Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями
Для детального изучения физико-механических свойств пород кровли пласта к8 “Каменка” были выполнены лабораторные исследования керна, взятого из пород кровли откаточного штрека по пласту на горизонте 810 м на трехосном прессе конструкции ДонФТИ и с применением упрощенных методик. При этом определялис...
Збережено в:
| Дата: | 2001 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2001
|
| Назва видання: | Физико-технические проблемы горного производства |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189759 |
| 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: | Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями / Д.М. Житленок, В.Г. Ильюшенко, В.В. Васютина // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2001. — Вип. 4. — С. 35-43. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-189759 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1897592023-04-22T21:11:32Z Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями Житленок, Д.М. Ильюшенко, В.Г. Васютина, В.В. Для детального изучения физико-механических свойств пород кровли пласта к8 “Каменка” были выполнены лабораторные исследования керна, взятого из пород кровли откаточного штрека по пласту на горизонте 810 м на трехосном прессе конструкции ДонФТИ и с применением упрощенных методик. При этом определялись предел прочности на растяжение и сжатие как по напластованию, так и по нормали к напластованию, а также модуль упругости. 2001 Article Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями / Д.М. Житленок, В.Г. Ильюшенко, В.В. Васютина // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2001. — Вип. 4. — С. 35-43. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2664-17716 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189759 622.831.24 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Для детального изучения физико-механических свойств пород кровли пласта к8 “Каменка” были выполнены лабораторные исследования керна, взятого из пород кровли откаточного штрека по пласту на горизонте 810 м на трехосном прессе конструкции ДонФТИ и с применением упрощенных методик. При этом определялись предел прочности на растяжение и сжатие как по напластованию, так и по нормали к напластованию, а также модуль упругости. |
| format |
Article |
| author |
Житленок, Д.М. Ильюшенко, В.Г. Васютина, В.В. |
| spellingShingle |
Житленок, Д.М. Ильюшенко, В.Г. Васютина, В.В. Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями Физико-технические проблемы горного производства |
| author_facet |
Житленок, Д.М. Ильюшенко, В.Г. Васютина, В.В. |
| author_sort |
Житленок, Д.М. |
| title |
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями |
| title_short |
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями |
| title_full |
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями |
| title_fullStr |
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями |
| title_full_unstemmed |
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями |
| title_sort |
управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
2001 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189759 |
| citation_txt |
Управление горным давлением в очистных забоях на крутых пластах с трудноуправляемыми кровлями / Д.М. Житленок, В.Г. Ильюшенко, В.В. Васютина // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2001. — Вип. 4. — С. 35-43. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Физико-технические проблемы горного производства |
| work_keys_str_mv |
AT žitlenokdm upravleniegornymdavleniemvočistnyhzaboâhnakrutyhplastahstrudnoupravlâemymikrovlâmi AT ilʹûšenkovg upravleniegornymdavleniemvočistnyhzaboâhnakrutyhplastahstrudnoupravlâemymikrovlâmi AT vasûtinavv upravleniegornymdavleniemvočistnyhzaboâhnakrutyhplastahstrudnoupravlâemymikrovlâmi |
| first_indexed |
2025-07-16T12:19:55Z |
| last_indexed |
2025-07-16T12:19:55Z |
| _version_ |
1837806016401506304 |
| fulltext |
УДК 622.831.24
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ НА
КРУТЫХ ПЛАСТАХ С ТРУДНОУПРАВЛЯЕМЫМИ КРОВЛЯМИ
х-т.н. Житденок Д.М. (ПО •Дзержинскуголы), д.т.н., проф.
Ильюшенко В.Г., инж. Васютина В.В. (ОФТГП ДонФТИ НАНУ)
Отработка пласта ка “Каменка” на шахте “Торецкая” начиная
с горизонта 810 м затруднена систематическими завалами
очистного забоя. По данным технической и геологической служб
шахты, завалы происходили, как правило, непосредственно у груди
забоя, причем вывалы в кровле достигают 2-3 м. по высоте. И по
падению - 10-15 м. Какой либо закономерности в расположении
вывалов по длине лавы и по размерам пролета основной кровли не
установлено. По данным геологической службы непосредственно
над пластом залегает глинистый сланец слоистый, общей
мощностью 10-11 м. В кровле выявлена система трещин,
ориентированная по линии падения пласта и наклоненных к
плоскости пласта под углом 75-80°. Характер этой трещиноватости
определен как тектонический. Выше глинистого сланца залегает
мощный слой прочного песчаника.
Для детального изучения физико-механических свойств
пород кровли пласта кв “Каменка” были выполнены лабораторные
исследования керна, взятого из пород кровли откаточного штрека
по пласту на горизонте 810 м на трехосном прессе конструкции
ДонФТИ [1] и с применением упрощенных методик [2]. При этом
определялись предел прочности на растяжение и сжатие как по
напластованию, так и по нормали к напластованию, а также
модуль упругости.
Были пробурены две скважины с откаточного штрека на всю
мощность глинистых сланцев, залегающих в кровле, вплоть до
песчаников. Место заложения первой скважины от квершлага, в
выработанном пространстве. Вторая скважина пробурена на 265 м
в неотработанном массиве.
Исследование керна, извлеченного из скважины, позволило
установить следующее.
Скважина на 110 м. Кровля представлена глинистым
сланцем с примесями слюды и песчаного материала, сланец
слоистый, слои от 1 до 50 см. Наиболее мелкослоистый глинистый
сланец на 1,5-2,2 м и 5,3-6,0 м, где они составляют 1-5 см. Вместе с
тем, уже на расстоянии 0,3 м находится слой мощностью 15 см.
Далее слои такой же или большей мощности находятся в диапазоне
1,1-1,25 м, 2,3-2,5 м, 3,6-4,3 м. По данным кернового бурения
установлены места пересечения скважиной тектонических
35
(кливажных) трещин па расстоянии 0,5 м, 1,43 м, 2,95 м, 7,80 м по
длине скважины.
На рис. 1 представлены данные по исследованиям пород
кровли на прочность по напластованию (рис. 1а) и по нормали к
напластованию (рис. 16). Из приведенных данных можно сделать
вывод, что кровля представлена породами прочностью 55,0-80,0
МПа по нормали к напластованию и до 44,6 МПа по плоскости
напластования. Следует отметить, что прочность породы в мощных
слоях мало отличается по нормали и по напластованию, что говорит
9 9
0 20 мп. 0 20 40 60
а) “ б)
Рис. 1. Прочностные характеристики пород кровли по
скважине №2 (265).
36
о однородности ее свойств. Скол по напластованию неровный,
четкой слоистости не наблюдается (4].
Скважина на 265 м. Кровля пласта представлена слоями
глинистого и песчано-глинистого сланца мощностью от 1 до 45-50
см, причем песчано-глинистые сланцы залегают ближе к слою
песчаника, находящегося выше сланцев. При изучении керна
установлено, что породы кровли на всем протяжении
подготовительного участка разбиты трещинами на блоки длиной 1-
1,5 м по простиранию. Связь по трещинам обычно отсутствует и
при отборе керна происходит отделение. Поверхность контактов
неровная, шероховатая. В ряде случаев отмечено заполнение
трещин кальцитом. При этом контакт образуется прочный, не
разрушающийся при бурении и извлечении керна [3].
На рис. 2 представлены данные по исследованиям пород
кровли на прочность по напластованию и по нормали к
напластованию. Как следует из графиков, кровля сложена
достаточно прочными породами, причем прочные слои чередуются
с менее прочными. С удалением от пласта прочность пород
возрастает, Это связано с увеличением песчаного материала в
сланце.
Рис. 2. Схема деформирования пород кровли при наличии
кливажных трещин (265м).
37
Прочность по слоям также непостоянна и колеблется в
довольно широком диапазоне от 8 до 40 МПа. Можно выделить
участки с наиболее прочными слоями: на участке с 3 по 4 м и
начиная с 7 метра. При этом поверхность скола также неровная.
Звездочками на графиках отмечены участки кливажных трещин
[5].
Как известно, устойчивость пород кровли в первую очередь
определяется прочностью пород кровли и мощностью слагающих ее
слоев. Поэтому, анализируя устойчивость слоев кровли пласта
“Каменка” следует в первую очередь учитывать ее блочное
строение, определяющееся тектоническим клсважом, а также, как
было уже отмечено, мощностью каждого слоя и его прочностью.
Как известно из данных геологического прогноза, кливажные
трещины располагаются практически параллельно линии забоя, а
по ориентации к плоскости пласта- под углом 75-80°.
В соответствии с рекомендациями ДонНИИ в целях
предотвращения завалов, лава разделяется предельные пролеты
угольными целиками. Всего формируется 4 предельных пролета
длиной по падению 12-14 м. Под вентиляционным штреком
выкладывается бутовая полоса. Призабойное крепление состоит из
деревянных стоек под распил, установленных по 2 через 1 м по
падению и простиранию. В качестве специальной крепи
применяется кусты из 16-18 стоек, установленных по схеме 3 x 3 м .
Направление отработки пласта выбрано таким образом, что линии
кливажа направлены под углом 10-15° на завал.
В районе скважины в кровле пласта залегают слои
глинистого сланца мощностью до 0,4-0.55 м прочные, причем
предел прочности по нормали к напластованию достигает 60 -70
МПа, причем предел ппрочности по напластованию также весьма
велик и составляет 35-45 МПа. При наличии таких достаточно
прочных и относительно изотропных по физико-механическим
свойствам боковых пород в кровле механизм ее разрушения может
качественно отличаться от обычного. Вместо послойного прогиба и
разрушения, кровля деформируется одновременно достаточно
мощными слоями, поэтому разрушение ее происходит от скола или
среза на короткие блоки по простираннию. Это хорошо согласуется
с реальной ситуацией с обрушением кровли в лаве. Причем
обрушение может происходить непосредственно у кромки
угольного пласта. Специфика характера обрушения пород кровли
состоит также и в том, что наличие дополнительных плоскостей
ослабления- кливаж повышают вероятность обрушения. Схема
деформации пород кровли для данного варианта представлена на
рис. 3.
Выполним анализ действующего паспорта крепления лавы с
учетом полученных новых данных о физико-механических и
геологических свойствах пород кровли. При выемке пласта породы
38
Рис. 3. Схема деформирования пород кровли (в районе
скважины №1) на 110м, при разрушении от скола.
кровли будут поддерживается только крепью от обрушения в
выработанное пространство. При данной геологии [8] следует
ожидать образование призм в кровле, оконтуренных по бокам
трещинами кливажа, а по высоте - наиболее слабыми породами. С
учетом угла падения пласта (30° в среднем) нагрузка на 1 м2
составит:
Ом=7Ьсоза
где у- удельная плотность пород кровли, у=25 кН/м2;
Ь- высота пород кровли. По данным геологии и нашего
анализа, может составлять до 5 м.
Оценим силы, действующие в призабойной пространстве со
стороны кровли. Если разложить силу Ом по направлениям,
параллельному и перпендикулярному линии кливажа, получатся
силы Т и 0 (см. рис. 36). Сила Т равна:
Т=Ом31Пф.
Сила 0 равна:
0= Омсозф.
Сила Т способствует раздвиганию блоков и усиливает
смещение боковых пород по простиранию, которое по данным
39
шахтных исследований [3] составляет до 20-25 мм на 1 м
подвигания забоя. Под действием силы Т возникает также сила
трения, препятствующая премещению блоков, которую можно
оценить как:
Р=ГГ,
где {- коэффициент трения по трещине кливажа (1=0,7).
Кроме того, под действием силы веса и при опирании блока
пород на кромку угольного забоя, образуется момент, равный:
М=СЫ
где 1- плечо силы, которую можно определить исходя из угла
кливажа 15° равной 1,7 м, а при <р=10°- 1,44 м.
Составим уравнение равновесия сил, при котором реакция
призабойной крепи препятствует обрушению кровли:
0=К+1Т
где К- суммарная реакция крепи.
Это выражение характеризует усилия без разделения блоков
пород кровли. Подставим значение каждой из величин и определим
необходимую реакцию крепи:
Как видно из схемы, такая реакция крепи должна
реализоваться непосредственно у очистного забоя [9], где еще не
установлена специальная крепь. Деревянные стойки развивают
реакцию 50 кН при деформациях до 10%, что реализуется на
удалении 4-5 м от забоя при нормальном характере смещения
кровли. В момент установки реальный распор стойки не
превышает 10 кН. С учетом паспорта крепления суммарная
реакция крепи будет ЗОкН, т.е. меньше 50кН.
ЗхЮ(кН) =30 (кН) <50 (кН)
Это свидетельствует о том, что в случае отрыва пород кровли
на высоту до 5 м, крепление недостаточно и оно не будет
предупреждать завалы лавы. В случае же отделения блоков [5] и
создания момента сил, завал может происходить и при меньшем
объеме пород кровли (рис. 3).
Как было установлено [4], на крутом падении породы кровли
и почвы смешаются относительно друг друга за добычной цикл на
угол до 3°. Поэтому обрушение кровли приводит к дополнительным
смещениям и призабойная крепь опрокидывается без разрушения.
Исходя из схемы на рис. 6 есть возможность определить величину
пролета блока кровли по падению, способного сохранять
40
устойчивость. Для этого можно воспользоваться эмпирической
формулой из [5]:
Ь=1,Зтп/т+1,2Г-4,8,
где шп- мощность пород кровли;
т - мощность угольного пласта;
Г- крепость пород кровли по Протодьяконову.
1,3*5,0/1,0+1,2*6-4,8 =9 м.
А с учетом несимметричного характера нагружения и
плоскостей ослабления от трещин кливажа, шаг обрушения может
быть и меньше.
Для сравнения проанализируем схему, получающуюся при
движении забоя лавы в противоположном направлении. Паспорт
крепления очистного забоя сохранен тот же, что и на рис.З.
В данном случае сила Т направлена в противоположную
сторону и способствует смыканию блоков. Уравнение устойчивости
блока кровли записывается следующим выражением:
К+2ГГ=С>
Поскольку блоки кровли смыкаются, силы трения
существуют по обоим контактам:
К={3-2ГГ=уЬсо5а(со5ф-2{5т(л)
Таким образом, нагрузка на призабойную крепь по
сравнению со схемой на рис. 3 уменьшилась на 30%. Вместе с тем,
в критическом случае, который наступает при отслоении пород
кровли мощностью до 5 м, призабойная крепь не сможет
предотвратить обрушение.
Из приведенного следует вывод, что реакция принятой в
паспорте призабойной крепи недостаточна для предотвращения
обрушения кровли. Разделение лавы на предельные пролеты также
может оказаться малоэффективным, т.к. шаг обрушения кровли
составляет менее 9 м.
Обрушение пород кровли происходит вследствие среза
блоков по плоскостям ослабления, которые образуются при
расслоении кливажных трещин. Специальные крепи (кусты,
костры, органные ряды) в этом случае не могут эффективно
управлять процессом обрушения, поскольку они возводятся позже,
когда призмы обрушения уже сформировались, а сопротивление их
еще недостаточное. Наиболее жесткими, т.е. набирающими более
быстро нагрузку являются тумбы ОКУ и опоры из плит
41
железобетона с податливыми прокладками. В этом случае
уменьшаются деформации боковых пород по всем направлениям,
что позволит уменьшить нагрузки на призабойную крепь. Если же
применять тумбы ОКУ с установкой непосредственно у груди забоя,
то создаются более благоприятные условия для управления горным
давлением [9].
Выполненный анализ горногеологических и горно
технических условий отработки пласта на гор. 810 м, а также
проведенные лабораторные экспериментальные исследования
физико-механических свойств кровли на трехосном прессе
конструкции ДонФТИ, позволяющем моделировать объемное
неравнокомпонентное напряженное состояние пород на больших
глубинах и других экспериментальных высокоточных приборах,
позволили установить, что залегающие в кровле породы склонны
обрушатся короткими блоками (призмами), образующимися в
результате среза или по плоскости ослабления, образованными
трещинами в кровле. Принятый паспорт управления горным
давлением не обеспечивает эффективной и безопасной отработки
лавы. Предложены следующие мероприятия по управлению горным
давлением в конкретных горногеологических условиях [8].
Направление отработки пласта на данном участке
целесообразно изменить на обратное. По приведенным выше
расчетам это позволит уменьшить давление пород кровли на
призабойную крепь ориентировочно на 30-40%.
Применяемая призабойная крепь (деревянная стойка)
обладает небольшим начальным распором (10 кН) и в условиях
достаточно больших относительных смещений боковых пород (до
3°) легко опрокидывается и не обеспечивает защиты призабойного
пространства. Наиболее эффективным средством крепления
призабойного пространства было бы применение в данных
условиях механизированных крепей типа КГУ или щитового
агрегата 1АНЩМ, обеспечивающих перекрытие в призабойном
пространстве кровли и почвы на 80% и обладающих высоким
начальным распором и конечным сопротивлением соответственно
200 кН/м и 250 кН/м.
Достаточно эффективным средством управления горным
давлением в рассматриваемых горногеологических условиях по
опыту работы других шахт являются крепь "Спутник" (2СПТМ) и
стойки посадочные ОКУ разных модификаций.
Разделение лавы на предельные пролеты не эффективно и
оставленное целиков только сдерживает подвигание очистного
забоя.
Возможно сохранение ориентации забоя по падению,
поскольку эффективный в условиях кливажа кровли наклон забоя
на 20-25° может привести к трудностям при транспортировке угля
в забое, т.к. угол падения пласта (27-32°) критический и
42
применение даже эмалированных рештаков может быть не
эффективным [7].
Возможна замена молотковой отбойки угля на комбайновую,
которая позволит увеличить скорость подвигания очистного забоя,
что является также положительным фактором, поскольку
длительные остановки забоя приводят к повышенным
деформациям кровли и способствуют повышенному
вывалообразованию.
Обработка пород кровли водными растворами ПАВ
(сульфанол 0,1-0,5%) через опережающие скважины, пробуренные
из забоя, за счет уменьшения их трещиностойкости до 5-6 раз
будут эффективной при наличии мощных труднообрушаемых
породных слоев в кровле. При этом в первую очередь ослабляться
будут краевые контакты и механизм обрушения кровли от среза
перейдет в послоевой прогиб и послоевое обрушение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов: - М.: Недра,
1980.-320 с.
2. Зубов В.Г1. Особенности управления горным давлением в лавах
на больших глубинах разработки: - Л.: ЛГИ, 1990. - 103 с.
3. Черняк И.Л., .Ярунин С.А. Управление состоянием массива
горных пород: - М. Недра, 1995. - 395 с.
4. Мэркс И. Юнгниц Г. Горная механика: Углетехиздат, 1957. -
756 с.
5. Питаленко Е.И. Геомеханическое обоснование кинематических
параметров механизированных крепей для крутых и
крутонаклонных пластов Донбасса: Л.: ВНИМИ, 1984.
6. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях
на пластах с углом падения до 35: Л.: ВНИМИ, 1982. - 136 с.
7. Управление горным давлением при разработке угольных
пластов. Справочное пособие. Донецк. 1990. - 303 с.
8. Алексеев А.Д. Ревва В.Н. .Рязанцев Н.А. Разрушение горных
пород в объемном поле сжимающих напряжении: Киев:
Наукова думка, 1989. - 168 с.
9. Совершенствование средств и способов поддержания
подготовительных выработок на шахтах Центрального района
Донбасса /Калфакчиян А.П., Александров В.Г., Воробьев Е.А.,
Питаленко Е.И./ Под ред. А.Г1.Александрова. Днепропетровск:
“Сим”, 1994. - 207 с.
43
|