НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

На правах рукопису

Шевченко Віталій Віталійович

УДК 622.273.23

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

Спеціальність 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

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

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_,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_ 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. 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. .

Нижнє поле поодинокої лави відроблялося на раніше вироблений простір верхнього поля розвантажувальної лави, що відповідає фрагменту планування а на рис. . 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. 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. ), 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. 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.

Механізм взаємного зв’язку параметрів фізичних процесів, що спостерігаються, наступний. При досягненні критичного розміру цілика уміщуючий масив зазнає руйнування. Це руйнування захоплює всю товщу у межах довжини вибою. Тому й регіструється скачок інтенсивності акустичної емісії на обох кінцях очисного вибою. Із поверхні площин руйнування десорбує газ, та починає мігрувати у сторону виробленого простору. З причини високого аеродинамічного опору тріщин руйнування додатковий об’єм газу з’являється у виробленому просторі із запізненням відносно моменту руйнування. Оскільки газ уходить із масиву попереду очисного вибою, об’єм каптажу скрізь свердловини падає. З достатньою для практики точністю можна вважати, що та кількість газу, що пішла із масиву попереду лави із області, що примикає до поверхні руйнування у оточенні цілика, потрапила до виробленого простору. Саме тому спостерігається синхронність та приблизно рівне співвідношення падіння каптажу та збільшення газовиділення із виробленого простору.

Механізм збільшення швидкості конвергенції на контурі примикаючих підготовчих виробок пов’язаний із значним руйнуванням уміщуючого масиву, у результаті чого податливість цілика збільшується, що викликає додаткове ущільнення раніше виробленого простору, який примикає до границь цілика. Такий ефект підтверджений результатами інструментальних спостережень за стійкістю похилих виробок пласту m3 шахти ім. Бажанова на глибині 1100 м та вентиляційного штреку шахти ім. Поченкова на глибині 915 м при відробці лав на границю раніше розвантаженої регіональної зони.

По скачкам інтенсивності акустичної емісії встановлено, що значне руйнування цілика повторюється декілька (до чотирьох) разів, тоді як додаткове газовиділення супроводжує лише перші 2-3 акта руйнування. Багаторазове або повторне руйнування цілика обумовлюється тим, що при критичних розмірах цілика 100-300 м масив не може зруйнуватися повністю за один прийом. Це енергетично невигідний процес. Руйнування великого об’єму масиву відбувається у декілька прийомів, що відповідає мінімуму витрат енергії гірського тиску та максимуму виробництва ентропії. Після декількох актів значного руйнування додаткове газовиділення звільнює пласт від надмірного вмісту газу. Саме тому подальша доробка цілика супроводжується тільки його механічним руйнуванням із постійним падінням газовиділення.

Дані табл. показують, що після досягнення критичного розміру вугільного цілика газовиділення із нього збільшується на 20-50%. При цьому діапазон критичного розміру, при якому починається додаткове газовиділення, змінюється від 181 до 370 м, а закінчується, коли розмір цілика зменшується до 86-240 м. Така велика різниця діапазону пояснюється впливом конфігурації цілика та оточуючого його виробленого простору на критичний розмір самого цілика (см. рис. ). Більший розмір цілика та діапазон його зміни відповідає ситуаціям, коли цілик оконтурений зі всіх сторін виробленими просторами максимального розміру.

Дані табл. свідчать про задовільний збіг результатів встановлення критичного розміру цілика по параметрам трьох фізичних процесів, що досліджувалися під час шахтних експериментів. Висока інформативність параметрів, що використовуються, підтверджена раніше опублікованими результатами аналізу аналогічних експериментів на шахтах Австралії, Канади, Польщі та Японії. Це підтверджує достовірність отриманих експериментальних результатів.

Дослідження особливості зміни напружено-деформованого стану товщі у оточенні цілика на головних стадіях його деформування виконувалося за допомогою математичної моделі, запропонованої М.П. Зборщиком, яка основана на розгляданні головної покрівлі пласта як плити, що опирається на податливу основу неоднорідної жорсткості, та залежить від конфігурації виробленого простору. Переваги цієї моделі полягають у легкості підготовки даних та виборі довільної конфігурації виробленого простору. Модель дозволяє розрахувати нормальні напруження у площині вугільного цілика або виробленого простору, а також згинальні, крутні погонні моменти у породах покрівлі та перерізуючі сили. Еквівалентні напруження порівнювалися із допустимим рівнем. Параметри моделі відкалібровано по даним експериментів, що описані вище. У результаті модель при кроці розбивки розрахункової сітки 50 м дозволяє встановлювати із точністю ±25 м критичний розмір цілика, при якому відбувається його перше значне руйнування.

На рис. показаний приклад розподілу крутних моментів у покрівлі над ціликом 15-ї східної лави. Ці моменти грають вирішальну роль у руйнуванні масиву тому, що породжують дотичні напруження та визначають процес руйнування в уміщуючих породах від зсуву. Можна бачити, що цілик руйнується діагональною тріщиною зсуву, що проходить скрізь сполучення конвеєрного штреку із лавою. Саме по таким тріщинам відбувається із запізнюванням 1,5-5 діб додаткове газовиділення.

Математична модель підтвердила експериментальний висновок про те, що критичний розмір цілика істотно залежить від його конфігурації. На підставі аналізу типових ситуацій (рис. ) встановлено, що при доробці поодинокої, примикаючої та ціликової лав на раніше вироблений простір критичний розмір цілика складає відповідно 0,18, 0,24 та 0,31 від глибини розробки. При цьому руйнування цілика відбувається у декілька етапів (не менше 2-4), оскільки після першого руйнування залишається непорушена область, що у процесі скорочування цілика попадає у зону граничних напружень зсуву. При доробці поодинокої (схеми а, б на рис. ) та ціликової лав (схема д на рис. ) в оточуючих породах відбувається зсув вздовж ліній, що виходять з кутових частин лави та орієнтовані у середину цілика. При доробці примикаючої лави (схема г на рис. ) зсув відбувається вздовж діагоналі, що з’єднує сполучення лави із конвеєрним штреком та пересічення вентиляційного штреку із границею раніше виробленого простору. Додатково зсув реалізується вздовж короткої півдіагоналі, що виходить із сполучення лави із вентиляційним штреком та направленої до центра цілика. При непаралельності забою лави, що дороблюється, та границі раніше виробленого простору симетрія руйнування цілика порушується, а зріз уміщуючої товщі відбувається по короткій півдіагоналі цілика.

Розробка заходів по забезпеченню ефективної та безпечної доробки газонасичених вугільних ціликів відбувалася з урахуванням результатів виконаних експериментальних та теоретичних досліджень. Була розроблена методика прогнозу критичного розміру цілика при його доробці лавою на раніше вироблений простір. Спочатку за допомогою розробленої моделі встановлюється прогнозна оцінка критичного розміру цілика по конкретним гірничо-геологічним та гірничотехнічним початковим даним планування гірничих робіт, що аналізуються. Потім виконується вибір заходів по зниженню додаткового газовиділення із пласту у момент руйнування цілика. У процесі доробки такого цілика виконується уточнення його критичного розміру по даним акустичної емісії та газовиділення по джерелам. Момент руйнування цілика ідентифікується по одночасному підвищенню інтенсивності акустичної емісії у два та більше разів, як у верхній, так і у нижній частинах лави із наступним падінням каптажу та ростом газовиділення із виробленого простору не менше ніж у два рази. При успішно виконаних заходах процес руйнування цілика не повинен супроводжуватися додатковим (сумарним) газовиділенням.

У якості головного заходу прийнята додаткова дегазація вугільного цілика скрізь свердловини, що пробурені у область вірогідного руйнування уміщуючих порід. Ця область встановлюється за місцем розташування максимальних крутних моментів, що встановлюються за допомогою математичної моделі. Для інтенсифікації додаткової дегазації пласта запропоновано використовувати гідродинамічний вплив на пласт скрізь свердловину за методом ІГТМ НАНУ.

Запропоновано також планування очисних робіт, при якому у межах раніше виробленого простору залишають суцільну смугу вугілля шириною із порядком 0,15 глибини розробки. Якщо цю смугу не порушувати очисними роботами, цілик оконтурюється тільки з двох сторін, а його критична ширина зменшується приблизно у два рази в порівнянні із трьохстороннім оконтурюванням.

Проведена промислова перевірка технології гідродинамічного впливу на газоносний пласт в умовах шахти ім. Засядька. Встановлені раціональні параметри способу, що включають темп та тиск нагнітання робочої рідини у свердловину, довжину герметизації устя свердловини та відстань між сусідніми робочими свердловинами, скрізь які виконується гідродинамічний вплив, та дегазаційними, що відводять газ із відробленого пласта. На підставі цих даних розроблено “Тимчасове керівництво по інтенсифікації дегазації гідродинамічним впливом відробляємих вугільних пластів”.

Виконана промислова перевірка методики прогнозу критичного розміру цілика при його доробці 15-ю західною лавою на раніше вироблений простір розвантажувальної лави. Похибка встановлення критичного розміру цілика склала 7 м, що менше заданого рівня похибки у 3 рази. Завдяки виконаним заходам по додатковій дегазації пласта та виробленого простору загальне газовиділення у момент руйнування цілика при досягненні критичного розміру не підвищилося. При початковій швидкості газовиділення 33 м3/хв. вона навіть зменшилася до 20 м3/хв. та менше. Це свідчить про ефективність додаткової дегазації пласта скрізь свердловини, що пробурені у область максимальної вірогідності зсуву уміщуючих порід.

Економічний ефект від впровадження додаткової дегазації отримано за рахунок збільшення допустимого по газовому фактору навантаження на очисний вибій при доробці цілика у порівняні із ситуацією при відсутності додаткової дегазації, та за 2 місяця роботи лави при критичній ширині цілика склав 68 тис. гривень.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науковою роботою, у якій вирішена актуальна науково-прикладна задача геомеханічного обґрунтування параметрів безпечної відробки виїмкових дільниць у процесі формування вугільних ціликів похилих пластів глибоких шахт на підставі встановлених закономірностей протікання фізичних процесів руйнування та газовиділення при формуванні та відробці ціликів, що має велике значення для ефективного та безпечного ведення гірничих робіт на вугільних родовищах із високою багатогазовістю.

В процесі виконання роботи отримані наступні підсумкові наукові висновки та практичні результати.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

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. .

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. .

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. .

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. .

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. .

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. –34.

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

Особистий внесок здобувача у роботах, що опубліковані у співавторстві: у статті [2] запропонував встановлювати критичну ширину цілика по моменту синхронного падіння каптажу та підвищення газовиділення із виробленого простору, у роботах [3, ] виконав аналіз зміни інтенсивності газовиділення із гірського масиву при примусовій інтенсифікації газовиділення, у роботі [5] виконав постановку задачі та теоретичне обґрунтування її рішення, у статті [6] дослідив вплив наявності примикаючого виробленого простору на фільтрацію метану у масиві. У роботі [7] виконав аналіз ефективності з’єднуючих елементів штрекового піддатливого металокріплення. У публікації [8] встановив особливості деструкції вугілля при додатковому газовиділенні із пласту.

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“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.

Key words: pillar, destruction, longwall, degasification, hydrodynamic treatment, gas emission.

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.