Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений
Визначено граничні розміри вугільних ціликів і рівень діючих в них напружень в умовах часткового бурошнекового відпрацювання ділянки пласта l1 в районі приствольного цілика шахти ім. В. І. Леніна ДП «Макіїввугілля»....
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2010
|
| Schriftenreihe: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99609 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений / Е.Д. Ходырев // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 170-180. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99609 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-996092016-05-01T03:02:13Z Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений Ходырев, Е.Д. Визначено граничні розміри вугільних ціликів і рівень діючих в них напружень в умовах часткового бурошнекового відпрацювання ділянки пласта l1 в районі приствольного цілика шахти ім. В. І. Леніна ДП «Макіїввугілля». Maximum sizes of coal pillars and level of stresses acting in them in conditions of partial augering of the seam l1 near the shaft pillar (Mine V. I. Lenina belonging to the State-Owned Company Makeevugol) are determined. 2010 Article Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений / Е.Д. Ходырев // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 170-180. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99609 622.231.76 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Визначено граничні розміри вугільних ціликів і рівень діючих в них напружень в умовах часткового бурошнекового відпрацювання ділянки пласта l1 в районі приствольного цілика шахти ім. В. І. Леніна ДП «Макіїввугілля». |
| format |
Article |
| author |
Ходырев, Е.Д. |
| spellingShingle |
Ходырев, Е.Д. Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| author_facet |
Ходырев, Е.Д. |
| author_sort |
Ходырев, Е.Д. |
| title |
Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений |
| title_short |
Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений |
| title_full |
Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений |
| title_fullStr |
Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений |
| title_full_unstemmed |
Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений |
| title_sort |
определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений |
| publisher |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| publishDate |
2010 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99609 |
| citation_txt |
Определение предельных размеров охранных угольных целиков и действующих в них напряжений / Е.Д. Ходырев // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 170-180. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT hodyreved opredeleniepredelʹnyhrazmerovohrannyhugolʹnyhcelikovidejstvuûŝihvnihnaprâženij |
| first_indexed |
2025-07-07T09:38:16Z |
| last_indexed |
2025-07-07T09:38:16Z |
| _version_ |
1836980473241272320 |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
170
УДК 622.231.76
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ОХРАННЫХ
УГОЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ И ДЕЙСТВУЮЩИХ В НИХ
НАПРЯЖЕНИЙ
Ходырев Е. Д.
(УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина)
Визначено граничні розміри вугільних ціликів і рівень діючих
в них напружень в умовах часткового бурошнекового відпрацю-
вання ділянки пласта l1 в районі приствольного цілика шахти
ім. В. І. Леніна ДП «Макіїввугілля».
Maximum sizes of coal pillars and level of stresses acting in
them in conditions of partial augering of the seam l1 near the shaft pil-
lar (Mine V. I. Lenina belonging to the State-Owned Company Ma-
keevugol) are determined.
На угольных шахтах из-за сложных горно-геологических
условий, а также для охраны различного рода объектов остав-
ляют угольные целики. Их запасы на каждой действующей или
закрывающейся шахте в Украине достигают в среднем
500 тыс. т. При погашении отслуживших свой срок горных вы-
работок и при закрытии шахт основная часть этих запасов теря-
ется из-за отсутствия рентабельных и безопасных технологий их
отработки.
Под целиком понимается участок оконтуренного очистными
выработками угольного массива, наименьшая ширина которого
не превышает 2l, где l - ширина зоны влияния опорного давления
[1]. Если указанный размер больше 2l, то этот участок следует
рассматривать как угольный массив с краевыми частями.
При выемке целиков на удароопасных пластах зафикси-
рован ряд проявлений горных ударов на шахтах Донецкого (в
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
171
Украине) и Кизеловского (в Российской Федерации) каменно-
угольных бассейнов [2, 3].
По данным [3] на выбросоопасных пластах внезапных
выбросов угля и газа при отработке целиков обычно не проис-
ходит, так как они сильно деформируются и дегазируются.
При выборе технологии выемки угля из целиков необходи-
мо учитывать их размеры и ожидаемые значения действующих в
нем напряжений.
Исследованиями ВНИМИ и УкрНИМИ [3, 4] установлено,
что при конкретных горнотехнических и горно-гелогических ус-
ловиях (большой глубине разработки, прочности угля, превы-
шающей 6 МПа, наличии устойчивых пород в кровле пласта,
склонных к зависанию в выработанном пространстве) целики с
недостаточно большими размерами могут быть потенциально
опасными по проявлению горных ударов. В этих условиях они,
находясь в предельно-напряженном состоянии, способны форми-
ровать зоны повышенного горного давления (зоны ПГД) или, по-
степенно деформируясь, теряют свою несущую способность, раз-
давливаются и в дальнейшем реагируют на горное давление как
бутовые полосы, т.е. становятся неопасными как к горным уда-
рам, так и к внезапным выбросам угля и газа. Чтобы контролиро-
вать возможный переход целика в различное по степени напря-
женно-деформированное состояние, необходимо в каждом кон-
кретном случае при намечаемых работах по его частичной отра-
ботке выполнять расчеты его предельных размеров и действую-
щих в нем напряжений.
При этих расчетах, как и при определении размеров зон
ПГД, учитывается ширина выработанного пространства, примы-
кающего к целику или к краевой части угольного массива. Сле-
дует отметить, что в нормативном документе [1] недостаточно
точно определяется ширина выработанного пространства при ее
значениях менее 100 м, что приводит к ошибкам при установле-
нии размеров возникающих зон ПГД. Например, в таблице Л.3
[1] значения исходных для расчета размеров зон ПГД (d1 и d2)
приведены для ширины выработанного пространства а с разме-
рами от 100 до 250 м. При этом в соответствии с [1], если
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
172
а < 100 м, то значения d1 ,d2 принимаются как при а = 100 м. Если
а > 250 м, то d1 ,d2 принимаются как при а = 250 м.
Исходя из установленных геомеханических закономерно-
стей проявления горного давления в очистных выработках [1],
требование принимать d1, d2 при а > 250 м как при а = 250 м ос-
новывается на том, что сформировавшаяся в этих условиях зона
ПГД достигла максимально возможных размеров.
При а < 100 м, мы имеем еще не полностью сформировав-
шуюся зону ПГД, которая, возникнув первоначально при некото-
рой минимальной ширине выработанного пространства, по мере
увеличения значений а последовательно увеличивает свои разме-
ры d1 ,d2 до достижения ее максимальных значений при а = 250 м.
В случаях же управления кровлей в очистном забое с ис-
пользованием закладки выработанного пространства, в послед-
нем, при недостаточной эффективной мощности угольного пла-
ста, может появиться зона восстановления исходного горного
давления. В этом случае принимаемая к расчетам значений d1 ,d2
ширина выработки может не соответствовать ширине пролета
подработанных пород над целиком, формирующим зону ПГД.
Отсутствие учета этого фактора снижает точность определения
предельных размеров целиков и действующих в них и краевых
частях угольного пласта напряжений, а также не позволяет уста-
навливать фактические границы влияния зон ПГД на соседние
сближенные пласты. Поэтому в расчетах следует принимать рас-
стояние от движущегося забоя или от кромки пласта до зоны вос-
становления исходного горного давления за ширину а, от вели-
чины которой, по существу, зависят размеры зон ПГД и уровень
напряжений в пласте. Согласно [1], восстановление исходного
горного давления возможно лишь при условии смыкания пород
кровли и почвы за счет их упругого расширения после выемки
угля, а также опускания пород кровли при достигнутой опреде-
ленной ширине выработанного пространства и недостаточной
эффективной мощности разрабатываемого на данной глубине
пласта.
Для расчета ожидаемых в целиках напряжений используют-
ся, разработанные ВНИМИ [4], аналитические, базирующиеся на
экспериментальных исследованиях в шахтных условиях, методы
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
173
определения предельной ширины целиков угля. Также использо-
ваны при этом результаты выполненных на шахтах Центрального
района Донбасса экспериментальных исследований деформаций
угольных целиков [3] с обобщением опыта ведения горных работ
на участках соседних пластов, расположенных под или над вы-
шеуказанными целиками угля. Сущность этих методов расчета
предельных размеров угольных целиков и действующих в них
напряжений заключается в следующем.
Согласно [4], предельную ширину целиков Ln определяют
по формуле:
0ХLп ⋅= ε , (1)
где Х0 – пролет горных пород, располагающихся в кровле
угольного пласта и оказывающих давление на угольный целик.
Определяется он суммарной шириной прилегающих выработок
S1 и S2 и целика L, то есть Х0 = S1 + L + S2 (рис.1);
ε – множитель, значение которого устанавливают по графи-
ку (рис. 2) в функции от показателей:
Д – безразмерного, установленного экспериментальным пу-
тем [4], показателя устойчивости целика к горному давлению;
τ – соотношения размеров выработок около целика.
Значения Д и τ находят из выражений:
m
ХКД
у ⋅
⋅
=
σ
0* , (2)
12
12) 1(
SS
SS
+
−
⋅−−= ετ , (3)
где К* – среднее касательное напряжение с учетом влияния
контактных условий угольного пласта и боковых пород, МПа.
Определяется он, согласно [4], по формуле К* = 1,3σс, где σс –
прочность угля на одноосное сжатие, МПа;
m – мощность угольного пласта, м;
σу – напряжения, действующие по нормали к напластова-
нию на уровне разрабатываемого пласта, МПа, определяются по
формуле:
)cossin( 22 ααλγσ +⋅⋅−= H , (4)
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
174
где γ – средний объемный вес горных пород, который для
условий Донбасса равен 2,5 т/м3;
Н – глубина разработки пласта, м;
λ – коэффициент бокового распора (при отсутствии дан-
ных λ ~ 0,65 - 0,7);
α – угол падения пласта, градус;
S1, S 2 – ширина примыкающих к угольному целику горных
выработок, м.
Рис. 1. Расчетная схема по определению общего пролета (х0)
зависших над угольным целиком пород кровли
Расчет осуществляется методом последовательного при-
ближения. Сначала в формуле (3) принимают ε = 0 и по графику
(см. рис. 2) находят первоначальное значение ε, которое на вто-
ром шаге используют для вычисления τ. Затем, с учетом полу-
ченного значения τ, определяют по графику рис.2 новое, уточ-
ненное значение ε. Расчеты выполняют практически до совпаде-
ния двух последних полученных значений ε.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
175
Рис. 2. Определение значений множителя ε в зависимости от
показателей D и τ, вычисленных по формулам (2 и
3): кривые 1, 2, 3 и 4 – τ, равные, соответственно, –0,
–0,5, –0,7 и –1,0.
Практика отработки угольных целиков на шахтах Донбасса
показала, что наиболее безопасным способом выемки угля из це-
ликов является его выбуривание с помощью бурошнекового агре-
гата АВШ - 1, имеющего проектную производительность от 1,5
до 2,5 т/мин. В процессе выбуривания угля целик подвергается
гораздо меньшим динамическим воздействиям, чем при выемке
буровзрывными работами или отбойными молотками. Это спо-
собствует обеспечению лучшей сохранности остающейся части
отрабатываемых целиков.
УкрНИМИ совместно с руководством ГП «Макеевуголь» и
шахты им. В. И. Ленина был выбран на этой шахте для отработки
с применением бурошнековой установки АВШ-1 эксперимен-
тальный участок пласта l1 шириной 100 м, длиной - 240 м., при-
мыкающий к охранному целику под стволы №№ 1-4 и промпло-
щадку, а с противоположной стороны - к Западному парному
штреку. Ниже этого штрека оставлен целик угля шириной от 50
до 80 м. Глубина разработки экспериментального участка –
615 м.
Выше пласта l1 на расстоянии 50 м залегает пласт l1в
2, а ни-
же, на расстоянии 40 м, пласт к1н
6 , которые здесь не отработаны.
€
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
176
Поэтому вышеназванный участок пласта l1 не подвергается
влияниям горных работ соседних пластов.
Определение исходных данных для расчетов действующих
напряжений перед началом ведения выемочных работ с помощью
бурошнековой установки при сложившемся соотношении горных
работ осуществляется по методике [4]. При этом учитываются:
мощность пласта m = 1,3 м; глубина разработки Н = 615 м; угол
падения пласта α = 3 о; коэффициент бокового распора λ = 0,65;
первоначальные напряжения в нетронутом массиве, вычисленные
по формуле (4), õу = 15 МПа, прочность угля на одноосное сжа-
тие, составляющая, по результатам экспериментального опреде-
ления, σс = 15 МПа; действующие напряжения на краю обнаже-
ния пласта, которые, как установлено экспериментально, практи-
чески не превышают прочность угля на одноосное сжатие
σс = σк = 15 МПа; предельное сопротивление угля сдвигу с уче-
том контактных условий между пластом и боковыми породами
К* = 1,3σс = 19,5 МПа. Ширина штрека составляет S1 = 4 м. Ши-
рина выработанного пространства лав, оконтуривающих целик с
противоположной стороны, превышает 250 м и поэтому, согласно
номограммы рис. Л. 4 [1], в расчетах необходимо принимать
S2 = 150 м. Наименьшая ширина рассматриваемого целика
Ĺц = 50 м. Ширина зоны опорного давления l = 50 м. Общий про-
лет пород кровли, зависший над штреком, угольным целиком и
выработанным пространством 1-ой Западной лавы, составляет
Хо = S1 + Lп+ S2 = 4 + 50 + 150 = 204 м.
Предельный размер целика определяется формулой (1), т.е.
Lп = ε Х0.
Значение ε устанавливают по графику рис. 2 в соответствии
с показателями, определяемыми по формулам (2) и (3):
3,115
2045,19
⋅
⋅
=Д = 204 и
)4150(
)4150()1(
+
−
⋅−−= ετ τ = 0,95.
По номограмме рис. 2 значение ε = 0, 025. Предельный раз-
мер целика, примыкающего к Западному парному штреку, соста-
вит Lп = 0,025·204 = 5 м.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
177
Согласно [4], расчеты действующих в пласте напряжений в
отрабатываемом целике осуществляются в определенной после-
довательности. Сначала вычисляют расстояние от края пласта до
точки максимума опорного давления по формуле:
)()5,0(96,0 3/2
1
*
1 pfK
K
mX ⋅⋅= , (5)
где: К1 – коэффициент интенсивности напряжений для схе-
мы, соответствующей сложившейся геометрии выработки в кон-
кретных условиях. В данной ситуации геометрия выработки со-
ответствует схеме 9 таблицы 1 [4]. Поэтому показатель К1 опре-
деляется выражением:
1 0 10,5xγ ϕΚ =− Η ⋅ . (6)
Значение ϕ1 находится по таблице 3 [4] в функции от S1 / Хо
и Ĺц / Хо. В данном случае S1 / Хо = 4 / 204 = 0,02 и
Ĺц / Хо = 50 / 204 = 0,25, ϕ1 = 0,310. Отсюда К1 =
= -15 102 0,310 = 47 МПа.
Показатель условий распределения напряжений (р) в крае-
вой части пласта с учетом его мощности, сил сцепления с боко-
выми породами и прочности угля определяется выражением:
*
2
1
3
5,057,0
k
m
k
p k ⋅⋅=
σ . (7)
Для рассматриваемых условий
5,19
65,0
47
1557,0
2
3
⋅⋅=p = 3·10 -2.
По таблице 5 [4] ƒ(р) = 0,652. В соответствии с формулой (5)
652,0)
5,19
4765,0(96,0 3/2
1 ⋅
⋅
=X = 0,8 м.
Максимальные напряжения в стенках Западного парного
штрека определяют, согласно [4], по формуле:
.
5,0 1
* x
m
К
км ⋅−−= δδ (8)
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
178
Отсюда 8,0)
65,0
5,19(15 ⋅−−=мδ = 39 МПа.
Коэффициент концентрации напряжений составляет
К = õм / õу = 39 / 15 = 2,6.
Результаты приведенных расчетов показывают, что при
фактической ширине Ĺц = 50 м целик в вышеуказанных условиях
не находится в предельно-напряженном состоянии. При этом от-
рабатываемый с помощью бурошнековой установки эксперимен-
тальный участок пласта l1 шириной 100 м и длиной 240 м, при-
мыкающий с одной стороны к охранному целику под стволы
№ 1-4 и промплощадку шахты, а с противоположной стороны к
Западному парному штреку, тоже не будет находиться в предель-
но-напряженном состоянии. Следовательно, ожидать проявление
горного удара на этом участке целика при его частичной выемке
нет оснований.
Определим значение возникающих в результате работы бу-
рошнековой установки максимальных напряжений в оставляемых
межкамерных целиках угля при работе АВШ-1. Существует, раз-
работанная ВНИМИ, упрощенная методика расчета напряжений
в пласте угля на участках пластов возле подготовительной выра-
ботки в сторону неотработанного угольного массива [4].
Расстояние до точки максимума опорного давления, соглас-
но [4], определяется по формуле:
11 5,0 SX ⋅= δ , (9)
где δ – беразмерная величина, значение которой устанавли-
вается, в соответствии с [4], по графикам рисунка 3 в функции от
отношения σк / γН и параметра ;0*
m
ХКД
у ⋅
⋅
=
σ
где σк – напряжения на обнажении пласта, МПа;
γН – напряжения в нетронутом массиве, МПа.
На рассматриваемом участке ширина камер Ѕ1 = 2,0 м; ши-
рина целиков между ними Ĺц = 2,0 м. Х0 = 6 м. Соотношение
σк / γН = 15 / 15 = 1,0. Согласно формуле (2) показатель Д составляет
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
179
величину =
⋅
⋅
=
m
ХКД
уσ
0* 6
3,115
65,19
=
⋅
⋅ . В соответствии с графиком
рис. 3 множитель δ равен 0,3. По формуле (9) Х1= 0,3·1= 0,3 м.
Рис. 3. Определение значения δ при расчетах напряжений в
пласте угля вблизи подготовительной выработки
Максимальные напряжения, согласно (8), равняются
243,0
65,0
5,1915 −=⋅−−=мδ МПа. Коэффициент концентрации на-
пряжений равен К = õм / õу = 24 / 15 = 1,6.
Исследованиями УкрНИМИ и ВНИМИ [3, 4] установлено,
что горные удары происходят при коэффициентах концентрации
напряжений, превышающих в 2 и более раза прочность угля на
одноосное сжатие. В рассматриваемых условиях шахты
им. В. И. Ленина пласт l1 не относится к удароопасным. Поэтому
межкамерные целики шириной 2,0 м не представляют опасности
по проявлению горных ударов.
ВЫВОДЫ
На основе разработанных ВНИМИ и скорректированных по
отдельным аспектам УкрНИМИ методических положений по
расчету и экспериментальной оценке напряжений в целиках и
краевых частях пласта угля, определены предельные размеры
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
180
угольных целиков и уровень действующих в них напряжений в
условиях частичной бурошнековой отработки участка пласта l1 в
районе околоствольного целика шахты им. В. И. Ленина ГП «Ма-
кеевуголь».
Расчеты показали, что выбранный для частичной бурошне-
ковой отработки околоствольный охранный целик по пласту l1 не
находится в предельно-напряженном состоянии и не опасен по
проявлению динамических явлений. При отработке участка в ос-
тавляемых межкамерных целиках, шириной не менее 2 м, не соз-
дается критических напряжений, и они не представляют опасно-
сти по проявлению горных ударов.
СПИСОК ССЫЛОК
1. СОУ 10.1.00174088.011-2005 Правила ведення гірничих робіт
на пластах, схильних до газодинамічних явищ: Затв. Наказом
Мінвуглепрому України від 30 грудня 2005 року № 145. – Ки-
їв: Изд. МакНИИ, 2005, - 225 с.
2. Каталог горных ударов на шахтах СССР – Л.: ВНИМИ,
1981. – 82 с.
3. Петухов И.М. Горные удары на угольных шахтах. – М: Недра,
1972. – 222 с.
4. Расчет и экспериментальная оценка напряжений в целиках и
краевых частях пласта угля. – Л. ВНИМИ, 1973. – 130 с.
|