Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт

Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт

В статье приведены исследования процесса формирования зон разрушения в породном массиве как фактора, влияющего на состояние геотехнологической системы «массив пород смежных выемочных участков – поддержание выработок». Установлены геомеханические закономерности формирования зон разрушения при отрабо...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2016
Автори: Слащев, И.Н., Слащева, Е.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2016
Назва видання:Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137779
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт / И.Н. Слащев, Е.А. Слащева // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 128. — С. 179-191. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-137779
record_format dspace
spelling irk-123456789-1377792018-06-18T03:06:19Z Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт Слащев, И.Н. Слащева, Е.А. В статье приведены исследования процесса формирования зон разрушения в породном массиве как фактора, влияющего на состояние геотехнологической системы «массив пород смежных выемочных участков – поддержание выработок». Установлены геомеханические закономерности формирования зон разрушения при отработке смежных выемочных участков: объемы нарушенных пород вокруг выработки и необходимая несущая способность средств крепления возрастают прямо пропорционально с глубиной, при этом устойчивость системы «крепь-массив» обратно пропорциональна весу разрушенных пород кровли; в процессе отработки смежных лав с увеличением расстояния от кровли пласта с 7 м до 60 м максимумы напряжений снижаются до двух раз при отработке первой лавы и до четырех раз – для смежных лав; как при отработке одной лавы, так и при отработке смежных лав объемы разрушений пород от деформаций растяжения преобладают над объемами разрушений от деформаций сдвига поскольку над горными выработками происходит зависание вышележащих пород, на которые первоначально действуют растягивающие силы, но суммарные объемы разрушенных пород при отработке первой лавы в 2-6 раз меньше, чем при отработке смежных лав; отработка смежной лавы вызывает резкое в 3-4 раза увеличение зон разрушений пород, интенсивность роста которых в дальнейшем снижается, при этом сохраняется большая скорость разрушения пород при эксплуатации смежных лав, чем при эксплуатации одной лавы. Полученные научные результаты используются для определения рациональных параметров систем разработки и повышения интенсивности работы горнодобывающих предприятий. У статті наведено дослідження процесу формування зон руйнування в породному масиві як чинника, що впливає на стан геотехнологічної системи «масив порід суміжних виїмкових дільниць – підтримання виробок». Встановлено геомеханічні закономірності формування зон руйнування при відпрацюванні суміжних виїмкових дільниць: обсяги порушених порід навколо виробки і необхідна несуча здатність засобів кріплення зростають прямо пропорційно з глибиною, при цьому необхідна стійкість системи «кріплення-масив» обернено пропорційна вазі зруйнованих порід покрівлі; в процесі відпрацювання суміжних лав зі збільшенням відстані від покрівлі пласта з 7 м до 60 м максимуми напружень знижуються до двох разів при відпрацюванні першої лави і до чотирьох разів – для суміжних лав; як при відпрацюванні однієї лави, так і при відпрацюванні суміжних лав обсяги руйнувань порід від деформацій розтягування переважають над обсягами руйнувань від деформацій зсуву оскільки над гірничими виробками відбувається зависання верхніх порід, на які спочатку діють розтягують сили, але сумарні обсяги зруйнованих порід при відпрацюванні першої лави в 2-6 разів менше, ніж при відпрацюванні суміжних лав; відпрацювання суміжній лави викликає різке в 3-4 рази збільшення зон руйнувань порід, інтенсивність росту яких в подальшому знижується, при цьому зберігається більша швидкість руйнування порід при експлуатації суміжних лав, ніж при експлуатації однієї лави. Отримані наукові результати використовуються для визначення раціональних параметрів систем розробки і підвищення інтенсивності роботи гірничодобувних підприємств. The article presents the study of caving zone formation considered as a factor affecting the state of geotechnological system "rocks of adjacent panels – roof supports". The following geomechanical regularities of caving zone formation while mining the adjacent panels are established: volumes of disturbed rocks around the mine workings and the needed load-bearing capacity of the roof supports increase in direct proportion to depth, though the needed stability of the system "roof support-rock massif" is inversely proportional to the weight of broken roof rocks; in the process of adjacent longwall mining, when distance from the coal seam roof increases from 7 m to 60 m, the stress maxima reduce twice when the first longwall is mined and reduce by four times when the adjacent longwalls are mined; in case of mining the first longwall as well as in case of mining adjacent longwalls, volumes of rocks broken by stretching strains predominate over the volumes of rocks broken by shear deformations because overlying rocks which are initially under the action of tensile forces, hang over the mine workings, though total volume of broken rocks in case of mining the first longwall is 2-6 times less than in case of mining the adjacent longwalls; mining of adjacent longwall causes a sharp, by 3-4 times, increase of zones with broken rocks, intensive growth of which is further decrease, and speed of the rock failure is higher when the adjacent longwalls are used than when one longwall is used. The obtained scientific results are used for determining rational parameters for mining methods and increasing intensity of mining enterprise work. 2016 Article Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт / И.Н. Слащев, Е.А. Слащева // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 128. — С. 179-191. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137779 622.831.312 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description В статье приведены исследования процесса формирования зон разрушения в породном массиве как фактора, влияющего на состояние геотехнологической системы «массив пород смежных выемочных участков – поддержание выработок». Установлены геомеханические закономерности формирования зон разрушения при отработке смежных выемочных участков: объемы нарушенных пород вокруг выработки и необходимая несущая способность средств крепления возрастают прямо пропорционально с глубиной, при этом устойчивость системы «крепь-массив» обратно пропорциональна весу разрушенных пород кровли; в процессе отработки смежных лав с увеличением расстояния от кровли пласта с 7 м до 60 м максимумы напряжений снижаются до двух раз при отработке первой лавы и до четырех раз – для смежных лав; как при отработке одной лавы, так и при отработке смежных лав объемы разрушений пород от деформаций растяжения преобладают над объемами разрушений от деформаций сдвига поскольку над горными выработками происходит зависание вышележащих пород, на которые первоначально действуют растягивающие силы, но суммарные объемы разрушенных пород при отработке первой лавы в 2-6 раз меньше, чем при отработке смежных лав; отработка смежной лавы вызывает резкое в 3-4 раза увеличение зон разрушений пород, интенсивность роста которых в дальнейшем снижается, при этом сохраняется большая скорость разрушения пород при эксплуатации смежных лав, чем при эксплуатации одной лавы. Полученные научные результаты используются для определения рациональных параметров систем разработки и повышения интенсивности работы горнодобывающих предприятий.
format Article
author Слащев, И.Н.
Слащева, Е.А.
spellingShingle Слащев, И.Н.
Слащева, Е.А.
Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
Геотехнічна механіка
author_facet Слащев, И.Н.
Слащева, Е.А.
author_sort Слащев, И.Н.
title Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
title_short Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
title_full Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
title_fullStr Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
title_full_unstemmed Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
title_sort исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate 2016
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137779
citation_txt Исследование процесса формирования зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков шахт / И.Н. Слащев, Е.А. Слащева // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 128. — С. 179-191. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv AT slaŝevin issledovanieprocessaformirovaniâzonrazrušeniâvporodnommassivepriotrabotkesmežnyhvyemočnyhučastkovšaht
AT slaŝevaea issledovanieprocessaformirovaniâzonrazrušeniâvporodnommassivepriotrabotkesmežnyhvyemočnyhučastkovšaht
first_indexed 2025-07-10T04:27:35Z
last_indexed 2025-07-10T04:27:35Z
_version_ 1837232721076682752
fulltext ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 179 УДК 622.831.312 Слащев И.Н., канд. техн. наук, ст. науч. сотр., Слащева Е.А., канд. техн. наук, ст. науч. сотр. (ИГТМ НАН Украины) ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ В ПОРОДНОМ МАССИВЕ ПРИ ОТРАБОТКЕ СМЕЖНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТ Слащов І.М., канд. техн. наук, ст. наук. співр., Слащова О.А., канд. техн. наук, ст. наук. співр. (ІГТМ НАН України) ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСА ФОРМУВАННЯ ЗОН РУЙНУВАННЯ В ПОРОДНОМУ МАСИВІ ПРИ ВІДПРАЦЮВАННІ СУМІЖНИХ ВИЇМКОВИХ ДІЛЬНИЦЬ ШАХТ Slashchev I.N., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher, Slashcheva Y.A., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher (IGTM NAS of Ukraine) STUDY OF CAVING ZONE FORMATION IN THE ROCK MASSIF AT MINING ADJACENT PANELS IN THE MINES Аннотация. В статье приведены исследования процесса формирования зон разрушения в породном массиве как фактора, влияющего на состояние геотехнологической системы «мас- сив пород смежных выемочных участков – поддержание выработок». Установлены геомеха- нические закономерности формирования зон разрушения при отработке смежных выемоч- ных участков: объемы нарушенных пород вокруг выработки и необходимая несущая способ- ность средств крепления возрастают прямо пропорционально с глубиной, при этом устойчи- вость системы «крепь-массив» обратно пропорциональна весу разрушенных пород кровли; в процессе отработки смежных лав с увеличением расстояния от кровли пласта с 7 м до 60 м максимумы напряжений снижаются до двух раз при отработке первой лавы и до четырех раз – для смежных лав; как при отработке одной лавы, так и при отработке смежных лав объемы разрушений пород от деформаций растяжения преобладают над объемами разрушений от деформаций сдвига поскольку над горными выработками происходит зависание вышележа- щих пород, на которые первоначально действуют растягивающие силы, но суммарные объе- мы разрушенных пород при отработке первой лавы в 2-6 раз меньше, чем при отработке смежных лав; отработка смежной лавы вызывает резкое в 3-4 раза увеличение зон разруше- ний пород, интенсивность роста которых в дальнейшем снижается, при этом сохраняется большая скорость разрушения пород при эксплуатации смежных лав, чем при эксплуатации одной лавы. Полученные научные результаты используются для определения рациональных параметров систем разработки и повышения интенсивности работы горнодобывающих пред- приятий. Ключевые слова: геомеханика породного массива, зоны разрушения, смежные участки шахт, моделирование массива пород Расчеты изменений параметров зон разрушения в породном массиве при отра- ботке смежных выемочных участков обеспечивают возможность совместной оценки геомеханического и газодинамического состояний приконтурных пород и выработанных пространств. Напряженно-деформированное состояние пород- ________________________________________________________________________________ © И.Н. Слащев, Е.А. Слащева, 2016 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 180 ного массива исследовано методом конечных элементов путем решения пря- мых задач, в которых на основе известных физико-механических свойств пород выполнялся расчет возможных деформаций, главных напряжений и зон неупру- гих деформаций для различных этапов отработки смежных очистных вырабо- ток. Породный массив рассматривается как трещиноватая геологическая среда с неравнокомпонентным исходным полем напряжений (описывается тензором напряжений) для которой принято допущение, что в пределах одного конечного элемента поле напряжений однородноОсновные уравнения теории упругости известны и представляются условиями статического равновесного состояния, совместности деформаций и напряжений [1], [Zienkiewicz, О.С.,1971]. Упругие деформации происходят до определенного уровня, после чего происходит про- цесс разрушения горных пород (прогрессивное увеличение перемещений и де- формаций). Превышение внешними напряжениями прочности пород в условиях деформации растяжения ограничено критерием С/5 (С – предел прочности на сдвиг). Уровень превышения внешними напряжениями прочности пород в условиях деформации сдвига определялся из известного критерия Кулона-Мора  tgC n , (1) где σn – напряжение, нормальное к площадке сдвига, Па; υ – угол внутреннего трения, град. Расчет математической модели включает разделение участка массива пород на элементы, формирование матрицы жесткости системы, составление и реше- ние системы линейных уравнений, вычисление перемещений в узлах модели, определение компонент напряжений. Если одно из предельных условий выпол- нялось, то расчет зон неупругих деформаций осуществляется методом началь- ных напряжений [Zienkiewicz, О.С., 1971]. Модель геомеханической системы содержит структурные характеристики массива и физико-механические свой- ства пород. Технология компьютерного анализа реализована в программном комплексе ИГТМ НАНУ «GEO-RS» [2-4]. Для установления общих закономерных повторяющихся связей между предшествующими и последующими состояниями геомеханической системы необходимо использовать усредненные статистические показатели физико- механических свойств пород с учетом коэффициентов вариации. Средние прочности углевмещающих пород по установленным данным [5] составляют: для аргиллитов и алевролитов 15-46 МПа (разброс 27-29 %), для песчаников – 47-70 МПа (разброс 19-20 %), для известняков – 55-82 МПа (разброс 18-19 %). При этом средние пределы сопротивления сжатию при водонасыщении снижа- ются: для аргиллитов и алевролитов на ~ 61-62 %, для песчаников и известня- ков на ~ 31-33 %. При влагонасыщении породы имеют больший разброс значе- ний на ~ 48-58 % для глинистых аргиллитов и алевролитов и на ~ 44-52 % для песчаников и известняков. Результаты анализа физико-механических свойств пород приведены в табл. 1, заданные в модели характеристики – в табл. 2. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 181 Таблица 1 – Средние значения показателей прочности и коэффициентов вариации прочности горных пород Тип пород Средние значения прочностных свойств пород Предел прочности на сжатие σсж, МПа Средний коэффици- ент вариа- ции V, % Сцепление С, МПа Угол внут- реннего тре- ния φ, град Аргиллит 40,0 28 15 20 Аргиллит водонасыщенный 15,4 55 Алевролит 45,5 28 18 25 Алевролит водонасыщенный 17,4 54 Песчаник 69,6 19 27 32 Песчаник водонасыщенный 46,9 35 Известняк 82,0 19 19 27 Известняк водонасыщенный 55,1 32 Таблица 2 – Принятые в модели физико-механические свойства пород Тип пород Свойства пород Модуль упругости 10 -4 Е, МПа Коэффи- циент Пуассона ν Объем- ный вес γ, МН/м 3 Угол внутр. трения φ, град Сцепле- ние С, МПа Коэффициент структурного ослабления kстр Аргиллит 0,3 0,33 0,024 20 15 0,3 Алевролит 2,0 0,23 0,027 25 21 0,3 Песчаник 4,5 0,28 0,026 32 27 0,3 Известняк 4,0 0,25 0,026 27 19 0,9 Уголь трещиноватый 0,8 0,29 0,018 24 12 0,35 Специфика отработки смежных выемочных участков заключается, прежде всего, в том, что смежные очистные выработки непрерывно перемещаются в пространстве. Подготовительные выработки поддерживаются или на всем их протяжении, или на небольшой части, примыкающей непосредственно к забою. Зоны разгрузки и опорного давления перемещаются в пространстве вместе с за- боем очистной выработки. Под влиянием высоких напряжений примыкающие к выработке уголь и породы разрушаются, их несущая способность падает, мак- симумы опорного давления перемещаются вглубь массива. Поэтому определя- ющим фактором активизации процесса разрушения в породном массиве смеж- ных выемочных участков служит последовательность и параметры отработки очистных забоев. Расчетные схемы геомеханической модели построены путем воссоздания геометрического подобия исследуемой области в окрестности смежных вые- мочных участков размером 380х100 м и включали 8000 элементов и 4131 узлов, рис. 1. Параметры напряженно-деформированного состояния породного масси- ва определялись в узлах и элементах модели через каждые 1…2 м. Подготови- тельные выработки в модели имели прямоугольную форму. Распределенная нагрузка на расчетную схему соответствовала глубинам разработки от 400 м до ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 182 1200 м. Область установки механизированной крепи смоделирована на рассто- янии 2 м от плоскости забоя, что соответствует геометрическим параметрам механизированной крепи. Исследования проведены путем последовательного вычисления серии квазистационарных напряженно-деформированных состоя- ний массива пород, которые отражают наиболее характерные этапы отработки смежных участков шахт, табл. 3. γH Рисунок 1 – Расчетная схема для оценки зон разрушения в породном массиве при отработке смежных выемочных участков Таблица 3 – Исследуемые этапы отработки смежных выемочных участков Характеристика квазистационарного состояния О тр аб о тк а п ер в о й л ав ы В окне лавы Выработанное пространство – потеря устойчивости непосредствен- ной кровли 5-40 м за лавой Выработанное пространство – разрушение нижней части основной кровли 30-70 м за лавой Выработанное пространство – потеря устойчивости основной кров- ли 80-90 м за лавой Д ал ь н ей ш ая о тр аб о тк а см еж н о й л ав ы В зоне отжима угля перед очистным забоем В окне лавы Выработанное пространство – потеря устойчивости непосредствен- ной кровли 5-40 Выработанное пространство – разрушение нижней части основной кровли 30-70 м за лавой Выработанное пространство – потеря устойчивости основной кров- ли 80-90 м за лавой С целью установления наиболее общих взаимосвязей между параметрами технологии отработки смежных выемочных участков и напряженно- деформированным состоянием породного массива исследованы изменения ко- эффициентов концентрации kk максимальных главных напряжений σ1 при раз- личных этапах отработки первой лавы и дальнейшей отработке смежной ла- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 183 вы (kk=σ1/γН, рис. 2). а) б) в) Рисунок 2 – Напряженное состояние пород кровли смежных лав в процессе их отработки на удалении от пласта: а – на 7 м, б – на 30 м, в – на 60 м ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 184 Как показали расчеты с увеличением расстояния вверх от пласта с 7 м до 60 м графики коэффициентов концентрации напряжений выполаживаются. Максимальные концентрации напряжений при отработке первой лавы (этапы 1- 4, см. табл. 3, рис 2, а-в) уменьшаются с 2,3 до 1,3, при дальнейшей отработке смежных лав – с 6,5 до 1,6 (этапы 5-9, см. табл. 3, рис 2, а-в). То есть, с увели- чением расстояния от кровли пласта с 7 м до 60 м максимумы напряжений снижаются при отработке первой лавы до двух раз, для двух лав – до четырех раз. Для первой лавы со стороны нетронутого массива при удалении вверх от пласта зависимости имеют похожий характер, в частности, для всех графиков уровень напряжений в зоне стационарного опорного давления над выработкой уменьшается до уровня γН (коэффициент концентрации напряжений приблизи- тельно равен единице) при отдалении от нее в сторону нетронутого пласта на расстояние до 160 м. При дальнейшей отработке смежной лавы происходит разгрузка кровли непосредственно над выработанным пространством на расстоянии до 30 м, где наблюдается восстановление напряжений до уровня нетронутого массива по- род. При удалении в кровлю пласта свыше 30 м концентрация напряжений над выработанным пространством возрастает, т. е. при переходе от разрушенного породного массива горных пород над лавой к неразрушенному происходит по- вышение напряжений, которые компенсируют пониженные напряжения в раз- рушенных нижних слоях пород. Для исследования динамики изменения напряжений и уточнения величин концентрации напряжений в кровле при отработке смежных выемочных участ- ков на рис. 3 приведены графики разностей коэффициентов концентрации напряжений при отработке одной и двух лав (kk 1 – kk 2 ) по горизонтальным сече- ниям на расстоянии от кровли пласта 7 м, 30 м и 60 м. Проведение второй вы- работки (конвейерного штрека смежной лавы) и дальнейшая отработка смеж- ной лавы приводят к кардинальному повышению напряжений над конвейерным штреком, которые в три раза превышают значения напряжений над первой вы- работкой (штреком первой лавы). Начальные разрушения пород кровли происходят в зоне отжима угля перед очистным забоем и в окне лавы (1, 5 и 6 этапы отработки, табл. 3, рис. 4). Вме- сте с тем активное обрушение слоев кровли начинается по линии постановки посадочного ряда стоек механизированной крепи. Расчетные квазистационар- ные состояния пород в промежутке 5…40 м за лавой (2 и 7 этапы отработки, табл. 2.3, рис. 2.4) соответствуют зонам разрушения, которые распространяют- ся на нижнюю часть кровли непосредственно над вынимаемым пластом на вы- соту 3…4 кратной вынимаемой мощности угольного пласта. Это соответствует потере устойчивости непосредственной кровли пласта, рис. 4. Зона разрушений горных пород на расстоянии 30…70 м развивается по вертикали над вынимае- мым пластом. Развитие области неупругого деформирования горных пород в вертикаль- ном направлении происходит до отметки отхода очистного забоя на 80…90 м (этапы 3, 4, 6…9). Максимальная высота области над выработанным простран- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 185 ством, разрушенной от деформаций растяжения, составляет 8…20 м над разра- батываемым пластом. Выше границы зоны растяжения происходит прогиб сло- ев горных пород без нарушения сплошности. При дальнейшем увеличении вы- работанного пространства зона разрушений распространяется только в направ- лении подвигания очистного забоя. а) б) в) Рисунок 3 – Изменения концентрации напряжений кровли в процессе отработки смежной лавы на удалении от пласта: а – на 7 м, б – на 30 м, в – на 60 м ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 186 Этап 1 Этап 2 Этап 3 Этап 4 Этап 5 Этап 6 Этап 7 Этап 8 Этап 9 – разрушение от деформаций растяжения; – разрушение от деформаций сдвига Рисунок 4 – Формирование зон разрушения при отработке смежных выемочных участков ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 187 Следует отметить, что при отработке одной лавы, как и при отработке смежных лав, деформации растяжения преобладают над деформациями сдвига, рис. 5, поскольку над горными выработками происходит зависание вышележа- щих пород, на которые первоначально действуют растягивающие силы. Сум- марные объемы разрушенных пород при отработке первой лавы в 2-6 раз меньше, чем при отработке смежных лав. а) б) Рисунок 5 – Динамика развития зон разрушения в породах кровли смежных выемочных участков при отработке одиночной лавы (а) и дальнейшей отработки смежной лавы (б) с учетом характера деформаций геомеханической системы Отработка смежной лавы вызывает резкую интенсификацию роста объемов разрушенных пород в 3-4 раза, рис. 6, а. С течением времени скорость дезинте- грации пород может снижаться рис. 6, б, но, в целом, тенденция увеличения объемов и интенсивности разрушений при введении в эксплуатацию второй ла- вы не изменяется. а) б) Рисунок 6 – Закономерности увеличения объемов (а) и интенсивности роста разрушенных зон в породном массиве при отработке смежных участков ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 188 Средства охраны подготовительных горных выработок и технология их воз- ведения при отработке смежных выемочных участков столбовой системой раз- работки должны соответствовать силовым воздействиям и деформациям по- родного массива в определенные временные интервалы эксплуатации. При этом успешное поддержание выработок предполагает соблюдение ряда основ- ных геомеханических требований: компенсацию отпора извлеченного угольно- го пласта на участках сопряжения лавы со штреком в выработанном простран- стве ранее отработанных лав; исключение разрушения бермы; обеспечение условий для управления размерами зависающих над выработкой породных консолей путем подбора обоснованных параметров охранных конструкций – высокой податливости для плавного опускания кровли или высокой жесткости для обрушения зависающей консоли кровли. Определение рациональных пара- метров систем крепления предполагает оценку прогностических сценариев из- менения нагрузок на крепи от веса обрушенных пород. Нагрузки на крепи вы- числяются путем расчета веса разрушенных элементов геомеханической моде- ли в створе кровли выработки непосредственно возле обнажения в зоне ее вли- яния (зоны разрушения состоят из элементов, у которых разрушились одна или более механических связей). Методом математического моделирования уста- новлены геомеханические зависимости роста объемов зон разрушения в пород- ном массиве (относятся к единичной площади обнажения выработки) от глуби- ны при отработке смежных выемочных участков, табл. 4. С увеличением глу- бины разработки с 400 м до 1200 м объемы нарушенных пород вокруг выработ- ки и необходимая несущая способность средств крепления возрастают прямо пропорционально с глубиной, при этом устойчивость системы «крепь-массив» обратно пропорциональна весу разрушенных пород кровли. Таблица 4 – Изменения объемов зон неупругих деформаций (относятся к единичной площади обнажения выработки) в процессе отработки смежных выемочных участков Этапы отработки смежных лав Аналитическая зависимость Коэф. детерми- нации R 2 Коэф. корреля- ции rxy Отработка первой лавы (разрушения от де- формаций растяжения) V = 307,6 ln(H) – 1432 0,983 – Отработка первой лавы (разрушения от де- формаций сдвига) V = 4,77e 0,004 H 0,927 – Отработка первой лавы (суммарный объем зон неупругих деформаций) V = 5,68 H – 969 0,967 0,98 Дальнейшая отработка смежной лавы (раз- рушения от деформаций растяжения) V=2,51 H+209 0,718 0,85 Дальнейшая отработка смежной лавы (раз- рушения от деформаций сдвига) V = 3,18H – 1178 0,969 0,98 Дальнейшая отработка смежной лавы (сум- марный объем зон неупругих деформаций) V = 1,19 H – 143 0,955 0,98 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 189 Таким образом, для лав пологозалегающих угольных пластов были установ- лены некоторые общие положения, отражающие характер и особенности пове- дения пород кровли при перемещении в пространстве угольного забоя в про- цессе отработки смежных выемочных участков: - объемы нарушенных пород вокруг выработки и необходимая несущая спо- собность средств крепления возрастают прямо пропорционально с глубиной, при этом устойчивость системы «крепь-массив» обратно пропорциональна весу разрушенных пород кровли; - в процессе отработки смежных лав с увеличением расстояния от кровли пласта с 7 м до 60 м максимумы напряжений снижаются до двух раз при отра- ботке первой лавы и до четырех раз – для смежных лав; пики напряжений в зоне опорного давления располагаются преимущественно на расстоянии от за- боя, равном 3-5 мощностей вынимаемого пласта; над всем очистным простран- ством уровень напряжений в массиве постепенно уменьшается, а в зоне опор- ного давления – увеличивается; - как при отработке одной лавы, так и при отработке смежных лав объемы разрушений пород от деформаций растяжения преобладают над объемами раз- рушений от деформаций сдвига поскольку над горными выработками происхо- дит зависание вышележащих пород, на которые первоначально действуют рас- тягивающие силы, но суммарные объемы разрушенных пород при отработке первой лавы в 2-6 раз меньше, чем при отработке смежных лав; - отработка смежной лавы вызывает резкое в 3-4 раза увеличение зон раз- рушений пород, интенсивность роста которых в дальнейшем снижается, при этом сохраняется большая скорость разрушения пород при эксплуатации смеж- ных лав, чем при эксплуатации одной лавы. Полученные научные результаты используются для определения рацио- нальных параметров систем разработки и повышения интенсивности работы горнодобывающих предприятий. ––––––––––––––––––––––––––––––– СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Галагер, Р. Метод конечных элементов. Основы: пер. с англ. / Р. Галагер. – М.: Мир, 1984. – 428 с., ил. 2. Слащева, Е.А. Особенности решения геомеханических задач для условий обводненного газо- насыщенного массива горных пород / Е.А. Слащева, И.Н. Слащев, А.А. Яланский // Геотехническая механика. – Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2014. – Вып. 115. – С. 232-244. 3. Математическое моделирование в задачах оценки эффективности и безопасности горных ра- бот: монография / М.Ю. Иконников, Ю.Р. Иконников, Е.А. Слащева, И.Н. Слащев, А.А. Яланский ; М-во образования и науки Украины, Нац. горн. ун-т. – Днепропетровск: НГУ, 2015. – 215 с. 4. Слащев, И.Н. Применение информационных технологий для повышения эффективности и без- опасности горных работ / И.Н. Слащев // Уголь Украины. – 2013. – № 2. – С. 40-43. 5. Обґрунтування вихідних параметрів для моделювання геомеханічних процесів в задачах оцін- ки безпеки підтримання гірничих виробок / А.О. Яланський, І.О. Сапунова, А.І. Слащов, Л.А. Новіков // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. трудов / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2012. – Вип. 119. – С. 282-295. REFERENCES 1. Gallager, R. (1984), Metod konechnykh elementov. Osnovy [Finite Element Analysis. Fundamentals], Translated by Kartvelishvili, V.M., in Banichuk, N.V. (ed.), Nauka, Moscow, SU. 2. Slashchova, O.A., Slashchov, I.N. and Yalanskiy, A.A. (2014), “Features solutions for problems of ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 190 geomechanical watery gas-saturated rock massif”, Geotekhnicheskaya Mekhanika [GeoTechnical Mechan- ics], no. 115, pp. 232-244, UA. 3. Ikonnikov, M.YU., Ikonnikov, YU.R., Slashcheva, Ye.A., Slashchev, I.N. and Yalanskiy, A.A. (2015), Matematicheskoye modelirovaniye v zadachakh otsenki effektivnosti i bezopasnosti gornykh rabot [Mathematical modeling in solving problems of evaluating the efficacy and safety of mining operations], Natsionalnyy gornyy universitet, Dnipropetrovsk, UA. 4. Slaschev, I.N. (2013), “The use of information technology to increase the efficiency and safety of mining operations”, Coal of Ukraine, no. 2, pp. 40-43. 5. Yalanskiy, A.A., Sapunova, I.O., Slashchov, A.I. and Novikov, L.A. (2012), “Justification of the ini- tial parameters for geomechanical processes modeling in problems of safety assessment of mine workings maintenance”, Geo-Technical Mechanics, no. 119, pp. 282-295. ––––––––––––––––––––––––––––––– Об авторах Слащев Игорь Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник в отделе Проблем разработки месторождений на больших глубинах, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, IMSlashchov@nas.gov.ua Слащева Елена Анатольевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, стар- ший научный сотрудник в отделе Проблем разработки месторождений на больших глубинах, Инсти- тут геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, OASlashchova@nas.gov.ua About the authors Slashchev Igor Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher, Senior Re- searcher in Department of Mineral Mining at Great Depths, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Me- chanics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, IMSlashchov@nas.gov.ua Slashchevа Yelena Anatolyevna, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher, Senior Researcher in Department of Mineral Mining at Great Depths, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Me- chanics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, OASlashchova@nas.gov.ua ––––––––––––––––––––––––––––––– Анотація. У статті наведено дослідження процесу формування зон руйнування в пород- ному масиві як чинника, що впливає на стан геотехнологічної системи «масив порід суміж- них виїмкових дільниць – підтримання виробок». Встановлено геомеханічні закономірності формування зон руйнування при відпрацюванні суміжних виїмкових дільниць: обсяги пору- шених порід навколо виробки і необхідна несуча здатність засобів кріплення зростають пря- мо пропорційно з глибиною, при цьому необхідна стійкість системи «кріплення-масив» обе- рнено пропорційна вазі зруйнованих порід покрівлі; в процесі відпрацювання суміжних лав зі збільшенням відстані від покрівлі пласта з 7 м до 60 м максимуми напружень знижуються до двох разів при відпрацюванні першої лави і до чотирьох разів – для суміжних лав; як при відпрацюванні однієї лави, так і при відпрацюванні суміжних лав обсяги руйнувань порід від деформацій розтягування переважають над обсягами руйнувань від деформацій зсуву оскі- льки над гірничими виробками відбувається зависання верхніх порід, на які спочатку діють розтягують сили, але сумарні обсяги зруйнованих порід при відпрацюванні першої лави в 2-6 разів менше, ніж при відпрацюванні суміжних лав; відпрацювання суміжній лави викликає різке в 3-4 рази збільшення зон руйнувань порід, інтенсивність росту яких в подальшому знижується, при цьому зберігається більша швидкість руйнування порід при експлуатації суміжних лав, ніж при експлуатації однієї лави. Отримані наукові результати використову- ються для визначення раціональних параметрів систем розробки і підвищення інтенсивності роботи гірничодобувних підприємств. Ключові слова: геомеханіка породного масиву, зони руйнування, суміжні ділянки шахт, моделювання масиву порід Abstract. The article presents the study of caving zone formation considered as a factor affect- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128 191 ing the state of geotechnological system "rocks of adjacent panels – roof supports". The following geomechanical regularities of caving zone formation while mining the adjacent panels are estab- lished: volumes of disturbed rocks around the mine workings and the needed load-bearing capacity of the roof supports increase in direct proportion to depth, though the needed stability of the system "roof support-rock massif" is inversely proportional to the weight of broken roof rocks; in the pro- cess of adjacent longwall mining, when distance from the coal seam roof increases from 7 m to 60 m, the stress maxima reduce twice when the first longwall is mined and reduce by four times when the adjacent longwalls are mined; in case of mining the first longwall as well as in case of mining adjacent longwalls, volumes of rocks broken by stretching strains predominate over the volumes of rocks broken by shear deformations because overlying rocks which are initially under the action of tensile forces, hang over the mine workings, though total volume of broken rocks in case of mining the first longwall is 2-6 times less than in case of mining the adjacent longwalls; mining of adjacent longwall causes a sharp, by 3-4 times, increase of zones with broken rocks, in- tensive growth of which is further decrease, and speed of the rock failure is higher when the adja- cent longwalls are used than when one longwall is used. The obtained scientific results are used for determining rational parameters for mining methods and increasing intensity of mining enterprise work. Keywords: geomechanics of rock massif, caving zone, adjacent districts in mines, rock massif modeling. Статья поступила в редакцию 15.07. 2016 Рекомендовано к печати д-ром техн. наук С.А. Курносовым

Схожі ресурси