикає (в, г та д). Цифрами вказана послідовність відробки суміжних лав, стрілкою - напрямок посування лави, що дороблює цілик. Так, на фрагменті д видно, що лава 4 відробляється на раніше вироблений простір 1 як ціликова, тоді як у випадках в та г вона примикає до раніше виробленого простору 2 тільки з однієї сторони. Планування, при яких лава відходить від раніше виробленого простору, як вказано на фрагменті е, у даній роботі не розглядаються, оскільки такий варіант значно простіше у геомеханічному відношенні (менше зона підвищеного гірського тиску та його концентрація).

Заміри акустичної емісії у нижній та верхній частинах лави, сумарне газовиділення та надходження метану від каптажу через дегазаційні свердловини із вугільного пласту та виробленого простору виконувалися у 14-й західній, 15-й східній та розвантажувальній лавах. Окрім того, здійснювалися заміри конвергенції на контурі примикаючих підготовчих виробок. Перші дві лави примикали до раніше виробленого простору та дороблялися на раніше вироблений простір розвантажувальної лави. Планування гірничих робіт відповідало фрагментам в та г на рис. 1.

Нижнє поле поодинокої лави відроблялося на раніше вироблений простір верхнього поля розвантажувальної лави, що відповідає фрагменту планування а на рис. 1. При доробці 14-ї та 15-ї лав формувався з трьох сторін цілик, який уявляв небезпечність з точки зору раптового масового додаткового виділення метану у момент руйнування уміщуючого масиву при досягненні ціликом критичної ширини. Оконтурювання цілика з двох сторін виникало при доробці розвантажувальної лави.

На рис. 2 показана динаміка сумарного газовиділення у 14-й західній лаві під час доробки цілика 1, що утворився між виробленими просторами 13-ї західної лави зі сторони падіння, раніше відробленої розвантажувальної лави зі сходу та діючої лави із західної сторони. За час спостережень інтенсивність виділення газу коливалася від 22 м³/хв. до 115 м³/хв., та у середньому становила 80 м³/хв. Максимум газовиділення, що перевищив 80 м³/хв., відповідає діапазону, коли ширина міжлавного цілика дорівнювала 240-370 м. При подальшому зменшенні цілика багатогазовість постійно зменшується по лінійному закону.

Судячи по графіку (рис. 2), розмір цілика 240-370 м є найбільш несприятливим, тому що саме в цьому діапазоні багатогазовість перевищує середній встановлений рівень. Додаткове газовиділення сягає 44%, що потребує або провести додаткові заходи по дегазації, або знизити темпи посування очисного вибою. Інтервал посування лави, на якому інтенсивність газовиділення перевищувала середній рівень, складає 130 м, що дорівнює місячному посуванню лави. Зменшення темпів здобування на такий період просто недопустимо по економічним причинам. Сумісний аналіз параметрів фізичних процесів, що супроводжують динамічне зсування масиву навколо лави, що відпрацьовується, дозволив встановити особливості, за якими надійно встановлюється факт руйнування цілика. Виявилося, що локальні руйнації товщі (наприклад, віджим крайової частини пласту) супроводжуються збільшенням акустичної емісії та швидкості конвергенції на контурі підготовчої виробки лише на дільниці, що примикає до місця руйнування. При цьому збільшення інтенсивності акустичної емісії у верхній та нижній частинах не є синхронним. Лише при значному руйнуванні цілика, коли масштаби руйнування порівняні із протяжністю лави, збільшення інтенсивності акустичної емісії (у середньому у 4,7 рази) відбувається одночасно у нижній та верхній частинах лави (табл. 1). Швидкість конвергенції на контурі підготовчих виробок, що підтримуються з протилежної сторони цілика у його нерухомої границі (по спостережним станціям 4-6), збільшується у 8,2 рази. Окрім цього признаку спостерігається стійкий ефект перерозподілу газовиділення по джерелам “каптаж - вироблений простір”. Дебіт газу від каптажу падає у 2,1 рази, та одночасно з цим газовиділення із виробленого простору збільшується у 2,9 рази. Характерною особливістю є запізнювання на 1,5-5 діб моменту перерозподілу газовиділення по джерелам відносно моменту збільшення інтенсивності акустичної емісії. На рис. 3 наведено фрагмент суміщених графіків інтенсивності акустичної емісії та газовиділення по джерелам, що ілюструє сказане на прикладі 14-ї західної лави. При ширині цілика 382 м акустична емісія у верхній та нижній частинах лави одночасно підвищилася у 2,5-3 рази, після чого із затримкою у 2 доби або при переміщенні вибою (та зменшенні розміру цілика на 10 м) відбувся перерозподіл газовиділення по джерелам: величина каптажу впала у 5 разів, а надходження газу із виробленого простору збільшилося у 4,5 рази.

Таблиця 1 Ідентифікація критичного розміру цілика по окремим параметрам різних фізичних процесів, що супроводжують його руйнування

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шевченко В.В. Исследование критического размера угольного целика, формируемого доработкой лавы на ранее выработанное пространство // Технологические проблемы разработки минерального сырья в сложных геотехнологических условиях. Тезисы докладов 1-й Международной научно-практической конференции. - Тула: ТГУ, 2000. - С. 55.

2. Звягильский Е.Л., Грязнов В.С., Шевченко В.В., Ефремов И.А., Бокий Б.В., Назимко В.В. Влияние конфигурации выработанного пространства на критическую ширину газонасыщенного целика // Уголь Украины. - 2003. - №4. - С. 43-46.

3. Булат А.Ф., Звягильский Е.Л., Софийский К.К., Грязнов В.С., Петров В.В., Ильюшенко В.Г., Шевченко В.В., Бокий Б.В., Силин Д.П., Барадулин Е.Г., Нечитайло А.А. Результаты экспериментальных работ по интенсификации дегазации угольного пласта l1 на шахте им. А.Ф. Засядько гидродинамическим воздействием // Геотехническая механика. - 2002. - №37. - С. 30-48.

4. Кулинич В.С., Перепелица В.Г., Шевченко В.В., Курносов А.Т., Шматовский Л.Д., Гуня Д.П. Результаты комплексной оценки геомеханического состояния углепородного массива в зоне дегазации пласта l1 шахты им. А.Ф. Засядько // Геотехническая механика. - 2002. - №37. - С. 97-104.

5. Звягильский Е.Л., Ильюшенко В.Г., Бокий Б.В., Шевченко В.В., Апрельский В.В., Назимко В.В., Легинов С.М., Паскарь Ю.Г. Совершенствование микросейсмического анализа газодинамических явлений // Проблемы горного давления. - 2002. - №7. - С. 5-16.

6. Шевченко В.В., Бокий Б.В., Назимко В.В. Особенности фильтрации метана в окрестности очистного забоя, примыкающего к ранее выработанному пространству // Геотехническая механика. - 2002. - №32. - С. 25-34.

7. Шевченко В.В., Кириченко В.Я. Изобретательский анализ по созданию соединительных элементов штрековой податливой металлокрепи // Геотехническая механика. - 2000. - №23. - С. 82-90.

8 .Шевченко В.В., Андреев С.Ю., Макеев С.Ю., Курносов А.Т. Исследование процесса термодеструкции угля при его взаимодействии с газовой средой // Импульсные процессы в механике сплошных сред. - Николаев: Атолл, 2003. - С. 129-133.

АНОТАЦІЯ

Шевченко В.В. “Геомеханічне обґрунтування параметрів безпечної відробки виїмкових дільниць у процесі формування вугільних ціликів”. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва. - Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 2004.

У роботі досліджені питання руйнації вугільного цілика при доробці лав на раніше вироблений простір. Проведено експериментальне дослідження критичного розміру цілика при різній конфігурації виробленого простору. Встановлено, що при доробці лав на раніше вироблений простір зі швидкістю 100 м/міс. та більше критичний розмір цілика, при якому відбувається перша руйнація цілика, залежить від конфігурації оточуючого виробленого простору та змінюється від 0,17 до 0,31 глибини розробки. У момент, коли досягається критичний розмір цілика відбувається зростання акустичної емісії та збільшується на 18-50% газовиділення з пласту. Після першого значного руйнування цілика спостерігається ще від двох до чотирьох аналогічних руйнувань. Однак підвищення газовиділення спостерігається тільки після перших двох-трьох руйнувань. Розроблена методика прогнозу критичного розміру цілика. Обґрунтовано спосіб зниження додаткового газовиділення. Проведена промислова перевірка технології гідродинамічного впливу на пласт в умовах шахти ім. Засядька. Обґрунтовано раціональне планування очисних робіт при якому залишається суцільна вугільна смуга вздовж всієї границі регіональної зони розвантаження. Розроблено тимчасове керівництво по інтенсифікації дегазації гідродинамічним впливом на вугільний пласт

Ключовi слова: цілик, руйнування, очисний вибій, дегазація, каптаж, гідродинамічний вплив, газовиділення.

ABSTRACT

Shevchenko V.V. “Geomechanical basis for safe extraction of panels during pillar forming”. Manuscript.

Candidate dissertation thesis on specialty 05.15.11. - Physical process in mining. - Institute of geotechnical mechanics NAS of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2004.

Experimental investigation of pillar destruction has been conducted by means of microseismic emission, convergence in entries and gas emission monitoring. It was found that critical dimension of coal pillar depends on shape of this pillar and adjacent gob. When rate of longwall face advance exceeds 100 m per day, critical dimension varies between 0.17 and 0.31 of mining depth. Microseismic emission increases 2-4 times and gas emission rises up to 18-50% after destruction of the pillar when its dimension becomes critical. First act of pillar destruction has been followed by 2-4 consequent acts however additional gas emission was registered during 1-2 consequent acts. It means that excessive gas manages to escape from the pillar during first 2-3 acts of destruction. The rest of acts of destruction does not imply intensive gas emission. New procedure to predict critical dimension of the pillar was developed. First, the critical dimension should be predicted with computer program, that simulate stress-strain state of the rock mass in vicinity of the pillar. Then calculated critical dimension should be determined more accurately by monitoring microseismic emission and gas emission from the coal seam. Real (final) critical dimension is identified on synchronous gas drainage drop and increase of gas emission from the gob. New technology for gas emission reduction has been developed during extraction of the pillar. Coal seam should be treated with hydrodynamic impulses through a hole. This hole should be drilled in direction of maximum shear stress that develop in pillar. New panel layout has been proposed to reduce critical dimension of the pillar twice. Method of critical dimension of the pillar and new technology of gas emission reduction has been tested in situ at Zasiadko coal mine.

АННОТАЦИЯ

Шевченко В.В. “Геомеханическое обоснование параметров безопасной отработки выемочных участков в процессе формирования угольных целиков”. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11. - Физические процессы горного производства. - Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 2004.

В работе исследованы вопросы разрушения угольного целика при доработке лав на ранее выработанное пространство. Проведены экспериментальные исследования критического размера целика при разной конфигурации выработанных пространств. При доработке лав на ранее выработанное пространство со скоростью 100 м/мес. и более критический размер целика составляет от 0,17 до 0,31 глубины разработки. В момент достижения критического размера целика происходит увеличение в 4,7 раза интенсивности акустической эмиссии по всей длине лавы. Общее газовыделение из насыщенного газом пласта и вмещающей его толщи возрастает на 18-50% относительно среднего уровня. После первого значительного разрушения целика наблюдается дополнительно от двух до четырех аналогичных разрушений. Пики газовыделения наблюдаются только после первых двух-трех пиков акустической эмиссии. Это значит, что основная дегазация целика протекает при первых двух-трех его значительных разрушениях. Дальнейшее разрушение происходит с затуханием газовыделения. Временной интервал между значительным разрушением целика и началом интенсивного газовыделения составляет 1,5-5 суток (6-24 м подвигания лавы). При доработке одиночной и целиковой лав во вмещающих породах происходит сдвиг вдоль линий, выходящих из угловых частей лавы и ориентированных в середину целика. При доработке примыкающей лавы сдвиг происходит вдоль диагонали, соединяющей сопряжение лавы с конвейерным штреком и пересечение вентиляционного штрека с границей ранее выработанного пространства. Дополнительно сдвиг реализуется вдоль короткой полудиагонали, выходящей из сопряжения лавы с вентиляционным штреком и направленной к центру целика. При непараллельности забоя дорабатываемой лавы и границы ранее выработанного пространства симметрия разрушений целика нарушается, а срез вмещающей толщи происходит по короткой диагонали целика. Основная дегазация целика и вмещающего массива, вызванная его разрушением, завершается при достижении ширины целика 0,15-0,07 глубины разработки, несмотря на то, что сам процесс разрушения продолжается и при меньшей ширине. Дополнительные мероприятия по снижению газовыделения из газонасыщенного пласта и вмещающих пород должны осуществляться в диапазоне ширины формируемого целика 0,31-0,07 глубины разработки. Дальнейшее сокращение целика представляет опасность только с точки зрения обрушения кровли в призабойное пространство и посадки крепи нажестко. Обоснована компьютерная модель и настроены ее параметры для оценки напряженно-деформированного состояния толщи в окрестности целиков, формируемых при доработке лав на ранее выработанное пространство. Модель позволяет осуществить прогноз критического размера целика, при котором происходит его первое значительное разрушение, с точностью ±25 м. Обоснован способ снижения дополнительного газовыделения из целика после достижения им критического размера. Он основан на предварительном гидродинамическом воздействии на целик через скважины, пробуренные вдоль линий наиболее вероятного сдвига вмещающих газоносный пласт пород. Обоснована рациональная планировка очистных работ, основанная на оставлении сплошной угольной полосы вдоль всей границы региональной зоны разгрузки. Установлена рациональная ширина полосы и доказана недопустимость нарушения ее сплошности очистными работами. Разработано временное руководство по интенсификации дегазации гидродинамическим воздействием отрабатываемых угольных пластов. Осуществлена промышленная проверка методики прогноза критического размера целика при его доработке 15-й западной лавой на ранее выработанное пространство разгрузочной лавы. Экономический эффект от применения дополнительной дегазации угольного целика путем бурения скважин вдоль наиболее вероятного сдвига вмещающих газоносный пласт пород за 2 месяца работы лавы составил 68 тыс. гривен.

Ключевые слова: целик, разрушение, очистной забой, дегазация, каптаж, гидродинамическое воздействие, газовыделение.

Размещено на Allbest.ru