Геомеханічне обгрунтування способу управління станом гірничого масиву при щитовій відробці крутих вугільних пластів - Автореферат

Широкий розвиток отримав спосіб управління станом масиву за рахунок попереднього зволоження вугільного пласта водяними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР), який застосовується як для запобігання газодінамічним явищам, так і як спосіб управління гірничим тиском у підготовчих та очисних виробках. Метою роботи є обгрунтування способу управління напружено-деформованим станом гірничого масиву навколо вентиляційних та вуглеспускних печей щитових агрегатів, який забезпечує їх підтримання на весь період експлуатації. Розробка способу активного управління напружено-деформованим станом крутого пласта навколо підготовчих виробок, який базується на його попередньому зволоженні водяними розчинами ПАР та враховує зміни газового тиску у вугільному пласті в умовах під-і надробки. Ідея роботи полягає у використанні встановлених особливостей зміни напружено-деформованого стану вуглепородного масиву навколо щитового вибою та зміни тиску газа у розробляємому вугільному пласті при відробці його у світі пластів для обгрунтування парметрів способу охорони вентиляційних печей, який базується на фізико-хімічній дії на вугільний пласт. В дисертації був використований комплексний метод, який включає в себе: аналіз та узагальнення досвіду підтримання печей при щитовій відробці крутих пластів, попередній надробці та підробці пласта з метою зміни його напружено-деформованого стану, аналітичні дослідження, лабораторні та шахтні експерименти, обробку результатів вимірювань за допомогою методів математичної статистики, розробку та експериментальну перевірку методу фізико-хімічної дії на вугільний пласт з метою створення умов охорони печей і визначення його економічної ефективності.Для виконання експеріментальних досліджень були використані як апробовані методи для визначення величин та швидкостей зближення бокових порід в гірничих виробках за допомогою контурних реперів, так і оригінальна методика, яка дозволила визначити не тільки зміщення порід на контурі та в глибині масиву, але і швидкість газовіддачі вугільного пласта на різному віддаленні від виробки. Для визначення напружено-деформованого стану вугільного пласта були використані методи ДОНФТІ та МАКНДІ сейсмоакустичного зондування, а також методика ДДТУ, яка базується на радіозондуванні шпурів. Особливістю технології щитової відробки крутих пластів є те, що одна виробка - вентиляційна пічь проводиться одночасно з видобутком вугілля у вибої і кріплення здійснюється з невеликим запізненням від нього, а друга виробка - вуглеспускна пічь погашується відразу після проходження вибою. Таким чином, одна і таж виробка знаходиться під дією зони впливу очисного вибою, а також зони ПГТ, яка формується гірничими роботами на верхньому етажі цьогож пласта, та зон ПГТ від сусідніх пластів. З розвитком гірничих робіт уздовж пласта, коли розміри виробленого простору уздовж простягання складають більше 100-150 м та з відходом щитового агрегату від вентиляційного горизонту на 50-60 м, що відповідає кроку обвалення основної покрівлі уздовж падіння, зафіксовані найбільші швидкості зближення.В дисертаційній роботі надано нове рішення актуальної наукової задачі, яке міститься у встановленні особливостей зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву біля щитового вибою та оточуючих його виробок в залежності від ступеню відробленності пласта уздовж простягання та падіння, впливу гірничих робіт з сусідніх пластів з метою обгрунтування способу охорони вентиляційних та вуглеспускних печей, який базується на управлінні напружено-деформованим станом гірничого масиву за допомогою попереднього зволоження водяними розчинами ПАР. Аналіз досвіду робіт шахт Центрального району Донбасу та досліджень ведучих наукових установ дозволив визначити перспективи вирішення проблеми - створення способів управління напружено-деформованим станом гірничого масиву на межі з виробкою, які дозволять знизити імовірність руйнування нижніх шарів порід покрівлі та вугільного пласта на межі з кріпленням виробки. Найбільше інтенсивне зближення бокових порід в печах відбувається в зонах ПГТ та опорного тиску попереду вибою: швидкості зближення збільшуються до 4,0 мм/годину або в 2,4 рази у порівнянні з іншими дільницями. Встановлено, що очисні роботи уздовж суміжних пластів приводять до розшарування порід міжпластя, зміни їх фізико-механічних властивостей, а також фізико-механічних властивостей вугільного пласта та знижують тиск газу в пласті до рівня 0,5 МПА. В результаті аналізу результатів досліджень розроблена геомеханічна схема для оцінки напружено-деформованого стану гірничого масиву біля вентиляційної печі, на підставі якої розроблений та експеріментально апробований в шахтних умовах спосіб охорони печей, що базується на попередньому зволоженні пласта водяними розчинами ПАР.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В дисертаційній роботі надано нове рішення актуальної наукової задачі, яке міститься у встановленні особливостей зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву біля щитового вибою та оточуючих його виробок в залежності від ступеню відробленності пласта уздовж простягання та падіння, впливу гірничих робіт з сусідніх пластів з метою обгрунтування способу охорони вентиляційних та вуглеспускних печей, який базується на управлінні напружено-деформованим станом гірничого масиву за допомогою попереднього зволоження водяними розчинами ПАР.

Встановлено, що через особливий характер деформування порід покрівлі при відробці крутих вугільних пластів щитовими агрегатами, кріплення оточуючих щитовий вибій виробок знаходиться в екстремальних умовах навантаження вже при відході очистних робіт на 50-60 м від вентиляційного горизонту. Аналіз досвіду робіт шахт Центрального району Донбасу та досліджень ведучих наукових установ дозволив визначити перспективи вирішення проблеми - створення способів управління напружено-деформованим станом гірничого масиву на межі з виробкою, які дозволять знизити імовірність руйнування нижніх шарів порід покрівлі та вугільного пласта на межі з кріпленням виробки.

Шахтні дослідження, що виконані на 6 експериментальних дільницях, дозволили встановити особливості прояву гірничого тиску в печах, які містяться в наступному. Найбільше інтенсивне зближення бокових порід в печах відбувається в зонах ПГТ та опорного тиску попереду вибою: швидкості зближення збільшуються до 4,0 мм/годину або в 2,4 рази у порівнянні з іншими дільницями. Причому, в площині напластування породи покрівлі відносно підошви уздовж падіння та простягання у бік виробленого простору на кут до 5°.

Розміри зони опорного тиску попереду щитового вибою та з боку вугільного пласта визначаються швидкістю обробки та розмірами виробленого простору. Якщо в монтажній ніші, яка знаходиться у зоні ПГТ та при тривалому монтажі максимум опорного тиску знаходиться на відстані до 6,0 м від межі пласта, то при працюючому агрегаті максимум наближається на відстань до 2,5-2,8 м. З боку вентиляційної печі максимум розташовується на відстані до 3,5 м. Найбільшого значення зона опорного тиску досягає на сполученні вибою з вуглеспускною піччю при відході вибою на 50-60 м від монтажної печі, тобто при досягненні кроку обвалення основної покрівлі. Тут крайова частина пласта найбільш тріщинувата - 8,0-12,0 одиниць на 1 м, що в 2,0-2,5 рази більше, чим у вентиляційній печі.

Встановлено, що очисні роботи уздовж суміжних пластів приводять до розшарування порід міжпластя, зміни їх фізико-механічних властивостей, а також фізико-механічних властивостей вугільного пласта та знижують тиск газу в пласті до рівня 0,5 МПА. Запропонована розрахункова формула для його визначення та виконано зрівняння розрахункових та фактичних даних з кількох шахтопластів. Дослідженнями, які виконані за методикою автора, встановлена залежність між геомеханічними процесами навколо виробки та газовіддачею вугільного пласта.

В результаті аналізу результатів досліджень розроблена геомеханічна схема для оцінки напружено-деформованого стану гірничого масиву біля вентиляційної печі, на підставі якої розроблений та експеріментально апробований в шахтних умовах спосіб охорони печей, що базується на попередньому зволоженні пласта водяними розчинами ПАР.

Запропонований спосіб охорони печей, який базуєтся на зміні фізико-механічних властивостей вугільного пласта на межі з виробкою за рахунок його зволоження водяними розчинами ПАР. Розрахунки, що виконані за розробленою геомеханічною схемою з застосуванням пружнопластичної моделі, дозволили визначити особливості зміни напружень в гірничому масиві на контурі - зволоження крайової частини на протязі 6-8 м переміщує максимальні дотичні та нормальні напруження в глибину масиву.

В результаті експеріментальної перевірки способу встановлено, що зміщення бокових порід в печі зменшились у зрівнянні з раніш заміряними, що дозволило відробити щитову смугу без ремонту кріплення. Економічний ефект складає понад 15 тисяч гривен на одну піч. Результати роботи ввійшли в галузевий нормативно-методичний документ: “Керівництво з складання паспортів…”

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В РОБОТАХ

Вопросы управления горным давлением на тонких крутых пластах Донбасса /В.Г.Александров, А.В.Аксенов, Н.А.Алышев, Н.А.Шаповал, Е.И.Питаленко, Ю.А.Пивень, Б.И.Курицын, Ю.Г.Литвинов, Э.В.Борисенко, Д.М.Житленок,- Донецк: Лебедь, 1998. - 288 с.

Разработка паспортов управления горным давлением с использоваием компьютерной техники. / Н.А.Шаповал, Н.А.Алышев, Э.В.Борисенко, Д.М.Житленок, Б.И.Курицын, А.А.Левшин, Ю.Г.Литвинов, Ю.А.Пивень, Е.И.Питаленко / Под ред. Н.А.Шаповала. Донецк. - 1998. -118 с.

Житленок Д.М. О газодинамическом состоянии крутого пласта при проведении одиночной выработки. // Уголь Украины. -1984. -№7. -С. 34.

Алексеев А.Д., Питаленко Е.И., Борисенко Э.В., Житленок Д.М. Управление состоянием горного массива при щитовой отработке угольных пластов // Уголь Украины. -1999. -№2. -С. 13-14.

Новые методы борьбы с газом при проведении подготовительных выработок. / Айруни А.Т., Большинский М.И., Большинский И.М., Доморников Ф.Е., Житленок Д.М., Иофис И.М., Лазарев В.Т., Николин В.И., Рубинский А.А., Шестопалов А.В. -М.: ЦНИЭИУГОЛЬ, 1981. -40 с.

Совершенствование способов и средств борьбы с внезапными выбросами газа, угля и породы. / Айруни А.Т., Большинский И.М., Долгова М.О., Зверев И.В., Зенкович Л.М., Иофис И.М., Шестопалов А.В., Большинский М.И., Николин В.В., Яблоков Е.С., Житленок Д.М. -М.: ЦНИЭИУГОЛЬ, 1981. -41 с.

Житленок Д.М Гемеханические процессы при отработке крутых пластов щитовыми агрегатами / Физикотехнические проблемы горного производства. -Донецк: ОФТГП, -1998. -С. 38-43.

Шмелев А.И., Житленок Д.М. Газостатическое состояние надработанной толщи горных пород, вмещающей газоносный угольный пласт, с учетом ее литолого-мощностной характеристики // Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. -М.: Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР, 1985. -С. 32-41.

Житленок Д.М., Борисенко Э.В., Федотов С.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности призабойного пространства щитового агрегата / Физикотехнические проблемы горного производства. -Донецк: ОФТГП, -1998. -С. 20-31.